半導體元件的接合方法及接合結構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供在界面確保優(yōu)良的導電性及透明性并將半導體元件接合的方法以及基于該接合方法的接合結構。提供在界面確保優(yōu)良的導電性并且能夠進行有利于元件特性的光學特性的設計的半導體元件的接合方法以及基于該接合方法的接合結構。將未被有機分子覆蓋的導電性納米粒子無光學損失地配置于半導體元件的表面，使另一個半導體元件壓接于該導電性納米粒子上。
【專利說明】半導體元件的接合方法及接合結構
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體元件的接合方法及接合結構。
【背景技術】
[0002]通過將各個半導體元件接合，能夠實現(xiàn)半導體裝置的高性能化。代表性的是，在作為光電轉換半導體元件的太陽能電池中，通過使具有不同帶隙的太陽能電池層疊并多接合化，能夠使其吸收較寬范圍的太陽光譜，提高光電轉換效率。
[0003]這種多接合太陽能電池一般是在GaAs基板或Ge基板上統(tǒng)一生長II1-V族半導體單電池(GaAs類)而形成的單片堆疊結構，在該情況下，作為底電池適用在長波長帶具有靈敏度的Ge或InGaAs類，能夠獲得發(fā)電效率超過40%的性能。但是，這些材料的組合是晶格失配類，因此生長技術煩雜且成為成本增加的主要原因。
[0004]另一方面，最近受到注目的智能堆疊結構利用將多個單電池機械性地自由接合的結構能夠將各種單電池容易地組合，從高性能/低成本化的觀點出發(fā)，這是新一代太陽能電池的關鍵技術。在智能堆疊結構中，在各太陽能電池的接合界面處實現(xiàn)不僅確保導電性還確保透明性的接合結構這一點是重要的。另外，與確保透明性同等重要或者更重要的是實現(xiàn)有利于太陽能電池特性的光學特性。
[0005]以往，作為包括太陽能電池的半導體元件的接合方法，公知例如如專利文獻1、2所示，通過導電性粘接劑、即包含微米尺寸的粒子狀金屬化合物、金屬納米絲的有機高分子樹脂進行接合的方法。
[0006]另外，例如如專利文獻3所記載的那樣，報告了一種利用被直徑尺寸為100納米以下的有機分子覆蓋的導電性納米粒子，基于利用納米尺寸化帶來的熔點降低進行導電性納米粒子間的低溫燒結的半導體元件的接合方法。
[0007]但是在上述方法中，由于以下理由，在半導體元件界面上難以實現(xiàn)確保導電性和透明性的接合結構。另外，也難以實現(xiàn)有利于太陽能電池特性的光學特性。
[0008]首先，在專利文獻1、2中，由于因接合后的裝置動作時從元件自身發(fā)出的熱、外部氣溫變化等而引起的有機高分子樹脂的熱膨脹，可能會產生粒子狀金屬化合物、金屬納米絲的非接觸而導致導電性降低或失活。另外，為了維持透光性，需要降低粒子狀金屬化合物、金屬納米絲的濃度，這會對導電性產生不良影響。
[0009]接著，在專利文獻3中，出于提高操作性的目的，通常將所使用的直徑100納米以下的導電性納米粒子利用由有機分子構成的保護膜進行覆蓋。但是，為了獲得接合后良好的導電性，需要進行在燒結后不殘留這些有機分子的工作。
[0010]另外，如上所述，為了在界面維持透明性及透光性，需要降低導電性納米粒子濃度，使其在界面均勻地存在，防止生成大的導電性納米粒子燒結體。但是，粒子濃度的降低會導致燒結頻率的降低，因此接合本身會變得困難。
[0011]另一方面，雖然并不是上述這樣的將太陽能電池等半導體元件彼此接合的技術，但還研究了將兩親性嵌段共聚物作為模板，在基板表面上二維地排列金屬納米粒子，進行向能夠期待量子尺寸效果的元件等的應用(參照專利文獻4、5)。但是，完全沒有對經(jīng)由排列于表面的金屬(導電性)納米粒子而不使用有機分子等粘接劑、粘接用材料地將半導體元件彼此導電性地接合的方式進行研究。
[0012]另外，雖然并不是上述這樣的將太陽能電池等半導體元件彼此接合的技術，但還研究了利用具有任意三維形狀圖案的印模，將通過蒸鍍法等堆積的金屬等的薄膜轉印到其他基板表面來制作納米結構(非專利文獻I)，進行向傳感器元件等的應用(非專利文獻2)。但是，關于使用該印模的技術，完全沒有對經(jīng)由排列于表面的金屬(導電性)納米粒子而不使用有機分子等粘接劑、粘接用材料地將半導體元件彼此導電性地接合的方式進行研究。
[0013]現(xiàn)有技術文獻
[0014]專利文獻
[0015]專利文獻1:日本特開2003-309352號公報
[0016]專利文獻2:日本特開2011-138711號公報
[0017]專利文獻3:日本特開2004-107728號公報
[0018]專利文獻4:日本特開2006-88310號公報
[0019]專利文獻5:W02005/122998 號
[0020]非專利文獻
[0021]非專利文獻 1:Loo et al., Journal of the American ChemicalSociety, 124(2002), 7654.[0022]非專利文獻2:Hatab et al.，ACS Nano, 2 (2008)，377.
【發(fā)明內容】

[0023]發(fā)明要解決的課題
[0024]本發(fā)明是為了彌補如上所述的將半導體彼此接合的現(xiàn)有方法的弱點而開發(fā)的方法，其目的在于提供一種在界面確保優(yōu)良的導電性及透明性地將半導體元件接合的方法以及基于該接合方法的接合結構。
[0025]另外，本發(fā)明的其他目的在于提供一種在界面確保優(yōu)良的導電性并且能夠進行有利于元件特性的光學特性的設計的半導體元件的接合方法以及基于該接合方法的接合結構。
[0026]用于解決課題的方案
[0027]在為了達到上述目的而進行的各種實驗研究的過程中，本申請發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，即便在將未被有機分子覆蓋的導電性納米粒子排列于所接合的半導體元件界面的情況下，也能夠不使用通常使用的有機分子等的粘接劑及粘接用材料地將兩個半導體元件接合，并且能夠將半導體元件之間導電連接。本發(fā)明的接合方法基于以上述目的為前提的上述認知，其特征在于，將未被有機分子覆蓋的導電性納米粒子的單層排列于半導體元件的表面，在其上壓接另一個半導體元件。
[0028]S卩，本發(fā)明具有如下特征。
[0029](I) 一種半導體元件的接合方法，其特征在于，將未被有機分子覆蓋的導電性納米粒子排列于一個半導體元件表面，在該導電性納米粒子之上壓接另一個半導體元件。[0030](2)根據(jù)上述⑴所述的半導體元件的接合方法，其特征在于，導電性納米粒子在上述半導體元件表面的排列是以嵌段共聚物薄膜作為模板而形成的。
[0031](3)根據(jù)上述(1)所述的半導體元件的接合方法，其特征在于，導電性納米粒子在上述半導體元件表面的排列通過利用具備形狀圖案的印模的轉印方法而形成。
[0032](4)根據(jù)上述(1)~(3)中任一項所述的半導體元件的接合方法，其特征在于，上述導電性納米粒子的尺寸為100納米以上500納米以下。
[0033](5)根據(jù)上述(1)或(2)所述的半導體元件的接合方法，其特征在于，上述導電性納米粒子的尺寸為10納米以上200納米以下。
[0034](6)根據(jù)上述(1)~(5)中任一項所述的半導體元件的接合方法，其特征在于，上述導電性納米粒子的排列間隔是導電性納米粒子尺寸的2倍以上10倍以下的距離。
[0035](7)根據(jù)上述(1)~(6)中任一項所述的半導體元件的接合方法，其特征在于，上述導電性納米粒子由Pd、Au、Ag、Pt、N1、Al、In、Ιη203、Zn、ZnO或者它們的復合體構成。
[0036](8)根據(jù)上述(1)~(7)中任一項所述的半導體元件的接合方法，其特征在于，上述半導體元件是使用結晶Si類、非晶Si類、微結晶Si類、有機類或黃銅礦類材料的單接合太陽能電池或者由在GaAs、InP、GaSb或Ge基板上等層疊的兩接合以上構成的太陽能電池。
[0037](9) 一種半導體元件的接合結構，是一對半導體元件的接合結構，在兩個半導體元件的接合面夾有未被有機分子覆蓋的導電性納米粒子。
[0038](10)根據(jù)上述(9)所述的半導體元件的接合結構，其特征在于，夾在兩個半導體元件的接合面的導電性納米粒子是單層。
[0039](11)根據(jù)上述(9)或(10)所述的半導體元件的接合結構，一對半導體元件在接合面具有半導體層或導電層。
[0040](12) 一種半導體元件層疊體，在相鄰的半導體元件之間具備上述(9)~(11)中任一項所述的接合結構，從半導體元件層疊體的層疊方向的一個端面開始到接合面中至少位于最遠位置的接合面為止具備透光性。
[0041](13)根據(jù)上述(12)所述的半導體元件層疊體，半導體元件具有光電轉換功能。
[0042](14)根據(jù)上述(13)所述的半導體元件層疊體，具有光電轉換功能的半導體元件是太陽能電池。
[0043]發(fā)明效果
[0044]根據(jù)本發(fā)明的接合方法，能夠獲得導電性及透明性優(yōu)良的半導體元件接合結構。特別是，在應用于具有不同帶隙的多個太陽能電池的層疊、多接合化的情況下，能夠吸收較寬范圍的太陽光譜，提高光電轉換效率。進而，能夠利用納米結構帶來的光學特性，通過其光約束效果也能夠提高光電轉換效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0045]圖1是表示利用本發(fā)明的接合方法的實施方式中的半導體元件的接合結構的剖面的示意圖。
[0046]圖2是表示本發(fā)明的實施例中所使用的嵌段共聚物薄膜的原子間力顯微鏡像的六邊形狀排列的示例圖。
[0047]圖3是通過本發(fā)明的實施例中所使用的形狀圖案印模制作出的金屬納米結構的六邊形狀排列的示例圖。
[0048]圖4是表示根據(jù)本發(fā)明的實施例制作而成的GaAs/CIGSe類兩接合太陽能電池的接合結構的剖面的示意圖。
[0049]圖5(a)是根據(jù)本發(fā)明的實施例制作而成的GaAs/CIGSe類兩接合太陽能電池的IV特性，圖5 (b)是未夾有鈀納米粒子的GaAs/CIGSe類兩接合太陽能電池的IV特性。
[0050]圖6是表示根據(jù)本發(fā)明的實施例制作而成的GaAs/InP類兩接合太陽能電池的接合結構的剖面的示意圖。
[0051]圖7(a)是根據(jù)本發(fā)明的實施例制作而成的GaAs/InP類兩接合太陽能電池的IV特性，圖7(b)是未夾有金納米粒子的GaAs/InP類兩接合太陽能電池的IV特性。
[0052]圖8是表示根據(jù)本發(fā)明的實施例制作而成的非晶硅/結晶硅類兩接合太陽能電池的接合結構的剖面的示意圖。
[0053]圖9是表示根據(jù)本發(fā)明的實施例制作而成的GaAs/InP類兩接合太陽能電池的接合結構的剖面的示意圖。
[0054]圖10是根據(jù)本發(fā)明的實施例制作而成的GaAs/InP類兩接合太陽能電池的IV特性。
【具體實施方式】
[0055]下面，使用【專利附圖】

【附圖說明】本發(fā)明的詳情。
[0056]圖1是表示利用本發(fā)明的接合方法的半導體元件的接合結構的剖面的示意圖。在圖1中，接合結構101由底半導體元件102和頂半導體元件103構成，它們之間以存在導電性納米粒子104的狀態(tài)進行接合。
[0057]底半導體元件102和頂半導體元件103優(yōu)選在各自的接合面上具有半導體層或導電層，在該情況下，一方的接合面的半導體層和/或導電層與另一方的接合面的半導體層和/或導電層經(jīng)由導電性納米粒子104而導電連接。
[0058]相互接合的半導體元件的數(shù)量并不限于一對，但在半導體元件層疊體中，優(yōu)選設定成能夠確保所需的透光性的范圍的數(shù)量。作為接合的半導體元件，優(yōu)選列舉出具有透光性的元件、光電轉換元件。作為光電轉換元件，優(yōu)選是太陽能電池這樣的將光轉換成電能的元件，但也可以是相反地將電能轉換成光的元件。
[0059]作為太陽能電池，可以列舉出GaAs類太陽能電池、CIS類(黃銅礦類)太陽能電池、由在GaAs、InP、GaSb或Ge基板上等層疊的一接合或兩接合以上構成的太陽能電池等化合物類太陽能電池、Si結晶太陽能電池、非晶硅太陽能電池、微晶硅太陽能電池等硅類太陽能電池、有機類太陽能電池及染料敏化太陽能電池等。
[0060]作為導電性納米粒子，可以列舉出Pd、Au、Ag、Pt、N1、Al、Zn、In等金屬納米粒子及Ζη0、Ιη203等金屬氧化物納米粒子等。為了獲得良好的導電性，導電性納米粒子的尺寸優(yōu)選為10納米以上，更優(yōu)選為20納米以上，進而優(yōu)選為30納米以上。另一方面，為了抑制納米粒子導致的光的吸收/散射，導電性納米粒子的尺寸優(yōu)選為100納米以下，更優(yōu)選為80納米以下，進而優(yōu)選為60納米以下，但只要是200納米以下(更優(yōu)選為150納米以下，進而優(yōu)選為120納米以下)，相比超過200納米的粒子，就能夠抑制光的吸收/散射。另一方面，為了促進納米粒子導入帶來的光約束效果，優(yōu)選為120納米以上、500納米以下，更優(yōu)選為150納米以上、300納米以下，進而優(yōu)選為180納米以上、250納米以下。另外，本發(fā)明中的“導電性納米粒子的尺寸D”(在下文中有時將該尺寸D稱為“平均尺寸”)定義如下。
[0061]D=(XDi)/n
[0062][其中，D是導電性納米粒子的尺寸，Di是存在于預定觀察區(qū)域中的任意粒子的粒子徑(=(長徑+短徑)/2)，n是存在于該觀察區(qū)域的粒子的個數(shù)(η是統(tǒng)計處理上足夠大的數(shù)，通常為20以上)]
[0063]導電性納米粒子沒有被有機分子等的保護膜、粘接劑以及粘接用材料覆蓋，并且，各個獨立的粒子形成均勻地排列的單層。例如，如圖2、圖3所示，可以排列成在任意一個粒子的周圍，六個粒子形成六邊形的(偽)六邊形狀排列等。為了使光良好地透過，導電性納米粒子的排列間隔優(yōu)選具有納米粒子的尺寸的至少2倍以上的距離(更優(yōu)選為3倍以上)。另一方面，為了確保所需的導電性，優(yōu)選為10倍以下(更優(yōu)選為7倍以下)。例如，如果導電性納米粒子的尺寸是40納米，則排列間隔為80納米以上、400納米以下。此時，導電性納米粒子與上下的半導體元件形成歐姆接合，并且在界面均勻地排列，因此能夠獲得優(yōu)良的導電性。另外，粒子間的凝集得以抑制，因而還能夠獲得優(yōu)良的透光性。另一方面，例如，如果導電性納米粒子的尺寸是200納米，則排列間隔為400納米以上、2000納米以下。此時，導電性納米粒子與上下的半導體元件形成歐姆接合，并且在界面均勻地排列，因此能夠獲得優(yōu)良的導電性。另外，通過納米粒子和納米粒子排列的光學特性，還能夠獲得有利于元件特性的光約束效果。另外，本發(fā)明中的“導電性納米粒子的排列間隔L”定義如下。
[0064][數(shù)式I]
【權利要求】
1.一種半導體元件的接合方法，其特征在于， 將未被有機分子覆蓋的導電性納米粒子排列于一個半導體元件表面，在該導電性納米粒子之上壓接另一個半導體元件。
2.根據(jù)權利要求1所述的半導體元件的接合方法，其特征在于， 導電性納米粒子在上述半導體元件表面的排列是以嵌段共聚物薄膜作為模板而形成的。
3.根據(jù)權利要求1所述的半導體元件的接合方法，其特征在于， 導電性納米粒子在上述半導體元件表面的排列通過利用具備形狀圖案的印模的轉印方法而形成。
4.根據(jù)權利要求1?3中任一項所述的半導體元件的接合方法，其特征在于， 上述導電性納米粒子的尺寸為100納米以上500納米以下。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的半導體元件的接合方法，其特征在于， 上述導電性納米粒子的尺寸為10納米以上200納米以下。
6.根據(jù)權利要求1?5中任一項所述的半導體元件的接合方法，其特征在于， 上述導電性納米粒子的排列間隔是導電性納米粒子尺寸的2倍以上10倍以下的距離。
7.根據(jù)權利要求1?6中任一項所述的半導體元件的接合方法，其特征在于， 上述導電性納米粒子由Pd、Au、Ag、Pt、N1、Al、In、In2O3> Zn、ZnO或者它們的復合體構成。
8.根據(jù)權利要求1?7中任一項所述的半導體元件的接合方法，其特征在于， 上述半導體元件是使用結晶Si類、非晶Si類、微晶Si類、有機類或黃銅礦類材料的單接合太陽能電池或者由在GaAs、InP、GaSb或Ge基板上等層疊的兩接合以上構成的太陽能電池。
9.一種半導體元件的接合結構，是一對半導體元件的接合結構，其特征在于， 在兩個半導體元件的接合面夾有未被有機分子覆蓋的導電性納米粒子。
10.根據(jù)權利要求9所述的半導體元件的接合結構，其特征在于， 夾在兩個半導體元件的接合面的導電性納米粒子是單層。
11.根據(jù)權利要求9或10所述的半導體元件的接合結構，其特征在于， 一對半導體元件在接合面具有半導體層或導電層。
12.—種半導體元件層疊體，在相鄰的半導體元件之間具備權利要求9?11中任一項所述的接合結構，其特征在于， 從半導體元件層疊體的層疊方向的一個端面開始到接合面中至少位于最遠位置的接合面為止具備透光性。
13.根據(jù)權利要求12所述的半導體元件層疊體，其特征在于， 半導體元件具有光電轉換功能。
14.根據(jù)權利要求13所述的半導體元件層疊體，其特征在于， 具有光電轉換功能的半導體元件是太陽能電池。
【文檔編號】H01L31/04GK103890976SQ201280050852
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年10月17日 優(yōu)先權日:2011年10月17日
【發(fā)明者】水野英范, 牧田紀久夫 申請人:獨立行政法人產業(yè)技術綜合研究所