DE102011015283B4 - Production of a Semiconductor Device by Laser-Assisted Bonding and Semiconductor Device Manufactured Therewith - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Bauelements (10), insbesondere einer Diode oder einer Solarzelle, mit den Schritten: (a) Bereitstellung eines Substrates (1), auf dem eine Fügeschicht (2, 2.4) gebildet ist, die ein Metall enthält und mit dem Substrat (1) fest verbunden ist, (b) Auflage einer Halbleiterfolie (3) aus einem Halbleitermaterial auf die Fügeschicht (2, 2.4), und (c) Erwärmung der Halbleiterfolie (3) und der Fügeschicht (2, 2.4) auf eine Temperatur oberhalb der eutektischen Temperatur einer Zusammensetzung aus dem Metall und dem Halbleitermaterial, wobei eine Verbindung der Halbleiterfolie (3) mit der Fügeschicht (2, 2.4) und über die Fügeschicht (2, 2.4) mit dem Substrat (1) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass – die Erwärmung mittels lokal wirkender Laserbestrahlung erfolgt.Method for producing a semiconductor component (10), in particular a diode or a solar cell, comprising the steps of: (a) providing a substrate (1) on which is formed a bonding layer (2, 2.4) containing a metal and having (b) supporting a semiconductor film (3) made of a semiconductor material on the joining layer (2, 2.4), and (c) heating the semiconductor film (3) and the joining layer (2, 2.4) to one Temperature above the eutectic temperature of a composition of the metal and the semiconductor material, wherein a compound of the semiconductor film (3) with the joining layer (2, 2.4) and the bonding layer (2, 2.4) with the substrate (1) is formed, characterized in that - the heating takes place by means of locally acting laser irradiation.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Bauelements, insbesondere einer Diode oder einer Solarzelle, z. B. auf Si-Basis, wobei eine Halbleiterfolie mindestens eine eutektische Verbindung mit einer Fügeschicht auf einem Substrat bildet. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Halbleiter-Bauelement, insbesondere eine Diode oder eine Solarzelle, das mit dem genannten Verfahren hergestellt ist.The invention relates to a method for producing a semiconductor device, in particular a diode or a solar cell, for. B. based on Si, wherein a semiconductor film forms at least one eutectic compound with a bonding layer on a substrate. Furthermore, the invention relates to a semiconductor device, in particular a diode or a solar cell, which is produced by the said method.
Die Kosten von Photovoltaikmodulen, z. B. mit Si-Solarzellen, können verringert werden, indem die Solarzellen mit möglichst dünnen Schichten aus Silizium (Si) hergestellt werden. Diese konnen z. B. gesägte Si-Wafer sein oder als Halbleiterfolien durch Transfertechniken erhalten werden (siehe z. B. F. Henley et al. ”Kerf-free 20–150 μm c-Si wafering for thin PV manufacturing” in ”Proc. 24th EU PVSEC” Hamburg 2009, S. 886; und R. Brendel et al. ”15.4%-efficient and 25 μm-thin crystalline Si solar cell from layer transfer using porous silicon” in ”Phys. Stat. Solidi (a)” Bd. 197, 2003, S. 497). Dabei ergibt sich das Problem, die dünnen Si-Wafer oder -Folien mit industriellen Prozessen zu Solarzellen weiterzuverarbeiten. Neben der Bruchfestigkeit sind dabei vor allem die Metallkontakte problematisch, die zwecks ausreichender Leitfähigkeit eine gewisse Mindestdicke aufweisen müssen und bei dünnen Wafern zur erheblichen Durchbiegung der Zelle führen.The cost of photovoltaic modules, z. B. with Si solar cells can be reduced by the solar cells are made with the thinnest possible layers of silicon (Si). These can z. B. be sawn Si wafers or be obtained as semiconductor films by transfer techniques (see, for example, Henley, Henley et al., "Kerf-free 20-150 microns c-Si wafering for thin PV manufacturing" in "Proc 24th EU PVSEC" Hamburg 2009 , 886, and R. Brendel et al., "15.4% -efficient and 25 μm-thin crystalline Si solar cell from layer transfer using porous silicon" in Phys. Stat. Solidi (a) "Vol. 197, 2003, P. 497). The problem arises of further processing the thin Si wafers or films with industrial processes into solar cells. In addition to the breaking strength, in particular the metal contacts are problematic, which must have a certain minimum thickness for the purpose of sufficient conductivity and lead to considerable deflection of the cell in the case of thin wafers.
Eine Möglichkeit, aus dünnen Si-Folien Solarzellen herzustellen wird von V. Gazuz et al. mit ”Thin (90 μm) multicrystalline Si solar cell with 15% efficiency by Al-bonding to glass Proc.” in ”23th EU PVSEC” Valencia 2008, S. 1040–1042 beschrieben (siehe auch
Das von V. Gazuz et al. beschriebene Verfahren hat jedoch eine Reihe von Nachteilen. Erstens wird beim RTP-Verfahren das Glas stark aufgeheizt, so dass es in unerwünschter Weise seine Form ändern kann. Hinzu kommt, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient des Glases oft deutlich größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Silizium ist. Durch flächiges Heizen können somit starke Verspannungen entstehen. Um diese Probleme, die mit der Fläche der verarbeiteten Substrate wachsen, zu vermeiden, müssten Gläser mit hoher Temperaturstabilität und geringer Wärmeausdehnung verwendet werden. Derartige Gläser sind jedoch relativ teuer. Zweitens ist beim RTP-Verfahren nur ein ganzflächiges Heizen des Substrats möglich. Somit können keine lokalisierten Kontakte hergestellt werden, wie sie für Solarzellen mit sehr hohen Wirkungsgraden benötigt werden. Schließlich ist aufgrund der zum Teil vorderseitigen Kontakte (Emitter) und zum Teil rückseitigen Kontakte der Solarzellen eine Modulverschaltung aufwändig.The by V. Gazuz et al. However, the method described has a number of disadvantages. First, in the RTP process, the glass is strongly heated so that it may undesirably change its shape. In addition, the thermal expansion coefficient of the glass is often significantly greater than the thermal expansion coefficient of the silicon. By surface heating can thus create strong tension. In order to avoid these problems, which grow with the surface of the processed substrates, glasses with high temperature stability and low thermal expansion would have to be used. However, such glasses are relatively expensive. Second, in the RTP process, only full surface heating of the substrate is possible. Thus, no localized contacts can be made, as required for solar cells with very high efficiencies. Finally, because of the partly front-side contacts (emitter) and partly back-side contacts of the solar cells, a module connection is complicated.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Metallisierung einer Solarzelle bekannt, wobei unter Einwirkung von Laserstrahlung metallisches Material in eine Oberfläche der Solarzelle eingebracht wird. Beispielsweise wird gemäß
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Bauelements, insbesondere einer Diode oder einer Solarzelle, bereitzustellen, mit dem Nachteile herkömmlicher Verfahren überwunden werden. Das Verfahren soll insbesondere ermöglichen, dünne Halbleiterfolien mit Schichtdicken im sub-mm-Bereich vereinfacht zu Halbleiter-Bauelementen zu verarbeiten. Die Aufgabe der Erfindung ist es des Weiteren, ein verbessertes Halbleiter-Bauelement, insbesondere eine Diode oder eine Solarzelle, bereitzustellen, mit dem Nachteile herkömmlicher Halbleiter-Bauelemente überwunden werden. Das Halbleiter-Bauelement soll sich insbesondere durch eine reproduzierbare und genaue Form und/oder eine hohe Flexibilität in Bezug auf die Bereitstellung von Kontakten und/oder Dotierungen auszeichnen.The object of the invention is to provide an improved method for producing a semiconductor component, in particular a diode or a solar cell, with which disadvantages of conventional methods are overcome. The method should in particular make it possible to process thin semiconductor films with layer thicknesses in the sub-mm range in a simplified manner to form semiconductor components. The object of the invention is furthermore to provide an improved semiconductor component, in particular a diode or a solar cell, with which disadvantages of conventional semiconductor components can be overcome. The semiconductor component is to be characterized in particular by a reproducible and precise shape and / or a high degree of flexibility with regard to the provision of contacts and / or dopings.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren bzw. ein Halbleiter-Bauelement mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Die Merkmale der Oberbegriffe der Ansprüche 1 und 14 sind bekannt aus der
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Bauelements, insbesondere einer Diode oder einer Solarzelle, bereitgestellt, bei dem mittels Laserstrahlung eine Halbleiterfolie über eine Fügeschicht (Zwischenschicht) mit einem Substrat verbunden wird. Gemäß der Erfindung wird die Halbleiterfolie auf die Fügeschicht, die ein Metall enthält, aufgelegt. Die Halbleiterfolie und die Fügeschicht werden durch die Laserstrahlung auf eine Temperatur oberhalb der eutektischen Temperatur einer Zusammensetzung aus dem Metall, das in der Fügeschicht enthalten ist, und dem Halbleitermaterial erwärmt, so dass die Halbleiterfolie und die Fügeschicht verschmelzen. Die Laserstrahlung wird insbesondere auf die Fügeschicht gerichtet, von der Metall, ggf. über weitere Zwischenschichten, in die Halbleiterfolie wandern kann. Gemäß der Erfindung wird durch die Laserstrahlung eine eutektische Verbindung der Halbleiterfolie mit der Fügeschicht gebildet. Die eutektische Verbindung, die sich über optional vorgesehene weitere Zwischenschichten erstrecken kann, bildet gleichzeitig eine mechanische Verbindung, einen elektrischen Kontakt und einen Dotierungsbereich in der Halbleiterfolie. Der elektrische Kontakt ist in Abhängigkeit von dem Leitungstyp des Halbleitermaterials und dem Metall ein Kontakt zur Verbindung mit einem p-Dotierungsbereich (p-Kontakt) oder ein Kontakt zur Verbindung mit einem n-Dotierungsbereich (n-Kontakt). Das Verfahren umfasst somit allgemein ein Laser-unterstütztes kombiniertes Bonden, insbesondere Aluminiumbonden, und Eindiffundieren zur Herstellung des Halbleiter-Bauelements, insbesondere einer Si-Solarzelle oder Si-Diode.According to a first aspect of the invention, a method is provided for producing a semiconductor component, in particular a diode or a solar cell, in which a semiconductor film is connected to a substrate by means of laser radiation via a bonding layer (intermediate layer). According to the invention, the Semiconductor film on the joining layer containing a metal, placed. The semiconductor film and the bonding layer are heated by the laser radiation to a temperature above the eutectic temperature of a composition of the metal contained in the bonding layer and the semiconductor material, so that the semiconductor film and the bonding layer merge. The laser radiation is directed in particular to the bonding layer, from which metal, possibly via further intermediate layers, can migrate into the semiconductor film. According to the invention, the laser radiation forms a eutectic connection of the semiconductor film with the bonding layer. The eutectic compound, which may extend over optional further intermediate layers, simultaneously forms a mechanical bond, an electrical contact and a doping region in the semiconductor film. The electrical contact is a contact for connection to a p-type doping region (p-type contact) or a contact for connection to an n-type doped region (n-type contact), depending on the conductivity type of the semiconductor material and the metal. The method thus generally comprises a laser-assisted combined bonding, in particular aluminum bonding, and diffusion for producing the semiconductor component, in particular a Si solar cell or Si diode.
Vorteilhafterweise erfolgt durch die Laserstrahlung eine lokal begrenzte Erwärmung in einem vorbestimmten, durch die Ausdehnung des Strahlungsfeldes der Laserstrahlung begrenzten Bereich (eutektischer Bereich). Die Laserstrahlung wirkt lokal begrenzt, d. h in einem Bereich, der kleiner als die Fläche des Halbleiterfolie ist. Während der Bestrahlung wird im eutektischen Bereich die eutektische Temperatur überschritten, so dass lokal die eutektische Verbindung gebildet wird. In der Umgebung des eutektischen Bereich erfolgt keine oder eine vernachlässigbare Erwärmung. Da die Ausdehnung des eutektischen Bereiches (Durchmesser vorzugsweise kleiner als 1 mm, insbesondere kleiner als 0,1 mm) wesentlich kleiner ist als die praktisch interessierenden Substratgrößen, werden durch die lokale Erwärmung das Substrat oder die Halbleiterfolie nicht verändert. Unerwünschte Deformationen des Substrats und Spannungen durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten werden vermieden. Des weiteren können vorteilhafterweise lokalisierte, über die Fläche der Halbleiterfolie verteilte Kontakte hergestellt werden. Somit vereinfacht das erfindungsgemäße Verfahren die Herstellung von Solarzellen mit einem Wirkungsgrad oberhalb 20%.Advantageously, the laser radiation causes locally limited heating in a predetermined region (eutectic region) delimited by the extent of the radiation field of the laser radiation. The laser radiation is locally limited, d. h in an area smaller than the area of the semiconductor film. During irradiation, the eutectic temperature is exceeded in the eutectic region, so that the eutectic compound is formed locally. There is no or negligible warming around the eutectic area. Since the expansion of the eutectic region (diameter preferably less than 1 mm, in particular less than 0.1 mm) is substantially smaller than the substrate sizes of practical interest, the local heating does not change the substrate or the semiconductor film. Undesirable deformations of the substrate and stresses due to different coefficients of expansion are avoided. Furthermore, it is advantageously possible to produce localized contacts distributed over the surface of the semiconductor film. Thus, the inventive method simplifies the production of solar cells with an efficiency above 20%.
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Halbleiter-Bauelement, insbesondere eine Diode oder eine Solarzelle bereitgestellt, das ein Substrat, eine Fügeschicht, die ein Metall enthält und auf der Substratoberfläche gebildet ist, und mindestens eine Halbleiterfolie aus einem Halbleitermaterial umfasst, das über mindestens eine eutektische Verbindung mit der Fügeschicht verbunden ist. Gemäß der Erfindung ist die mindestens eine eutektische Verbindung mittels lokaler Laserbestrahlung erzeugt. Des Weiteren ist gemäß der Erfindung das Halbleitermaterial an der mindestens einen eutektischen Verbindung mit dem Metall so dotiert, dass im Halbleitermaterial eine Ladungsträger-Konzentration oberhalb von 1018 cm–3 gebildet ist. Die Kontaktierung des Halbleiter-Bauelements erfolgt über die Fügeschicht oder deren Abschnitte (Fügeschichtabschnitte), die mit Dotierungsbereichen im Halbleitermaterial verbunden sind.According to a second aspect of the invention, there is provided a semiconductor device, in particular a diode or a solar cell, comprising a substrate, a bonding layer containing a metal and formed on the substrate surface, and at least one semiconductor film made of a semiconductor material over at least a eutectic connection is associated with the bonding layer. According to the invention, the at least one eutectic connection is generated by means of local laser irradiation. Furthermore, according to the invention, the semiconductor material is doped at the at least one eutectic compound with the metal such that a charge carrier concentration above 10 18 cm -3 is formed in the semiconductor material. The contacting of the semiconductor component takes place via the bonding layer or its sections (bonding layer sections) which are connected to doping regions in the semiconductor material.
Erfindungsgemäß wird allgemein mindestens eine Halbleiterfolie über eine Fügeschicht mit der Glasoberfläche des Substrats verbunden. Mit dem Begriff ”Halbleiterfolie” wird jedes schichtförmige Halbleitermaterial bezeichnet, das vorzugsweise als freitragender Bogen (Blatt, Platte) bereitgestellt wird und z. B. einen Wafer umfasst. Das schichtförmige, vorzugsweise freitragende Halbleitermaterial kann mit an sich bekannten Verfahren hergestellt sein, wie z. B. durch Sägen, Einbringen einer porösen Opferschicht (siehe R. Brendel et al. in ”Phys. Stat. Solidi (a)” Bd. 197, 2003, S. 497), Protonenbeschuss und/oder thermisches Absprengen von einem Volumenmaterial (siehe F. Henley et al. in ”Proc. 24th EU PVSEC” Hamburg 2009, S. 886). Das Halbleitermaterial kann dotiert oder undotiert sein. Die Halbleiterfolie kann weitere Schichten tragen, die im fertigen Halbleiterbauelement Zwischen- oder Deckschichten, z. B. für Isolations-Dotierungs- oder Passivierungszwecke bilden. Auf einem Substrat können mehrere Halbleiterfolien nebeneinander angeordnet sein.According to the invention, at least one semiconductor film is generally connected to the glass surface of the substrate via a bonding layer. The term "semiconductor film" is any layered semiconductor material referred to, which is preferably provided as a cantilever sheet (sheet, plate) and z. B. comprises a wafer. The layered, preferably self-supporting semiconductor material may be prepared by methods known per se, such as. For example, by sawing, introducing a porous sacrificial layer (see R. Brendel et al., Phys. Stat., Solidi (a), Vol. 197, 2003, pp. 497), proton bombardment, and / or thermal bursting of a bulk material (see F. Henley et al., Proc. 24th EU PVSEC Hamburg 2009, p. The semiconductor material may be doped or undoped. The semiconductor film may carry further layers which in the finished semiconductor component intermediate or outer layers, for. B. for isolation-doping or passivation purposes. On a substrate, a plurality of semiconductor films may be arranged side by side.
Vorteile für praktische Anwendungen der Erfindung ergeben sich, wenn die Halbleiterfolie aus Silizium besteht. Alternativ kann ein anderes Halbleitermaterial vorgesehen sein, wie z. B. Ge oder GaAs. Gemäß einem weiteren bevorzugten Merkmal der Erfindung weist die Halbleiterfolie eine Dicke geringer als 200 μm, insbesondere geringer als 100 μm auf.Advantages for practical applications of the invention arise when the semiconductor foil is made of silicon. Alternatively, another semiconductor material may be provided, such. Ge or GaAs. According to a further preferred feature of the invention, the semiconductor film has a thickness of less than 200 μm, in particular less than 100 μm.
Mit dem Begriff ”Substrat” wird jeder Festkörper mit einer Oberfläche bezeichnet, die als Träger des Halbleitermaterials im Halbleiter-Bauelement geeignet ist. Vorzugsweise weist zumindest die Oberfläche des Substrats Glas oder eine Glaskeramik auf, d. h. das Substrat besteht vollständig aus Glas oder Glaskeramik, wie z. B. Borsilikatglas, Kalk-Natron-Glas, Glaskeramik, insbesondere mit Hauptbestandteilen Lithiumoxid, Aluminiumoxid und Siliziumdioxid, oder aus einem anderen Material, wie insbesondere Keramik, z. B. Aluminiumoxid, oder Polymer, z. B. Ethylenvinylacetat (EVA), das auf seiner Oberfläche mit einer Glas- oder Glaskeramikschicht versehen ist. Es ist zum Beispiel ein Kunststoffsubstrat vorgesehen, auf dessen Oberfläche eine Glas- oder Glaskeramikschicht gebildet ist. Eine auf dem Substrat vorgesehene Glas- oder Glaskeramikschicht hat vorzugsweise eine Dicke von mehr als 0,5 μm, insbesondere mehr als 5 μm.The term "substrate" denotes any solid having a surface which is suitable as a carrier of the semiconductor material in the semiconductor component. Preferably, at least the surface of the substrate glass or a glass ceramic, ie, the substrate is made entirely of glass or glass ceramic, such as. Example, borosilicate glass, soda-lime glass, glass-ceramic, in particular with main components lithium oxide, aluminum oxide and silicon dioxide, or of another material, in particular ceramic, z. For example, alumina, or polymer, z. B. ethylene vinyl acetate (EVA), which is provided on its surface with a glass or glass ceramic layer. It is for example a plastic substrate provided on the surface of a glass or glass ceramic layer is formed. A glass or glass-ceramic layer provided on the substrate preferably has a thickness of more than 0.5 μm, in particular more than 5 μm.
Mit dem Begriff ”Fügeschicht” wird eine mit der Oberfläche des Substrats fest verbundene Metallschicht oder Metall enthaltende Schicht bezeichnet, die mit dem Halbleiter die eutektische Verbindung eingehen kann. Gemäß einem weiteren bevorzugten Merkmal der Erfindung weist die Fügeschicht eine Dicke geringer als 30 μm, insbesondere geringer als 10 μm auf, und größer als 0,1 μm, insbesondere größer als 0,5 μm auf. Vorzugsweise besteht die Fügeschicht aus Aluminium (Al). Eine Metall enthaltende Schicht umfasst z. B. eine reine Metallschicht oder alternativ eine Schicht umfassend Aluminiumpartikel und/oder Silberpartikel (jeweils bis zu wenigen μm groß) und organisches Bindemittel. Gemäß weiteren Varianten der Erfindung kann die Fügeschicht mehrere Metalle, z. B. Ag und Ni, enthalten, die auf dem Substrat in Teilschichten nebeneinander oder übereinander angeordnet sind. Bei Verwendung von mehreren Metallen können sich Vorteile für eine gezielte Dotierung des Halbleiters ergeben.The term "bonding layer" denotes a metal layer or metal-containing layer which is firmly connected to the surface of the substrate and which can form the eutectic connection with the semiconductor. According to a further preferred feature of the invention, the joining layer has a thickness of less than 30 .mu.m, in particular less than 10 .mu.m, and greater than 0.1 .mu.m, in particular greater than 0.5 .mu.m. Preferably, the joining layer consists of aluminum (Al). A metal-containing layer comprises, for. B. a pure metal layer or alternatively a layer comprising aluminum particles and / or silver particles (each up to a few microns in size) and organic binder. According to further variants of the invention, the joining layer may comprise a plurality of metals, e.g. B. Ag and Ni, which are arranged on the substrate in partial layers next to each other or one above the other. When using several metals, there may be advantages for a targeted doping of the semiconductor.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Erwärmung der Halbleiterfolie und der Fügeschicht mittels gepulster Laserstrahlung (Pulslaserstrahlung) vorgesehen. Die Verwendung von gepulster Laserstrahlung, z. B. mit ns-, ps- oder fs-Pulsen, hat aufgrund der geringen Pulsdauer Vorteile in Bezug auf die Erzielung extrem hoher Leistungen.According to a preferred embodiment of the invention, a heating of the semiconductor film and the bonding layer by means of pulsed laser radiation (pulsed laser radiation) is provided. The use of pulsed laser radiation, z. B. with ns, ps or fs pulses, has advantages in terms of achieving extremely high performance due to the low pulse duration.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird mindestens eine lokal begrenzte eutektische Verbindung gebildet, deren Ausdehnung geringer als die laterale Ausdehnung der Halbleiterfolie und des Substrats mit der Fügeschicht ist. Die lokal begrenzte eutektische Verbindung kann durch eine Bestrahlung an einer einzigen Position oder durch mehrere Bestrahlungen an aneinander angrenzenden Positionen gebildet werden. Sie bildet einen inselförmigen Kontaktabschnitt, in dem die Halbleiterfolie und die Fügeschicht stofflich verbunden sind. In der Umgebung des Kontaktabschnitts berühren sich die Halbleiterfolie, ggf. mit weiteren Zwischenschichten, und die Fügeschicht lose. Der mindestens eine Kontaktabschnitt wird vorteilhafterweise zur Herstellung mindestens eines elektrischen Kontakts und gleichzeitig zur lokal begrenzten Dotierung des Halbleitermaterials verwendet. Vorzugsweise wird die Laserbestrahlung an verschiedenen Positionen wiederholt, so dass mindestens zwei Kontaktabschnitte gebildet werden.According to a further preferred embodiment of the invention, at least one locally limited eutectic compound is formed whose extent is less than the lateral extent of the semiconductor film and the substrate with the joining layer. The localized eutectic compound may be formed by irradiation at a single position or by multiple exposures at adjacent positions. It forms an island-shaped contact section, in which the semiconductor film and the bonding layer are materially connected. In the vicinity of the contact section, the semiconductor film, possibly with further intermediate layers, and the joining layer touch each other loosely. The at least one contact section is advantageously used for producing at least one electrical contact and at the same time for locally limited doping of the semiconductor material. Preferably, the laser irradiation is repeated at different positions, so that at least two contact sections are formed.
Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung können die lokal begrenzten eutektischen Verbindungen so geringe Abstande aufweisen, dass eine flächig ausgedehnte Verbindung der Halbleiterfolie mit der Fügeschicht gebildet wird.According to a further variant of the invention, the locally limited eutectic compounds may have such small distances that a surface-extended connection of the semiconductor foil to the bonding layer is formed.
Erfindungsgemäß kann die Fügeschicht flachig das gesamte Substrat bedecken. Alternativ ist eine strukturierte Fügeschicht vorgesehen, die eine Vielzahl von relativ zueinander getrennten Fügeschichtabschnitten umfasst. Die Bereitstellung der Fügeschichtabschnitte kann für die Bildung abgegrenzter Kontaktabschnitte für Kontaktierungs- und/oder Dotierungszwecke von Vorteil sein. Die Fügeschichtabschnitte können sämtlich einheitlich das gleiche Metall oder jeweils verschiedene Metalle enthalten. Die Fügeschichtabschnitte können bei der Abscheidung des mindestens einen Materials der Fügeschicht auf dem Substrat, zum Beispiel durch eine Maskierung, gebildet werden. Alternativ kann nach der Bereitstellung des Substrats mit einer flächig aufgebrachten Fügeschicht diese lokal strukturiert und in eine Vielzahl von Fügeschichtabschnitten geteilt werden.According to the invention, the joining layer can flatly cover the entire substrate. Alternatively, a structured joining layer is provided, which comprises a multiplicity of joining layer sections which are separated relative to one another. The provision of the bonding layer sections can be advantageous for the formation of delimited contact sections for contacting and / or doping purposes. The joining layer sections can all uniformly contain the same metal or different metals. The joining layer sections can be formed during the deposition of the at least one material of the bonding layer on the substrate, for example by masking. Alternatively, after the substrate has been provided with a surface-applied bonding layer, it can be locally structured and divided into a plurality of bonding layer sections.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Halbleiterfolie ein- oder beidseitig eine dielektrische Passivierungsschicht aufweisen. Die Passivierungsschicht kann auf der zum Substrat wegweisenden Seite der Halbleiterfolie angeordnet sein und passivierend sowie reflektionsmindernd wirken. Besonders bevorzugt ist die Passivierungsschicht auf der zum Substrat weisenden Seite der Halbleiterfolie angeordnet. Vorteilhafterweise kann die erfindungsgemäße, laserunterstützte Fügung durch die Passivierungsschicht hindurch erfolgen. Somit kann die Laserbestrahlung vorzugsweise an einzelnen, über die Fläche des Substrats verteilten Positionen erfolgen, so dass eine Vielzahl von Kontaktabschnitten gebildet werden, die von der Fügeschicht oder den Fügeschichtabschnitten durch die dielektrische Passivierungsschicht zu der Halbleiterfolie ragen, wobei ein überwiegender Flächenanteil des Substrats nicht bestrahlt wird. Dies ermöglicht die Bereitstellung einer Vielzahl voneinander isolierter Kontakte mit einer lateralen Ausdehnung im Bereich von 0,5 μm bis 100 μm. Im Unterschied zu der herkömmlichen Technik gemäß V. Gazuz et al. werden die Flächen der Kontakte und somit ggf. störende Effekte der Kontakte, wie z. B. störende Rekombinationseffekte minimiert. Somit können bei der Herstellung von Solarzellen diese mit einem erhöhten Wirkungsgrad hergestellt werden.According to a further preferred embodiment of the invention, the semiconductor film may have on one or both sides a dielectric passivation layer. The passivation layer can be arranged on the side of the semiconductor film facing away from the substrate and have a passivating and reflection-reducing effect. Particularly preferably, the passivation layer is arranged on the side of the semiconductor film facing the substrate. Advantageously, the laser-assisted joining according to the invention can take place through the passivation layer. Thus, the laser irradiation may preferably be performed at discrete positions distributed over the surface of the substrate to form a plurality of contact portions protruding from the bonding layer or bonding layer portions through the dielectric passivation layer to the semiconductor film, wherein a predominant area portion of the substrate is not irradiated becomes. This makes it possible to provide a plurality of mutually insulated contacts with a lateral extent in the range of 0.5 .mu.m to 100 .mu.m. In contrast to the conventional technique according to V. Gazuz et al. Are the areas of the contacts and thus possibly disturbing effects of the contacts, such. B. interfering recombination effects minimized. Thus, in the manufacture of solar cells, they can be manufactured with increased efficiency.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Halbleiterfolie ein- oder beidseitig mindestens eine Dotierungsschicht, die z. B. Bor oder Phosphor enthält, aufweisen. Mittels lokaler Erwärmung, insbesondere mittels Laserbestrahlung kann eine lokale Dotierung der Halbleiterfolie durch Eindiffundieren von Atomen von der Dotierungsschicht in das Halbleitermaterial erhalten werden.According to a further preferred embodiment of the invention, the semiconductor film on one or both sides at least one doping layer, the z. As boron or phosphorus contains. By local heating, in particular by means of laser irradiation, a local doping of the semiconductor film by diffusion of atoms of the Doping layer can be obtained in the semiconductor material.
Wenn die Dotierungsschicht auf der zum Substrat weisenden Seite der Halbleiterfolie angeordnet und die Fügeschicht in eine Vielzahl von Fügeschichtabschnitten geteilt ist, ermöglicht dies die einseitige Bereitstellung von Dotierungsbereichen auf der Halbleiterfolie. Durch die Laserbestrahlung einer ersten Gruppe der Fügeschichtabschnitte können auf der zum Substrat weisenden Seite der Halbleiterfolie erste Dotierungsbereiche mit einem ersten Leitungstyp erzeugt werden. Des Weiteren können durch die Laserbestrahlung der Dotierungsschicht auf der zum Substrat weisenden Seite der Halbleiterfolie zweite Dotierungsbereiche mit einem zweiten, zum ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyp erzeugt werden, die jeweils mit Fügeschichtabschnitten einer zweiten Gruppe von Fügeschichtabschnitten verbunden sind. Das Halbleiterbauelement zeichnet sich bei dieser Variante der Erfindung entsprechend dadurch aus, dass auf der zum Substrat weisenden Seite der Halbleiterfolie die ersten Dotierungsbereiche des ersten Leitungstyps mit der ersten Gruppe der Fügeschichtabschnitte die zweiten Dotierungsbereiche des zweiten, entgegengesetzten Leitungstyps mit der zweiten Gruppe der Fügeschichtabschnitte verbunden sind.When the doping layer is disposed on the substrate-facing side of the semiconductor film and the bonding layer is divided into a plurality of bonding layer sections, it enables one-side provision of doping regions on the semiconductor film. As a result of the laser irradiation of a first group of the bonding layer sections, first doping regions having a first conductive type can be produced on the side of the semiconductor film facing the substrate. Furthermore, by virtue of the laser irradiation of the doping layer on the side of the semiconductor film facing the substrate, second doping regions having a second conductivity type opposite to the first conductivity type can be produced, which are each connected to joining layer sections of a second group of joining layer sections. The semiconductor component is correspondingly distinguished in this variant of the invention in that, on the side of the semiconductor film facing the substrate, the first doping regions of the first conductivity type are connected to the first group of the bonding layer sections, the second doping regions of the second, opposite conductive type are connected to the second group of bonding layer sections ,
Gemäß einer alternativen Variante kann, wenn die Dotierungsschicht auf der zum Substrat weisenden Seite der Halbleiterfolie angeordnet und die Fügeschicht in eine Vielzahl von Fügeschichtabschnitten geteilt ist, die Halbleiterfolie zusätzlich auf der vom Substrat wegweisenden Seite einen ersten Dotierungsbereich mit einem ersten Leitungstyp aufweisen. In diesem Fall werden durch die Laserbestrahlung der ersten Gruppe der Fügeschichtabschnitte Kontaktabschnitte erzeugt, die durch die Halbleiterfolie zu dem ersten Dotierungsbereich ragen. Des Weiteren werden durch die Laserbestrahlung der Dotierungsschicht zweite Dotierungsbereiche mit einem zweiten, zum ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyp erzeugt, die jeweils mit Fügeschichtabschnitten einer zweiten Gruppe von Fügeschichtabschnitten verbunden sind. Das Halbleiterbauelement zeichnet sich bei dieser Variante der Erfindung entsprechend dadurch aus, dass die erste Gruppe der Fügeschichtabschnitte über die Kontaktabschnitte, die durch die Halbleiterfolie ragen, mit dem ersten Dotierungsbereich (
Die Fügeschichtabschnitte der ersten und der zweiten Gruppe von Fügeschichtabschnitten können jeweils verschiedene Metalle, z. B. Aluminium und Silber enthalten. Vorteilhafterweise wird dadurch ermöglicht, dass die Kontaktierung sowohl von mit p- als auch von n-Silizium mit einer gleichartigen Alhaltigen Schicht erfolgen kann. Während bei herkömmlichen Techniken p-Silizium oft mit Al kontaktiert wird, ist die Kontaktierung mittels Al von n-Silizium bisher ungebräuchlich. Ein geeigneter elektrischer Kontakt kann vorzugsweise insbesondere dann erzielt werden, wenn lokal eine hohe n-Dotierung (n++) (> 1018 cm–3) erzeugt wird.The joining layer sections of the first and the second group of joining layer sections may each comprise different metals, e.g. As aluminum and silver included. Advantageously, this makes it possible that the contacting of both p- and n-silicon can take place with a similar Al-containing layer. While in conventional techniques p-type silicon is often contacted with Al, contacting by Al of n-type silicon has hitherto been uncommon. A suitable electrical contact can preferably be achieved in particular if a high n-type doping (n ++) (> 10 18 cm -3 ) is generated locally.
Wenn die Halbleiterfolie n-leitendes Silizium umfasst und die Fügeschicht oder die Fügeschichtabschnitte Aluminium enthalten, wird durch die Verbindung der Halbleiterfolie mit der Fügeschicht oder den Fügeschichtabschnitten ein Aluminium-Dotierungsbereich im Halbleitermaterial zur Erzeugung eines p-leitenden Emitter gebildet wird. Alternativ wird, wenn die Halbleiterfolie p-leitendes Silizium umfasst und die Fügeschicht oder die Fügeschichtabschnitte Aluminium enthalten, durch die Verbindung der Halbleiterfolie mit der Fügeschicht oder den Fügeschichtabschnitten ein Aluminium-Dotierungsbereich im Halbleitermaterial zur Erzeugung einer Elektronen reflektierenden Schicht (Back Surface Field, BSF) gebildet.If the semiconductor foil comprises n-type silicon and the bonding layer or the bonding layer portions contain aluminum, the connection of the semiconductor foil with the bonding layer or the bonding layer sections forms an aluminum doping region in the semiconductor material for producing a p-type emitter. Alternatively, when the semiconductor film comprises p-type silicon and the bonding layer or the bonding layer portions contain aluminum, bonding of the semiconductor film with the bonding layer or the bonding layer portions causes an aluminum doping region in the semiconductor material to produce an Back Surface Field (BSF). educated.
Gemaß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Verbindung der Halbleiterfolie mit dem Substrat in einer inerten oder eine reduzierenden Atmosphäre oder in einem Vakuum. Im Falle der Beaufschlagung des Stapels aus Halbleiterfolie und Substrat mit einem Vakuum wird dieses vorzugsweise lokal selektiv am Ort der Laserbestrahlung erzeugt, so dass die Halbleiterfolie und das Substrat lokal aneinander gedrückt werden.According to a further preferred embodiment of the invention, the connection of the semiconductor film to the substrate takes place in an inert or a reducing atmosphere or in a vacuum. In the case of applying a vacuum to the stack of semiconductor film and substrate, it is preferably produced locally selectively at the location of the laser irradiation, so that the semiconductor film and the substrate are pressed together locally.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.Further advantages and features of the invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
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Gemäß einer bevorzugten Anwendung der Erfindung ist vorgesehen, eine dünne Halbleiterfolie, z. B. einen Si-Wafer oder eine Si-Folie mit einer Dicke geringer als 200 μm, insbesondere geringer als 100 μm, zu einer hocheffizienten Solarzelle (d. h. Solarzelle mit einem Wirkungsgradpotential > 20%) zu verarbeiten, wie im Folgenden beispielhaft erläutert wird. Die Halbleiterfolie wird unter Verwendung von Laserstrahlung auf ein stabiles Substrat, z. B. aus Glas oder mit Glas beschichtetem Polymer, gebonded. Beim Prozess wird eine aluminiumhaltige Fügeschicht lokal geschmolzen. Dabei entstehen gleichzeitig eine stabile mechanische Verbindung, mindestens ein elektrischer Kontakt und mindestens ein hochdotierter Bereich in der Si-Folie, die für die Funktion der Si-Solarzelle benötigt wird. Obwohl die Erfindung im Folgenden unter beispielhaftem Bezug auf die Herstellung einer Si-Solarzelle beschrieben ist, wird betont, dass in gleicher Weise eine Diode oder ein anderes Halbleiter-Bauelement auf der Basis von Si oder einem anderen Halbleiter hergestellt werden kann. Die Wahl anderer Materialien und Dimensionen, insbesondere des Substrats, der Fügeschicht, der Halbleiterfolie und der eutektischen Verbindung, sowie geeigneter Verfahrensparameter, wie z. B. die Leistung der Laserstrahlung, ist dem Fachmann aufgrund seiner Kenntnisse im Bereich der Halbleiterphysik oder durch einfache Versuche moglich.According to a preferred application of the invention is provided, a thin semiconductor film, for. Example, a Si wafer or a Si foil having a thickness of less than 200 microns, in particular less than 100 microns, to process a highly efficient solar cell (i.e., solar cell with an efficiency potential> 20%), as will be exemplified below. The semiconductor film is laser beamed onto a stable substrate, e.g. As glass or glass-coated polymer, gebonded. During the process, an aluminum-containing joining layer is melted locally. At the same time, a stable mechanical connection, at least one electrical contact and at least one heavily doped region in the Si foil, which is required for the function of the Si solar cell, are produced at the same time. Although the invention is described below by way of example with reference to the production of a Si solar cell, it is emphasized that a diode or another semiconductor component based on Si or another semiconductor can likewise be produced. The choice of other materials and dimensions, in particular the substrate, the bonding layer, the semiconductor film and the eutectic compound, and suitable process parameters, such. As the power of the laser radiation, the skilled person is possible due to his knowledge in the field of semiconductor physics or by simple experiments.
Das Halbleiter-Bauelement hat eine flächige Schicht- oder Sandwich-Struktur mit einer ersten Seite, auf der sich das Substrat befindet und die im folgenden als Rückseite des Halbleiter-Bauelements oder insbesondere des Substrats bezeichnet wird, und mit einer zweiten, gegenüberliegenden Seite, auf der sich die Halbleiterfolie befindet und die im folgenden als Vorderseite des Halbleiter-Bauelements oder insbesondere der Halbleiterfolie bezeichnet wird. Die Seiten der Halbleiterfolie und des Substrats, die zueinander weisen, werden auch als Kontaktseiten der Halbleiterfolie bzw. des Substrats bezeichnet. Wenn das Halbleiter-Bauelement eine Solarzelle umfasst, ist die Vorderseite typischerweise die Beleuchtungsseite der Solarzelle, wobei mit transparenten Schichten auch eine Beleuchtung von der Rückseite her erfolgen kann.The semiconductor device has a sheet-like sandwich structure with a first side on which the substrate is located and which is referred to below as the rear side of the semiconductor device or in particular of the substrate, and with a second, opposite side the semiconductor film is located and which is referred to below as the front of the semiconductor device or in particular the semiconductor film. The sides of the semiconductor film and the substrate facing each other are also referred to as contact sides of the semiconductor film and the substrate, respectively. If the semiconductor device comprises a solar cell, the front side is typically the illumination side of the solar cell, with transparent layers also being able to be illuminated from the rear side.
Ausführungsformen der Verbindung eines Substrats
Die Fläche der Halbleiterfolie
Im zweiten Schritt (
Gemäß der zweiten Variante (B) werden die eutektische Verbindung
Im Ergebnis liegt das Halbleiter-Bauelement
Anschließend sind weitere Prozessschritte vorgesehen, wie sie an sich von der Herstellung von Standard-Si-Solarzellen bekannt sind (siehe die oben genannte Publikation von V. Gazuz et al.). Da der Verbund aus dem Substrat
Während gemaß
Die Halbleiterfolie
Schließlich erfolgt im dritten Schritt (
Im Ergebnis wird ein Halbleiter-Bauelement
In
In
Im ersten Schritt (
Die Halbleiterfolie
Im zweiten Schritt (
Die Dotierung der Halbleiterfolie
Die Strukturierung der Fügeschicht
Schließlich werden in Schritt
Anschließend werden durch Laserbestrahlung mit dem Laser L3, vorzugsweise von der Vorderseite der Halbleiterfolie
Da bei der Solarzelle
Die Halbleiterfolie
Im zweiten Schritt (
Im dritten Schritt (
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung enthält/enthalten die Fügeschicht/en jeweils ein vorbestimmtes Metall, das für die gewünschte Dotierung der Halbleiterfolie ausgewält ist. Abweichend von diesen Ausführungsformen können erfindungsgemäß verschiedene Metalle zur Bildung von verschiedenen Fügungsschichtabschnitten verwendet werden, wie schematisch in
Gemäß
Vorteile für den Fertigungsprozess können sich ergeben, wenn bei der Bereitstellung von Fügeschichtabschnitten
Die Halbleiterfolie
Zusammengefasst bietet die Erfindung die folgenden Vorteile. Erfindungsgemäß können dünne Halbleiter-Wafer oder -Folien zu Halbleiter-Bauelementen, wie z. B. Solarzellen oder Dioden, verarbeitet werden. Vorteilhafterweise sind keine hohen Bearbeitungstemperaturen erforderlich. Die Laserbestrahlung zur lokalen Erwärmung der Fügeschicht und der Halbleiterfolie kann mit einfachen optischen Mitteln in die Bereiche der gewünschten Kontaktabschnitte gelenkt und/oder fokussiert werden. Erfindungsgemäße Halbleiter-Bauelemente können mit einer Vielzahl von Substratmaterialien hergestellt werden. Es sind insbesondere Glas-Substrate verwendbar, ohne dass an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten oder die Temperaturfestigkeit besondere Anforderungen gestellt werden.In summary, the invention offers the following advantages. According to the invention, thin semiconductor wafers or films may be semiconductor devices such. As solar cells or diodes, are processed. Advantageously, no high processing temperatures are required. The laser irradiation for local heating of the bonding layer and of the semiconductor film can be directed and / or focused by simple optical means into the regions of the desired contact sections. Semiconductor devices according to the invention can be produced with a multiplicity of substrate materials. In particular, glass substrates can be used without special demands being placed on the thermal expansion coefficient or the temperature resistance.
Vorteilhafterweise bestehen des Weiteren keine Beschränkungen in Bezug auf die Art und/oder Dotierung des verarbeiteten Halbleitermaterials. Es kann insbesondere p- oder n-leitendes Silizium verwendet werden. Die Kontaktierung der Dotierungsbereiche der Halbleiterfolie ist kostengünstig realisierbar. Es ist insbesondere eine einseitige (rückseitige) Kontaktierung möglich. Dies vereinfacht eine Verkapselung des Halbleiter-Bauelements derart, dass lediglich die Halbleiterfolie, ggf. mit einer Antireflex-Schicht freiliegt. Vorteilhafterweise kann das Substrat zur Verkapselung verwendet werden.Furthermore, there are advantageously no restrictions with regard to the type and / or doping of the processed semiconductor material. In particular, p- or n-type silicon can be used. The contacting of the doping regions of the semiconductor film can be realized inexpensively. In particular, a one-sided (back) contacting is possible. This simplifies encapsulation of the semiconductor device in such a way that only the semiconductor film, if necessary with an antireflection layer, is exposed. Advantageously, the substrate can be used for encapsulation.
Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren, bei denen durch das Halbleitermaterial zur Rückseite durchgeführte Emitter unter Verwendung von Durchgangslöchern gebildet werden, können erfindungsgemäß dünne Wafer verwendet werden, die auf einem Substrat weiterverarbeitet werden. Insbesondere der Emitterdurchgang gemäß
Erfindungsgemäß hergestellte Solarzellen können mit einem besonders hohen Wirkungsgrad (> 20%) hergestellt werden, weil Silizium mit hoher Qualität verwendet werden kann, durch die Laserprozessierung ein örtlich selektives und somit hocheffizientes Zelldesign realisiert werden kann und das Verfahren für die Verarbeitung von n-Silizium geeignet ist, dass nach dem Czochralski-Verfahren gezogen ist.Solar cells produced according to the invention can be produced with a particularly high degree of efficiency (> 20%) because high-quality silicon can be used, a locally selective and thus highly efficient cell design can be realized by laser processing and the method is suitable for processing n-silicon is that moved to the Czochralski method.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung konnen sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.The features of the invention disclosed in the foregoing description, drawings and claims may be significant to the realization of the invention in its various forms both individually and in combination.
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