DE102004033553A1 - Halbleiterbauelemente aus dünnem Silizium auf keramischem Trägersubstrat und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Es ist bekannt, dass dünne Halbleiterscheiben aus Silizium bei der Weiterverarbeitung zu elektronischen Halbleiterbauelementen (z. B. Solarzellen) brechen oder sich verbiegen. Kosteneinsparungen durch die Verringerung der Si-Scheibendicke können bisher somit nicht genutzt werden. DOLLAR A Eine Lösung für die Herstellung von Halbleiterbauelementen auf dünnen Siliziumscheiben, insbesondere von Solarzellen, ist das Aufkleben der dünnen Siliziumscheibe (3) mit Hilfe einer metallhaltigen Paste (2) auf einen dünnen, aber stabilen keramischen Träger (1). Bei der notwendigen Temperaturbehandlung entsteht a) eine dauerhafte Verbindung zwischen Kleber und Halbleiter (4) sowie zwischen Kleber und Keramikträger (5), b) ein ohmscher Rückseitenkontakt und c) ein Back-Surface-Field (4). Idealerweise erfolgt in der gleichen Temperaturbehandlung die Eindiffusion eines Emitters (6). Metallkontakte (7) und ggf. eine Antireflexbeschichtung vervollständigen die Zelle.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements aus dünnem Silizium (Si) auf einem keramischen Trägersubstrat. Insbesondere handelt es sich um ein photovoltaisches Bauelement (Solarzelle), sehr dünne (<100μm) Siliziumscheiben und um ein keramisches Trägersubstrat.
  • Stand der Technik: Halbleiterbauelemente aus Silizium, insbesondere Solarzellen verwenden als Material einkristalline oder multikristalline Si-Scheiben. Die Si-Scheiben werden üblicherweise durch Sägen von Einkristallen oder Blöcken hergestellt. Die elektronischen Halbleiterbauelemente selbst werden auf der Halbleiterscheibe durch eine Abfolge von Herstellschritten erzeugt. Handelt es sich dabei um Solarzellen, sind wesentliche Herstellschritte: Reinigung, Entfernen des Sägeschadens, Oberflächentexturierung, Emitterdiffusion, Metallisierungen und Aufbringen einer Antireflexschicht. Bei Solarzellen werden die einzelnen Halbleiterbauelemente in der Regel elektrisch miteinander zu einem Solarmodul verbunden und in einen Glas/Kunststoffverbund eingebettet.
  • Die Siliziumscheibe stellt einen erheblichen Kostenfaktor des fertigen Halbleiterbauelements insbesondere bei einer Solarzelle dar. Durch Verringerung der Silizium Scheibendicke werden Kosteneinsparungen erzielt. Ein Mangel dabei ist, dass bei Reduzierung der Scheibendicke die Handhabung der Scheiben bei den genannten Herstellschritten zum Brechen der Scheiben führen kann. Außerdem führen einige der genannten Prozessschritte zum Verbiegen der Siliziumscheibe. Bruch und Verbiegung nehmen mit geringerer Scheibendicke und wachsender Scheibengröße zu. Zudem sind multikristalline Scheiben besonders bruchanfällig. Verbogene Si Scheiben lassen sich nicht zu Modulen verbinden oder zerbrechen beim Einbetten. Dies führt dazu, dass Si-Scheiben mit geringer Dicke und großen Scheibenabmessungen z.Zt. nicht industriell verwendet werden können.
  • Für Halbleiterbauelemente aus Silizium mit geringen Scheibendicken und großen Abmessungen, insbesondere Solarzellen, kann das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden. Dadurch lassen sich Einsparungen an teurem Siliziummaterial erzielen und multikristalline Scheiben und großflächige Si-Scheiben ohne Bruchgefahr verwenden. Außerdem kann die Einbettung in den Glas/Kunststoffverbund gefahrlos erfolgen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht an Si-Scheiben mit glatter Oberflächen gebunden. Das Verfahren ist auch anwendbar auf Siliziumscheiben, die nicht durch Sägen hergestellt wurden, wie z.B. sog. bandgezogenes Si Material oder EFG (Edge Defined Growth) Si-Filme.
  • Das Verfahren ist nicht durch die Größe der Komponenten limitiert.
    •
  • Aufgabe der Erfindung
  • Der angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass sehr dünne Halbleiterscheiben aus Silizium bei der Verarbeitung brechen oder sich verbiegen. Zudem sind Halbleiterbauelemente aus dünnem Si Material nur sehr aufwendig handhabbar, z.B. bei Solarzellen bei der Verschaltung zu Modulen. Dieses Problem wird durch die Verbindung der Halbleiterscheibe mit einem stabilen keramischen Träger vor einer weiteren Bearbeitung gelöst.
  • Zusätzlich wird ein Herstellschritt für die Fertigung dadurch bei Solarzellen eingespart, dass die Emitterdiffusion zeitgleich mit der Verklebung erfolgt.
    •
  • Ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren und ein damit hergestelltes Halbleiterbauelement aus Silizium (Solarzelle) ist in der Zeichnung 1 und 2 dargestellt und wird im Folgenden beschrieben. Drei Optionen für elektrische Anschlüsse sind in 3 dargestellt.
  • Im erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements aus Silizium auf einen keramischen Träger wird auf ein keramisches Trägersubstrat (1) eine metallhaltige Paste als Kleber (2) aufgebracht. Eine dünne Siliziumscheibe (3) wird auf den Kleber aufgelegt und angepresst. Es wird zudem bei Solarzellen ein dotierstoffhaltiges Mittel auf die Siliziumoberfläche aufgebracht. Anschließend wird eine Temperaturbehandlung durchgeführt. Siliziumscheibe und Keramik werden dabei unlösbar miteinander verbunden.
  • Zudem bildet sich gleichzeitig auf der Rückseite der Siliziumscheibe ein Ohmscher Kontakt aus (4). Gleichzeitig bildet sich eine elektrisch leitfähige Schicht zwischen Keramik und Siliziumscheibe (5). Durch das Aufbringen eines dotierstoffhaltiges Mittels auf die Siliziumoberfläche vor der Temperaturbehandlung bildet sich bei der Temperung gleichzeitig ein Emitter aus (6). Erfolgt die Temperaturbehandlung bei Temperaturen über 800°C, diffundiert aus dem Kleber Metall aus der Paste (z.B. Aluminium) in das Silizium ein. Bei p-dotiertem Silizium entsteht dadurch ein hochdotierter p+-Bereich, der als ein Back-Surface-Field wirkt.
  • Die Keramik ist gekennzeichnet durch einen hohen Anteil aus Siliziumcarbid (SiC) und einen Anteil an ungebundenem Silizium. Die Keramik ist temperaturstabil bis 1000°C und der Wärmeausdehnungskoeffizient ist dem von Silizium angepasst. Die Keramik ist elektrisch leitend oder elektrisch isolierend (Leitfähigkeit zwischen 0.2 und 10E6 Ohmcm). Vorteilhafterweise ist die Keramik bandgezogen und 0.2 mm bis 1 mm dick. Die Form der Keramik ist zweckmäßigerweise rechteckig oder quadratisch, kann aber auch eine beliebige andere Form aufweisen. Die Keramik ist üblicherweise eben, kann aber auch gebogen oder gewölbt sein.
  • Der Kleber enthält Aluminium und/oder Silber als wesentliche Bestandteile. Die Paste kann ganzflächig oder strukturiert, insbesondere punktförmig und linienförmig aufgebracht werden. Geeignete Verfahren zum Aufbringen sind Siebdruck und Tampondruck und andere Verfahren der Drucktechnik. Außerdem drucklose Verfahren wie Dispensen oder Aufsprühen. Die Dicke der Paste ist den Oberflächengegebenheiten angepasst. Dicken zwischen 10μm und 500μm scheinen geeignet, idealer weise liegt die Pastendicke unter 30μm. Der Kleber sintert bei der Temperung zu einer festen und leitfähigen metallischen Schicht zusammen.
  • Die Halbleiterscheibe aus Silizium hat eine übliche Grunddotierung und eine beliebige Dicke, üblicherweise zwischen 10 μm und 1mm. Industriell besonders interessant sind Dicken unter 100 μm.
  • Das dotierstoffhaltige Mittel besteht aus in der Halbleitertechnik üblichen Dotierstoffquellen (organische oder anorganische Lösungen, Pasten etc). Bei einer p-Typ Grunddotierung der Siliziumscheibe wird ein n-Typ Emitter (Dotierstoff z.B. Bor) verwendet.
  • Üblicherweise werden zudem bei Solarzellen auf der Vorderseite metallische Kontakte linien- oder kammförmig aufgebracht (7).
  • Weitere Ausführungsbeispiele:
  • Eine Kontaktierung des Halbleiterbauelements aus Silizium kann über die gesinterte, leitfähige Zwischenschicht (2) erfolgen. Hierzu kann die Schicht an den Stirnseiten kontaktiert werden. oder es kann die Siliziumscheibe kleiner ausgelegt werden als die Trägerkeramik (3).
  • Bei elektrisch leitfähigen Substraten kann die Kontaktierung des Halbleiterbauelements über die Keramik erfolgen.
  • [Anhängende Zeichnungen]
  • Anzahl der Zeichnungen: 3
  • 1: Schichtaufbau
  • 2: Siliziumsolarzelle auf keramischem Trägersubstrat
  • 3: Kontaktierungsmöglichkeiten für Halbleiterbauelement Solarzelle
    • 1
    Trägersubstrat
    2
    Kleber
    3
    Silizium Halbleiterscheibe
    4
    Grenzschicht Kleber/Silizium
    5
    Grenzschicht Kleber/Trägersubstrat
    6
    Dotierter Bereich (Emitter)
    7
    Metallkontakt

Claims (5)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements aus Silizium auf einem Trägersubstrat, dadurch gekennzeichnet, dass a) eine Siliziumscheibe mit einer metallhaltigen Paste, die als wesentliche Metallbestandteile Aluminium und/oder Silber enthält, auf einen hochtemperaturfesten Träger, der überwiegend aus Siliziumkarbid SiC besteht, geklebt wird, b) dann durch eine Temperaturbehandlung eine mechanisch feste Verbindung zwischen Halbleiter und Keramik mit einer metallhaltigen leitfähigen Zwischenschicht entsteht und sich gleichzeitig ein ohmscher Kontakt zwischen metallhaltiger Paste und dem Halbleiterbauelement ausbildet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verfahrensschritt a) ein dotierstoffhaltiges Material auf die Halbleitervorderseite aufgebracht wird und durch Diffusion eine dotierstoffreiche Oberflächenschicht (Emitter) entsteht.
  3. Halbleiterbauelement aus Silizium auf einem Trägersubstrat, gekennzeichnet dadurch, dass es nach dem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1, 2 und 3 hergestellt wurde.
  4. Halbleiterbauelement aus Silizium auf einem Trägersubstrat nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, dass – das Halbleiterbauelement aus Silizium eine photovoltaische Zelle (Solarzelle) ist
  5. Halbleiterbauelement aus Silizium auf einem Trägersubstrat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – das Trägersubstrat aus Porzellan besteht.
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