(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１太陽電池と、
前記第１太陽電池に含まれ、ドープシリコン基板の少なくとも一部を貫通する第１シリコン貫通ビア（第１ＴＳＶ）と、
前記第１太陽電池に含まれ、前記ドープシリコン基板の少なくとも他の部分を貫通する第２ＴＳＶと
を備え、
前記第１ＴＳＶは、（ａ）（ｉ）前記ドープシリコン基板とは反対にドープされた第１側壁及び（ａ）（ｉｉ）前記第１ＴＳＶを実質的に満たす第１コンタクトを有し、
前記第２ＴＳＶは、（ｂ）（ｉ）前記ドープシリコン基板を含む第２側壁及び（ｂ）（ｉｉ）前記第２ＴＳＶを実質的に満たす第２コンタクトを有し、
前記第１及び第２コンタクトはそれぞれ、実質的に透明な導電材料を含む、装置。
【請求項２】
前記第１コンタクトの第１底面は、第１反射金属部に結合し、前記第２コンタクトの第２底面は、第２反射金属部に結合し、前記第１及び第２反射金属部は、前記第１及び第２ＴＳＶ内に光を反射するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１反射金属部は、銅及びアルミニウムの少なくとも一つを含む、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記第１反射金属部は、前記ドープシリコン基板の底面に直接接触している、請求項２又は３に記載の装置。
【請求項５】
前記第１コンタクトは陽極であり、前記第２コンタクトは陰極であり、前記ドープシリコン基板はｐドープされており、前記第１側壁はｎドープされている、請求項２に記載の装置。
【請求項６】
前記第１コンタクトの第１底部は、前記第１コンタクトの第１上部よりも狭い、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
第２太陽電池と、
前記第２太陽電池に含まれ、前記ドープシリコン基板の少なくとも一部を貫通する追加ＴＳＶと
を備え、
前記追加ＴＳＶは、（ｃ）（ｉ）前記ドープシリコン基板と反対にドープされた追加側壁と、（ｃ）（ｉｉ）前記追加ＴＳＶを実質的に満たす追加コンタクトとを含み、
前記第２ＴＳＶは、前記第１及び第２太陽電池の両方に含まれ、
前記追加コンタクトは、前記導電材料を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
第２太陽電池と、
前記第２太陽電池に含まれ、前記ドープシリコン基板の少なくとも他の部分を貫通する追加ＴＳＶと
を備え、
前記追加ＴＳＶは、（ｃ）（ｉ）前記ドープシリコン基板を含む追加側壁及び（ｃ）（ｉｉ）前記追加ＴＳＶを実質的に満たす追加コンタクトを有し、
前記第１ＴＳＶは前記第１及び第２太陽電池の両方に含まれ、
前記追加コンタクトは前記導電材料を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記第１側壁は、ＰＮ接合を含む界面において前記ドープシリコン基板と接触する、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記ＰＮ接合は、第１側壁の上端から前記第１側壁の下端へ延び、前記第１側壁は、前記ドープシリコン基板の上端から前記ドープシリコン基板の下端へ延びる、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記ＰＮ接合は、長さが少なくとも５０μｍである、請求項９又は１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記ＰＮ接合は、前記ドープシリコン基板の上部に形成されたデバイス層の下に延びる、請求項９から１１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
前記第１コンタクトの第１底部は、前記第１コンタクトの第１上部より広い、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１４】
前記第１太陽電池は、システムオンチップ（ＳＯＣ）上に含まれ、バッテリ及びトランジスタの少なくとも一つに電気的に結合し、前記バッテリ及び前記トランジスタの少なくとも一つは、前記ＳＯＣ上であるが前記第１太陽電池の外側に位置する、請求項１から１３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１５】
前記第１コンタクトの上端はカバーされておらず、光を前記ＴＳＶに通過させるように構成されている、請求項１から１４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１６】
前記第１コンタクトの上面は、（ａ）前記上面の外側部分よりも前記上面の中央部分の方が前記ドープシリコン基板の底面により近い凹面と、（ｂ）平坦でありかつ大まかに基板の長軸に平行な面とを含むグループから選択される、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
第１太陽電池に含まれ、ドープ基板の上面から前記ドープ基板の底面に延びる第１ビアであって、（ａ）（ｉ）前記ドープ基板とは反対にドープされた第１側壁及び（ａ）（ｉｉ）前記第１ビアを実質的に満たす第１コンタクトを有する第１ビアと、
前記第１太陽電池に含まれ、前記上面から前記底面に延びる第２ビアであって、（ｂ）（ｉ）前記ドープ基板を含む第２側壁及び（ｂ）（ｉｉ）前記第２ビアを実質的に満たす第２コンタクトを有する第２ビアと
を備え、
前記第１及び第２コンタクトはそれぞれ、透明導電材料を含む、装置。
【請求項１８】
前記第１及び第２コンタクトの下端は、前記ドープ基板の底面に直接接触する反射金属に結合する、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
第２太陽電池に含まれ、前記上面から前記底面に延びる追加ビアであって、（ｃ）（ｉ）前記ドープ基板とは反対にドープされた追加側壁及び（ｃ）（ｉｉ）前記追加ビアを実質的に満たす追加コンタクトを有する追加ビア
を備え、
前記第２ビアは、前記第１及び第２太陽電池の両方に含まれ、
前記追加コンタクトは、前記透明導電材料を含む、請求項１７又は１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記第１側壁は、前記ドープ基板の上端から前記ドープ基板の下端に延びるＰＮ接合を含む界面において、前記ドープ基板と接触する、請求項１７から１９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２１】
ドープ基板の底面に直接接触する反射金属を形成する段階と、
前記反射金属を互いに接触しない複数の部分にパターニングする段階と、
第１太陽電池に含まれ、前記ドープ基板の上面から前記ドープ基板の底面にそれぞれ延びる第１及び第２ビアを形成する段階と、
前記第１ビアの第１側壁を、前記ドープ基板とは反対にドープされる形でドープする段階と、
前記第１及び第２ビアを実質的に満たし、前記反射金属に結合される第１及び第２コンタクトを形成する段階と
を備え、
前記第１及び第２コンタクトはそれぞれ、実質的に透明な導電材料を含む、方法。
【請求項２２】
前記第１側壁は、前記ドープ基板の上端から前記ドープ基板の下端に延びるＰＮ接合を含む界面において前記ドープ基板に接触する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
第２太陽電池に含まれ、前記上面から前記底面に延びる追加ビアを形成する段階と、
前記追加ビアの追加側壁を、前記ドープ基板とは反対にドープされる形でドープする段階と、
前記追加ビアを実質的に満たし、前記反射金属に結合される追加コンタクトを形成する段階と
を備え、
前記第２ビアは、前記第１及び第２太陽電池の両方に含まれ、前記追加コンタクトは、前記透明な導電材料を含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１コンタクトは陽極であり、前記第２コンタクトは陰極であり、前記ドープ基板はｐドープさており、前記第１側壁はｎドープされている、請求項２２又は２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の複数の実施形態は、半導体デバイス、特に、太陽電池の分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
チップ上のシステム又はシステムオンチップ（ＳＯＣ）は、コンピュータ又は他の電子システムの複数のコンポーネントを単一のチップに統合する集積回路（ＩＣ）である。ＳＯＣは、デジタル、アナログ、混合信号、及び／又は無線周波数の機能を（全て単一のチップ基板上に）含み得る。ＳＯＣは、振動、温度差、又は光を電力に変換するシステムを用いる自家動力式であり得る。例えば、ＳＯＣ上に位置する太陽電池が、ＳＯＣに電力を供給し得る。太陽電池は、光起電力効果を用いて光エネルギーを電力に変換する電気デバイスである。太陽電池の電流、電圧、及び抵抗は、太陽電池の上に光が入射したときに変化する。光にさらされたときに、太陽電池は、いかなる外部電源も取り付けられることなく、電流を生成することができる。光は、可視であり得、又は、不可視（例えば、赤外光）であり得る。従来のＳＯＣが太陽電池を含み得る一方で、従来の（太陽電池からのエネルギーを蓄える）シリコン太陽電池バッテリによって生成される電流（それによって生成される電力）は、照度レベルによっては、非常に低く（例えば、１ｍＷｈ）なり得る。そのような低い電流・電力の量は、ＳＯＣ（例えば、従来の（相補型金属酸化膜半導体）（ＣＭＯＳ）回路）上の多数の回路にとって不十分になり得る。従って、そのような従来のシステムは、ＳＯＣ上の複数の回路に電力を供給するための付加的なバッテリ（例えば、リチウムイオンバッテリ）を必要とし得る。
【図面の簡単な説明】
【０００３】
本発明の複数の実施形態の特徴及び利点が、添付の特許請求の範囲、１又は複数の例示的な実施形態の以下の詳細な説明、及び対応する複数の図から明らかになるであろう。
【図１】シングルウェルＣＭＯＳプロセスによって形成されたオンチップ太陽電池形式の従来の太陽電池を含む。
【図２】本発明の一実施形態における複数のＴＳＶベースの太陽電池を示す。
【図３ａ】は、本発明の一実施形態におけるＳＯＣ内の（線状パターンにアレンジされた）複数のＴＳＶベースの太陽電池を含む。
【図３ｂ】は、本発明の一実施形態におけるＳＯＣ内の（交互パターンにアレンジされた）複数のＴＳＶベースの太陽電池を含む。
【図４】は、本発明の一実施形態における方法を含む。
【発明を実施するための形態】
【０００４】
以下では複数の図面を参照する。図中、同様の構造には末尾に同様の参照符号表示が付され得る。様々な実施形態の構造をより明らかに示すべく、本明細書に含まれる複数の図面は、半導体／回路構造の概略図である。従って、製造された集積回路構造の外観は、複数の例示された実施形態の特許請求される複数の構造を変わらず組み込んではいる一方で、例えば、顕微鏡写真においては、異なるように見える場合がある。さらに、複数の図面は、示される複数の実施形態を理解する上で有用な複数の構造だけを示し得る。複数の図面の明確性を保持すべく、当該技術分野において既知の追加的な構造は含まれていない場合がある。例えば、半導体デバイスの全ての層が必ずしも示されていない。「一実施形態」、「様々な実施形態」等は、そのように説明される実施形態が複数の特定の特徴、構造、又は特性を含み得るが、全ての実施形態が複数の特定の特徴、構造、及び特性を必ずしも含まないことを示す。いくつか実施形態は、他の実施形態について説明される複数の特徴のうちのいくつか又は全てを有し得るか、又はそれらのうちの全てを有し得ない。「第１の」、「第２の」、「第３の」および同様のものは共通の対象を説明し、同様の複数の対象の異なる例が参照されていることを示す。そのような複数の形容詞は、そのように説明される複数の対象物が、時間的、空間的、序列、又はその他の態様のいずれかで、所与の順番でなければならないことを暗示するものではない。「接続」は、複数の要素が互いに直接物理的に又は電気的に接触していることを示し得る。「結合」は、複数の要素が互いに協働又は相互作用することを示し得るが、それらは、直接物理的に又は電気的に接触していても、していなくてもよい。 
【０００５】
上述のように、ＳＯＣの中には、太陽電池を含むものがある。そのような太陽電池の一例が、「"Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｅｒｉｅｓ−ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ  ｏｎ−ｃｈｉｐ  ｓｏｌａｒ  ｂａｔｔｅｒｙ  ｉｎ  ａ  ｔｒｉｐｌｅ−ｗｅｌｌ  ＣＭＯＳ  ＬＳＩ"，Ｈｏｒｉｇｕｃｈｉ，Ｆ．，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｖｏｌ．５９，Ｎｏ．６（２０１２）：１５８０−１５８４」において取り組まれている。例えば、図１は、シングルウェルＣＭＯＳプロセスによって形成されたオンチップ太陽電池形式の従来の太陽電池を含む。デバイス１００は、ｎウェル１３５及びｐ＋ソース／ドレイン１７５から成るＰＮ接合フォトダイオード１２０と、ｐ基板１０５及びｎ＋ソース／ドレイン１２５から成るフォトダイオード１１０とを含むオンチップ太陽電池を含む。これらのフォトダイオードは、ＮＭＯＳＦＥＴ１６０、ＰＭＯＳＦＥＴ１６５、短絡要素１５０、１５５、ｎウェルノード１３０、及びｐ基板ノード１４０、１４５を用いて直列に接続される。正光誘起電圧がＶＤＤに対して印加され、負電圧がＶＳＳに印加されて、太陽電池を形成する。ＣＭＯＳ回路１１５の複数のコンポーネントのような、デバイスの複数の部分が、ＣＭＯＳ回路における不必要な光電流を避けるべく、シェーディング金属層１７０によって覆われ得る。図１の平面太陽電池によって生成される電流（及びそれによって生成される電力）は、非常に低くなり得る。
【０００６】
それに対して、一実施形態は、基板ウェハ（例えば、シリコン基板）を通して形成された（例えば、エッチングされた）ビアである、シリコン貫通ビア（ＴＳＶ）を用いてＰＮ接合エリアを増加させることによって、オンチップ太陽電池によって生成され得る最大電流及び電力密度を改善する。このことは、ＳＯＣに電力を供給する、又は、（太陽電池として同じＳＯＣ上又はそれ以外の場所にあるが、いずれにしても太陽電池に結合されている）バッテリをスタンバイ中にリチャージする（結果としてバッテリ寿命を延ばす）べく、より効率的なオンチップ太陽エネルギー収集を可能にする。例えば、ＴＳＶが形成された後、光電流生成のためのＴＳＶの側壁に沿ったＰＮ接合を形成すべく、ｎ型（又はｐ型）ドーパントの浅い角度の注入が、ｐ型（又はｎ型）基板に適用される。それから、ＴＳＶは、透明導電材料で埋められ、透明導電材料は、太陽電池のための陽極（又は陰極）になる。追加ＴＳＶは、ドープ側壁を欠き得、その代わりにｐ型（ｎ型）基板を利用し得る。それから、追加ＴＳＶは、透明導電材料で埋められ、透明導電材料は、ドープ側壁を有するＴＳＶのそれとは反対のノード（陽極又は陰極）になり、それによって、陽極及び陰極を有する太陽電池を形成する。 
【０００７】
ここで、図１は、慣例的に、太陽電池用のＰＮ接合が、シリコンウェハのトランジスタ側（フロントエンドのデバイス層）に、Ｐ＋／ＮＷＥＬＬ、Ｎ＋／ＰＷＥＬＬ、及びＮＷＥＬＬ／ＰＷＥＬＬ接合によってどのように形成されるかを示す。結果として、ＰＮ接合エリアは、せいぜい、太陽電池の専用のシリコンのエリア（例えば、図１の、金属１７０によってシールドされていないエリア１２５、１７５を含むエリア）に等しい。しかしながら、一実施形態におけるＰＮ接合は、ＴＳＶトレンチの側壁に沿って形成される。ＴＳＶ毎のＰＮ接合の有効面積（言い換えると、ＴＳＶトレンチの外周とシリコンウェハの厚みとの積）は、平面太陽電池又はＴＳＶの対によって占められる面積よりも大きくなることができる（ＰＮ接合エリアがせいぜい太陽電池の専用のシリコンのエリアに等しい従来のシステムに対する顕著な利点）。その結果、面積当たりに生成される光電流（面積当たりに生成される電力）は、平面太陽電池に比較して増大する。この実施形態及び他の実施形態のより詳細な説明が以下に続く。
【０００８】
図２は、本発明の一実施形態における複数のＴＳＶベースの太陽電池を示す。装置２００は、ドープシリコン基板２０５の少なくとも一部を貫通する第１ＴＳＶ２１０'を有する。この実施形態において、基板はｐ型ドープ基板である。第１ＴＳＶ２１０'は、ドープシリコン基板と反対にドープされた側壁２２０、２２１を有する。従って、基板２０５はＰ型にドープされており、側壁２２０、２２１はＮ型にドープされている。ＴＳＶ２１０'は、ＴＳＶ２１０'を実質的に埋める第１コンタクト２１０を含む（そのビアが基板を貫通する開口であり、そのコンタクトがその開口を埋める金属である）。図２はまた、ドープシリコン基板２０５の少なくとも他の部分を貫通する第２ＴＳＶ２１５'を含む。ＴＳＶ２１５'は、ドープシリコン基板２０５を含む（が、側壁２２０、２２１のようにはドープされていない）側壁２２２、２２３を有する。ＴＳＶ２１５'はまた、実質的にＴＳＶ２１５'を埋めるコンタクト２１５を含む。コンタクト２１０、２１５はそれぞれ、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）のような、実質的に透明な導電材料を含む。コンタクト２１０は陽極を形成し、コンタクト２１５は陰極を形成し、それらが全体として太陽電池２６０を形成する助けとなる。
【０００９】
一実施形態において、コンタクト２１０の下端は反射金属部２３０に（直接的又は間接的に）結合し、コンタクト２１５の下端は反射金属部２３０に（直接的又は間接的に）結合する。一実施形態において、反射金属部２３０は銅及びアルミニウムの少なくとも一つを含むが、他の実施形態はこれに限定されない。一実施形態において、反射金属部２３０は、ドープシリコン基板２０５の底面に直接接触する。
【００１０】
図１はまた、第２太陽電池２６１を含む。より具体的には、装置２００は、ドープシリコン基板２０５の少なくとも一部を貫通する追加ＴＳＶ２１１'を含む。追加ＴＳＶ２１１'は、ドープシリコン基板と反対にドープされた追加側壁２２４、２２５を有する。従って、図２の例において、側壁２２４、２２５は、ｐ型基板２０５と対照的にｎ型ドープ部である。ＴＳＶ２１１'は、実質的にＴＳＶ２１１'を埋める追加コンタクト２１１を含む。また、ＴＳＶ２１５'は、（ＴＳＶ２１０'及び２１５'を含む）第１太陽電池２６０と、（ＴＳＶ２１５'及び２１１'を含む）第２太陽電池２６１との両方に含まれる。さらに、追加コンタクト２１１は、ＩＴＯのような透明導電材料を含む。
【００１１】
図１はまた、（ＴＳＶ２１１'及び２１６'を含む）第３太陽電池２６２を含む。具体的に、装置２００は、第３太陽電池２６２に含まれ、ドープシリコン基板２０５の少なくとも他の部分を貫通する追加ＴＳＶ２１６'を含む。追加ＴＳＶ２１６'は、ドープシリコン基板を含む（が、側壁２２０、２２１のようにはドープされていない）追加側壁２２６、２２７を有する。ＴＳＶ２１６'はまた、追加ＴＳＶ２１６'を実質的に埋める追加コンタクト２１６を含む。ＴＳＶ２１１'は、太陽電池２６１及び太陽電池２６２の両方に含まれ得る。コンタクト２１６は、ＩＴＯのような透明導電材料を含む。
【００１２】
図２において、（多数のドープ側壁の代表例として挙げる）ドープ側壁２２４は、ＰＮ接合及び空乏領域２３７を形成する界面２３８（傾斜又は非傾斜界面）においてドープシリコン基板２０５と接触する。ＰＮ接合は、側壁２２４の上端から側壁２２４の下端に延び、側壁２２４は、ドープシリコン基板２０５の上端からドープシリコン基板２０５の下端に延びる。一実施形態において、ＰＮ接合は、垂直方向において少なくとも５０μｍの長さ（ユニット２３５参照）である。しかしながら、他の実施形態では、４０μｍ、７５μｍ、１００μｍ、１２５μｍ、１５０μｍ、１７５μｍ、２００μｍ又はそれ以上の長さである。一実施形態において、ｎドープ領域（又はｐドープ領域）の幅２３６は、５０ｎｍ、１００ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎｍ、４００ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍ、７００ｎｍ、８００ｎｍ、及び９００ｎｍの幅を含む、１０ｎｍ（言い換えると、非常に急峻な接合）から１，０００ｎｍ（言い換えると、傾斜した接合）の範囲をとり得る。
【００１３】
装置２００の機能に関し、電極２１１、２１５は、太陽電池２６１のような太陽電池を形成し得る電極の代表である。陽極電極２１１は、ｎ型ドナー層２２４と結合し、陰極電極２１５は、ｐ型アクセプタ層２０５と結合する。ドナー及びアクセプタ層のエネルギーレベルは、電子（ｅ−）が、陽極電極２１１に移動（電流２３５参照）するエネルギー勾配が存在するように設計される。言い換えれば、ドナー層２２４（ドープ側壁とも称する）は電子を「提供」し、アクセプタ層２０５（ｐ型基板２０５とも称する）は、電子を「受けとる」（アクセプタはドナーから提供された電子を受け取る）。より具体的に、太陽電池は、ＰＮ接合の空乏領域２３７に光が当たったときに光子（図１の「太陽光」参照）を吸収する。このことは、電子正孔対を生成し、引き続いて、電子正孔対が、ドナーアクセプタ界面２３８において、拡散し、切り離される（図２のエレメント２４０、２３５参照）。電子正孔対は、分割して離れ、電子は陽極電極２１１に移動し、正孔は陰極電極２１５に移動し、これにより、太陽電池の光電流が生成される。
【００１４】
一実施形態において、ＰＮ接合は、ドープシリコン基板２０５の表面部分に形成されたデバイス層よりも、基板のより深くに延びる。例えば、基板２０５の部分２３９は、ＳＯＣのフロントエンドを構成し得、ＳＯＣ上の他の位置には、トランジスタ及び他のデバイスが形成され得る。図１に示されるように、ＰＮ接合は、（ＳＯＣ上の他の場所に位置するために図示されていない）層２３９のデバイス層の「上に」延び、基板の残り２３９'の中を通って延びる。例えば、太陽電池２６０、２６１、２６２は、ＳＯＣ上に含まれ、ＳＯＣ上の他の場所に位置するバッテリ及びトランジスタの少なくとも一つ（バッテリ及び／又はトランジスタは太陽電池２６０、２６１、２６２の外に位置するがＳＯＣ上にある）に電気的に結合する。また、複数の実施形態は、デバイス層に関して、その位置付けについては限定されない。例えば、一実施形態において、デバイス層は、２３９''に含まれ、ＴＳＶ２１０は、基板の残り２３９'''に延びる。
【００１５】
一実施形態において、コンタクト２１０の底部は、コンタクトの上部よりも狭い（図２を参照）。このことは、ＴＳＶ内において最大の量の光をとらえて、その光がＰＮ接合に適用されるようにする助けとなり得る（言い換えると、このように側壁を傾斜させることは、コンタクトの上面から伝わる光を吸収するより広いエリアを提供し得る）。しかしながら、他の実施形態において、コンタクト２１０の底部は、コンタクトの上部よりも広い。機能するために、コンタクト２１０、２１１、２１２、２１５、２１６の上端はカバーされず、光をそのそれぞれのＴＳＶに通すように構成される点に留意されたい。
【００１６】
一実施形態において、第１コンタクトの上面は平坦であり、概して、基板２０５の長軸２８１（これは水平に走っている）に平行である。例えば、図２に示すコンタクト２１０、２１５の上端は、平坦である。このことは、通常のコンタクト形成技術に起因して存在し得る、コンタクトの上端のドーム状の任意のコンポーネントを除去するための平坦化ステップを必要とし得る。しかしながら、他の実施形態は、コンタクトの上面の外側部分よりも、上面の中央部分の方が反射金属２３０により近い凹面（破線２４５参照）であるコンタクト上面を含み得る。このことは、ＰＮ接合が位置する側壁によりよく光を分配し得る。
【００１７】
簡潔にするため、本明細書では、ＴＳＶ２１０'がＴＳＶ２１２'の代表であるので、ＴＳＶ２１２'、コンタクト２１２、及び側壁２２８、２２９については説明しない。
【００１８】
図３ａは、本発明の一実施形態におけるＳＯＣ内に（線状パターンに構成された）複数のＴＳＶベースの太陽電池を含む。例えば、複数の陰極３１５は、陽極３１０と交互に列をなして配列され、全てが基板３０５内に位置する。太陽電池３００のアレイは、ＳＯＣ３５５の他の場所に位置するコンポーネント（例えば、発振器、プロセッサ、バッテリ、トランジスタ）３５０に結合される（例えば、配線３５６）（又は、太陽電池はチップ／ウェハ上に配置され、コンポーネント３５０は他のチップ／ウェハ上に配置され得る）。図３ｂは、本発明の一実施形態におけるＳＯＣ内に（交互パターンに構成された）複数のＴＳＶベースの太陽電池を含む。例えば、電極の列は、交互の陰極３１５及び陽極３１０を含み、全てが基板３０５内にある。太陽電池３００のアレイは、ＳＯＣ３５５上の他の場所に位置するコンポーネント（例えば、発振器、プロセッサ、バッテリ、トランジスタ）３５０に結合される（例えば、配線３５６）。太陽電池のアレイは、コンポーネント３５０が、例えば、発振器又はクロック回路等である場合にコンポーネント３５０に電力を供給し得る、又は、コンポーネントがバッテリ又は他のエネルギー貯蔵デバイスである場合にコンポーネント３５０をチャージし得る。
【００１９】
図４は、本発明の一実施形態における方法を含む。
【００２０】
方法４００は、ドープ基板４０５の底面に直接接触する反射金属４３０を形成する段階（括弧４０１参照）と、反射金属を、互いに接触しない複数の部分（ギャップ４０４参照）にパターニングする段階とを含む。方法４００はまた、複数の太陽電池に含まれる、ビア４１０'、４１５'、４１１'、４１６'、４１２'を形成する段階を含む。複数のビアのそれぞれは、ドープ基板４０５の上面からドープ基板４０５の底面に延びる（括弧４０１参照）。一実施形態において、基板４０５は、可視光スペクトルの吸収厚さである、おおよそ５０μｍから１００μｍに薄化される。従って、入射する光の面から最も遠いＰＮ接合（すなわち、図２のＴＳＶ２１０のより狭い部分のような、ＴＳＶの下端に最も近いＰＮ接合部分）さえも、光電流生成に貢献する。
【００２１】
括弧４０２は、ドープ基板４０５と反対にドープされた態様のビア４１０'、４１１'、４１２'のドーピング側壁４２０に関する。従って、図４において、基板はｐ型基板であり、ドープ側壁はｎ型である。ドーピングは、トレンチ／ビアの側壁に沿ってＰＮ接合を形成すべく、例えば、固体拡散、気相拡散、及び同類のものによって実行されることができる。
【００２２】
括弧４０３は、実質的にビア４１０'、４１５'、４１１'、４１６'、４１２'を埋める、コンタクト４１０、４１５、４１１、４１６、４１２を形成する段階を含む。コンタクトはまた、反射金属４３０に結合する。コンタクトのそれぞれは、実質的に透明な導電材料（例えば、ＩＴＯ）を含む。
【００２３】
コンタクトの上端側の透明金属によって、光（例えば太陽光）がＴＳＶ内に当たり、ＰＮ接合に衝突して光電流を生成する。基板ウェハの裏面に堆積された反射金属は、ＴＳＶの下端に差し込む光が、ＴＳＶの側壁上のＰＮ接合の方に引き返して上方に向かって反射するようにする。ある実施形態では、金属層スタックが、反射金属層上に形成される。しかしながら、ある実施形態では、光がＴＳＶの上端から及びＴＳＶの下端からＴＳＶに入るように、金属層スタックが存在しない、又は、少なくとも一部の位置に存在しなくてよい（言い換えると、ある実施形態では、光が、ＴＳＶ内への多数の開口からＴＳＶ内に入ることができるように、反射金属が存在しなくてよい）。そのような一実施形態において、ＴＳＶは、多様な形態を取り、その上端、下端（図２に示すように）、又はその間の任意のポイント（例えば、砂時計形状）において細くなり得る。また、ある実施形態において、ＴＳＶではないビアが含まれる。言い換えると、（例えば、ノンシリコン基板内に完全に又は部分的に延びる）深いビアが、上述したような太陽電池を形成すべく、ドープ側壁及びそれと同様のものをさらに含み得る。
【００２４】
垂直太陽電池を含む一実施形態が、従来の平面太陽電池に対する重要な利点を提供する。例えば、一実施形態は、平面太陽電池よりも、面積当たり５０ｘ以上の電力（例えば、５０ｍＷｈ）を生成して、結果として、例えばＳＯＣ上にある複数の回路を動作させるために、バッテリ（例えば、リチウムイオンバッテリ）からのより少ない追加電力しか必要としない、又はまったく必要としないようにし得る。たとえ、補助バッテリが必要であっても、実施形態は、そのバッテリから取る電力を少なくし、その結果として、バッテリがリチャージを必要とするまでの時間を増やす。オンチップ太陽電池は、プロセッサ、グラフィックスコンポーネント、メモリ、及び他の電力消費部に電力を供給する通常のバッテリを補い得る。オンチップ太陽電池は、バッテリをチャージし得る。
【００２５】
垂直又はフィンベースの太陽電池を含む一実施形態は、さらなる理由によって、従来の平面太陽電池に対する重要な利点を提供する。例えば、１０μｍの最小ピッチを有する平面太陽電池は、約２００μｍ２の面積を有し得る。しかしながら、コンタクト及び同類のものが太陽電池を結合しなければならないので、この２００μｍ２の全てが光を捕えることができるわけではない。そのため、２００μｍ２は、光吸収のための最大面積であり得る。約０．１μｍの空乏領域の深さを有する、平面太陽電池の総体積は、約２０μｍ３である。
【００２６】
しかしながら、本発明の一実施形態において、ＴＳＶのピッチは、ＴＳＶの半径が１０μｍよりも少ない、約１０μｍであり得る。例えば、直径は、約９μｍであり得る。これは、約３０μｍの外周をもたらす。２００μｍのＴＳＶの深さによって、これは、３０×２００＝６，０００μｍ２の面積を生み出す。平面太陽電池の例において使用されるのと同じドープ濃度と、同じ空乏領域の深さとによって、これは、１０，０００μｍ２×０．１μｍ＝６００μｍ３（平面太陽電池の体積の３０倍の全体の増大）の総体積を生み出す。
【００２７】
上記例では、複数の例示的な値（例えば、平面太陽電池が約２００μｍ２の面積を有し得る）を使用し、これらの値は、光にさらされる太陽電池のより大きな表面積を有する平面太陽電池においては変わり得る。しかしながら、基板の上面上に同じ表面積を含むＴＳＶが、ＴＳＶの深さによるさらなるＰＮの露出を提供するだろう（例えば、平面太陽電池の体積の全体の例えば３０倍の増大）というポイントは残る。ＴＳＶの深さが増加した場合、その増大は、３０倍以上にさえなるだろう。
【００２８】
本明細書において、シリコンを含むものとして折に触れて参照される基板は、ｐ型ドープされている。しかしながら、他の実施形態は、ｎ型ドープ基板を含む。さらに、他の実施形態は、それに限定はされないが、ＧａＡｓ、ＧａＮ、及び同類のもののようなＩＩＩ−Ｖ材料を含む基板を含み得る。その基板は、例えば、それに限定はされないが、ＳｉＣ及び同類のもののような高エネルギースペクトルのための広バンドギャップ材料を含み得る。他の実施形態は、低エネルギースペクトル（例えば、Ｇｅ）のための狭バンドギャップ材料を含む。また、異なる実施形態は、例えば、それに限定はされないが、ｐ型ドーピングのためのホウ素、ガリウム、又はインジウム、及び、ｎ型ドーピングのためのリン、ヒ素、アンチモン、又は窒素のような、異なるドーパントを使用し得る。
【００２９】
様々な実施形態は、半導体基板を含む。そのような基板は、ウェハの一部であるバルク半導体材料であり得る。一実施形態において、半導体基板は、ウェハから個片化されたチップの一部としてのバルク半導体材料である。一実施形態において、半導体基板は、絶縁体上半導体（ＳＯＩ）基板のような絶縁体上に形成された半導体材料である。一実施形態において、半導体基板は、バルク半導体材料上に延在するフィン等、よく知られた構造である。
【００３０】
以下の複数の例が、さらに複数の実施形態に関連する。
【００３１】
例１は、第１太陽電池と、第１太陽電池に含まれ、かつ、ドープシリコン基板の少なくとも一部を貫通する第１シリコン貫通ビア（ＴＳＶ）と、第１太陽電池に含まれ、かつ、ドープシリコン基板の少なくとも他の部分を貫通する第２ＴＳＶとを備え、第１ＴＳＶは、（ａ）（ｉ）ドープシリコン基板と反対にドープされた第１側壁及び（ａ）（ｉｉ）第１ＴＳＶを実質的に埋める第１コンタクトを有し、第２ＴＳＶは、（ｂ）（ｉ）ドープシリコン基板を含む第２側壁及び（ｂ）（ｉｉ）第２ＴＳＶを実質的に埋める第２コンタクトを有し、第１及び第２コンタクトはそれぞれ、実質的に透明な導電材料を含む装置を含む。
【００３２】
例２において、例１の主題は、第１コンタクトの第１底面が第１反射金属部に結合し、第２コンタクトの第２底面が第２反射金属部に結合し、第１及び第２反射金属部が第１及び第２ＴＳＶ内に光を反射するように構成されることを任意に含むことができる。
【００３３】
例３において、例１−２の主題は、第１反射金属部が、銅及びアルミニウムの少なくとも一つを含むことを任意に含むことができる。
【００３４】
例４において、例１−３の主題は、第１反射金属部が、ドープシリコン基板の底面に直接接触していることを任意に含むことができる。
【００３５】
例５において、例１−４の主題は、第１コンタクトが陽極であり、第２コンタクトが陰極であり、ドープシリコン基板がｐドープされており、第１側壁がｎドープされていることを任意に含むことができる。
【００３６】
例６において、例１−５の主題は、第１コンタクトの第１底部が、第１コンタクトの第１上部よりも狭いことを任意に含むことができる。
【００３７】
例７において、例１−６の主題は、第２太陽電池と、第２太陽電池に含まれ、ドープシリコン基板の少なくとも一部を貫通する追加ＴＳＶとを備え、追加ＴＳＶは、（ｃ）（ｉ）ドープシリコン基板と反対にドープされた追加側壁及び（ｃ）（ｉｉ）追加ＴＳＶを実質的に埋める追加コンタクトを有し、第２ＴＳＶは第１及び第２太陽電池の両方に含まれ、追加コンタクトは導電材料を含むことを任意に含むことができる。
【００３８】
例８において、例１−７の主題は、第２太陽電池と、第２太陽電池に含まれ、ドープシリコン基板の少なくとも他の部分を貫通する追加ＴＳＶを備え、追加ＴＳＶは、（ｃ）（ｉ）ドープシリコン基板を含む追加側壁及び（ｃ）（ｉｉ）追加ＴＳＶを実質的に埋める追加コンタクトを有し、第１ＴＳＶは第１及び第２太陽電池の両方に含まれ、追加コンタクトは導電材料を含むことを任意に含むことができる。
【００３９】
例９において、例１−８の主題は、第１側壁が、ＰＮ接合を含む界面においてドープシリコン基板と接触することを任意に含むことができる。
【００４０】
例１０において、例１−９の主題は、ＰＮ接合が、第１側壁の上端から第１側壁の下端へ延び、第１側壁が、ドープシリコン基板の上端からドープシリコン基板の下端に延びることを任意に含むことができる。
【００４１】
例１１において、例１−１０の主題は、ＰＮ接合が、長さが少なくとも５０μｍであることを任意に含むことができる。（全ての実施形態においてではなく）一実施形態において、これは、回路又はバッテリのコンポーネントを動作させるために十分な電力を生成する必要がある限界寸法である。
【００４２】
例１２において、例１−１１の主題は、ＰＮ接合が、ドープシリコン基板の上部に形成されたデバイス層の下に延びることを任意に含むことができる。
【００４３】
例１３において、例１−１２の主題は、第１コンタクトの第１底部が、第１コンタクトの第１上部より広いことを任意に含むことができる。 
【００４４】
例１４において、例１−１３の主題は、第１太陽電池がシステムオンチップ（ＳＯＣ）上に含まれ、バッテリ及びトランジスタの少なくとも一つに電気的に結合し、バッテリ及びトランジスタの少なくとも一つが、ＳＯＣ上であるが第１太陽電池の外側に位置することを任意に含むことができる。
【００４５】
例１５において、例１−１４の主題は、第１コンタクトの上端が、光をＴＳＶに通過させるように構成されていることを任意に含むことができる。
【００４６】
例１６において、例１−１５の主題は、第１コンタクトの上面が、（ａ）上記上面の外側部分よりも上記上面の中央部分の方がドープシリコン基板の底面により近い凹面と、（ｂ）平坦でありかつ大まかに基板の長軸に平行な面とを含むグループから選択されることを任意に含むことができる。
【００４７】
例１７は、第１太陽電池に含まれ、ドープ基板の上面からドープ基板の底面に延びる第１ビアであって、（ａ）（ｉ）ドープ基板と反対にドープされた第１側壁及び（ａ）（ｉｉ）第１ビアを実質的に埋める第１コンタクトを有する第１ビアと、第１太陽電池に含まれ、上記上面から上記底面に延びる第２ビアであって、（ｂ）（ｉ）ドープ基板を含む第２側壁及び（ｂ）（ｉｉ）第２ビアを実質的に埋める第２コンタクトを有する第２ビアとを備え、第１及び第２コンタクトはそれぞれ、透明導電材料を含む、装置を含む。再び、全ての実施形態がＴＳＶを必要とするのではなく、ある実施形態は、太陽電池を形成すべく、（例えば、ノンシリコン基板を通して延びる）複数のビア、又は、複数のＴＳＶに代えて若しくは複数のＴＳＶに加えて、他の開口を使用し得る。
【００４８】
例１８において、例１７の主題は、第１及び第２コンタクトの下端が、ドープ基板の底面に直接接触する反射金属に結合することを任意に含むことができる。
【００４９】
例１９において、例１７−１８の主題は、第２太陽電池に含まれ、上記上面から上記底面に延びる追加ビアであって、（ｃ）（ｉ）ドープ基板と反対にドープされた追加側壁及び（ｃ）（ｉｉ）追加ビアを実質的に埋める追加コンタクトを有する追加ビアを備え、第２ビアは、第１及び第２太陽電池の両方に含まれ、追加コンタクトは、透明導電材料を含むことを任意に含むことができる。
【００５０】
例２０において、例１７−１９の主題は、第１側壁が、ドープ基板の上端からドープ基板の下端に延びるＰＮ接合を含む界面において、ドープ基板と接触することを任意に含むことができる。
【００５１】
例２１は、ドープ基板の底面に直接接触する反射金属を形成する段階と、反射金属を互いに接触しない複数の部分にパターニングする段階と、第１太陽電池に含まれ、ドープ基板の上面からドープ基板の底面に延びる第１及び第２ビアを形成する段階と、第１ビアの第１側壁を、ドープ基板とは反対にドープされる形でドープする段階と、第１及び第２ビアを実質的に満たし、反射金属に結合される第１及び第２コンタクトを形成する段階とを備え、第１及び第２コンタクトはそれぞれ実質的に透明な導電材料を含む方法を含む。
【００５２】
例２２において、例２１の主題は、第１側壁が、ドープ基板の上端からドープ基板の下端に延びるＰＮ接合を含む界面においてドープ基板に接触するということを任意に含むことができる。
【００５３】
例２３において、例２１−２２の主題は、第２太陽電池に含まれ、上記上面から上記底面に延びる追加ビアを形成する段階と、追加ビアの追加側壁を、ドープ基板とは反対にドープされる形でドープする段階と、追加ビアを実質的に満たし、反射金属に結合される追加コンタクトを形成する段階とを備え、第２ビアが、第１及び第２太陽電池の両方に含まれ、追加コンタクトが透明導電材料を含むことを任意に含むことができる。
【００５４】
例２４において、例２１−２３の主題は、第１コンタクトが陽極であり、第２コンタクトが陰極であり、ドープ基板がｐドープされており、第１側壁がｎドープされていることを任意に含むことができる。
【００５５】
本発明の複数の実施形態についての前述した説明は、例示及び説明を目的として提示されてきた。それは全てを網羅していることも、本発明を開示された複数の明確な形態に限定することも意図されていない。この説明及び以下の特許請求の範囲の用語は、左、右、上端、下端、上、下、上部、底部、第１、第２、等の複数の用語を含み、それらは説明の目的だけに用いられるのであって、限定するものであると解釈されるべきではない。例えば、相対的な上下位置を指定する複数の用語は、基板のデバイス側（又はアクティブ面）又は集積回路がその基板の「上端」の表面である状況を言い、参照する標準の地球座標系において、基板の「上端」側が「下端」側より下の方にあっても、依然として「上端」という用語が意味する範囲に入り得るため、実際には基板はいずれの方向をも取り得る。本明細書（特許請求の範囲においても含む）において用いられるように「上」という用語は、第２の層の「上」の第１の層が、第２の層の上に直接存在して第２の層と直接接触するということを、そのようなことが具体的に述べられない限りは示さず、第１の層と第１の層の上の第２の層との間には第３の層又は他の構造が存在し得る。本明細書において説明されたデバイス又は物品の複数の実施形態は、複数の配置及び方向で製造され、使用され、又は輸送され得る。当業者は、上述の教示を踏まえれば多くの変形形態及び変更形態が可能であることを理解できよう。当業者は、複数の図面において示された様々なコンポーネントに対する様々な等価な組み合わせ及び代替物を理解するであろう。従って、本発明の範囲は、この詳細な説明によってではなく、むしろ本明細書に添付の特許請求の範囲によって限定されることが意図されている。
【図１】
0006315854.tif 000002
【図２】
0006315854.tif 000003
【図３Ａ】
0006315854.tif 000004
【図３Ｂ】
0006315854.tif 000005
【図４】
0006315854.tif 000006