DE102009033652A1 - Halbleiterbauelement mit Diamant enthaltenden Elektroden sowie dessen Verwendung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, das mindestens eine Eletkrodenanordnung enthält, wobei die Elektrodenanordnung mindestens zwei Elektroden aufweist, von denen mindestens eine Elektrode eine Diamant enthaltende Elektrode ist. Weiterhin weist das Halbleiterbauelement mindestens eine monolithisch integrierte Solarzelle als Energiequelle für die mindestens eine Elektrodenanordnung auf. Verwendung findet das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement z. B. bei der Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse, bei der Elektroanalyse sowie bei der Wasseraufbereitung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, das mindestens eine Elektrodenanordnung enthält, wobei die Elektrodenanordnung mindestens zwei Elektroden aufweist, von denen mindestens eine Elektrode eine Diamant enthaltende Elektrode ist. Weiterhin weist das Halbleiterbauelement mindestens eine monolithisch integrierte Solarzelle als Energiequelle für die mindestens eine Elektrodenanordnung auf. Verwendung findet das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement z. B. bei der Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse, bei der Elektroanalyse sowie bei der Wasseraufbereitung.
  • Diamantelektroden werden seit vielen Jahren in der Elektroanalyse und Wasseraufbereitung eingesetzt. Die Untersuchung der Elektrodeneigenschaften umfasst dabei insbesondere den anodischen Bereich zur Spurenanalyse und Detektion von Biomolekülen und der Aufoxidation giftiger Stoffe. Dabei werden zumeist nanokristalline Diamantdünnschichten, die auf Fremdsubstraten, wie Si, abgeschieden werden, eingesetzt. Elektrodenanordnungen für die Spurenanalyse sind zumeist Elektrodenarrays, wobei sowohl die aktive Elektrode als auch die Gegenelektrode aus hochdotiertem Diamant bestehen können und dann Doppelelektrodenstrukturen sind. Elektrodenanordnungen für die Wasseraufbereitung sind naturgemäß großflächig und bestehen daher bevorzugt aus poly- oder nanokristallinem Diamant.
  • Diamant ist zur Wasserstofferzeugung gut geeignet, da durch die hohe quasi-metallische Bordotierung die Wasserstofferzeugung an der Kathode katalytisch unterstützt wird (Yu Kai et al., „Hydrogen Evolution on Diamond Electrodes by the Volmer-Heyrovsky Mechanism"; J. Electrochem Soc. 154, (2007), F36–F43). Alle Untersuchungen bestätigen, dass Diamant in wässriger Lösung inert ist. Lediglich in hochoxidierenden Säuren können Defektstrukturen herausgeätzt werden. Wegen der hohen elektrochemischen Qualität sind hart gebundene (Kleinwinkel-)Korngrenzen erforderlich. Das begrenzt die Korngröße nach unten auf den Bereich oberhalb etwa 50 nm, so dass UNCD (ultrananokristalliner Diamant mit mittleren Korngrößen zwischen 2 und 10 nm) nur bedingt geeignet ist.
  • Für elektroanalytische Anwendungen kann die Diamantoberfläche elektrochemisch, z. B. durch Nanospots, funktionalisiert werden. Dies ist z. B. für eine ISFET-Struktur, die ebenfalls zwei planare Source- und Drainkontakte besitzt, in der DE 10 2007 039 706.4 beschrieben.
  • Die aus dem Stand der Technik bislang bekannten Elektrodenanordnungen sind bisher nicht transparent, da sie auf mit Bor hochdotierten Schichten mit Dicken im μm-Bereich basieren. Zudem sind sie im Allgemeinen auf nicht-transparenten Substraten, wie Si, abgeschieden. Sie sind also vertikal nicht oberhalb einer Solarzelle integrierbar. Für Anwendungen in der Biochemie werden mit Wasserstoff terminierte Diamantoberflächen auf Glassubstraten verwendet, um Fluoreszenzuntersuchungen zu gestatten. Die mit Wasserstoff abgesättigte Oberfläche ist allerdings nicht korrosionsfest.
  • Für eine Anwendung zur Wasserstofferzeugung sind hinreichend große Flächen notwendig, die derzeit nicht durch einkristalline Diamantsubstrate oder Diamant-Quasi-Substrate zur Verfügung stehen. Diamanteinkristalle sind derzeit auf etwa 1 cm2 Fläche beschränkt. Die einzige heute bekannte Methode einkristalline freistehende Diamantfilme (Quasi-Substrate) zu erzeugen, ist die Abscheidung auf Ir, was jedoch großtechnisch noch nicht möglich ist und nicht kostengünstig erscheint. Daher ist der großtechnisch relevante Ansatz die Verwendung von polykristallinen oder nanokristallinen Schichten auf transparenten Fremdsubstraten. Polykristalline frei stehende Substrate (Quasi-Substrate) werden beidseitig hochpoliert als Wärmesenken eingesetzt und können auch hier als Quasi-Substrat verwendet werden.
  • Fremdsubstrate sind SiO2 oder Al2O3 (Saphir) oder andere hochschmelzende und transparente Dielektrika. Diamant muss darauf über eine Bekeimschicht aufgewachsen werden. Dafür sind zwei Konfigurationen gebräuchlich: Bekeimung über abgeschiedenes Diamant-Nanopulver oder Nukleation auf Si oder einem karbidbildenden Metall mit angelegtem elektrischem Feld (bias enhanced nucleation, BEN).
  • Eine hochtransparente und gleichzeitig korrosionsfeste Diamantelektrodenanordnung kann gleichzeitig als Abdeckung der Solarzelle dienen. Damit können solche Solarzellen auch in korrosiver Umgebung, wie Meerwasser, zur Wasserstofferzeugung oder Wasseraufbereitung, wie Entsalzung, eingesetzt werden. Eine hybride Integrationstechnik, z. B. mittels einer transparenten Klebeverbindung, wie unter Verwendung von PDMS, ist leicht vorstellbar.
  • Die monolithische vertikale Integration der Diamantdeckelektrodenanordnung mit einer Solarzelle hängt davon ab, ob die Solarzellenstruktur ein Überwachsen mit Diamant tolerieren kann. Das ist für die bisher verwendeten Systeme nur bedingt möglich. Das Überwachsen mit Diamant hoher elektrochemischer Qualität muss bei hoher Temperatur in hochreduzierender H-Atmosphäre erfolgen. Um elektrochemische Diamantschichtqualität zu erhalten, muss die Überwachstemperatur oberhalb ca. 600°C, am besten bei ca. 700°C, liegen. Die Atmosphäre ist nahezu reiner Wasserstoff (> 97% H-Gehalt in Wachstumsumgebung). So sind alle bisherigen Versuche, Si, GaAs oder GaN direkt mit hochqualitativem Diamant zu überwachsen und die Substrateigenschaften zu erhalten, misslungen (PW. May et al.: „Deposition of CVD diamond onto GaN"; Diamond and Related Materials, 15 (2006); 526–530).
  • Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halbleiterbauelement bereitzustellen, das die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme ausräumt und eine effiziente Energieversorgung garantiert.
  • Diese Aufgabe wird durch das Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. In Anspruch 20 werden erfindungsgemäße Verwendungen des Halbleiterbauelementes genannt.
  • Erfindungsgemäß wird ein Halbleiterbauelement bereitgestellt, das mindestens eine Elektrodenanordnung mit mindestens zwei Elektroden aufweist, von denen mindestens eine Elektrode eine Diamant enthaltende Elektrode ist. Weiterhin weist das Halbleiterbauelement mindestens eine monolithisch integrierte Solarzelle als Energiequelle für die mindestens eine Elektrodenanordnung auf.
  • Es wird somit eine vertikale Stapelanordnung bereitgestellt, die aus einer Diamant enthaltenden Elektrode und einer Solarzellenanordnung zur internen Eigenenergieversorgung besteht. Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement eignet sich dabei insbesondere für den Einsatz bei der Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse, in der Elektroanalytik und der Wasseraufbereitung. Die Erzeugung von Wasserstoff durch Zersetzung von Wasser ist eine bedeutende Form der Energiespeicherung. Dabei kann Wasserstoff durch direkte Zersetzung von Wasser durch Hydrolyse in wässriger Umgebung erzeugt werden, wobei Wasserstoff an der Kathode und Sauerstoff an der Anode frei werden.
  • Die Diamantelektrodenstruktur besteht aus zwei lateral gegenüberliegenden quasi-metallisch leitfähigen und somit hochdotierten und vorteilhafterweise dünnen und somit transparenten Diamantkontakten (Doppelelektrodenanordnung) auf einem vorteilhafterweise transparenten isolierenden Substrat (das auch Diamant sein kann). Dabei dient der eine Kontakt als Kathode der andere als Anode oder als Arbeitselektrode und Gegenelektrode. Die Spannung, die zum Betrieb notwendig ist, wird intern durch die mit der Elektrode vertikal integrierte Solarzelle erzeugt. Diese Solarzelle kann hybrid oder monolithisch integriert werden.
  • Üblicherweise werden bei den genannten Einsatzgebieten entweder inerte Edelmetalle, wie Pt oder Au, als Elektrodenmaterialien verwendet, die nicht transparent sind, ein kleines elektrochemisches Potentialfenster aufweisen und deren elektrochemische Aktivität stark von der Elektrolytumgebung abhängig ist. Andererseits können Metalloxide verwendet werden, die zwar transparent sein können, die aber kathodisch reduziert und periodisch oxidiert werden müssen und somit immer einen Auffrischzyklus durchlaufen müssen.
  • Erfindungsgemäß wird nun eine planare Diamant-Doppelelektrodenstruktur mit mindestens zwei gegenüberliegenden Kontakten auf einem gemeinsamen Substrat vorgeschlagen, wobei mindestens ein Kontakt als Kathode und der andere als Anode fungiert.
  • Diesbezüglich bietet Diamant den Vorteil, dass er inert ist und daher an der Reaktion, d. h. der Elektrolyse, nicht teilnimmt. Weiterhin wird Diamant nicht geätzt und korrodiert nicht. Da es sich bei Diamant um einen Halbleiter mit hohem Bandabstand handelt, kann die Elektrodenanordnung mit Detektorstrukturen auf der Basis von Diamant- und Heterostrukturostrukturen sowie Transistorstrukturen (ISFET's) erweitert werden.
  • An einer Diamantelektrode beträgt das elektrochemische Fenster zur H2O-Zersetung etwa ΔV = 3.0 V. Wird an eine planare Kontaktanordnung eine Spannung größer als ΔV (dem elektrochemischen Potentialfenster) angelegt (z. B. 5 V), beginnt zwischen den Kontakten ein Strom über den Elektrolyten durch direkten Elektrontransfer über die Diamant-Elektrolytgrenzfläche zu fließen. Da Diamant in nasschemischer Umgebung selbst bei hohen kathodischen und anodischen Überpotentialen inert ist, kann die Elektrodenoberfläche auch in Salzwasser und verunreinigtem Wasser eingesetzt werden und so z. B. zur Wasseraufbereitung verwendet werden, d. h. die Diamantoberfläche muss von hoher elektrochemischer Qualität sein. Dies ist i. a. bei einkristallinem, polykristallinem und nanokristallinem Material mit geringem Korngrenzengehalt der Fall. Eine hohe elektrochemische Qualität zeichnet sich zuerst durch die oben mehrfach angesprochene hohe Inertness und Ätzbeständigkeit aber auch durch große Elektrolyse-Potentialfenster und einen niedrigen Hintergrundstrom im Elektrolysefenster aus.
  • Als Solarzellenanordnungen können sowohl herkömmliche Schichtstrukturen aus Si, III-V-Halbleitern, organischen Halbleitern oder anderen Materialien Verwendung finden, sofern sie hybrid z. B. durch Verkleben integriert werden. Um die Wasserzersetzungsspannung der Diamantelektrodenanordnung zu erreichen (in der Anwendung zur Wasserstofferzeugung), ist unter Umständen eine Serienschaltung mehrerer Zellen notwendig. Bevorzugt ist die monolithische Schichtung mit einer polaren InGaN-Solarzellen-Heterostruktur auf GaN-Basis. InGaN-Solarzellen können über eine Variation des In-Gehaltes effizient an das Sonnenspektrum angepasst werden und können daher einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. Durch den Bandabstand können hohe Klemmenspannungen erzeugt werden und durch Heterostrukturen, wie mit einer InAlN-Deckschicht, können hohe polarisationsinduzierte zweidimensionale Grenzflächenladungsdichten (2DEG und 2DHG) erzeugt werden, die als niederohmige Kontaktschichten dienen können.
  • Die Spannung ΔV wird durch Beleuchtung einer vertikal integrierten Solarzelle selbst erzeugt. Für den Stapel Elektrode/Solarzelle sind daher 2 Konfigurationen bevorzugt:
    Bei der ersten Konfiguration wird die Solarzelle direkt beleuchtet und die Elektrodenanordnung mit Diamantelektrode ist rückseitig angeordnet.
  • Bei der zweiten Konfiguration befindet sich die Elektrodenanordnung mit Diamantelektrode auf der Solarzellenoberfläche.
  • In beiden erfindungsgemäßen Anordnungen kann es vorteilhaft sein, eine dritte Komponente als Zwischenebene zwischen beide Teile einzuschieben. Dies kann für den Fall, dass die Solarzelle oben angeordnet ist, eine Reflexionsschicht für nicht in der Solarzelle direkt absorbierte Strahlung oder eine elektrische CMOS-Schaltung zur Signalverarbeitung in elektroanalytischen Anwendungen sein. In der Anordnung mit der Elektrode auf der Oberseite könnte ein optisches Mikrolinsenarray integriert werden, um den Wirkungsgrad der Solarzelle zu erhöhen.
  • In der ersten erfindungsgemäßen Anordnung befindet sich die Solarzelle auf der Strahlungsrückseite. Die Rückseite der Solarzelle muss fest mit der Rückseite der Elektrode verbunden werden. Dies ist leicht durch Kleben oder Löten vorstellbar. Auch kann, wie oben beschrieben, eine Zwischenebene eingefügt werden. Es kann auch vorteilhaft sein, dass sich Solarzelle und Diamantelektrode auf einem gemeinsamen Substrat befinden. Als solches bietet sich Al2O3. (Saphir) an. Auf Saphir kann sowohl eine Solarzelle auf GaN-Basis epitaktisch gewachsen werden, als auch Diamant über eine Bekeimzwischenschicht abgeschieden werden.
  • In dieser Anordnung muss der generierte Gasfluss seitwärts abgeleitet werden, was zu Selbstpassivierung der Reaktion führen kann, wenn die sich bildenden Blasen nicht fortlaufend entfernt werden können. Dies gilt insbesondere für eine Wasserstoffgenerierung aber auch für die gasförmigen Reaktionsprodukte in elektroanalytischen Anwendungen oder der Wasseraufbereitung. Daher müssen in dieser Anordnung zumeist weitere Komponenten, wie Spiegel oder Kapillaren, integriert werden.
  • In der zweiten erfindungsgemäßen Anordnung ist die Diamantelektrodenanordnung auf der Solarzelle angeordnet und muss daher hochtransparent sein, wobei Diamant als Halbleiter mit hohem Bandabstand und daher hoher Transparenz bis in den UV-Bereich (225 nm) diese Bedingung erfüllt. Diamant ist darüber hinaus chemisch inert, korrosionsfest und wird in wässrigen Lösungen nicht geätzt und ist daher das einzige inerte Halbleiterelektrodenmaterial. Es ist daher auch eine ideale Abdeckung der Solarzelle und ein idealer Korrosionsschutz. Allerdings muss Diamant als elektrochemische Elektrode quasi-metallische Leitfähigkeit besitzen und also deshalb hoch dotiert (> 1020 cm–3) werden. Ein hierfür verwendeter Dotierstoff ist Bor. Dadurch wird Diamant allerdings in bestimmten Wellenlängenbereichen absorbierend. Um dennoch für Sonnenlichteinstrahlung hochtransparent zu sein, muss die leitfähige Elektrodenschicht wesentlich dünner als der Absorptionskoeffizient sein, also im sub-μm oder nm-Bereich liegen. Solch dünne Dotierschichten sind als Delta- oder Pulsdotierprofile bekannt.
  • Die Diamantelektrodenanordnung und Solarzelle können hybrid integriert werden, z. B. durch transparentes und reflexionsfreies Verkleben. Dann bestehen keine Vorgaben für die Materialen der Solarzelle, solange sie für die Verbindungstechnik geeignet sind. Vorteilhaft ist jedoch die monolithische Integration mit einer Solarzelle auf GaN-Basis, wie einer InGaN-Zelle. Die aktive InGaN-Schichtfolge ist im Allgemeinen epitaktisch auf GaN aufgewachsen. Allerdings ist das Überwachen einer solchen Solarzelle auf GaN-Basis mit Diamant schwierig, da das Diamantwachstum (für Material mit hoher elektrochemischer Qualität) bei hoher Temperatur (oberhalb 600°C) in hochreduzierender Wasserstoffatmosphäre erfolgen muss. Dabei wird GaN im Allgemeinen zersetzt. Die Zersetzung lässt sich durch Abdeckung der GaN-(oder InGaN-)Oberfläche durch InAlN unterdrücken. Wird also auf die Oberfläche der Solarzelle eine nm-dünne InAlN-Deckschicht aufgewachsen, kann darauf Diamant abgeschieden werden. Dies erfolgt dann im Allgemeinen über eine Bekeimzwischenschicht.
  • Die nachfolgenden Ausführungsformen stellen vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes dar.
  • Eine erste bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die mindestens eine Elektrodenanordnung auf der einfallendem Licht zugewandten Seite der mindestens einen Solarzelle angeordnet ist, wobei die Elektrodenanordnung für Wellenlängen im UV-VIS-Bereich transparent ist.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die mindestens eine Elektrodenanordnung auf der einfallendem Licht abgewandten Seite der mindestens einen Solarzelle angeordnet ist.
  • Es ist weiter bevorzugt, dass die Diamant enthaltende Elektrode zumindest bereichsweise aus dotiertem Diamant besteht oder dieses im Wesentlichen enthält. Der Diamant ist dabei vorzugsweise quasi-metallisch, insbesondere mit Bor, dotiert, wobei die Konzentration des Dotierstoffs im Bereich von 8·1019 bis 1022 cm–3 liegt.
  • Vorzugsweise sind die quasi-metallisch dotierten Bereiche der Diamant enthaltenden Elektrode als Schicht ausgestaltet. Diese Schicht weist vorzugsweise eine Schichtdicke im Bereich von vorzugsweise 1 nm bis 5 μm, bevorzugt 1 nm bis 500 nm und besonders bevorzugt 1 nm bis 50 nm.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die mindestens eine Diamant enthaltende Elektrode zumindest bereichsweise mit metallischen Nanodots, insbesondere aus Gold, funktionalisiert ist. Aufgrund der geringeren Größe der Nanodots lässt sich auch hier noch eine Transparenz von > 90% erreichen.
  • Erfindungsgemäß ist es erforderlich, dass mindestens eine Elektrode eine Diamant enthaltende Elektrode ist. Dabei ist es bevorzugt, wenn beide Elektroden Diamant enthaltende Elektroden sind.
  • Eine andere bevorzugte Variante sieht vor, dass eine Elektrode eine Diamant enthaltende Elektrode ist und die zweite Elektrode aus einem nichttransparenten Material, insbesondere Platin, besteht.
  • Es ist weiter bevorzugt, dass die Elektrodenanordnung ein elektrochemisches Potentialfenster von ≥ 3.0 V bei einer Dunkel-Stromdichte I ≤ 10 μA/mm2 aufweist. Bei einer Funktionalisierung mit metallischen Nanodots, wie oben angesprochen, wird ein elektrochemisches Potentialfenster von ≥ 1,23 Volt ermöglicht.
  • Weiterhin ist es bevorzugt, dass die mindestens eine Solarzelle aus einer Schichtstruktur auf Basis von Silicium, einem III-V-Halbleiter oder einem organischen Halbleiter, insbesondere aus InAlN oder InGaN, besteht. Hierbei handelt es sich aus optisch angepassten Heterostrukturen.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Elektrodenanordnung mindestens eine isolierende Schicht, insbesondere aus Diamant, Al2O3, AlN, SiO2 oder einem Glas, aufweist. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die isolierende Schicht aus einkristallinem Diamant, polykristallinem Diamant mit einer Korngröße ≥ 1 μm oder aus nanokristallinem Diamant mit einer Korngröße zwischen 5 nm und 1 μm besteht.
  • Vorzugsweise sind die mindestens eine Elektrodenanordnung und die mindestens eine Solarzelle auf mindestens einer Substratschicht, insbesondere aus Al2O3, AlN, SiC oder Silicium, angeordnet.
  • Eine andere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass das Halbleiterbauelement eine Abdeckung aus einer Deckschicht, insbesondere aus InAlN, und einer Diamantbekeimschicht aufweist Dabei ist die Deckschicht aus InAlN vorzugsweise an die Substratschichtgitter angepasst. Hinsichtlich der der Diamantbekeimschicht ist es bevorzugt, dass diese für einen „bias-enhanced nucleation”-Prozess einsetzbar ist. Ebenso sollte die Diamantbekeimschicht eine hohe Dichte abgeschiedener Nanodiamantkeimlinge enthalten.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass das Halbleiterbauelement mindestens eine weitere Funktionsschicht aufweist. Als weitere Funktionsschicht kommt beispielsweise ein optisches Mikrolinsenarray oder eine optische Anti-Reflexionsschicht zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Solarzelle in Frage.
  • Ebenso ist es möglich, dass im Halbleiterbauelement ein elektrochemisch aktiver Transistor auf Diamant-Basis integriert ist. Hierzu zählen beispielsweise ISFET's oder ChemFET's. Elektronisch aktive Transistoren auf Si-MOS-Basis oder Dünnschicht-FETs, z. B. auf Basis von Zinkoxid, können durch Einbringung der Si-Schaltung als dritte Komponente zwischen Solarzelle und Diamant enthaltende Elektrode integriert werden.
  • Ebenso ist es möglich, dass eine Integration mit einem elektrochemisch aktiven Heterostruktur-Transistor (ISFET's oder ChemFET's) auf GaN-Basis, z. B. mit InAlN-Barriereschicht, erfolgt.
  • Hinsichtlich der Kontaktierung des Halbleiterbauelementes bestehen die Möglichkeiten einer direkten elektrischen Durchkontaktierung oder einer peripheren elektrischen Kontaktierung.
  • Hinsichtlich der Elektrodenzuführung kann diese vorzugsweise an der in Kontakt mit der Flüssigkeit stehenden Oberfläche eine Abdeckung aufweisen. Diese Abdeckung besteht vorzugsweise aus isolierendem Diamant oder einer anderen dielektrischen und chemisch inerten Passivierungsschicht oder Verkapselung. Die Elektrodenstruktur kann beispielsweise als großflächiges Doppelelektrodenarray, z. B. als eine interdigitale Fingerstruktur mit hohem optischem Füllfaktor, ausgebildet sein.
  • Vorzugsweise sind die mindestens eine Solarzelle und die Elektrodenanordnung über eine kraft- oder stoffschlüssige Oberflächenmontage miteinander verbunden. Hierzu zählen Verkleben, Löten oder Verpressen. Erfolgt eine Hybridintegration mittels Verkleben, so wird hier ein transparentes, optisch angepasstes und reflexionsfreies Verkleben bevorzugt.
  • Eine Strukturierung der Diamant enthaltenden Elektroden erfolgt vorzugsweise durch selektive Abscheidung oder selektives Rückätzen.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass das Halbleiterbauelement eine modifizierte oder funktionalisierte Diamantoberfläche zur Reduktion des elektrochemischen Potentialfensters aufweist, wobei diese Modifikation oder Funktionalisierung ganzflächig oder durch Nanospots erfolgen kann. Es ist ebenso eine spezifische Terminierung der Diamantoberfläche insbesondere für elektroanalytische Anwendungen, z. B. durch Wasserstoff, Fluor, Stickstoff oder andere chemische Elemente und Verbindungen möglich.
  • Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement wird bevorzugt zur Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse, zur Elektroanalyse oder zur Wasseraufbereitung eingesetzt.
  • Anhand der nachfolgenden Figuren und des Beispiels soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten speziellen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
  • 1 zeigt anhand einer schematischen Darstellung eine erste erfindungsgemäße Variante des Halbleiterbauelementes.
  • 2 zeigt anhand einer schematischen Darstellung eine zweite erfindungsgemäße Variante des Halbleiterbauelementes.
  • In 1 ist eine Variante des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes 1 dargestellt, bei der die Elektrodenanordnung aus zwei Diamant enthaltenden Elektroden (2, 2') rückseitig zur Solarzelle 3 angeordnet ist. Unter rückseitig ist hier zu verstehen, dass die Elektrodenanordnung auf der einfallendem Licht 4 abgewandten Seite der Solarzelle 3 angeordnet ist. Die Diamant enthaltenden Elektroden 2 und 2' sind in ein Diamant-Elektroden-Substrat 5 integriert und bilden so die Elektrodenanordnung. Diese kann zusammen mit der Solarzelle 3 auf einem gemeinsamen Basissubstrat 6, z. B. aus Saphir, SiC oder Si, angeordnet sein. In 1 ist die Anwendung zur Wasserstoffgeneration mit einer Solarzellenspannung ΔV größer als das elektrochemische Potentialfenster der Diamant enthaltenden Elektrode dargestellt. Das hier beschriebene System kann daher auch real aus einer Serienschaltung mehrerer Zellen bestehen.
  • In 2 ist eine zweite Variante des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes 10 dargestellt, bei dem die Elektrodenanordnung auf der Frontseite der Solarzelle 11 angeordnet ist. Frontseite bedeutet hier, dass die Elektrodenanordnung auf der einfallendem Licht zugewandten Seite der Solarzelle 11 angeordnet ist. Die Diamant enthaltenden Elektroden 11 und 11' sind hier in eine isolierende Diamant-Schicht und/oder ein transparentes Substrat 13 integriert. Auf der Rückseite der Solarzelle ist ein Basis-Substrat 14 angeordnet. Das Gesamtsystem ist in eine Passivierung und Verkapselung 15 integriert. Das hier dargestellte System eignet sich zur Wasserstoffgeneration mit einer Solarzellenspannung ΔV größer dem elektrochemischen Potentialfenster der Diamant enthaltenden Elektrode. Auch hier kann das System aus einer Serienschaltung mehrerer Solarzellen bestehen.
  • Beispiel
  • Der Ausgangspunkt für die Herstellung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements ist ein Trägersubstrat aus Saphir oder SiC mit einer polaren InGaN-Solarzellen-Heterostruktur auf GaN-Basis. Dieses Trägersubstrat wird auf der Rückseite mit Hilfe einer Gasphasenabscheidung ganzflächig mit elektrisch isolierendem Diamant beschichtet. Darauf werden anschließend selektiv zwei Bereiche mit leitfähigem Diamant abgeschieden, die in der späteren Anwendung als elektrochemische Elektroden dienen. Diese Bereiche werden über eine Metallisierung jeweils mit der Anode und Kathode der Solarzelle verbunden.
  • Alternativ kann auch eine Beschichtung der Solarzelle mit der Elektrodenanordnung erfolgen. Hierbei wird die auf dem Trägersubstrat angeordnete Solarzelle mit einer isolierenden Diamantschicht überzogen, auf der dann leitfähige Bereiche, d. h. die Diamant enthaltenden Elektroden, erzeugt werden.
  • 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.
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Claims (21)

  1. Halbleiterbauelement enthaltend mindestens eine Elektrodenanordnung mit mindestens zwei Elektroden, von denen mindestens eine Elektrode eine Diamant enthaltende Elektrode ist, sowie mindestens eine monolithisch integrierte Solarzelle als Energiequelle für die mindestens eine Elektrodenanordnung.
  2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Elektrodenanordnung auf der einfallendem Licht zugewandten Seite der mindestens einen Solarzelle angeordnet ist, wobei die Elektrodenanordnung für Wellenlängen im UV-VIS-Bereich transparent ist.
  3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Elektrodenanordnung auf der einfallendem Licht abgewandten Seite der mindestens einen Solarzelle angeordnet ist.
  4. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamant enthaltende Elektrode zumindest bereichsweise aus dotiertem Diamant besteht oder dieses im Wesentlichen enthält.
  5. Halbleiterbauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Diamant quasi-metallisch, insbesondere mit Bor, dotiert ist.
  6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des Dotierstoffs im Bereich von 8·1019 bis 1022 cm–3 liegt.
  7. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die quasi-metallisch dotierten Bereiche der Diamant enthaltenden Elektrode als Schicht mit einer Schichtdicke im Bereich von vorzugsweise 1 nm bis 5 μm, bevorzugt 1 nm bis 500 nm und besonders bevorzugt 1 nm bis 50 nm, ausgestaltet sind.
  8. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung zwei Diamant enthaltende Elektroden oder eine Diamant enthaltende Elektrode und eine Elektrode aus einem nicht-transparenten Material, insbesondere Platin, aufweist.
  9. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung ein elektrochemisches Potentialfenster von ≥ 3.0 V bei einer Dunkel-Stromdichte I ≤ 10 μA/mm2 aufweist.
  10. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Diamant enthaltende Elektrode oder die Elektrode aus einem nicht-transparenten Material zumindest bereichsweise mit metallischen Nanodots, insbesondere aus Gold, funktionalisiert ist.
  11. Halbleiterbauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Nanodots funktionalisierte Elektrodenanordnung ein elektrochemisches Potentialfenster von ≥ 1.23 V bei einer Dunkel-Stromdichte I ≤ 10 μA/mm2 aufweist.
  12. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Solarzelle aus einer Schichtstruktur auf Basis von Silicium, einem III-V-Halbleiter oder einem organischen Halbleiter, insbesondere aus InAlN, InGaN, besteht.
  13. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung mindestens eine isolierende Schicht, insbesondere aus Diamant, Al2O3, AlN, SiO2 oder einem Glas, aufweist.
  14. Halbleiterbauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Schicht aus einkristallinem Diamant, polykristallinem Diamant mit einer Korngröße ≥ 1 μm oder aus nanokristallinem Diamant mit einer Korngröße zwischen 5 nm und 1 μm besteht.
  15. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Elektrodenanordnung und die mindestens eine Solarzelle auf mindestens einer Substratschicht, insbesondere aus Al2O3, AlN, SiC oder Silicium, angeordnet sind.
  16. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement eine Abdeckung aus einer Deckschicht, insbesondere aus InAlN, und einer Diamantbekeimschicht aufweist.
  17. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement mindestens eine weitere Funktionsschicht, insbesondere ein optisches Mikrolinsenarray oder eine optische Anti-Reflexionsschicht zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Solarzelle, aufweist.
  18. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Halbleiterbauelement ein elektrochemisch aktiver Transistor, der Diamant enthält, integriert ist.
  19. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Solarzelle und die Elektrodenanordnung über eine kraft- oder stoffschlüssige Oberflächenmontage, insbesondere durch Verkleben, Löten oder Verpressen, verbunden sind.
  20. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Solarzellen in planarer Anordnung in Serie geschaltet sind.
  21. Verwendung des Halbleiterbauelements nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse, zur Elektroanalyse oder zur Wasseraufbereitung.
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