DE102008051520A1 - Verfahren zur Erzeugung einer (001)-texturierten Kristallschicht aus einem photoaktiven Schichtgitter-Halbleiter auf einer metallisch leitfähigen Schicht unter Beteiligung eines Metallpromoters - Google Patents

Verfahren zur Erzeugung einer (001)-texturierten Kristallschicht aus einem photoaktiven Schichtgitter-Halbleiter auf einer metallisch leitfähigen Schicht unter Beteiligung eines Metallpromoters Download PDF

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Abstract

Schichtgitter-Halbleiter verfügen über einen wesentlich höheren Absorptionskoeffizienten für sichtbares Licht als Silizium und sind somit als Absorbermaterialien in Dünnschichtsolarzellen besonders interessant. (001)-texturierte Kristallschichten mit einem zweidimensionalen Kristallwachstum parallel zur Basalebene lassen sich unter Anwesenheit eines Metallpromotors bislang nur in ausreichender Qualität auf Isolator- oder extrem teuren Metallsubstraten oder -schichten aufwachsen. Erfindungsgemäß wird ein erstes Alternativverfahren (Figur 4E) angegeben, bei dem die als Diffusionspfade wirkenden Korngrenzen in der polykristallinen metallisch leitfähigen Schicht (02) durch ein Absättigungsmaterial, bevorzugt Metallpromoter oder Sauerstoff, inaktiviert werden. Die abzusättigende metallisch leitfähige Schicht (09) kann damit beliebiger Oberflächenqualität sein. Als zweites Alternativverfahren (Figur 6C) wird eine direkte Kristallisation der Schichtgitter-Halbleiterschicht unter teilweiser Chalkogenisierung einer zur Bildung von Schichtgitter-Halbleitern geeigneten Vorläufer-Metallschicht (10) vorgeschlagen, wobei eiine dünne Vorläufer-Metallschicht (11) nicht umgewandelt wird und somit - wie auch die abgesättigte Metallschicht (09) - als preiswerter Rückkontakt in einer Dünnschicht-Solarzelle eingesetzt werden kann.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Erzeugung einer (001)-texturierten Kristallschicht aus einem photoaktiven, chalkogenbasierten Schichtgitter-Halbleiter auf einer chemisch resistenten, metallisch leitfähigen Schicht unter Beteiligung eines Metallpromoters zur Anregung zweidimensionalen Kristallwachstums parallel zu der Oberfläche der metallischen Schicht sowie auf eine mit dem Verfahren erzeugte Kristallschicht auf einer metallisch leitfähigen Schicht und auf deren Anwendung.
  • Schichtgitter-Halbleiter (oder auch (Übergangs-)Metalldichalkogenide) verfügen über einen rund 10–50fach höheren Absorptionskoeffizienten für sichtbares Licht als Silizium und sind somit als Absorbermaterialien in Dünnschichtsolarzellen besonders interessant. Die van-der-Waals-Oberfläche (vdW-Oberfläche) in diesen Schichtgitter-Halbleitern (parallel zur Basalebene) zeichnet sich durch geringe Konzentrationen an Oberflächenzuständen aus (keine ungesättigten Bindungen als Rekombinationszentren) und stellt damit eine ideale Oberfläche zur Bildung von elektronisch hochwertigen Grenzflächen in pn-Heteroübergängen dar. Für polykristalline Schichten leitet sich daraus die Forderung ab, Schichten mit großen Kristalliten mit der vdW-Oberfläche parallel zum Substrat ((001)-Textur) herzustellen.
  • STAND DER TECHNIK
  • Die Herstellung von chalkogenbasierten Schichtgitter-Halbleitern aus einer Schmelze ist aus der DE 35 26 908 A1 bekannt. Die Ausnutzung des orientierten Wachstums von Schichtgitter-Halbleitern zur Schichtentrennung ist aus der DE 102 47 735 B3 und der WO 2004/033769 A1 bekannt. Der Einsatz von Ni als Metallpromoter beim Kristallwachstum wird beispielsweise in der US 6.479.329 B2 , der US 2005/0245053 A1 und der DE 101 41 090 A1 beschrieben. Die EP 0 656 644 B1 offenbart neben Ni auch noch Pd, Pt, Cu, Ag, Au, In, Sn, Pb, P, As und Sb als Promoter (auch Halbleiter und Nichtmetalle) für die Kristallisation. Es wird beschrieben, dass das Aufbringen und anschließende Tempern einer dünnen Promoterschicht auf amorphem Silizium zu dessen Kristallisation führt.
  • Grundlegende Vorarbeiten zum texturierten Wachstum von Schichtgitter-Halbleitern unter Anwesenheit eines Metallpromoters (Ni) als Kristallisationskeim sind aus [1], [2] und [3] bekannt, insbesondere wird über das gute Aufwachsen auf Isolatoren berichtet. Aus [4] ist bekannt, dass als Substrat metallisch leitfähiges, hochorientiertes pyrolytisches Graphit (HOPG) verwendet werden kann, allerdings ohne den Einsatz eines Metallpromoters und bei hohen Temperaturen (> 900°C) Im Ergebnis wird erkannt, dass das Substrat bedeutenden Einfluss auf die Kristallisation hat. Die Kristallisation auf dem teuren, metallisch leitfähigen HOPG-Substrat zeigte jedoch auch nicht die Güte wie die Kristallisation auf einem Nichtleiter. Dabei wird im vorliegenden Zusammenhang unter einer „metallisch leitfähigen Schicht” eine Schicht verstanden, die die elektrische Leitfähigkeit eines Metalls aufweist. Dabei kann es sich direkt um ein Metall, aber auch um ein Nichtmetall, beispielsweise Graphit oder Kunststoff, handeln. Alle früheren Versuche, texturierte Kristallschichten aus einem Schichtgitter-Halbleiter auf einer preiswerten Metallschicht herzustellen, schlugen jedoch fehl, siehe [5], hier wurden Metallschichten Ni-, Cr- oder NiCr-Verbindungen auf einem Quarzsubstrat getestet, und [6], hier wurde zunächst ein nichtleitendes Quarzsubstrat verwendet. Bei der Präparation von metallischen Substraten zeigte sich die Materialwahl als äußerst problematisch, weil das Metall mit dem Metallpromoter entweder reagierte (Al) oder diffundierte (Au). Als Lösung wurde eine alkalimetallinduzierte Kristallisation, beispielsweise mittels Na, angedacht, aber nicht weiter untersucht.
  • Der bekannte Ansatz zur Erzeugung eines Schichtgitterhalbleiters auf einem Metall mit geringerwertiger Oberfläche bestand darin, ein chemisch resistentes, leitfähiges Material, wie z. B. Titannitrid (TiN) als Kontaktschicht zu verwenden, das bekanntermaßen sehr temperaturstabil und chemisch resistent ist und außerdem als Diffusionsbarriere wirkt, z. B. bei der Kontaktierung von Silizium-Bauelementen. Allerdings stellte es sich heraus, dass auf TiN nicht das erforderliche (001)-Wachstum von WS2 usw. erfolgte, auch nicht mit der auf Isolatoren (siehe oben und [9]) so erfolgreichen Ni-induzierten Kristallisation. Das konnte eindeutig mit Hilfe von in situ durchgeführten, zeitaufgelösten Röntgenbeugungsmessungen (EDXRD, siehe [7]) nachgewiesen werden. Die kristallographische Qualität dieser auf TiN kristallisierten Schichten entspricht der von WS2-Schichten, die ohne Nickel-Promoter hergestellt wurden, die jedoch nicht für elektronische Anwendungen geeignet sind. Auch bei Verwendung anderer chemisch resistenter Metallschichten (Pt, WN, TiW, TiWN, TiNSi2, TiSi2) konnte trotz einer eingesetzten Dünnschicht (5 nm) von Nickel als Metallpromoter kein ausgeprägtes (001)-Wachstum beobachtet werden. Das bedeutet, dass diese Materialien keine hinreichende Barriere gegen Ni-Diffusion darstellten. Das ist aber die Voraussetzung für die Promoterwirkung der Metallschicht (z. B. Ni, Co), siehe [8], die darin besteht, dass sich ein Metall-Chalkogen-Eutektikum mit einer eutektischen Temperatur TEutektikum bildet, das flüssig ist und zum Kristallwachstum des Schichtgitter-Halbleiters aus der flüssigen Phase führt, siehe [9].
  • In [9] wird ausführlich der Mechanismus der nickelinduzierten schnellen Kristallisation von hochtexturiertem WS2-Dünnfilmen beschrieben. Es wurden (001)-texturierte, photoaktive Wolframdisulfid-Dünnschichten (Schichtgitter-Halbleiter SHG) durch eine nickelsulfidinduzierte (Nickelsulfid-Promoter) schnelle Kristallisation von amorphen, schwefelreichen Wolframsulfidschichten (WS3+x) hergestellt. Das Wachstum wurde in-situ mittels energiedispersiver Röntgenbeugung beobachtet. Als Substrat wurde nichtleitendes Quarz eingesetzt, das mit einer elektrisch leitenden Metallschicht aus chemisch stabilem Cr als Haftschicht und einer Dünnschicht aus Nickelsulfid als Metallpromoter bedampft war. In der darauf aufgebrachten schwefelreichen Wolframdisulfidschicht konnte unter Erwärmung in schwefelhaltiger Atmosphäre (H2S, 10 Pa) eine schnelle Kristallisation mit einer Kristallisationsgeschwindigkeit größer 20 nm/s beobachtet werden. Die Kristallisation fand bei etwa 650°C statt, also kurz oberhalb der eutektischen Temperatur der Metall-Chalkogen-Legierung Nickel-Schwefel bei 637°C. Nach der Kristallisation konnten im Elektronenmikroskop isolierte hexagonale Nickelsulfidkristallite auf der Oberfläche des Wolframsulfids beobachtet werden. Diese Ergebnisse führten zu dem Modell, dass die schnelle Kristallisation auftritt durch ein Flüssigphasen-Kristallwachstum aus Nickelsulfidtröpfchen, die auf der Oberfläche des Wolframsulfids aufschwimmen. Die erzeugten kristallisierten Wolframsulfidschichten zeigen eine (001)-Textur mit Kristallitgrößen bis 3 μm.
  • Die [9] entnommene 1 zeigt die Zeitabhängigkeit der Intensität des (001)-Streusignals einer amorphen, schwefelreichen WS3+x-Schicht während des Erhitzungsprozesses. Die anfängliche Ni-Schicht ist 5 nm dick. Es wurde eine Temperaturrampe von 400 k/min gefahren. Eine rapide Kristallisation mit einer Geschwindigkeit von mehr als 20 nm/s setzt erkennbar bei 650°C ± 50°C ein. Die ebenfalls [9] entnommene 2 zeigt anhand der detektierten Röntgenbeugung die Abhängigkeit der Kristallqualität einer WS2-Schicht von der Dicke der Nickel-Promoterschicht. Es ist zu erkennen, dass eine Ni-Schicht von 5 nm zu einem sehr stark (001)-texturierten WS2-Schichtwachstum führt. Eine weitere Schichtdickenerhöhung führt hingegen zu einem graduellen Anwachsen der (002)-Beugungspeakintensität. Die 2 zeigt weiterhin, dass ohne die Ni-Schicht keine Kristallisation stattfindet, was die essenzielle Rolle des Nickel-Promoters bei der Kristallbildung aufzeigt. Die SEM-Aufnahme gemäß 3 aus [9] zeigt einen schnell kristallisierten WS2-Film. Große (001)-orientierte WS2-Kristalle (parallel zur Basalebene) mit einem Durchmesser bis zu 3 μm sind deutlich zu erkennen. Bei den kleinen hexagonalen Kristallen handelt es sich um NiSx-Kristallite.
  • In [10] wird ein aktueller, umfassender Überblick über die aus dem Stand der Technik bekannten auf Sputtern beruhenden Verfahrensmöglichkeiten zur Herstellung von Wolframdisulfidschichten gegeben, der ausführlich die Grundlagen zu der vorliegenden Erfindung erläutert. Beispielsweise ist [10] eine Tabelle möglicher Metallpromotoren mit ihren wichtigsten Parametern zu entnehmen. Bisher konnten jedoch stark (001)-texturierte, photoaktive Dichalkogenidschichten (WS2, MoS2, WSe2, MoSe2 u. a.) unter Anwesenheit eines Metallpromoters als Kristallkeim nur auf nichtleitenden Substraten (Glimmer, Saphir, Quarz, oxidiertes Silizium, Si3N4 u. a.) oder sehr teuren leitenden Substraten (HOPG, Platin) abgeschieden oder kristallisiert werden. Verfahren zur Herstellung der o. g. stark (001)-texturierten Absorberschichten auf metallisch leitenden dünnen Schichten oder preiswerteren Metallblechen mit geringerer Oberflächengüte wurden bisher im Stand der Technik nicht beschrieben.
  • AUFGABENSTELLUNG
  • Ausgehend von dem der Erfindung nächstliegenden Stand der Technik gemäß [9] mit der Erkenntnis gemäß [5] und [6], dass bislang keine ausreichend gut texturierten Kristallschichten aus einem photoaktiven Schichtgitter-Halbleiter auf einer preiswerten chemisch resistenten, metallisch leitfähigen Schicht trotz Zwischenlage einer Dünnschicht aus einem Metallpromoter aufgewachsen werden konnten, ist die AUFGABE für die Erfindung daher darin zu sehen, ein gattungsgemäßes Verfahren der eingangs beschriebenen Art anzugeben, das generell ein schnelles und gut (001)-texturiertes Kristallwachstum unabhängig von der eingesetzten Metallschicht garantiert. Die hergestellten Schichtgitter-Halbleiter sollen dementsprechend eine gute (001)-Kristallstruktur aufweisen und sich für vielfältige Anwendungen eignen. Die erfindungsgemäße LÖSUNG für diese Aufgabe ist den beiden alternativen Verfahrensansprüchen und den darauf bezogenen Erzeugnis- und Verwendungsansprüchen zu entnehmen. Vorteilhafte Modifikationen werden in den jeweils zugeordneten Unteransprüchen aufgezeigt und im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert.
  • Die erste erfindungsgemäße Verfahrensalternative ist gekennzeichnet durch einen Vorbehandlungsschritt vor dem Aufbringen einer Metallpromoterschicht in Form einer Absättigung der metallisch leitfähigen Schicht mit einem Absättigungsmaterial. Durch diese einfache, aber äußerst effiziente Maßnahme werden die als Diffusionspfade wirkenden Korngrenzen in der polykristallinen metallisch leitfähigen Schicht mit gezielt eingebrachtem Absättigungsmaterial besetzt, so dass die Korngrenzen inaktiviert werden. Für den anschließend aufgebrachten Metallpromoter besteht somit keine Möglichkeit mehr, in die metallisch leitfähige Schicht zu diffundieren, da die Diffusionspfade blockiert sind. Durch die Absättigung der metallisch leitfähigen Schicht wird somit sichergestellt, dass der gesamte eingesetzte Metallpromoter für die Kristallbildung zur Verfügung steht, wodurch sich eine entsprechend schnelle und qualitativ hochwertige Kristallisierung mit einer – der gewünschten – ausgeprägten (001)-Textur ergibt. Durch die erfindungsgemäße Abkopplung der verwendeten metallisch leitfähigen Schicht in ihrer Oberflächengüte vom eingesetzten Metallpromoter können somit auch preiswertere metallisch leitfähigen Schichten, auch Metall-Dünnschichten, beispielsweise aus geringerwertigen Legierungen, Metallbleche oder -folien oder metallisch leitfähige Kunststoffe oder Mischungen oder Verbindungen zum Aufbau von Schichtgitter-Halbleitern bei der Erfindung eingesetzt werden.
  • Vorteilhaft kann bei der ersten Verfahrensalternative nach der Erfindung die Absättigung der metallisch leitfähigen Schicht mit einem Metallpromoter als Absättigungsmaterial durchgeführt werden. Dabei kann es sich aus verfahrensökonomischen Gründen bevorzugt um denselben Metallpromoter handeln, der auch zur nachfolgenden Kristallisierung eingesetzt wird. Die Absättigung mit einem Metallpromoter kann dabei bevorzugt in den nachfolgend aufgeführten Verfahrensschritten durchgeführt werden:
    • • Bereitstellen einer metallisch leitfähigen Schicht mit einer vorgegebenen Temperaturstabilitätsgrenze TG in Form eines metallischen Substrats oder durch Beschichtung eines Substrats mit einer metallisch leitfähigen Komponente, Verbindung oder Legierung,
    • • Aufbringen einer Absättigungsschicht aus einem Metallpromoter mit einer Schichtdicke d1 auf die metallisch leitfähige Schicht,
    • • Eintempern der Absättigungsschicht bei einer Tempertemperatur TT < TG,
    • • Aufbringen einer Metallpromoterschicht mit einer vorgegebenen eutektischen Temperatur Teutektikum in einem Metall-Chalkogen-Eutektikum mit einer Schichtdicke d2 auf die abgesättigte metallisch leitfähige Schicht,
    • • Aufbringen einer chalkogenreichen, röntgenamorphen Schichtgitter-Halbleiterschicht mit einer Schichtdicke d3 in einer chalkogenhaltigen Gasatmosphäre bei einem Prozessdruck pP und
    • • Aufheizen der abgesättigten metallisch leitfähigen Schicht auf eine Prozesstemperatur TH mit Teutektikum < TH < TG in der chalkogenhaltigen Gasatmosphäre bei zumindest einem Prozessdruck pT.
  • Alternativ zu einer Absättigung der metallisch leitfähigen Schicht mit einem Metallpromoter kann auch eine Absättigung der metallisch leitfähigen Schicht mit Sauerstoff als Absättigungsmaterial erfolgen. Dabei kann die Eindiffusion des Metallpromoters in die metallisch leitfähige Schicht dadurch unterdrückt oder zumindest drastisch reduziert werden, dass die aufzubringende metallisch leitfähige Verbindung oder Legierung oder Komponente mit einem geringen Zusatz von Sauerstoff (O2) reaktiv gesputtert wird. Dabei werden die Korngrenzen mit dem Oxid gesättigt, so dass die als Diffusionspfade bekannten Korngrenzen ebenfalls blockiert werden. Hierbei ist es jedoch wichtig, den Sauerstoffgehalt der Sputteratmosphäre genau zu kontrollieren, um einen zu starken Anstieg des Widerstandes der metallisch leitfähigen Schicht zu vermeiden, da eine hinreichend gute elektrische Leitfähigkeit erhalten bleiben muss. Bevorzugt kann das Verfahren in den nachfolgend aufgeführten Schritten durchgeführt werden:
    • • reaktives Aufsputtern einer metallisch leitfähigen Komponente, Verbindung oder Legierung auf ein Substrat unter Zusatz von Sauerstoff mit einem so niedrigen Anteil, dass eine abgesättigte, metallisch leitfähige Schicht mit einer vorgegebenen Temperaturstabilitätsgrenze TG gebildet wird,
    • • Aufbringen einer Metallpromoterschicht mit einer vorgegebenen eutektischen Temperatur Teutektikum in einem Metall-Chalkogen-Eutektikum mit einer Schichtdicke d2 auf die abgesättigte, metallisch leitfähige Schicht,
    • • Aufbringen einer chalkogenreichen, röntgenamorphen Schichtgitter-Halbleiterschicht mit einer Schichtdicke d3 in einer chalkogenhaltigen Gasatmosphäre und
    • • Aufheizen der abgesättigten, metallisch leitfähigen Schicht auf eine Prozesstemperatur TH mit Teutektikum < TH < TG in der chalkogenhaltigen Gasatmosphäre.
  • Bevorzugt kann dabei reaktives Aufsputtern von TiNxOy mit 0,3 ≤ x ≤ 0,45 und 0,1 ≤ y ≤ 0,3 erfolgen. Dies führt zu spezifischen Widerständen der abgesättigten Metallschicht im Bereich von 1 × 10–4 Ωcm bis 1 × 10–2 Ωcm. Dabei steigt der spezifische Widerstand mit dem Sauerstoffgehalt, d. h. mit zunehmendem y an.
  • Zur Bildung der metallisch leitfähigen Schicht kann eine reine Metallkomponente oder eine Metallverbindung oder -legierung oder eine metallisch leitfähige Nichtmetallverbindung oder -legierung eingesetzt werden. Legierungen werden als Eutektikum (griech.: schmelzen) bezeichnet, wenn deren Bestandteile in einem solchen Verhältnis zueinander stehen, dass sie als Ganzes bei einer bestimmten Temperatur (Schmelzpunkt, eutektische Temperatur TEutektikum) flüssig bzw. fest werden. Metallisch leitfähige Nichtmetallverbindungen können beispielsweise auf Graphit oder Kunststoff beruhen. Kunststoffmischungen werden auch als Legierungen bezeichnet. Ausschlaggebend für den möglichen Einsatz von Nichtmetallen in Form von Verbindungen oder Legierungen als metallisch leitfähige Schicht ist deren elektrische Leitfähigkeit (wie in einem Metall), chemische Resistenz und Beständigkeit gegenüber den auftretenden Prozesstemperaturen.
  • Die zweite erfindungsgemäße Verfahrensalternative ist gekennzeichnet durch eine direkte Kristallisation der Schichtgitter-Halbleiterschicht durch eine teilweise Umwandlung einer geeigneten Vorläufer-Metallschicht, z. B. Mo oder W. Dieser Vorgang kann auch als „unvollständige Chalkogenisierung” bezeichnet werden. Wird eine dünne Promoterschicht auf eine zur Schichtgitter-Halbleiterbildung geeignete Vorläufer-Metallschicht aufgebracht und anschließend in H2S-Atmosphäre getempert, so bildet sich von der Oberfläche der Vorläufer-Metallschicht her eine (001)-texturierte Schicht aus dem entsprechenden Schichtgitter-Halbleiter. Dieses Verhalten ist völlig unerwartet, da bekanntermaßen Metallschichten, die ohne eine Promoterschicht getempert werden, nur extrem dünne, oberflächliche Chalkogenidschichten bilden, wiederum nachgewiesen durch in situ-EDXRD. Mit dieser Verfahrensalternative nach der Erfindung ist somit die Möglichkeit gegeben, eine geeignete Vorläufer-Metallschicht in einer vorgegebenen Schichtstärke direkt in einen stark (001)-(gewünschten)texturierten Schichtgitter-Halbleiter umzuwandeln.
  • In einfacher Weise kann die Kristallisation eines Schichtgitter-Halbleiters direkt auf einem Metallkontakt erfolgen. Somit können einfache Metallbänder oder metallisch beschichtetet Bänder als Metallreservoir genutzt werden, um daraus in der Chalkogengasatmosphäre Schichtgitter-Halbleiter herzustellen. Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass die Vorläufer-Metallschicht in einer solchen Schichtdicke bereitgestellt und die Chalkogenisierungszeit in einer solchen Zeitdauer eingestellt wird, dass nach der unvollständigen Chalkogenisierung eine nicht umgewandelte Vorläufer-Metallschicht ausreichender Stärke als metallisch leitfähige Schicht verbleibt. Bevorzugt kann eine direkte Kristallisation mit den nachfolgend aufgeführten Verfahrensschritten durchgeführt werden:
    • • Bereitstellung einer Vorläufer-Metallschicht durch Beschichtung eines Substrats mit einer vorgegebenen Temperaturstabilitätsgrenze TG mit einem zur Bildung eines Schichtgitter-Halbleiters geeigneten Metall oder Metall-Legierung mit einer Schichtdicke s,
    • • Aufbringen einer Metallpromoterschicht mit einer vorgegebenen eutektischen Temperatur Teutektikum in einem Metall-Chalkogen-Eutektikum mit einer Schichtdicke d2 auf die Vorläufer-Metallschicht mit d2 ≪ s und
    • • Aufheizen der Vorläufer-Metallschicht über eine Prozesszeit t auf eine Prozesstemperatur TH mit Teutektikum < TH < TG in einer chalkogenhaltigen Gasatmosphäre bei zumindest einem Prozessdruck pT,
    wobei die Schichtdicke s und die Prozesszeit t so in Relation gestellt sind, dass eine dünne Vorläufer-Metallschicht in einem Bereich von s/2 oberhalb des nichtmetallischen Substrats nicht mit der chalkogenhaltigen Gasatmosphäre reagiert und als metallisch leitfähige Schicht verbleibt.
  • Beide genannten Verfahrensalternativen nach der Erfindung führen im Endergebnis zu einer hochgradig (001)-texturierten (gewünschten) Schichtgitter-Halbleiterschicht auf einer metallisch leitfähigen Schicht. Bei der ersten Verfahrensalternative wird dazu die Diffusion des Metallpromoters in die metallisch leitfähige Schicht durch deren Absättigung (durch den Metallpromoters selbst oder durch Sauerstoff) gezielt unterdrückt, bei der zweiten Verfahrensalternative wird die Diffusion des Metallpromoters in die metallisch leitfähige Schicht gezielt genutzt, indem eine teilweise, direkte Kristallisation in einer Vorläufer-Metallschicht herbeigeführt wird. Dazu muss das eingesetzte Metall oder die eingesetzte Metall-Legierung in der Lage sein, in Reaktion mit der chalkogenhaltigen Atmosphäre einen Schichtgitter-Halbleiter zu bilden. Bei der ersten Verfahrensalternative können die Absättigungsschicht und/oder die Metallpromoterschicht bevorzugt durch Aufdampfen oder Magnetron-Sputtern aufgebracht werden. Bei der zweiten Verfahrensalternative gilt dies für das Aufbringen der Metallpromoterschicht. Die Vorläufer-Metallschicht und die metallisch leitfähige Schicht können bevorzugt durch Aufdampfen aufgebracht werden.
  • Allgemein kann für die erfindungsgemäßen Verfahrensalternativen als metallisch leitfähige Schicht direkt ein metallisch leitfähiges Substrat, hier bevorzugt ein Metallsubstrat, oder eine metallisch leitfähige Verbindung oder Legierung auf einem Substrat, hier entsprechend bevorzugt ein nichtmetallisches Substrat, verwendet werden. Voraussetzung für die Eignung des verwendeten Substrats ist dessen Temperaturstabilität in Abhängigkeit von der Temperaturstabilität der eingesetzten metallisch leitfähigen Schicht. Bevorzugt kann es sich bei einem nichtmetallischen Substrat um oxidiertes Silizium, Quarz, Keramik oder Saphir handeln. Es kann sich aber auch um ein metallisches Substrat in der Form eines einfachen Metallblechs handeln. Geeignete metallisch leitfähige Schichten müssen elektrisch leitend und chemisch resistent sein. Sie sollten bevorzugt eine hohe Temperaturstabilität (und bei eingesetzten Legierungen einen moderaten Schmelzpunkt) haben und bereits von Natur aus als Diffusionsbarriere wirken. Als metallisch leitfähige Schicht eignen sich daher besonders die Metallverbindungen TiN, TiW, TiSi2 , Ta, TaN, TaN:O, WN oder WN:O. Bei der Metallkomponente, die direkt kristallisiert wird und deshalb fähig sein muss zur Bildung von Schichtgitter-Halbleitern unter Chalkogenisierung, kann es sich bevorzugt um Mo oder W handeln. Geeignete Metallpromoter haben bevorzugt eine niedrige eutektische Temperatur Teutektikum in einem Metall-Chalkogen-Eutektikum (z. B. Ni-S, TEutektikum (Co: 680°C; Ni: 637°C; Pd: 623°C), weitere siehe [10], Tabelle 1) und zeigen eine gute Löslichkeit mit Schichtgitter-Halbleiter bildenden Metallen (siehe ebenfalls [10], insbesondere mit Mo und W. Als Metallpromoter kann deshalb bevorzugt Ni, Co oder Pd eingesetzt werden. In einer Gasatmosphäre aus inertem Ar-Gas kann bevorzugt H2S, H2Se oder H2Te als chalkogenhaltiges Gas eingesetzt werden. Sulfide, Selenide und Telluride haben die erforderlichen Bandlücken, um als Schichtgitter kristallisieren zu können. Nach Wahl dieser Materialien lassen sich mit den erfindungsgemäßen Verfahrensalternativen bevorzugt WS2, WSe2, WTe2, MoS2, MoSe2 oder MoTe2 als Schichtgitter-Halbleiter ((Übergangs-)Metalldichalkogenid) herstellen.
  • Bei Wahl dieser Materialien ergeben sich bevorzugt als Verfahrensparameter:
    • • eine Temperaturstabiltätsgrenze TG > 700°C
    • • eine Tempertemperatur TT > 600°C,
    • • eine eutektische Temperatur Teutektikum < 700°C,
    • • eine Schichtdicke d1 ≈ d2 zwischen 5 nm und 50 nm
    • • eine Schichtdicke d3 zwischen 100 nm und 500 nm
    • • eine Schichtdicke s zwischen 0,5 μm und 1 μm
    • • schwefelreiches WS3+z als chalkogenreichem, röntgenamorphem Schichtgitter-Halbleiter,
    • • H2S + Ar als chalkogenhaltige Gasatmosphäre mit einem H2S-Anteil in einem Bereich von 50%,
    • • einen Prozessdruck pP in einem Bereich von 2 Pa und
    • • einen Prozessdruck pT in einem Bereich von 10 Pa.
  • Weitere Einzelheiten zu den verwendbaren Materialien und Verfahrensparametern bei der Erfindung sind dem speziellen Beschreibungsteil zu entnehmen.
  • Mit den alternativen Herstellungsverfahren nach der Erfindung kann eine stark (001)-texturierte Kristallschicht aus einem photoaktiven Schichtgitter-Halbleiter auf einer elektrisch leitenden Metallschicht hergestellt werden. Ein solcher Schichtenaufbau eignet sich besonders vorteilhaft für die Anwendung in einer Dünnschichtsolarzelle mit einem metallischen Rückkontakt als wesentliches Funktionselement. Dabei bildet der Schichtgitter-Halbleiter den photoaktiven Teil und die elektrisch leitende Metallschicht den metallischen Rückkontakt
  • AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
  • Das Verfahren zur Erzeugung einer photoaktiven, (001)-texturierten Kristallschicht aus einem photoaktiven, chalkogenbasierten Schichtgitter-Halbleiter auf einer chemisch metallisch leitfähigen schicht unter Beteiligung eines Metallpromoters zur Anregung zweidimensionalen Kristallwachstums parallel zu der Oberfläche der metallisch leitfähigen Schicht (Basalebene) wird in seinen Ausführungsvarianten nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in den schematischen FIGUREN näher erläutert. Dabei zeigt:
  • 1 aus dem Stand der Technik ein Diagramm zur Kristallisation,
  • 2 aus dem Stand der Technik ein Diagramm zur Abhängigkeit der Kristallisation vom Metallpromoter,
  • 3 aus dem Stand der Technik eine SEM-Aufnahme einer Kristallschicht,
  • 4A BIS 4F das Verfahren nach der Erfindung in Variante A – (Absättigung der Metallschicht durch den Metallpromoter),
  • 5A BIS 5D das Verfahren nach der Erfindung in Variante A – (Absättigung der Metallschicht durch Oxidation) und
  • 6A BIS 6D das Verfahren nach der Erfindung in Variante B – (direkte Kristallisation der Schichtgitter-Halbleiterschicht unter teilweiser Umwandlung der Metallschicht).
  • Bei einzelnen FIGUREN in der Beschreibung nicht erwähnte oder gezeigte Bezugszeichen sind den vorangehenden FIGUREN bzw. deren Beschreibung zu entnehmen. Die 1 BIS 3 dienen der Veranschaulichung der Grundlagen zur vorliegenden Erfindung und entstammen dem Stand der Technik gemäß [9]. Sie wurden bereits in der Beschreibungseinleitung erläutert. Weitere Erläuterungen sind [9] zu entnehmen.
  • Die Experimente wurden in einer Magnetronsputteranlage durchgeführt, die mit einer Schleuse versehen ist, um konstante Prozessbedingungen in der Beschichtungskammer zu gewährleisten. Diese transportable Mess- und Beschichtungs-Kammer wurde speziell konstruiert, um an der Synchrotron-Strahlungsquelle HASYLAB am DESY (Hamburg) für in situ und zeitaufgelöste Messungen der energiedispersiven Röntgenbeugung (EDXRD) eingesetzt werden zu können.
  • VARIANTE A – ABSÄTTIGUNG DER METALLISCH LEITFÄHIGEN SCHICHT
    • erste Ausführungsform: Absättigung der metallisch leitfähigen Schicht durch den Metallpromoter
  • 4A
  • Beschichtung eines Substrats 01 mit einer metallisch leitfähigen Schicht 02, im gewählten Ausführungsbeispiel TiN, welches elektrisch leitend, chemisch resistent und temperaturstabil ist sowie als Diffusionsbarriere bekannt ist. Das Substrat 01 muss Temperaturen bis mindestens zur Temperaturstabilitätsgrenze TG der eingesetzten metallisch leitfähigen Schicht 02 (TG(TiN) ≈ 700°C) aushalten, im gewählten Ausführungsbeispiel oxidiertes Si.
  • 4B
  • Einschleusen des beschichteten Substrats 01 in eine Sputterkammer 03. Aufbringen einer Absättigungsschicht 04 auf die metallisch leitfähigen Schicht 02. Im gewählten Ausführungsbeispiel wird als Absättigungsmaterial ebenfalls ein Metallpromoter (Ni) verwendet. Die Absättigungsschicht 04 wird mit einer Schichtdicke d1 zwischen von 5 nm und 50 nm durch Aufdampfen oder Magnetron-Sputtern aufgebracht.
  • 4C
  • Eintempern der Absättigungsschicht 04 bei einer Tempertemperatur TT > 600°C und < TG in die metallisch leitfähige Schicht 02. Durch diesen Vorgang werden die als Diffusionspfade wirkenden Korngrenzen 05 in der polykristallinen, metallisch leitfähigen Schicht 02 mit dem Metallpromoter (hier Ni) besetzt und für die Diffusion weiterer Atome versperrt (siehe Einschub in 4C). Die Absättigungsschicht 04 wirkt als Opferschicht und ist nach der Temperung in der metallisch leitfähigen Schicht 02 (TiN) aufgelöst. Die metallisch leitfähige Schicht 02 wandelt sich in eine abgesättigte, metallisch leitfähige Schicht 09 (in der 4C angedeutet durch eine Punktlinie, Nickelanlagerung).
  • 4D
  • Aufbringen einer Metallpromoterschicht 06 (hier Ni) mit einer Schichtdicke d2 von 5 nm–50 nm durch Aufdampfen oder -Magnetron-Sputtern auf die abgesättigte, metallisch leitfähige Schicht 09. Der Metallpromoter hat eine vorgegebene eutektische Temperatur Teutektikum in einem Metall-Chalkogen-Eutektikum (Ni: TEutektikum = 637°C)
  • 4E
  • Beschichten der Metallpromoterschicht 06 mit einer schwefelreichen, röntgenamorphen Schichtgitter-Halbleiterschicht 07, im gewählten Ausführungsbeispiel WS3+x, mit einer Schichtdicke d3 von ca. 100 nm bis 500 nm in einer chalkogenhaltigen Gasatmosphäre 08, im gewählten Ausführungsbeispiel H2S + Ar-Atmosphäre, bei einem Prozessdruck PP von ca. 2 Pa und einem H2S-Anteil von etwa 50%.
  • Feste amorphe Stoffe sind im Gegensatz zu den anisotropen Schichtgitter-Kristallen isotrop. Sie haben keinen definierten Schmelzpunkt, sondern gehen allmählich über langsames Erweichen in den flüssigen Zustand über. Ihre experimentelle Unterscheidung von kristallinen Phasen kann mit Hilfe der Röntgenbeugung erfolgen, die für sie keine scharfen, sondern nur wenige diffuse Interferenzen bei kleinen Beugungswinkeln liefert. Stoffe mit einem derartigen Röntgenbeugungsdiagramm werden als „röntgenamorph” bezeichnet.
  • 4F
  • Aufheizen der abgesättigten, metallisch leitfähigen Schicht 09 auf eine Prozesstemperatur TH mit Teutektikum < TH < TG (bei TiN 700–800°C) in der chalkogenhaltigen Gasatmosphäre 08 bei zumindest einem Prozessdruck PT von ≥ 10 Pa. Dieser Schritt dient dazu, die amorphe Schichtgitter-Halbleiterschicht 07 in eine texturierte Kristallschicht 12 mit großen (001)-orientierten Kristalliten 13 im Mikrometer-Bereich umzuwandeln (siehe Einschub 4F, in der 4F durch vertikale Striche angedeutet). Die abgesättigte Metallschicht 09 wurde durch die eingetemperte Absättigungsschicht 04 bis zur Löslichkeitsgrenze bei ca. 700°C mit Absättigungsmaterial (hier Ni) gesättigt, so dass die Metallpromoterschicht 06 beim Aufheizen erhalten blieb und nicht in die abgesättigte Metallschicht 09 eindiffundierte, sondern vollständig für die Kristallisation zur Verfügung stand (siehe Pfeile in 4E). Beim Auskristallisieren der amorphen Schichtgitter-Halbleiterschicht 07 verändert sich die Metallpromoterschicht 06, zurück bleiben Metallpromoterkristallite 14.
  • VARIANTE A – ABSÄTTIGUNG DER METALLSCHICHT
    • zweite Ausführungsform: Absättigung der metallisch leitfähigen Schicht durch Oxidation
  • 5A
  • Einschleusen des Substrats 01 in eine Sputterkammer 03. Reaktives Aufsputtern einer Metallverbindung, hier TiN, auf das Substrat 01 unter Zusatz von Sauerstoff O2 mit einem so niedrigen Anteil, dass eine elektrisch leitfähige, aber abgesättigte metallisch leitfähige Schicht 09 mit einer vorgegebenen Temperaturstabilitätsgrenze TG gebildet wird. Es wird TINxOy mit 0,3 ≤ x ≤ 0,45 und 0,1 ≤ y ≤ 0,3 reaktiv, d. h. unter chemischer Reaktion, aufgesputtert. Dadurch werden die Korngrenzen 05 mit TiOx gesättigt (siehe Einschub in 5A), so dass diese für die Diffusion blockiert werden (in der 5A angedeutet durch eine Punktlinie, TiOx-Anlagerung). Zur Einstellung des elektrischen Widerstands der gesättigten metallisch leitfähigen Schicht 09 muss der Sauerstoffgehalt der Sputteratmosphäre genau kontrolliert werden.
  • 5B
  • Aufbringen einer Metallpromoterschicht 06 (hier Ni) mit einer Schichtdicke d2 von 5 nm–50 nm auf die gesättigte metallisch leitfähige Schicht 09 durch Aufdampfen oder -Magnetron-Sputtern. Der Metallpromoter hat eine vorgegebene eutektische Temperatur Teutektikum in einem Metall-Chalkogen-Eutektikum (Ni: TEutektikum = 637°C)
  • 5C
  • Beschichten der Metallpromoterschicht 06 mit einer schwefelreichen, röntgenamorphen Schichtgitter-Halbleiterschicht 07, im gewählten Ausführungsbeispiel WS3+x, mit einer Schichtdicke d3 von ca. 100 nm bis 500 nm in einer chalkogenhaltigen Gasatmosphäre 08, im gewählten Ausführungsbeispiel H2S + Ar-Atmosphäre, bei einem Prozessdruck PP von ca. 2 Pa und einem H2S-Anteil von etwa 50%.
  • 5D
  • Aufheizen der gesättigten metallisch leitfähigen Schicht 09 auf eine Prozesstemperatur TH mit Teutektikum < TH < TG (bei TiN ≈ 700–800°C) in der chalkogenhaltigen Gasatmosphäre 08 bei zumindest einem Prozessdruck PT von ≥ 10 Pa. Dieser Schritt dient dazu, die amorphe Schichtgitter-Halbleiterschicht 07 in eine texturierte Kristallschicht 12 mit großen (001)orientierten Kristalliten 13 im Mikrometer-Bereich umzuwandeln (siehe Einschub 5D, in der 5D durch vertikale Striche angedeutet). Die abgesättigte, metallisch leitfähige Schicht 09 ist mit Absättigungsmaterial (hier O2 zur Bildung von TiOx) gesättigt, so dass die Metallpromoterschicht 06 beim Aufheizen erhalten blieb und nicht in die abgesättigte, metallisch leitfähige Schicht 09 eindiffundierte, sondern vollständig für die Kristallisation zur Verfügung stand (siehe Pfeile in 5C). Beim Auskristallisieren der amorphen Schichtgitter-Halbleiterschicht 07 verändert sich die Metallpromoterschicht 06, zurück bleiben Metallpromoterkristallite 14.
  • VARIANTE B – DIREKTE KRISTALLISATION DER SCHICHTGITTER-HALBLEITERSCHICHT UNTER TEILWEISER UMWANDLUNG DER METALLISCH LEITFÄHIGEN SCHICHT
  • 6A
  • Beschichtung des Substrats 01, im gewählten Ausführungsbeispiel oxidiertes Silizium mit einer Temperaturstabilitätsgrenze TG oberhalb 700°C, mit einer Vorläufer-Metallschicht 10, hier aus dem Metall Wolfram W (Metallkomponente), mit einer vorgegebenen Temperaturstabilitätsgrenze TG und einer Schichtdicke s, hier 0,5 μm bis 1 μm.
  • 6B
  • Einschleusen des beschichteten Substrats 01 in eine Sputterkammer 03 und Aufbringen einer Metallpromoterschicht 06 (hier Ni) mit einer Schichtdicke d2 auf die Vorläufer-Metallschicht 10 mit d2 ≪ s (hier d2 = 5 nm bis 50 nm) mittels Aufdampfen oder -Magnetron-Sputtern. Der Metallpromoter hat eine vorgegebene eutektische Temperatur Teutektikum in einem Metall-Chalkogen-Eutektikum (Ni: TEutektikum = 637°C)
  • 6C
  • Aufheizen der Vorläufer-Metallschicht 10 über eine Prozesszeit t (Dauer siehe unten) auf eine Prozesstemperatur TH mit Teutektikum < TH < TG (bei Ni und W 700–800°C) in der chalkogenhaltigen Gasatmosphäre 08 (hier H2S in Ar) bei zumindest einem Prozessdruck PT (hier ≥ 10 Pa).
  • 6D
  • Der zuvor genannte Schritt dient dazu, die Vorläufer-Metallschicht 10 teilweise zu chalkogenisieren, hier sulfurisieren, um – unter Beteiligung (angedeutet durch Pfeile in 6C) der Metallpromoterschicht 06 – große (001)-orientierte Kristallite 13 im Mikrometer-Bereich (siehe Einschub in 6D) in einer texturierten Kristallschicht 12 zu erhalten. Die Kombination aus Dicke der dünnen Vorläufer-Metallschicht 10 und der Prozesszeit t wird dabei so gewählt, dass nur ein Teil der Vorläufer-Metallschicht 10 zum Chalkogenid (hier Sulfid) umgesetzt wird, so dass noch eine dünne Vorläufer-Metallschicht 11 in einem Bereich von etwa s/2 oberhalb des Substrats (hier Schichtstärke 0,2 μm bis 0,5 um) als elektrisch leitfähige Metallschicht 02 zurückbleibt. Diese dünne Vorläufer-Metallschicht 11 kann dann als Rückkontakt in einer Solarzelle genutzt werden, so dass mit den vorbeschriebenen Verfahren besonders vorteilhaft Dünnschicht-Solarzellen auf der Grundlage von chalkogenbasierten Schichtgitter-Halbleitern mit besonders preiswerten Rückkontakten hergestellt werden können. Insbesondere können Metallbleche oder -folien in einer Rolle-zu-Rolle-Fertigung eingesetzt werden.
  • ZITIERTE LITERATUR
    • [1] "Preparation of textured and photoactive 2H-WS2 thin films by sulfurization of WO3", A. Ennaoui, S. Fiechter, K. Ellmer, R. Scheer, K. Diesner, in Thin Solid Films 261 (1995) 124–131
    • [2] "Crystallization of layered metal-dichalcogenides films on amorphous substrates", E. Galun, H. Cohen, L. Margulis, A. Vilan, T. Tsirlina, G. Hodes, R. Tenne, M. Hershfinkel, W. Jaegermann, K. Ellmer, in Appl. Phys. Lett. 67 (1995) 3474–3476.
    • [3] "Highly (001)-textured WS2-x films prepared by reactive radio frequency magnetron sputtering", K. Ellmer, R. Mientus, S. Seeger, V. Weiß, in phys. stat. sol. (a) 201 (2004) R97–R100.
    • [4] "Deposition of c⏊-oriented tungsten disulfide (WS2) films by reactive DC magnetron sputtering from a W-Target in Ar/H2S", K. Ellmer, C. Stock, K. Diesner, I. Sieber, in J. Crystal Growth 182 (1997) 389–393.
    • [5] "Highly oriented WSe2 thin films prepared by selenization of evaporated WO3", G. Salitra, G. Hodes, E. Klein, R. Tenne, in Thin Solid Films 245 (1994) 180–185
    • [6] "Optical and electrical properties of semiconducting WS2 thin films: From macroscopic to local probe measurements", C. Ballif, M. Regula, F. Levy, in Solar Energy. Mat. & Solar Cells 57 (1999) 189–207
    • [7] "Rapid crystallization of WS2 films assisted by a thin nickel layer: An in Situ energy-dispersive X-ray diffraction study", K. Ellmer, S. Seeger, R. Mientus, in phys. stat. sol. (a) 203 (2006) No. 10, 2457–2462.
    • [8] "In situ TEM observation of nickel promoted WS2 thin-film crystallization" M. Regula, C. Ballif, F. Levy, in J. Cryst. Growth 193 (1998) 109–113
    • [9] "The mechanism of nickel sulfide induced rapid crystallization of highly textured tungsten disulfide (WS2) thin films: An in situ real-time diffraction", S. Brunken, R. Mientus, S. Seeger, K. Ellmer, J. Appl. Phys. 103 (2008) 063501 1–5.
    • [10] "Preparation routes based on magnetron suttering for tungsten disulfide (WS2) films for thin-film solar cells", K. Ellmer, phys. stat. sol. (b) 245 No. 9 (2008), 1745–1760.
    • 01
    Substrat
    02
    metallisch leitfähige Schicht
    03
    Sputterkammer
    04
    Absättigungsschicht
    05
    Korngrenze
    06
    Metallpromoterschicht
    07
    Schichtgitter-Halbleiterschicht
    08
    chalkogenhaltige Gasatmosphäre
    09
    abgesättigte, metallisch leitfähige Schicht
    10
    Vorläufer-Metallschicht (zur Bildung einer Schichtgitter-Halbleiterschicht geeignet)
    11
    dünne Vorläufer-Metallschicht
    12
    texturierte Kristallschicht
    13
    (001)-orientierter Kristallit
    14
    Metallpromoterkristallit
    d1
    Schichtdicke von 04
    d2
    Schichtdicke von 06
    d3
    Schichtdicke von 07
    PP
    Prozessdruck bei 07
    PT
    Prozessdruck
    s
    Schichtdicke von 10
    t
    Prozesszeit
    TEutektikum
    eutektische Temperatur (Schmelzpunkt) einer Legierung
    TG
    Temperaturstabilitätsgrenze
    TH
    Prozesstemperatur Kristallisation
    TT
    Tempertemperatur
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 3526908 A1 [0003]
    • - DE 10247735 B3 [0003]
    • - WO 2004/033769 A1 [0003]
    • - US 6479329 B2 [0003]
    • - US 2005/0245053 A1 [0003]
    • - DE 10141090 A1 [0003]
    • - EP 0656644 B1 [0003]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Erzeugung einer (001)-texturierten Kristallschicht aus einem photoaktiven, chalkogenbasierten Schichtgitter-Halbleiter auf einer chemisch resistenten, metallisch leitfähigen Schicht unter Beteiligung eines Metallpromoters zur Anregung zweidimensionalen Kristallwachstums parallel zur Oberfläche der metallisch leitfähigen Schicht gekennzeichnet durch eine Absättigung der metallisch leitfähigen Schicht (02) mit einem Absättigungsmaterial vor dem Aufbringen einer Metallpromoterschicht (06).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Absättigung der metallisch leitfähigen Schicht (02) mit einem Metallpromoter als Absättigungsmaterial mit den Verfahrensschritten: • Bereitstellen einer metallisch leitfähigen Schicht (02) mit einer vorgegebenen Temperaturstabilitätsgrenze TG in Form eines metallischen Substrats oder durch Beschichtung eines Substrats (01) mit einer metallisch leitfähigen Komponente, Verbindung oder Legierung, • Aufbringen einer Absättigungsschicht (04) aus einem Metallpromoter mit einer Schichtdicke d1 auf die metallisch leitfähige Schicht (02), • Eintempern der Absättigungsschicht (04) bei einer Tempertemperatur TT < TG, • Aufbringen einer Metallpromoterschicht (06) mit einer vorgegebenen eutektischen Temperatur Teutektikum in einem Metall-Chalkogen-Eutektikum mit einer Schichtdicke d2 auf die abgesättigte metallisch leitfähige Schicht (09), • Aufbringen einer chalkogenreichen, röntgenamorphen Schichtgitter-Halbleiterschicht (07) mit einer Schichtdicke d3 in einer chalkogenhaltigen Gasatmosphäre (08) bei einem Prozessdruck pP und • Aufheizen der abgesättigten metallisch leitfähige Schicht (09) auf eine Prozesstemperatur TH mit Teutektikum < TH < TG in der chalkogenhaltigen Gasatmosphäre (08) bei zumindest einem Prozessdruck pT.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Absättigung der metallisch leitfähigen Schicht (02) mit Sauerstoff als Absättigungsmaterial mit den Verfahrensschritten: • reaktives Aufsputtern einer metallisch leitfähigen Komponente, Verbindung oder Legierung auf ein Substrat (01) unter Zusatz von Sauerstoff mit einem so niedrigen Anteil, dass eine abgesättigte, aber metallisch leitfähige Schicht (09) mit einer vorgegebenen Temperaturstabilitätsgrenze TG gebildet wird, • Aufbringen einer Metallpromoterschicht (06) mit einer vorgegebenen eutektischen Temperatur Teutektikum in einem Metall-Chalkogen-Eutektikum mit einer Schichtdicke d2 auf die abgesättigte, metallisch leitfähige Schicht (09), • Aufbringen einer chalkogenreichen, röntgenamorphen Schichtgitter-Halbleiterschicht (07) mit einer Schichtdicke d3 in einer chalkogenhaltigen Gasatmosphäre (08) und • Aufheizen der abgesättigten, metallisch leitfähigen Schicht (09) auf eine Prozesstemperatur TH mit Teutektikum < TH < TG in der chalkogenhaltigen Gasatmosphäre (08).
  4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch • reaktives Aufsputtern von TiNxOy mit 0,3 ≤ x ≤ 0,45 und 0,1 ≤ y ≤ 0,3.
  5. Verfahren zur Erzeugung einer (001)-texturierten Kristallschicht aus einem photoaktiven Schichtgitter-Halbleiter auf einer chemisch resistenten, metallisch leitfähigen Schicht unter Beteiligung eines Metallpromoters zur Anregung zweidimensionalen Kristallwachstums parallel zu der Oberfläche der metallisch leitfähigen Schicht, gekennzeichnet durch eine direkte Kristallisation der Schichtgitter-Halbleiterschicht (07) mit den Verfahrensschritten: • Bereitstellung einer Vorläufer-Metallschicht (10) durch Beschichtung eines Substrats (01) mit einer vorgegebenen Temperaturstabilitätsgrenze TG mit einem zur Bildung der Schichtgitter-Halbleiterschicht (07) geeigneten Metall oder Metall-Legierung mit einer Schichtdicke s, • Aufbringen einer Metallpromoterschicht (06) mit einer vorgegebenen eutektischen Temperatur Teutektikum in einem Metall-Chalkogen-Eutektikum mit einer Schichtdicke d2 auf die Vorläufer-Metallschicht (10) mit d2 ≪ s und • Aufheizen der Vorläufer-Metallschicht (10) über eine Prozesszeit t auf eine Prozesstemperatur TH mit Teutektikum < TH < TG in einer chalkogenhaltigen Gasatmosphäre (08) bei zumindest einem Prozessdruck pT, wobei die Schichtdicke s und die Prozesszeit t so in Relation gestellt sind, dass eine dünne Vorläufer-Metallschicht (11) in einem Bereich von s/2 oberhalb des Substrats (01) nicht mit der chalkogenhaltigen Gasatmosphäre (08) reagiert und als metallisch leitfähige Schicht (02) verbleibt.
  6. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 5, gekennzeichnet durch • Aufbringen der Absättigungsschicht (04) und/oder der metallisch leitfähigen Schicht (02) und/oder der Metallpromoterschicht (06) und/oder der Vorläufer-Metallschicht (10) durch Aufdampfen oder Magnetron-Sputtern
  7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, gekennzeichnet durch einen Einsatz von • oxidiertem Silizium, Quarz, Keramik oder Saphir als Substrat (01), • TiN, TiW, TiSi2 , Ta, TaN, TaN:O, WN oder WN:O als Metallverbindung, • Mo oder W als Metallkomponente, • Ni, Co oder Pd als Metallpromoter • H2S, H2Se oder H2Te als Chalkogengas, • Ar als Atmosphärengas und • WS2, WSe2, WTe2, MoS2, MoSe2 oder MoTe2 als chalkogenbasierte Schichtgitter-Halbleiter ((Übergangs-)Metalldichalkogenid).
  8. Verfahren nach Anspruch 6 und 7, gekennzeichnet durch • eine Temperaturstabiltätsgrenze TG > 700°C • eine Tempertemperatur TT > 600°C, • eine eutektische Temperatur Teutektikum < 700°C, • eine Schichtdicke d1 ≈ d2 zwischen 5 nm und 50 nm • eine Schichtdicke d3 zwischen 100 nm und 500 nm • eine Schichtdicke s zwischen 0,5 μm und 1 μm • schwefelreiches WS3+z als chalkogenreichem, röntgenamorphem Schichtgitter-Halbleiter, • H2S + Ar als chalkogenhaltige Gasatmosphäre mit einem H2S-Anteil in einem Bereich von 50%, • einen Prozessdruck pP in einem Bereich von 2 Pa und • einen Prozessdruck pT in einem Bereich von 10 Pa.
  9. (001)-texturierte Kristallschicht (12) aus einem photoaktiven Schichtgitter-Halbleiter auf einer chemisch resistenten, metallisch leitfähigen Schicht (02), hergestellt mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
  10. Anwendung einer (001)-texturierten Kristallschicht (12) aus einem photoaktiven Schichtgitter-Halbleiter einer chemisch resistenten, metallisch leitfähigen Schicht (02) gemäß Anspruch 9 in einer Dünnschichtsolarzelle auf der Grundlage eines chalkogenbasierten Schichtgitter-Halbleiters mit der metallisch leitfähigen Schicht (02) als Rückkontakt.
DE200810051520 2008-10-13 2008-10-13 Verfahren zur Erzeugung einer (001)-texturierten Kristallschicht aus einem photoaktiven Schichtgitter-Halbleiter auf einer metallisch leitfähigen Schicht unter Beteiligung eines Metallpromoters Ceased DE102008051520A1 (de)

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