DE102011002649A1 - Halbleiterbauelement und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, enthaltend ein Substrat (100) mit einer ersten Seite (101) und einer gegenüberliegenden zweiten Seite (102), welches ein erstes Material enthält oder daraus besteht, wobei das Substrat (100) von einer Mehrzahl von Poren (103) durchsetzt ist und in den Poren (103) zumindest teilweise ein zweites Material (200) angeordnet ist, welches amorph und/oder kristallin und vom ersten Material verschieden ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes, welches die folgenden Schritte enthält: Bereitstellen eines Substrates (100) aus einem ersten Material mit einer ersten Seite (101) und einer zweiten Seite (102); Einbringen einer Mehrzahl von Poren (103) in das Substrat (100) durch anodisches oder stromloses elektrochemisches Ätzen des Substrates (100); und Einbringen eines zweiten Materials (200) in die Poren (103).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Halbleiterbauelement, enthaltend ein Substrat mit einer ersten Seite und einer gegenüberliegenden zweiten Seite, welches ein erstes Material enthält oder daraus besteht, wobei das Substrat von einer Mehrzahl von Poren durchsetzt ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes, bei welchem ein Substrat aus einem ersten Material mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite bereitgestellt wird und eine Mehrzahl von Poren in das Substrat durch anodisches oder stromloses elektrochemisches Ätzen des Substrates eingebracht wird. optoelektronische Halbleiterbauelemente der eingangs genannten Art können zur Wandlung eintreffender optischer Strahlung in elektrische Energie verwendet werden, beispielsweise als photovoltaische Zelle.
  • Aus der US 7,022,585 B2 ist bekannt, ein Siliciumsubstrat bzw. einen Wafer durch anodisches elektrochemisches Ätzen mit Poren zu versehen. Durch Abtrennen kann das Substrat in einer senkrecht zum Normalenvektor verlaufenden Ebene getrennt werden, so dass ein Teilvolumen des Substrates als frei stehender, mit Poren durchsetzter Wafer zur Verfügung gestellt wird. Diese Wafer weisen jedoch aufgrund des großen Anteils an Poren und ihrer geringen Dicke eine äußerst geringe mechanische Festigkeit auf, so dass die Herstellung von großflächigen Bauelementen mit hinreichender Betriebssicherheit nicht möglich ist.
  • Aus T. Geppert, S. L. Schweizer, U. Gösele, R. B. Wehrspohn: Deep trench etching in macroporous silicon, Appl. Phys. A 84 2006, 237 ist bekannt, Trenches und Poren in einem Arbeitsgang durch anodisches Ätzen eines Siliciumsubstrates zu erzeugen.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen dünnen Wafer mit größerer mechanischer Stabilität zur Verfügung zu stellen. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bei der Herstellung dünner Wafer entstehenden Materialverluste zu verringern. Daneben liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Quantenausbeute eines optoelektronischen Halbleiterbauelementes zu erhöhen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 14 gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, ein optoelektronisches Halbleiterbauelement, beispielsweise eine photovoltaische Zelle oder einen Photodetektor, auf einem flächigen, im Allgemeinen scheibenförmigen Substrat mit einer ersten Seite und einer gegenüberliegenden zweiten Seite bereitzustellen. Das Substrat soll ein erstes Material enthalten oder daraus bestehen. Das erste Material kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung Silicium sein. Daneben kann das Substrat Dotierstoffe enthalten, welche eine vorgebbare Leitfähigkeit des Substrates bewirken. Als Dotierstoffe können in einigen Ausführungsformen der Erfindung Stickstoff, Arsen, Phosphor, Bor, Aluminium oder Gallium verwendet werden. Daneben kann das Substrat unvermeidbare Verunreinigungen enthalten, beispielsweise Sauerstoff, Wasserstoff oder Kohlenstoff. Daneben können weitere, hier nicht genannte Elemente im Substrat vorhanden sein.
  • Das Substrat des erfindungsgemäß vorgeschlagenen optoelektronischen Halbleiterbauelementes enthält eine Mehrzahl von Poren. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Poren einen runden Querschnitt aufweisen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Poren einen ovalen oder polygonalen Querschnitt aufweisen. Die Poren können sich ausgehend von der ersten Seite bis zur gegenüberliegenden zweiten Seite erstrecken. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Poren eine geringere Tiefe als die Materialstärke des Substrates aufweisen, so dass sich der Eindruck eines Sackloches ergibt.
  • Die Poren können in einem gleichmäßigen Raster angeordnet sein oder statistisch über die Fläche des Substrates verteilt sein. Sofern die Poren in einem periodischen Raster auf dem bzw. im Substratangeordnet sind, können diese im Zusammenwirken mit dem Substrat einen Gitterkoppler bzw. einen photonischen Kristall bilden. Unter einem Gitterkoppler wird eine periodische Struktur des Brechungsindex verstanden, mit welcher beispielsweise durch Beugung und/oder Interferenz die Bewegung von Photonen beeinflussbar ist. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann durch eine Mehrzahl periodisch angeordneter Poren ein 2-dimensionaler Gitterkoppler erzeugt werden.
  • Die Poren können in einigen Ausführungsformen der Erfindung einen Durchmesser von etwa 0,1 μm bis etwa 20 μm aufweisen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Durchmesser der Poren etwa 2 μm bis etwa 10 μm betragen. Die Poren können in das Substrat durch anodisches oder stromloses elektrochemisches Ätzen eingebracht werden bzw. das mit Poren versehene Substrat kann durch anodisches und/oder stromloses elektrochemisches Ätzen erhältlich sein.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zusätzlich oder alternativ zu den genannten Poren zumindest ein Trench bzw. ein Graben oder eine Rille in das Substrat eingebracht sein. Der Trench kann sich geradlinig über die erste Seite des Substrates erstrecken oder eine nicht lineare bzw. gebogene oder gezackte Geometrie aufweisen. Der zumindest eine Trench kann sich über die gesamte Materialstärke erstrecken, so dass er die erste Seite mit der gegenüberliegenden zweiten Seite verbindet. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der zumindest eine Trench eine geringere Tiefe als die Materialstärke des Substrates aufweisen. Die Breite eines Trenches kann etwa 0,1 μm bis etwa 20 μm betragen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Breite eines Trenches etwa 2 μm bis etwa 10 μm betragen. Die Länge der Trenches kann größer sein als deren Breite. Dabei bezeichnen die Breite und die Länge den Querschnitt eines Trench in der durch die Substratoberfläche definierten Ebene. Ein Trench ist für die Zwecke der vorliegenden Erfindung also lediglich eine Pore mit einer vergrößerten Längsausdehnung.
  • Da die Verwendung von Trenches oder Poren mit rundem, ovalen oder polygonalem Querschnitt gleichwirkend sein kann, wird in der nachfolgenden Beschreibung aus Gründen der Verständlichkeit ausschließlich von „Poren” gesprochen. Dieser Begriff schließt die Verwendung von Trenches stets mit ein, wenn nicht explizit auf Trenches Bezug genommen wird.
  • Eine Mehrzahl von Trenches kann parallel zueinander verlaufen und/oder ein gleichmäßiges Raster auf zumindest der ersten Seite bilden. Sofern eine Mehrzahl von Trenches in einem periodischen Raster auf dem bzw. im Substrat angeordnet ist, können diese im Zusammenwirken mit dem Substrat einen Gitterkoppler bilden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann durch eine Mehrzahl periodisch angeordneter Trenches ein 1-dimensionaler Gitterkoppler erzeugt werden.
  • Entlang ihrer Wachstumsrichtung können die Poren einen konstanten oder einen veränderlichen Querschnitt aufweisen, d. h. die Poren können gerade, konisch oder moduliert sein. In einer Ausführungsform der Erfindung kann durch gerade oder konische Poren ein minimales Volumen genutzt werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung liegt die Porosität, d. h. das relative Verhältnis von Porenvolumen zu Gesamtvolumen, bei ca. 15% bis ca. 55%. In einigen Ausführungsformen der Erfindung liegt die Porosität bei ca. 25% bis ca. 45%. In einigen Ausführungsformen der Erfindung liegt die Porosität bei ca. 35%.
  • Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, in die Poren zumindest teilweise ein zweites Material einzubringen, welches amorph und/oder kristallin und vom ersten Material verschieden ist. Auf diese Weise kann das zweite Material zur mechanischen Stabilisierung des Substrates und des daraus hergestellten Halbleiterbauelementes dienen. Weiterhin kann das zweite Material dazu geeignet und bestimmt sein, auf die erste und/oder zweite Seite eintreffendes Licht in Richtung des Volumens des Substrates zu leiten. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann hierbei eine Konversion des Lichtes erfolgen. Schließlich kann das zweite Material dazu eingesetzt werden, zumindest teilweise in das Substrat zu diffundieren und die elektrischen Eigenschaften des Substrates in zumindest einem Raumbereich des Substrates zu modifizieren.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das zweite Material Bor und/oder Phosphor und/oder Lithium und/oder Aluminium und/oder Gallium und/oder Stickstoff und/oder Arsen enthalten. Die genannten Elemente können in einigen Ausführungsformen der Erfindung als Oxid oder als Fluorid oder als Chlorid oder als Bromid in das zweite Material eingebracht sein. Die genannten Verbindungen können in einigen Ausführungsformen der Erfindung dazu verwendet werden, durch Diffusion ein an das zweite Material angrenzendes Teilvolumen des Substrates zu dotieren.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Substrat mit dem zweiten Material, welches zumindest teilweise in den Poren angeordnet ist erwärmt bzw. getempert werden. Dadurch kann Bor und/oder Lithium und/oder Arsen und/oder Stickstoff und/oder Phosphor und/oder Aluminium und/oder Gallium aus dem zweiten Material in das Substrat eindiffundieren. Auf diese Weise bilden sich um die Grenzflächen zwischen dem zweiten Material und dem Substrat Raumbereiche aus, welche aufgrund der Dotierung eine veränderte Leitfähigkeit aufweisen. An der Grenzfläche zwischen dem Substrat und den dotierten Raumbereichen kann sich ein p/n-Übergang ausbilden. Dieser p/n-Übergang verläuft im Wesentlichen orthogonal zur Längserstreckung der jeweiligen Pore, welche das zweite Material enthält. Sofern die Poren rund ausgeführt sind, kann die Form des p/n-Übergangs im Wesentlichen als Zylindermantelfläche beschrieben werden, welche die jeweilige Pore im Wesentlichen konzentrisch umgibt. In diesem Fall kann in einigen Ausführungsformen die gesamte Porenwand als Raumladungszone angesehen werden.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das zweite Material ein Glas oder eine Glaskeramik enthalten oder daraus bestehen. Das Glas oder die Glaskeramik kann Dotierstoffe enthalten, welche die optischen Eigenschaften beeinflussen und/oder die Fluoreszenz des zweiten Materials beeinflussen, welche in einigen Ausführungsformen für eine Down- oder Up-Konversion des eintretenden Lichtes genutzt werden kann. Das zweite Material kann ein Boratglas oder ein Fluoridglas enthalten oder daraus bestehen.
  • Unter einer Down-Konversion wird die Konversion von Photonen aus dem UV-Bereich in den besser nutzbaren niederenergetischen Spektralbereich verstanden, beispielsweise durch Fluoreszenzstoffe. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können Fluoreszenzstoffe seltene Erdionen enthalten oder daraus bestehen. Unter einer Up-Konversion wird die Umwandlung von Photonen mit einer Energie unterhalb der Bandlückenenergie nach sequentieller Absorption zu besser nutzbaren höherenergetischen Photonen verstanden. In einigen Ausführungsformen können Photonen mit einer Energie von weniger als etwa 1,12 eV durch Up-Konversion für die Photovoltaik nutzbar gemacht werden. Up-Konversion kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung unter kohärenten Bedingungen durch Phasenanpassung in nichtlinear optischen Materialien oder mit inkohärentem Licht an seltenen Erden erzeugt werden.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung können für die Down- oder Up-Konversion Nanokristalle mit einer Konzentration von etwa 5% bis etwa 25%, insbesondere etwa 10% bis etwa 20% in das zweite Material eingebracht oder darin erzeugt werden. Ein nanokristallines Material kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung Bariumchlorid und/oder Bariumbromid enthalten oder daraus bestehen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das zweite Material auch metallische Nanopartikel enthalten. Diese können durch Streuung und/oder die Ausbildung von Oberflächenplasmonen verbesserte Fluoreszenzeigenschaften des zweiten Materials bewirken. Metallische Nanopartikel können durch die Zugabe von AgCl in das zweite Material erzeugt werden.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das zweite Material zur Anpassung der optischen Eigenschaften an vorgebbare Sollwerte zumindest ein Element enthalten, welches ausgewählt ist aus Scandium, Yttrium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Einbringen des zweiten Materials durch Eintauchen des mit Poren versehenen Substrates in ein verflüssigtes zweites Material erfolgen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann ein pastöses zweites Material durch Aufstreichen bzw. Rakeln in die Poren des Substrates eingebracht werden. In wiederum einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann ein festes oder pulverförmiges zweites Material auf das Substrat aufgelegt und nachfolgend mit diesem erwärmt und dadurch verflüssigt und/oder umgeschmolzen werden.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Substrat eine Dicke von etwa 10 μm bis etwa 100 μm, insbesondere etwa 20 μm bis etwa 60 μm aufweisen. Der genannte Dickenbereich erlaubt einerseits eine hinreichende mechanische Stabilität, so dass das Halbleiterbauelement bzw. das Substrat im Herstellungsprozess handhabbar bleibt, auch wenn noch kein zweites Material zur Stabilisierung in die Poren eingebracht ist. Daneben erlaubt ein optoelektronisches Halbleiterbauelement des genannten Dickenbereiches eine hinreichende Absorption eintreffender Strahlung und damit eine hinreichende Nachweisgenauigkeit eines Photodetektors bzw. einen großen Wirkungsgrad einer photovoltaischen Zelle. Das Substrat kann durch elektrochemisches Abtrennen eines Teilvolumens aus einem Wafer größerer Dicke erhalten werden. Dadurch wird die Herstellung mit geringen Sägeverlusten bzw. einem geringen Kerfloss ermöglicht. Der Wafer kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine Dicke von etwa 250 μm bis etwa 2000 μm aufweisen.
  • Die Vereinzelung zumindest eines Substrates von einem Wafer kann in einigen Ausführungsformen mit den nachfolgend aufgeführten Verfahrensschritten erfolgen. Zunächst werden in den Wafer Strukturen mit periodischer oder zufälliger Porenanordnung geätzt. Durch Erhöhung der Stromdichte in einem anodischen Ätzverfahren auf etwa 0,1 A·cm–2 bis etwa 0,3 A·cm–2 wird in einer Ätztiefe, welche in etwa der Dicke des Substrates entspricht, eine poröse Schicht mit einer Porosität erzeugt, welche durch Stabilitätsverlust dazu führt, dass sich das poröse Substrat vom Wafer ablöst. Hierzu kann die Porosität mehr als 90%, mehr als 95% oder 100% betragen. Dieses Verfahren kann mehrfach hintereinander ausgeführt werden, so dass mehrere poröse Substrate aus einem Wafer erzeugt werden können.
  • In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann der Querschnitt der Poren moduliert werden, so dass innerhalb des Wafers zumindest eine hochporöse Schicht bzw. ein hochporöses Teilvolumen erzeugt wird. In einigen Ausführungsformen der Erfindung liegt die Porosität innerhalb des Teilvolumens bei mehr als 60%, mehr als 75% oder mehr als 80%. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können mehrere hochporöse Schichten in den Wafer eingebracht sein. In einer Ausführung kann alle 10–20 μm eine hochporöse Schicht von etwa 5 μm eingebracht sein. Diese hochporösen Schichten können nach der Ätzung durch einen Oxidationsschritt im Oxidationsofen bei Temperaturen von mehr als 700°C oder mehr als 800°C durchoxidiert werden, wobei sich poröse Substrate mit Dicken von 10–20 μm vom Wafer ablösen können. Im Gegensatz zur elektrochemischen Ablösung des Substrates von einem Wafer durch Erhöhung der Stromdichte muss eine lithographische Strukturierung des Substrates nicht für jedes Substrat wiederholt werden, da diese für alle aus einem Wafer abgetrennten Substrate zur Verfügung steht.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest ein Trench, welcher an einer vorgebbaren Stelle in einen Wafer eingebracht wird, zur Vereinzelung von porösen Substraten vorgebbarer Größe und/oder Form durch anodisches Ätzen eines Wafers genutzt werden. In diesem Fall kann die Lage und/oder Größe und/oder Form des Trenches durch lithographische Strukturierung des Wafers festgelegt werden, so dass der Angriff des Ätzmediums an einer definierten Stelle erfolgt. Werden eine Mehrzahl von Trenches in einem Quadrat, Rechteck, oder einer anderen Form angeordnet, so kann damit eine definierte Größe bzw. Form des porösen Substrates festgelegt werden, welches während des Ätzprozesses direkt vom Wafer vereinzelt wird.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest eine Teilfläche der ersten Seite und/oder eine Teilfläche der zweiten Seite des Substrates mit einem Metall oder einer Legierung oder einem transparenten leitfähigen Oxid (TCO) bedeckt sein. Dadurch kann eine elektrische Kontaktierung des Substrates oder eines vorgebbaren Teilvolumen des Substrates ermöglicht werden. Die mit dem Metall, einer Legierung oder dem TCO bedeckte Teilfläche kann weitere Zwischenschichten aufweisen, welche beispielsweise als Haftvermittlungsschicht, zur Anpassung der Gitterkonstanten, zur Modifikation der elektrischen Eigenschaften oder zu weiteren, hier nicht genannten Zwecken dient.
  • Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigt:
  • 1 einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäß verwendbaren Substrat.
  • 2 zeigt ein mit einem zweiten Material infiltriertes Substrat gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
  • 3 zeigt ein mit einem zweiten Material infiltriertes Substrat gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
  • 4 zeigt einen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 5 illustriert die Funktionsweise eines optoelektronischen Halbleiterbauelementes gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem mit Poren versehenen Substrat 100 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Substrat 100 weist eine erste Seite 101 sowie eine zweite Seite 102 auf, welche der ersten Seite 101 gegenüber liegt. Im Substrat 100 ist eine Mehrzahl von Poren 103 angeordnet, welche die erste Seite 101 mit der zweiten Seite 102 verbindet. Die Poren verlaufen somit in etwa in Richtung des Normalenvektors und im Wesentlichen geradlinig durch die Materialstärke des Substrates.
  • Die Poren sind im Ausführungsbeispiel gemäß 1 in einem regelmäßigen Raster angeordnet. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können die Poren auch statistisch auf der Oberfläche des Substrates angeordnet sein. Die in 1 gezeigte regelmäßige Anordnung kann durch Aufbringen einer strukturierten Maske auf zumindest einer Seite 101 oder 102 des Substrates 100 und nachfolgendes Strukturieren der Maske in einem Lithographieprozess erzeugt werden. Durch eine solche strukturierte Maske können auch andere Querschnitte der Poren 103 erhalten werden als der in 1 gezeigte runde Querschnitt. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können ovale Querschnitte oder länglich ausgedehnte Querschnitte erzeugt werden, so dass sich ein Trench ergibt.
  • Die Herstellung der Poren 103 im Substrat 100 kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung durch anodisches oder stromloses elektrochemisches Ätzen erfolgen, wenn das Substrat 100 Silicium enthält oder daraus besteht. Zum anodischen elektrochemischen Ätzen wird die zweite Seite 102 des Substrates 100 mit einem elektrischen Kontakt versehen und in Flusssäure vorgebbarer Konzentration getaucht. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an das Substrat und eine in der Flusssäure angeordnete Gegenelektrode fließt ein elektrischer Strom von der zweiten Seite 102 durch das Substrat 100 zur ersten Seite 101 und durch die Flusssäure zur Gegenelektrode. Optional kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine Beleuchtung der ersten Seite 101 und/oder der zweiten Seite 102 vorgesehen sein. Auf diese Weise können Poren 103 in das Substrat 100 bzw. in die unmaskierten Flächenbereiche des Substrates 100 geätzt werden.
  • 2 zeigt das Substrat 100 gemäß 1, nachdem dieses in weiteren Verfahrensschritten bearbeitet wurde. In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel enthält das erste Material 100 im Wesentlichen Silicium. Daneben enthält das Substrat 100 einen Dotierstoff, welcher eine n-Leitfähigkeit des Substrates 100 bewirkt. Dieser Dotierstoff kann in einigen Ausführungsbeispielen Stickstoff, Phosphor und/oder Arsen sein.
  • Auf die erste Seite 101 des Substrates 100 wurde in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ein zweites Material 200 aufgebracht. Das Aufbringen des zweiten Materials 200 kann durch Aufstreichen bzw. Rakeln eines pastösen Materials erfolgen, durch Eintauchen in ein verflüssigtes Material oder durch Auflegen eines im Wesentlichen plattenförmigen, festen Materials. In jedem Fall wird das zweite Material 200 zumindest vorübergehend bis zur plastischen Verformbarkeit erwärmt, so dass dieses zumindest teilweise in die Poren 103 eindringt. Aufgrund der Oberflächenspannung des pastösen bzw. flüssigen Materials 200 kann dieses in einigen Ausführungsformen der Erfindung nicht auf der zweiten Seite 102 des Substrates 100 austreten. Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren können die Poren 103 zu mehr als 40%, mehr als 50%, mehr als 70% oder mehr als 90% mit dem zweiten Material 200 ausgefüllt werden.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das zweite Material 200 ein Glas oder eine Glaskeramik sein. Im Ausführungsbeispiel der 2 enthält das zweite Material 200 B2O3 und/oder Li2O.
  • Durch Erwärmen bzw. Temperns des Substrates 100 mit dem zweiten Material 200, welches teilweise in den Poren 103 angeordnet ist, kann Bor und/oder Lithium aus dem zweiten Material 200 in das Substrat 100 eindiffundieren. Auf diese Weise bilden sich an den Grenzflächen zwischen dem zweiten Material 200 und dem Substrat 100 Raumbereiche 120 aus, welche aufgrund der Dotierung mit Bor eine p-Leitfähigkeit aufweisen. An der Grenzfläche zwischen dem Substrat 100 und den Raumbereichen 120 bildet sich ein p/n-Übergang 130 aus. Dieser p/n-Übergang verläuft im Wesentlichen entlang der Richtung des Normalenvektors der ersten Seite 101. Sofern die Poren 103 rund ausgeführt sind, kann die Form des p/n-Übergangs im Wesentlichen als Zylindermantelfläche beschrieben werden, welche die jeweilige Pore 103 im Wesentlichen konzentrisch umgibt. Wie anhand von 5 erläutert wird, kann ein solcher p/n-Übergang die Quanteneffizienz und damit den Wirkungsgrad einer Solarzelle verbessern. Durch die Füllung der Poren 103 mit dem zweiten Material 200 und durch die optionale Anordnung des zweiten Materials 200 auf der ersten Seite 101 kann darüber hinaus die mechanische Stabilität des Substrates 100 erhöht werden.
  • 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Da das Halbleiterbauelement gemäß 3 ähnlich aufgebaut ist wie das Halbleiterbauelement gemäß 2, wird nachfolgend nur auf die jeweiligen Unterschiede hingewiesen. Auch das Halbleiterbauelement gemäß 3 weist ein Substrat 100 auf, welches im Wesentlichen Silicium enthält. Das Substrat 100 ist mit einem Dotierstoff versehen, welcher eine p-Leitfähigkeit bewirkt, beispielsweise Bor, Aluminium und/oder Gallium.
  • Wie bereits vorstehend beschrieben, wird ein zweites Material 200 auf die erste Seite 101 und in die Poren 103 eingebracht, welches ein Glas oder eine Glaskeramik enthält. Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 enthält das zweite Material 200 P2O5. Durch Tempern des Substrates 100 nach dem Einbringen des zweiten Materials 200 in die Poren 103 diffundiert Phosphor in Raumbereiche 120 des Substrates 100, welche benachbart zu den Poren 103 angeordnet sind. Auf diese Weise können Raumbereiche 120 entstehen, welche eine n-Leitfähigkeit aufweisen. An den Grenzflächen der Raumbereiche 120 zum umgebenden Substrat 100 bilden sich wieder p/n-Übergänge 130 aus.
  • 4 erläutert, wie das in 2 bzw. 3 gezeigte Substrat zu einer funktionsfähigen Solarzelle weiter prozessiert werden kann. Hierzu wird in einem Verfahrensschritt ein Rückseitenkontakt 302 auf zumindest eine Teilfläche 107 der zweiten Seite 102 aufgebracht. Der Rückseitenkontakt 302 dient zum Abgreifen einer Nutzspannung bzw. zur Abfuhr des an den p/n-Übergängen 130 entstehenden Stromes aus dem Substrat 100.
  • Der Rückseitenkontakt 302 kann ein Metall und/oder eine Legierung und/oder ein transparentes leitfähiges Oxid enthalten. Der Rückseitenkontakt kann Aluminium oder Gold enthalten, so dass sich ein Ohmscher Kontakt zum Substrat 100 ausbildet. Der Rückseitenkontakt 302 kann mehrschichtig ausgeführt sein. Sofern der Rückseitenkontakt 302 vollflächig auf der zweiten Seite 102 des Substrates 100 angeordnet ist und eine hinreichende Dicke aufweist, kann dieser auch zur mechanischen Stabilisierung des Substrates 100 bzw. des entstehenden Halbleiterbauelementes eingesetzt werden.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das zweite Material 200 elektrisch isolierend sein. In diesem Fall wird zumindest auf einer Teilfläche 105 der ersten Seite 101 das zweite Material 200 entfernt, um die erste Seite 101 des Substrates 100 bzw. den Raumbereich 120 des Substrates 100 an der ersten Seite 101 zu exponieren. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Teilfläche 105 die gesamte Fläche der ersten Seite 101 einnehmen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können neben der Teilfläche 105 weitere Teilflächen 106 vorhanden sein, in welchen das zweite Material 200 weiterhin die erste Seite 101 bedeckt.
  • Nachfolgend wird die erste Seite 101 mit einem Vorderseitenkontakt 301 versehen. Der Vorderseitenkontakt 301 kann beispielsweise ein transparentes leitfähiges Oxid, ein Metall oder eine Legierung enthalten. Sofern der Vorderseitenkontakt 301 aus einem optisch nicht transparenten bzw. transluzenten Material besteht, kann dieser lateral strukturiert werden, so dass der Vorderseitenkontakt 301 erste Teilflächen aufweist, durch welche Licht auf das darunter liegende Substrat 100 auftreffen kann und zweite Teilflächen, welche auftreffendes Licht absorbieren oder reflektieren. Der Vorderseitenkontakt 301 kann in einigen Ausführungsformen ausschließlich auf den Teilflächen 105 angeordnet sein. In anderen Ausführungsformen kann der Vorderseitenkontakt auch die Teilflächen 106 zumindest teilweise bedecken.
  • Der Vorderseitenkontakt 301 dient zusammen mit dem Rückseitenkontakt 302 dazu, eine photovoltaisch erzeugte Spannung abzugreifen bzw. einen Nutzstrom aus dem Halbleiterbauelement 10 zur Verfügung zu stellen. Dabei kontaktiert der Rückseitenkontakt 302 die n-leitfähigen bzw. p-leitfähigen Bereiche des Substrates 100 und der Vorderseitenkontakt 301 die p-leitfähigen bzw. n-leitfähigen Raumbereiche 120 des Halbleiterbauelementes.
  • Sofern der Vorderseitenkontakt 301 auf den Teilflächen 106 das isolierende zweite Material 200 bedeckt, kann dieser optional von den Teilflächen 106 in einem nass- oder trockenchemischen Ätzschritt entfernt werden.
  • Anhand von 5 wird die Funktion des Halbleiterbauelementes nochmals erläutert. Durch den Vorderseitenkontakt 301 und das zweite Material 200 dringt ein Photon 300 in das Substrat 100 ein. Aufgrund der Größe und Anzahl der Poren 103 und den die Poren 103 jeweils umgebenden Raumbereich 120 entstehen in der Nähe der Poren 103 eine Vielzahl von p/n-Übergängen 130. Da die p/n-Übergänge 130 in etwa orthogonal zur Flächennormalen der ersten Seite 101 verlaufen, verlaufen die p/n-Übergänge auch in etwa in Richtung des Lichteinfalls der Photonen 300. Somit steht die gesamte Materialstärke des Substrates 100 für die Absorption der Photonen 300 zur Verfügung. In einigen Ausführungsformen können die p/n-Übergänge einen starken Dotierungssprung aufweisen, so dass sich eine große Differenz der Fermi-Niveaus im Raumbereich 120 und im Substrat 100 ergibt. Hierdurch kann die Potentialdifferenz in der Raumladungszone der p/n-Übergänge 130 vergrößert werden, so dass die Photonen 300 eine größere Nutzspannung zwischen dem Vorderseitenkontakt 301 und dem Rückseitenkontakt 302 bewirken.
  • Sofern das Photon 300 wie in 5 gezeigt absorbiert wird, entsteht am p/n-Übergang ein freies Elektron und ein freies Loch. Diese Minoritätsladungsträger werden aufgrund der Potentialdifferenz separiert, und driften als Nichtgleichgewichtsladungsträger durch den Raumbereich 120 bzw. das Substrat 100. Da der Stromtransport bei der erfindungsgemäßen Solarzelle orthogonal zur Einfallsrichtung des Lichtes erfolgt, kommt es zu einer raschen Ladungsträgertrennung, wobei die Rekombinationswahrscheinlichkeit im Vergleich zu bisher bekannten Solarzellen sinkt. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad und damit die Stromausbeute erhöht werden.
  • Übliche Solarzellen weisen nur geringe Absorptionswahrscheinlichkeiten für einfallende Photonen 300 auf, deren Energie geringer ist als die Bandlückenenergie des Substrates 100. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann dieser Nachteil dadurch überwunden werden, dass das zweite Material 200 fluoreszierend ausgebildet wird und eine Up-Konversion einfallender elektromagnetischer Strahlung bewirkt. Hierdurch kann ein bisher ungenutzter Teil des elektromagnetischen Spektrums der Eingangsstrahlung für die Absorption an den p/n-Übergängen 130 nutzbar gemacht werden. Auch die Absorption von Photonen mit höherer Energie, beispielsweise im UV-Spektrum des Sonnenlichtes, kann reduziert sein. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann dieser Nachteil dadurch überwunden werden, dass das zweite Material 200 eine Down-Konversion einfallender elektromagnetischer Strahlung bewirkt. Hierdurch kann ein Teil des elektromagnetischen Spektrums der Eingangsstrahlung in einen für die Absorption an den p/n-Übergängen 130 besser geeigneten Wellenlängenbereich verlagert werden.
  • Zur Up- oder Down-Konversion kann das zweite Material 200 beispielsweise ein Glas auf der Basis von Metall-Fluoriden enthalten, welchem Chlor und/oder Brom beigefügt wurde. Dadurch können sich in einem nachfolgenden Temperschritt Bariumchlorid- und/oder Bariumbromid-Nanokristalle im zweiten Material 200 ausbilden. Diese können durch verbesserte Fluoreszenzeigenschaften die Absorption eintreffenden Lichtes im Substrat 100 verbessern. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das zweite Material 200 mit Metallsalzen dotiert sein, so dass sich metallische Nanopartikel im zweiten Material 200 ausbilden können. Diese können durch Streuung und/oder die Ausbildung von Oberflächenplasmonen die Absorption eintreffenden Lichtes im Substrat 100 verbessern.
  • Das vorgeschlagene Halbleiterbauelement erlaubt somit durch die Vergrößerung der Fläche der p/n-Übergänge 130, die Unterdrückung der Ladungsträgerrekombination und die Nutzung der Fluoreszenz des zweiten Materials 200 eine Solarzelle mit verbessertem Wirkungsgrad, welche mit geringem Materialeinsatz und damit einfach und kostengünstig herstellbar ist. Durch die mechanische Verstärkung des Substrates 100 durch das zweite Material 200 ist die mechanische Stabilität der Solarzelle selbst bei großem Anteil der Poren 103 und geringer Materialstärke des Substrates 100 hinreichend groß, um eine einfache Handhabung und einen zuverlässigen Einsatz des Halbleiterbauelementes zu ermöglichen. Dadurch ermöglicht die vorgeschlagene Solarzelle eine Materialersparnis.
  • Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste” und „zweite” Merkmale definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
  • 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
    • US 7022585 B2 [0002]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • T. Geppert, S. L. Schweizer, U. Gösele, R. B. Wehrspohn: Deep trench etching in macroporous silicon, Appl. Phys. A 84 2006, 237 [0003]

Claims (21)

  1. Optoelektronisches Halbleiterbauelement, enthaltend ein Substrat (100) mit einer ersten Seite (101) und einer gegenüberliegenden zweiten Seite (102), welches ein erstes Material enthält oder daraus besteht, wobei das Substrat (100) eine Mehrzahl von Poren (103) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in den Poren (103) zumindest teilweise ein zweites Material (200) angeordnet ist, welches amorph und/oder kristallin und vom ersten Material verschieden ist.
  2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (100) eine Dicke von 10 μm bis 100 μm, insbesondere 20 μm bis 60 μm aufweist.
  3. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren einen Durchmesser von 100 nm bis 20 μm aufweisen, insbesondere 2 μm bis 10 μm.
  4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren einen länglichen Querschnitt aufweisen, welcher in einer ersten Raumrichtung eine Breite von 100 nm bis 20 μm, insbesondere 2 μm bis 10 μm aufweist und in einer zweiten Raumrichtung eine Länge, welche größer ist als die Breite.
  5. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das relative Verhältnis von Porenvolumen zum Gesamtvolumen des Substrates bei ca. 15% bis ca. 55%, insbesondere bei ca. 25% bis ca. 45% liegt.
  6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material (200) ein Glas und/oder eine Glaskeramik enthält oder daraus besteht.
  7. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material (200) Bor und/oder Phosphor und/oder Lithium und/oder Aluminium und/oder Gallium und/oder Stickstoff und/oder Arsen enthält.
  8. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material (200) zumindest ein nanokristallines Material und/oder zumindest ein Element enthält, welches ausgewählt ist aus Scandium, Yttrium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium.
  9. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material zumindest Silicium und einen Dotierstoff enthält, welcher eine erste Leitfähigkeit des ersten Materials bewirkt.
  10. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einzelne Bestandteile des zweiten Materials (200) in das erste Material eindiffundiert sind und dadurch Raumbereiche (120) mit einer zweiten Leitfähigkeit bereitgestellt sind.
  11. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Teilvolumen des Substrates ein Gitterkoppler ausgebildet ist.
  12. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material (200) zumindest auf einer Teilfläche (106) der ersten Seite (101) des Substrates angeordnet ist.
  13. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Teilfläche (105) der ersten Seite (101) und/oder eine Teilfläche (107) der zweiten Seite (102) des Substrates (100) mit einem Metall oder einer Legierung oder einem transparenten leitfähigen Oxid (301) bedeckt ist.
  14. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes, welches die folgenden Schritte enthält: • Bereitstellen eines Substrates (100) aus einem ersten Material mit einer ersten Seite (101) und einer zweiten Seite (102); • Einbringen einer Mehrzahl von Poren (103) in das Substrat durch anodisches und/oder stromloses elektrochemisches Ätzen des Substrates (100); • Einbringen eines zweiten Materials (200) in die Poren (103), welches amorph und/oder kristallin ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material (200) mindestens bis zur plastischen Verformbarkeit erwärmt wird, in die Poren (103) des Substrates (100) eingebracht und dort bis zur Erstarrung abgekühlt wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement getempert wird, so dass zumindest einzelne Bestandteile des zweiten Materials (200) in das Substrat (100) diffundieren und dadurch Raumbereiche (120) mit einer zweiten Leitfähigkeit im Substrat (100) erzeugen und/oder Nanokristallite im zweiten Material erzeugt werden.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat durch anodischess Ätzen eines Wafers erhalten wird, wobei das Substrat durch Erhöhung der lokalen Stromdichte vom Wafer elektrochemisch abgetrennt wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Poren im Wafer moduliert wird, so dass innerhalb des Wafers zumindest ein Teilvolumen erzeugt wird, welches eine Porosität von mehr als 60%, insbesondere mehr als 75% aufweist und das Teilvolumen nach der Ätzung durch einen Oxidationsschritt oxidiert wird, wobei zumindest ein Substrat vom Wafer abgelöst wird.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Trench, welcher an einer vorgebbaren Stelle in einen Wafer eingebracht wird, zur Vereinzelung von Substraten vorgebbarer Größe und/oder Form durch anodisches Ätzen genutzt wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Teilvolumina erzeugt wird, welche eine Porosität von mehr als 80% aufweisen und welche nach der Ätzung durch einen Oxidationsschritt bei einer Temperatur von mehr als 700°C oxidiert werden, wobei eine Mehrzahl von Substraten vom Wafer abgelöst werden.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest auf einer Teilfläche (105, 107) der ersten Seite (101) des Substrates (100) und/oder der zweiten Seite (102) des Substrates ein Metall und/oder eine Legierung und/oder ein transparentes leitfähiges Oxid (301, 302) aufgebracht wird.
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CN111276573A (zh) * 2020-02-18 2020-06-12 湖北大学 基于非晶(GaLu)2O3薄膜的日盲紫外光探测器

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