DE102014216792A1

DE102014216792A1 - Verfahren zum Erzeugen einer transparenten Elektrode eines optoelektronischen Bauelementes

Info

Publication number: DE102014216792A1
Application number: DE102014216792.2A
Authority: DE
Inventors: Martin Theuring
Original assignee: Ewe-Forschungszentrum fur Energietechnologie E V; EWE FORSCHUNGSZENTRUM fur ENERGIETECHNOLOGIE EV
Current assignee: Ewe-Forschungszentrum fur Energietechnologie E V; EWE FORSCHUNGSZENTRUM fur ENERGIETECHNOLOGIE EV
Priority date: 2014-08-22
Filing date: 2014-08-22
Publication date: 2016-02-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer transparenten Elektrode eines optoelektronischen Bauelementes, folgende Verfahrensschritte aufweisend: Bereitstellen eines Substrats; Erzeugen einer strukturierten Metallschicht mittelbar oder unmittelbar auf dem Substrat; welches dadurch gekennzeichnet ist, dass in Verfahrensschritt B in einem Verfahrensschritt B1 eine Metallschicht mit einer Dicke im Bereich 2 nm bis 100 nm mittelbar oder unmittelbar auf das Substrat aufgebracht wird und in einem Verfahrensschritt B2 die Metallschicht an mehreren Entfernungsbereichen mittels Strahlungseinwirkung wieder entfernt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer transparenten Elektrode eines optoelektronischen Bauelements gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
In einer Vielzahl von Anwendungsbereichen werden bei optoelektronischen Bauelementen transparente Elektroden benötigt. Dies betrifft insbesondere Elektroden zum Kontaktieren photovoltaischer Solarzellen, insbesondere Farbstoff-Solarzellen und Halbleitersolarzellen. Ebenso Elektroden zur Kontaktierung von Halbleiter-Leuchtelementen wie Leuchtdioden oder Bildschirme, welche auf solchen Bauelementen basieren, wie beispielsweise LED-Displays.
Wünschenswert bei solchen transparenten Elektroden ist eine hohe optische Transparenz über einen großen Spektralbereich und eine große elektrische Leitfähigkeit, um Verluste aufgrund von Querleitungswiderständen zu vermeiden. Gleichzeitig ist eine kostengünstige Herstellung auf großen Flächen gewünscht, denn typischerweise stellen die optoelektronischen Bauelemente, welche transparente Elektroden umfassen, großflächige optoelektronische Bauelemente dar, wie beispielsweise Dünnschichtsolarzellen oder die vorgenannten Displays.
Zur Herstellung einer transparenten Elektrode ist die Verwendung transparenter, elektrisch leitfähiger Materialien bekannt, beispielsweise die Verwendung von TCO (transparent conductive oxides), insbesondere Indiumzinnoxid (ITO). ITO weist jedoch den Nachteil hoher Herstellungskosten auf.
Andere TCO, wie beispielsweise dotierte Zinkoxide oder Zinnoxide weisen eine geringere Leitfähigkeit auf und erfordern daher zur Erzielung eines ausreichend geringen Schichtwiderstands typischerweise hohe Schichtdicken und hiermit verbunden lange Prozesszeiten bei der Abscheidung solch einer Schicht. Darüber hinaus ist ein Einsatz solcher Materialien bei hohen Schichtdicken nicht auf flexiblen Materialien möglich.
Ein weiterer Nachteil von einigen TCOs sind die hohen Prozess- bzw. Annealing-Temperaturen, die für gute Leitfähigkeiten und hohen Transparenzen notwendig sind und die viele Bauteile/Substrate nicht vertragen.
Als Alternative ist die Verwendung ultradünner Metallschichten mit einer Dicke etwa 10 nm bekannt, welche ganzflächig aufgetragen werden. Solche Schichten können zwar, beispielsweise eine hohe optische Transparenz erzielen, dies jedoch typischerweise nur in einem engen Spektralbereich.
Es ist weiterhin aus D. S. Ghosh et al. „High figure-of-merit ultrathin metal transparent electrodes incorperating a conductive grid", doi:10.1063/1.3299259 bekannt, mittels photolithografischer Verfahren filigrane metallische Gitterstrukturen herzustellen, welche verglichen mit den ganzflächigen ultradünnen Metallschichten eine breitbandigere Transparenz bei niedrigeren Schichtwiderständen ermöglichen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erzeugen einer transparenten Elektrode eines optoelektronischen Bauelementes zur Verfügung zu stellen, so dass eine kostengünstige Herstellung ermöglicht wird.
Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Erzeugen einer transparenten Elektrode eines optoelektronischen Bauelementes gemäß Anspruch 1. Vorzugsweise Ausführungsformen finden sich in den Ansprüchen 2 bis 15.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen einer transparenten Elektrode eines optoelektronischen Bauelementes weist folgende Verfahrensschritte auf:
In einem Verfahrensschritt A erfolgt das Bereitstellen eines Substrats. Bei Verfahrensschritt B erfolgt das Erzeugen einer strukturierten Metallschicht mittelbar oder unmittelbar auf dem Substrat.
Wesentlich ist, dass in Verfahrensschritt B in einem Verfahrensschritt B1 eine Metallschicht mit einer Dicke im Bereich 2 nm bis 1 μm mittelbar oder unmittelbar auf das Substrat aufgebracht wird und in einem Verfahrensschritt B2 die Metallschicht an mehreren Entfernungsbereichen mittels Strahlungseinwirkung wieder entfernt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich somit gegenüber vorbekannten Verfahren dadurch, dass zum Strukturieren der Metallschicht ein Entfernen der Metallschicht an mehreren Entfernungsbereichen mittels Strahlungseinwirkung erfolgt.
Hierdurch ist ein erheblich kostengünstigerer Prozess gegenüber vorbekannten Verfahren, welche Photolithographieschritte benötigen, möglich. Weiterhin wird durch die Kombination der Verwendung einer Metallschicht eine Dicke im Bereich 2 nm bis 1 μm mit dem partiellen Entfernen der Metallschicht an den mehreren Entfernungsbereichen mittels Strahlungseinwirkung in einfacher Weise ermöglicht, eine transparente Elektrode zu erzielen, welche dennoch flexible Eigenschaften aufweist und somit auch auf flexiblen Substraten einsetzbar ist.
Aufgrund des Entfernens der Metallschicht an den mehreren Entfernungsbereichen zum Erzeugen der strukturierten Metallschicht ist es somit nicht zwingend notwendig, dass die Metallschicht an sich optisch transparent ist. Ebenso kann der Grad der gewünschten optischen Transparenz durch entsprechende Skalierungen und Anordnungen der Entfernungsbereiche erzielt werden. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, eine Kombination einer zumindest teilweise transparenten Metallschicht zusammen mit der Transparenz aufgrund der Strukturierung zur Erzielung der gewünschten Transparenz zu erreichen.
Die Bezeichnung „transparente Elektrode” wird daher wie auch im Stand der Technik verwendet: Entscheidend ist, dass in einem großflächigen Bereich in der Gesamtwirkung ein hoher Transparenzgrad erzielt wird. Hierbei ist es unerheblich, ob in kleinen, lokalen Bereichen eine erheblich geringere Transparenz oder Schichtleitfähigkeit vorliegt. Entscheidend ist die Transparenz bei einer flächigen Vermessung.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit erstmals, eine hohe optische Transparenz, bei gleichzeitig geringem Schichtwiderstand mittels einem verglichen zu vorbekannten Verfahren kostengünstigen Prozesses zu erzielen. Gegenüber vorbekannten transparenten Elektroden aus transparenten, leitfähigen Materialien, wie beispielsweise ITO ergeben sich bereits aufgrund der geringeren Materialkosten der Metallschicht gegenüber der ITO-Schicht deutliche Kosteneinsparungen.
Vorzugsweise liegt die Dicke der Metallschicht im Bereich 2 nm bis 500 nm, insbesondere im Bereich 2 nm bis 100 nm, da hierdurch eine einfachere Strukturierung ermöglicht wird.
Insbesondere ist es vorteilhaft, dass nicht nur eine optische Transparenz aufgrund der Strukturierung der Metallschicht erzielt wird, sondern darüber hinaus die Metallschicht dünn gewählt ist, um auch in den von der Metallschicht bedeckten Bereichen zumindest eine Teiltransparenz zu gewährleisten. Daher ist es vorteilhaft, dass die Dicke der Metallschicht im Bereich 2 nm bis 50 nm liegt, insbesondere im Bereich 2 nm bis 20 nm.
Untersuchungen haben gezeigt, dass darüber hinaus eine gute Kombination von optischer Transparenz, geringen Herstellungskosten und hoher elektrischer Leitfähigkeit gegeben ist, wenn in einer vorzugsweisen Ausführungsform die Metallschicht eine Dicke im Bereich 10 nm bis 80 nm aufweist. Zusätzlich oder alternativ ist es vorteilhaft, dass die Metallschicht eine Dicke kleiner 70 nm aufweist, insbesondere, um wie zuvor beschrieben eine Teiltransparenz in den Bereichen der Metallschicht zu erhalten und um eine hohe Flexibilität bei Verwendung flexibler Substrate zu gewährleisten.
Vorzugsweise wird in Verfahrensschritt B1 die Metallschicht ganzflächig aufgebracht, dies ermöglicht einen einfachen, kostengünstigen Prozessschritt, da die Strukturierung mittels Strahlungseinwirkung, insbesondere mittels Laserstrahlung, ein vergleichsweise kostengünstiger Prozessschritt ist.
Vorzugsweise ist die Anzahl und/oder Größe der Entfernungsbereiche derart gewählt, dass nach Entfernen der Metallschicht die Metallschicht einen Bedeckungsgrad im Bereich 0,1% bis 90% bevorzugt 5% bis 60% aufweist. Auch hier ist durch die vorgenannten vorzugsweisen Parameterbereiche eine Optimierung von optischer Transparenz einerseits und geringem Schichtwiderstand andererseits gegeben.
Bei typischen optoelektronischen Bauelementen, insbesondere bei Solarzellen oder LEDs erfolgt typischerweise eine randseitige elektrische Kontaktierung, insbesondere von zwei sich gegenüberliegenden Rändern. Vorzugsweise werden daher mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens die Entfernungsbereiche, an welchem die Metallschicht entfernt wird, derart ausgebildet und angeordnet, dass zwischen zwei sich gegenüberliegenden Rändern der Metallschicht eine elektrisch leitende Verbindung besteht. Hierdurch ist somit gewährleistet, dass ausgehend von den beiden Rändern über die gesamte Fläche Ladungsträger zu- oder abgeführt werden können.
Die Entfernungsbereiche weisen bevorzugt zumindest in einer Richtung eine Ausdehnung von zumindest einem μm, bevorzugt von zumindest 10 μm auf. Hierdurch wird eine hohe Prozesssicherheit erzielt, da das Erzeugen kleinerer Entfernungsbereiche das Risiko von Leitungsunterbrechungen deutlich erhöht oder erheblich höhere Prozesskosten aufgrund der erforderlichen Genauigkeit bei Ausbildung von Entfernungsbereichen zur Folge hat. Aus den gleichen Gründen weisen vorzugsweise die Entfernungsbereiche eine Fläche von zumindest 10 μm², bevorzugt zumindest 100 μm², insbesondere bevorzugt zumindest 1000 μm² auf.
Eine besonders einfach technisch realisierbare Ausgestaltung ergibt sich, in dem die Entfernungsbereiche etwa elliptisch oder rund ausgebildet sind. Typischerweise ist eine Bestrahlung der metallischen Schicht mit einem Strahl elliptischer oder runder Querschnittsfläche technisch einfach ausbildbar.
Die Entfernungsbereiche sind vorzugsweise derart ausgebildet und angeordnet, dass auf der Metallschicht eine Gitterstruktur ausgebildet wird, insbesondere eine in etwa hexagonale Gitterstruktur oder bevorzugt eine rechtwinklige Gitterstruktur.
Eine näherungsweise hexagonale Gitterstruktur kann in einfacher Weise erzielt werden, indem die Entfernungsbereiche nach Art der hexagonal dichtesten Kugelpackung in zwei Dimensionen angeordnet werden, wobei zwischen den „Kreisflächen”, d. h. den einzelnen Entfernungsbereichen jeweils die Leitungsbahnen durch die verbleibende Metallschicht ausgebildet werden. Ein solches Gitter ist technisch einfach herstellbar, da in etwa runde oder elliptische Entfernungsbereiche wie zuvor beschrieben in technisch wenig aufwändiger Weise erzielt werden können.
Ein rechtwinkliges Gitter stellt höhere Anforderungen an die Entfernungsbereiche, welche ebenfalls zumindest annähernd rechtwinklig, insbesondere als Rechtecke ausgebildet sind. Ein rechtwinkliges Gitter weist jedoch den Vorteil auf, dass auf an sich bekannte Gitterstrukturen zur Optimierung des Schichtwiderstands bei lateralem Stromtransport zurückgegriffen werden kann. Insbesondere kann auf an sich bekannte Gitterstrukturen, wie kammartige Gitter, doppelkammartige Gitter oder bei Kontaktierung mittels zweier Polarisierungen ineinander verschränkte kammartige Gitter, so genannte „Interdigitated Grids” zurückgegriffen werden. Ebenso ist die Ausbildung von sich in Richtung des Stromflusses verbreiternden Kontaktierungslinien, so genannten „Tapered Fingers” möglich, die in Richtung des Ladungsträgertransports einen abnehmenden Schichtwiderstand aufweisen, um den in Richtung des Ladungsträgertransportes ansteigenden Strom verlustärmer leiten zu können.
Eine besonders technische unaufwändige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich, in dem die Entfernungsbereiche in etwa identisch hinsichtlich ihrer Größe und Form ausgebildet sind. Insbesondere ist es vorteilhaft, die Entfernungsbereiche im Wesentlichen gleichmäßig verteilt anzuordnen, so dass bevorzugt die Metallschicht im Verfahrensschritt B2 perforiert wird, insbesondere bevorzugt flächig gleichmäßig perforiert wird.
Das Abtragen der Metallschicht mittels Strahlungseinwirkung in Verfahrensschritt B2 kann in an sich bekannter Weise erfolgen. Eine besonders einfache technische Realisierung ergibt sich, in dem eine vorzugsweise Ausführungsform in Verfahrensschritt B2 die Metallschicht mittels Laserstrahlung an den Entfernungsbereichen entfernt wird.
Es steht eine Vielzahl für industrielle Prozessierungsanlagen geeigneter Laserapparaturen zur Verfügung, bei denen beispielsweise mittels beweglicher Spiegel oder anderer optischer Ablenkungssysteme kostengünstig und in schneller Folge Laserstrahlung auf beliebig vorgebbare Ortspunkte auf der Oberfläche eines optoelektronischen Bauelementes gerichtet werden kann. Es kann bei Verwendung von Laserstrahlung somit auf an sich bekannte Apparaturen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zurückgegriffen werden.
Hier ist es insbesondere vorteilhaft, gepulste Laserstrahlung zu verwenden, da hierdurch unter anderem durch Wahl der Anzahl der Laserpulse in einfacher Weise eine Justierung zum Eintrag der gewünschten Energiemenge zum Entfernen der Metallschicht in den Entfernungsbereichen vorgeben werden kann. Eine besonders schnelle Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich, indem an jedem Entfernungsbereich die Entfernung der Metallschicht mittels genau eines Laserpulses erfolgt. Hierdurch kann somit eine Vielzahl von Entfernungsbereichen mit hoher Geschwindigkeit erzeugt werden. Insbesondere wirkt es sich positiv auf die Prozessierung aus, wenn ultrakurze (vorzugsweise mit einer Pulslänge kleiner 1 ns, insbesondere kleiner 100 ps) Laserpulse Anwendung finden, da diese eine definierte Metallentfernung besser ermöglichen.
Bei der Ausbildung von größeren Entfernungsbereichen mittels Laserpulsen ist es vorteilhaft, Laserpulse zu verwenden deren Auftreffflächen auf der Metallschicht überlappen, um einen durchgängigen Entfernungsbereich zu gewährleisten.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann in technisch unaufwändiger Weise die Metallschicht entfernt werden, ohne dass darunter liegende Schichten beschädigt werden. Insbesondere bei Verwendung eines Lasers, wie zuvor beschrieben, können in einfacher Weise Laserparameter justiert werden, so dass keine oder nur eine geringfügige Beeinträchtigung der unter der Metallschicht liegenden Schichten erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur Ausbildung eines Halbleiterbauelementes geeignet. Vorzugsweise ist daher zumindest eine Halbleiterschicht vorgesehen, welche mittelbar oder unmittelbar elektrisch leitend mit der Metallschicht verbunden ist.
In einer vorzugsweisen Ausführungsform wird daher als Substrat ein Halbleitersubstrat verwendet, welches zumindest eine Halbleiterschicht aufweist. Insbesondere kann somit die Halbleiterschicht identisch mit dem Substrat sein. Weiterhin liegt es im Rahmen der Erfindung, dass auf dem Substrat zumindest eine Halbleiterschicht zur Ausbildung des Halbleiterbauelementes vorgesehen ist. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass mehrere Halbleiterschichten vorgesehen sind und/oder dass das Substrat selbst als Halbleiterschicht, insbesondere als Halbleiterwafer, wie beispielsweise als Siliziumwafer ausgebildet ist. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, das Substrat als Superstrat zu verwenden und zumindest eine Halbleiterschicht vorzusehen, wobei die Metallschicht in diesem Fall mittelbar oder unmittelbar zwischen Superstrat und Halbleiterschicht angeordnet ist.
Vorzugsweise ist zwischen Metallschicht und Halbleiterschicht eine oder mehrere leitfähige Schichten, insbesondere transparente leitfähige Schichten angeordnet. Hierdurch können sich je nach Funktionsweise des Halbleiterbauelements mehrere Vorteile ergeben: So kann die transparente leitfähige Schicht ein Eindringen des Metalls in die Halbleiterschicht in späteren Prozessschritten verhindern. Ebenso kann die transparente leitfähige Schicht die optischen Eigenschaften des Halbleiterbauelements verbessern.
Ein wesentlicher Unterschied bei dieser vorzugsweisen Ausführungsform im Vergleich zu vorbekannten Verfahren zur Herstellung einer ITO-Schicht ist, dass die hier verwendete transparente leitfähige Schicht (mikroskopisch) einen erheblich höheren Querleitungswiderstand aufweisen kann, da die elektrische Querleitung (makroskopisch) bereits durch die strukturierte Metallschicht zumindest im Wesentlichen gewährleistet ist. Es können somit im Vergleich zu vorbekannten Verfahren erheblich dünnere leitfähige Schichten, insbesondere mit einer Dicke kleiner 200 nm vorzugsweise kleiner 150 nm verwendet werden, wodurch die Herstellungskosten gesenkt werden und auch eine Verwendung auf flexiblen Materialien möglich ist.
Hier zeigt sich ein weiterer Vorteil der Erfindung: Das Verfahren ermöglicht die Verwendung gegenüber ITO kostengünstigerer leitfähiger Schichten, wie beispielsweise andere TCOs, insbesondere Zinnoxid-Schichten oder Zinkoxidschicht-Schichten, leitfähige Polymere oder kohlenstoff- oder metallbasierte Nanostrukturen (insbesondere Netze aus Nanodrähten). Denn aufgrund der strukturierten Metallschicht können diese Schichten einen höheren Schichtwiderstand gegenüber ITO aufweisen.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform wird auf der der Halbleiterschicht gegenüberliegenden Seite der Metallschicht mittelbar oder bevorzugt unmittelbar eine transparente Schutzschicht abgeschieden. Die Schutzschicht wird bevorzugt nach Durchführen des Verfahrensschritts B2, d. h. nach Strukturieren der Metallschicht abgeschieden, so dass diese in den Entfernungsbereichen unmittelbar an die unter der Metallschicht liegende Schicht angrenzt.
Zur Verbesserung der optischen Eigenschaften der strukturierten Metallschicht ist es vorteilhaft, die strukturierte Metallschicht in eine Kapselschicht einzubetten. Die Kapselschicht weist vorzugsweise eine Gesamtdicke im Bereich von 5 nm bis 500 nm, vorzugsweise 20 nm bis 200 nm, insbesondere etwa 100 nm auf und ist insbesondere bevorzugt aus einem oder mehreren der Materialien TCO, Dielektrika (insbesondere SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, ZnO, SnO₂, MgF₂), leitfähige und/oder nicht leitfähige Kunststoffe (insbesondere Pedot:PSS, Epoxidharze) ausgebildet. Durch ein Einbetten der strukturierten Metallschicht in die Kapselschicht werden die optischen Eigenschaften erheblich verbessert, insbesondere kann eine Entspiegelung der Gesamtstruktur erzielt werden. Vorzugsweise wird hierbei vor Einbringen der Metallschicht eine erste Kapselteilschicht aufgebracht und nach Aufbringen und Strukturieren der Metallschicht eine zweite Kapselteilschicht aufgebracht. Insbesondere ist es vorteilhaft, die Metallschicht unmittelbar auf die erste Kapselteilschicht aufzubringen und die zweite Kapselteilschicht unmittelbar auf die strukturierte Metallschicht bzw. in den denjenigen Teilen, in welchen die Metallschicht entfernt wurde, unmittelbar auf die erste Kapselteilschicht aufzubringen, so dass die strukturierte Metallschicht unmittelbar zwischen erster und zweiter Kapselteilschicht eingebettet ist. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die zwischen Metallschicht und Halbleiterschicht liegende Kapselteilschicht zumindest eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist, vorzugsweise mit einem Schichtwiderstand kleiner 100 kΩ, insbesondere kleiner 10 kΩ. Hierdurch wird erreicht, dass die Leitfähigkeit in den Entfernungsbereichen zusätzlich durch die Kapselteilschicht gewährleistet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ebenso wie zuvor beschrieben die Herstellung von Halbleiterbauelementen in der so genannten Superstrat-Konfiguration: Vorzugsweise wird das Substrat als Superstrat verwendet, indem auf das Substrat mittelbar oder unmittelbar die Metallschicht angeordnet wird und mittelbar oder unmittelbar auf die dem Substrat gegenüberliegenden Seite der Metallschichten mindestens eine Halbleiterschicht angeordnet wird. Hierbei erfolgt vorzugsweise das Strukturieren der Metallschicht in Verfahrensschritt B2 vor Aufbringen der Halbleiterschicht. Das Superstrat ist bevorzugt als transparentes Superstrat, insbesondere als Glasscheibe oder Folie, insbesondere Kunststofffolie ausgebildet.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich somit insbesondere in an sich bekannte Verfahren zum Herstellen großflächiger optoelektronischer Bauelemente, insbesondere großflächiger Halbleiterbauelemente, wie beispielsweise Dünnschichtsolarzellen integrieren, bei welchem großflächig auf ein transparentes Substrat, wie beispielsweise eine Glasscheibe zunächst eine transparente Elektrode und anschließend mittelbar oder unmittelbar eine oder mehrere Halbleiterschichten aufgetragen werden.
Wie eingangs beschrieben, ist das erfindungsgemäße Verfahren bei der Herstellung unterschiedlicher Halbleiterbauelemente, wie beispielsweise lichtemittierender Dioden oder Bildschirmen integrierbar. Besonders geeignet ist das erfindungsgemäße Verfahren bei der Herstellung von Solarzellen, insbesondere photovoltaischer Solarzellen und hierbei insbesondere bei der Herstellung von großflächigen photovoltaischen Solarzellen, wie Dünnschichtsolarzellen oder bei optoelektronischen Bauelementen wie Farbstoffsolarzellen.
Die Metallschicht kann aus einem der Metalle Ag, Cu, Au, Al, W, Mo, Zn, Ni oder Erdalkalimetalle, wie beispielsweise Ca, Ba oder Mg bestehen. Ebenso sind Mischungen oder Legierungen, umfassend eines oder mehrere der vorgenannten Metalle möglich. Die Metallschicht kann ebenso als Schichtsystem ausgebildet sein, welches mehrere Metallschichten aus unterschiedlichen Metallen und/oder unterschiedlicher Materialzusammensetzung umfasst.
Die Metallschicht kann mit an sich bekannten Verfahren hergestellt werden, insbesondere mittels thermischer Verdampfung oder Kathodenzerstäubungsverfahren.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist wie zuvor beschrieben zur Ausbildung von optoelektronischen Bauelementen in der Substratkonfiguration geeignet. Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, dass eine Schichtfolge Substrat/strukturierte Metallschicht/Bauteil ausgebildet wird, wobei Bauteil für das optoelektronisch aktive Teilelement steht, beispielsweise bei einem Halbleiterbauelement eine oder mehrere elektronisch aktiven Halbleiterschichten. Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, dass zwischen Substrat und strukturierter Metallschicht und/oder zwischen strukturierter Metallschicht und Bauteil eine oder mehrere Zwischenschichten angeordnet sind.
Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, ein optoelektronisches Bauteil in der Substrat-Konfiguration auszubilden, mit der Schichtreihenfolge Substrat/Bauteil/strukturierte Metallschicht, wobei es auch hier im Rahmen der Erfindung liegt, dass zwischen Substrat und Bauteil und/oder zwischen Substrat und strukturierter Metallschicht eine oder mehrere Zwischenschichten angeordnet werden.
Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass das Bauteil vollständig oder zumindest teilweise in dem Substrat ausgebildet ist, insbesondere bei Ausbildung des Substrats als Halbleitersubstrat, wie beispielsweise als Siliziumwafer. In diesem Fall sind somit Substrat und Bauteil identisch und es liegt im Rahmen der Erfindung, die Schichtreihenfolge Substrat (Bauteil)/strukturierte Metallschicht auszubilden, wobei auch hier zwischen Substrat (Bauteil) und strukturierter Metallschicht eine oder mehrere Zwischenschichten angeordnet sein können.
Wesentlich ist die optische Transparenz, welche durch Strukturierung und/oder aufgrund der Schichtdicke der Metallschicht erzielt wird sowie dass die Metallschicht zumindest mittelbar elektrisch leitend mit dem Bauteil verbunden ist.
Weitere bevorzugte Merkmale und Ausführungsformen werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutert. Dabei zeigt:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens nach Aufbringen der Metallschicht;
2 das erste Ausführungsbeispiel nach Entfernen der Metallschicht an mehreren Entfernungsbereichen;
3 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer ersten (a) und einer zweiten (b) Kapselteilschicht;
4 den Verfahrensstand gemäß 2 bei Draufsicht von oben in Teilbild a und in Teilbild b eine Mikroskopansicht einer vergleichsweise prozessierten Metallschicht auf einem Substrat;
5 eine Ansicht des Verfahrensstandes gemäß 3 bei Draufsicht von oben und
6 Messwerte zur Transmission abhängig von der Wellenlänge für unterschiedliche Größen von Entfernungsbereichen.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Elements.
Die 1 bis 3 zeigen jeweils schematische Schnittdarstellungen von Halbleiterbauelementen bzw. deren Vorstufen im Herstellungsprozess. Die Darstellungen sind nicht maßstabsgetreu, insbesondere setzen sich die Halbleiterbauelemente nach rechts und links fort.
In den 1 und 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erzeugen einer transparenten Elektrode eines Halbleiterbauelements dargestellt.
Nach Bereitstellen eines Substrats in einem Verfahrensschritt H, wobei das Substrat vorliegend als Siliziumwafer ausgebildet ist, wurde eine transparente, leitfähige TCO-Schicht 2, welche als Aluminium dotiertes Zinkoxid ausgebildet ist, aufgebracht.
Der Siliziumwafer weist eine Dicke von 300 μm auf, die TCO-Schicht eine Dicke von 80 nm.
Anschließend wurde in einem Verfahrensschritt zunächst in einem Verfahrensschritt B1 eine Metallschicht 3 mittels thermischer Verdampfung aufgebracht. Die Metallschicht weist eine Dicke von 15 nm auf.
Wie in 1 ersichtlich, wurden die TCO-Schicht 2 und die Metallschicht 3 jeweils ganzflächig auf das Substrat 1 aufgebracht.
In 2 ist ein Verfahrensschritt B2 dargestellt, bei welchem mittels Laserstrahlen 4 an mehreren Entfernungsbereichen 5 die Metallschicht 3 lokal entfernt wird. Die Entfernung erfolgt derart, dass pro Entfernungsbereich 5 jeweils ein Laserpuls eines Lasers mit einer Wellenlänge von 1064 nm mit einer Pulslänge im ps-Bereich verwendet wurde.
Die Laserstrahlen 4 wurden mittels eines nicht dargestellten Lasers erzeugt, welcher über ein (ebenfalls nicht dargestelltes) optisches Ablenksystem derart auf die Metallschicht abgebildet wurde, dass jeweils ein Laserpuls die Metallschicht 3 an dem Ort eines vorgesehenen Entfernungsbereich beaufschlagte und die Metallschicht in diesem Entfernungsbereich entfernte.
In 3a) ist ein Verfahrensschritt B2 eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird nachfolgend auf die wesentlichen Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel eingegangen:
Des erste Ausführungsbeispiel zeigt die Herstellung eines Halbleiterbauelements in Substratkonfiguration, d. h, ausgehend von dem Substrat 1, welches als Halbleiterschicht ausgebildet ist, werden weitere Schichten aufgebracht.
Das zweite Ausführungsbeispiel betrifft hingegen das Erzeugen eines Halbleiterbauelementes in Superstrat-Konfiguration. In diesem Fall ist das Substrat 1a als Superstrat, vorliegend als Glasscheibe ausgebildet. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, das Superstrat als transparente Folie auszubilden.
Auf dem Substrat 1a wird eine erste Kapselteilschicht 6a als AZO-Schicht mittels Kathodenzerstäubung ausgebildet. Die erste Kapselteilschicht 6a weist eine Dicke von 70 nm auf und dient einerseits als Haftvermittler zu dem Superstrat und andererseits als Kapselteilschicht zur Entspiegelung des Schichtaufbaus.
Anschließend wird in einem Verfahrensschritt B1 eine als Ag-Schicht augebildete Metallschicht 3a ganzflächig aufgebracht, welche somit mittelbar auf das Substrat 1a angeordnet wird.
In einem Verfahrensschritt B2 wird nun, wie in 3a) dargestellt, mittels Laserstrahlen 4 die Metallschicht 3a an Entfernungsbereichen 5a entfernt. Im Gegensatz zu dem in 2 dargestellten Verfahrensschritt B2, bei welchen die Laserstrahlen von der dem Substrat abgewandten Seite auf die Metallschicht auftreffen, treffen bei dem in 3a) dargestellten Verfahrensschritt B2 die Laserstrahlen zunächst auf das (transparente) Glas und anschließend auf die (ebenfalls) transparente Zwischenschicht 6. Da in der Glasschicht und der Zwischenschicht jedoch keine oder nur eine geringfügige Absorption der Laserstrahlung erfolgt, bewirkt die Laserstrahlung im Wesentlichen das Entfernen der Metallschicht 3a an den Entfernungsbereichen 5a.
Insbesondere ist es vorteilhaft, den Laserstrahl von oben auf das Superstrat zu führen, so dass in 3a) die Schichtfolge umgekehrt dargestellt ist, d. h. das Superstrat 1a ist in diesem Fall die oben liegende Schicht. Dies hat den Vorteil, dass weniger Rückstände von Silber auf dem Substrat zurückbleiben, z. B. dadurch, dass die Metallschicht nach unten gerichtet ist.
Anschließend wird bei dem zweiten Verfahrensbeispiel eine Halbleiterschicht aufgebracht, welche somit an die verbleibende Metallschicht 3a angrenzt sowie in den Entfernungsbereichen 5a unmittelbar an die Zwischenschicht 6 angrenzt.
Die Reihenfolge des Schichtaufbaus bei dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht somit der an sich bekannten Herstellung eines Halbleiterbauelements in Substrat-Konfiguration, wohingegen die Reihenfolge des Schichtaufbaus des zweiten Ausführungsbeispiels einer an sich bekannten Herstellung in Superstrat-Konfiguration entspricht.
In 3b ist der Verfahrenszustand dargestellt, bei welchem nach Aufbringen und Strukturieren der Metallschicht auf die verbleibende Metallschicht 3a eine zweite Kapselteilschicht 6b aufgebracht wurde. Die zweite Kapselteilschicht 6b ist als AZO-Schicht ausgebildet und wurde mittels Kathodenzerstäubung aufgebracht, mit einer Dicke von 35 nm. Die verbleibende Metallschicht 3a ist somit zwischen erster Kapselteilschicht 6a (die in dieser Variante ebenfalls mit einer Schichtdicke von 35 nm ausgebildet ist) und zweiter Kapselteilschicht 6b eingebettet, so dass insbesondere eine Verbesserung der optischen Eigenschaften hinsichtlich einer Entspiegelung realisiert wird. In den Bereichen, in welchen die Metallschicht 3 entfernt wurde, grenzt die zweite Kapselteilschicht 6b unmittelbar an die erste Kapselteilschicht 6a an.
Auf die zweite Kapselteilschicht 6b wird schließlich mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung eine Halbleiterschicht 1b aufgebracht, welche als amorphe Silizium-Schicht mit einer Dicke von 400 nm ausgebildet wird.
In 4 ist in Teilbild 4a eine Draufsicht von oben auf den Verfahrensstand gemäß 2 dargestellt. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel wurden Laserstrahlen mit in etwa rundem Querschnitt verwendet, so dass entsprechend runde Entfernungsbereiche ausgebildet wurden bzw. die freien Bereiche zwischen der verbleibenden Metallschicht 3 in etwa Zylinderform aufweisen. Zur einfacheren Darstellung sind lediglich drei der Vielzahl von Entfernungsbereichen mit dem Bezugszeichen 5 gekennzeichnet.
Wie in 4a ersichtlich, wurde eine hexagonale Gitterstruktur gewählt, so dass die Entfernungsbereiche eine Anordnung in der dichtesten Kugelpackung aufweisen. Zwischen den Entfernungsbereichen, welche somit im Wesentlichen gleichmäßig verteilt angeordnet sind finden sich miteinander verbundene Bereiche der Metallschicht 3, so dass sowohl vom oberen zum unteren Rand, als auch vom rechten zum linken Rand gemäß der Darstellung in 4a) eine durchgängig elektrisch leitende Verbindung besteht. Mittels der Metallschicht 3 können somit Ladungsträger der Halbleiterschicht (in der Bildebene unter der strukturierten Schicht liegend) zu- oder abgeführt werden.
In 4b) ist eine Rasterelektronenmikroskopieaufnahme mit einer Ausschnittsdarstellung einer realisierten Teststruktur dargestellt, bei welcher ebenfalls in etwa kreisförmige Entfernungsbereiche zur Ausbildung eines hexagonalen Gitters erzeugt wurden. Wie anhand des Maßstabs ersichtlich, weisen die Entfernungsbereiche einen Durchmesser von etwa 30 μm auf.
Die Teststruktur gemäß 4) wurde in Superstrat-Konfiguration analog zu dem zweiten Ausführungsbeispiel erzeugt:
Auf einer Glasscheibe, welche das Substrat darstellt, wurde zunächst eine wenige Angström dicke amorphe Germanium-Schicht als haftvermittelnde Zwischenschicht abgeschieden und anschließend eine 15 nm dicke Silberschicht. Die amorphe Germaniumschicht wurde mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung abgeschieden, die Silberschicht wurde mittels Kathodenzerstäubung aufgebracht.
Anschließend wurde von der Substratseite, d. h. durch das Glas und die Zwischenschicht hindurch die Silberschicht mit Laserstrahlen derart beaufschlagt, dass die in 4b) ersichtlichen, in etwa zylindrischen Entfernungsbereiche ausgebildet wurden.
6 zeigt Transmissionsmessungen an der 4b) dargestellten Teststruktur, sowie an drei weiteren Teststrukturen, welche sich lediglich hinsichtlich der Leistung der verwendeten Laserstrahlen unterscheiden, bzw. in einem Fall eine ganzflächige Metallisierung aufweisen.
Dargestellt ist die flächig gemessene Transmission abhängig von der Wellenlänge.
Die durchgängige Linie stellt die Transmission dar, wenn keine Perforation erfolgte, d. h. wenn die Metallschicht ganzflächig ausgebildet ist. An der durchgezogenen Linie ist bereits erkenntlich, dass – bei den hier vorliegenden Messstrukturen ohne weitere Entspiegelungsschichten – bei einer lediglich 15 nm dicken Silberschicht zumindest in Wellenlängenbereichen unter 600 nm bereits eine deutliche Transmission vorliegt, die jedoch mit steigender Wellenlänge erheblich abnimmt. Mit Erhöhung der Laserleistung und somit Vergrößerung der Entfernungsbereiche (und im Gegenzug Verkleinerung des Bedeckungsgrades) nimmt die Transmission erheblich zu, insbesondere für größere Wellenlängen.
Hierbei wurde bei der Teststruktur, welche der gepunkteten Linie (Leistung C) zugrunde liegt, die größte Laserleistung verwendet, welche zu einem Bedeckungsgrad durch die Metallschicht von etwa 35% führte, und bei der langgestrichelten Linie (Leistung A) wurde entsprechend die niedrigste Laserleistung verwendet, welche zu einem Bedeckungsgrad durch die Metallschicht von etwa 85% führt. Die kurzgestrichelte Linie (Leistung B) stellt entsprechend die Messung der Teststruktur dar, bei welcher eine mittlere Laserleistung verwendet wurde, welche zu einem Bedeckungsgrad durch die Metallschicht von etwa 60% führte.
Wesentlich ist, dass bei allen Teststrukturen ein ausreichend niedriger Schichtwiderstand gegeben ist, so dass die derart hergestellte transparente Elektrode sinnvoll in Halbleiterbauelementen, insbesondere in photovoltaischen Solarzellen eingesetzt werden kann.
Wie aus 6 unmittelbar ersichtlich, ergibt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren somit in einfacher Weise durch Beaufschlagung mittels Laserstrahlung die Möglichkeit, die Transmission insbesondere im langweiligen Bereich größer 800 nm erheblich zu erhöhen, ohne erhebliche Verluste aufgrund eines erhöhten Schichtwiderstandes zu erzeugen.
In 5 ist eine Draufsicht auf den Verfahrenszustand gemäß 3 gezeigt. Hier wurden Entfernungsbereiche 5a mittels mehrerer Laserpulse erzeugt, so dass sich linienartige Entfernungsbereiche ergeben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

D. S. Ghosh et al. „High figure-of-merit ultrathin metal transparent electrodes incorperating a conductive grid”, doi:10.1063/1.3299259 [0008]

Claims

Verfahren zum Erzeugen einer transparenten Elektrode eines optoelektronischen Bauelementes, folgende Verfahrensschritte aufweisend: A Bereitstellen eines Substrats (1, 1a); B Erzeugen einer strukturierten Metallschicht (3, 3a) mittelbar oder unmittelbar auf dem Substrat (1, 1a); dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt B in einem Verfahrensschritt B1 eine Metallschicht (3, 3a) mit einer Dicke im Bereich 2 nm bis 1 μm mittelbar oder unmittelbar auf das Substrat aufgebracht wird und in einem Verfahrensschritt B2 die Metallschicht (3, 3a) an mehreren Entfernungsbereichen (5, 5a) mittels Strahlungseinwirkung wieder entfernt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (3, 3a) eine Dicke im Bereich 10 nm bis 80 nm und/oder eine Dicke kleiner 70 nm aufweist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt B1 die Metallschicht (3, 3a) ganzflächig aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Entfernen der Metallschicht (3, 3a) an den Entfernungsbereichen (5, 5a) die Metallschicht (3, 3a) einen Bedeckungsgrad im Bereich 0,1% bis 90%, bevorzugt 5% bis 60% aufweist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernungsbereiche (5, 5a), an welchen die Metallschicht (3, 3a) entfernt wird, derart ausgebildet und angeordnet werden, dass zwischen zwei sich gegenüberliegenden Rändern der Metallschicht (3, 3a) eine elektrisch leitende Verbindung besteht.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernungsbereiche zumindest in einer Richtung einer Ausdehnung von zumindest 1 μm, bevorzugt von zumindest 10 μm aufweisen und/oder dass die Entfernungsbereiche (5, 5a) eine Fläche von zumindest 10 μm², bevorzugt zumindest 100 μm², insbesondere bevorzugt zumindest 1000 μm² aufweisen.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernungsbereiche (5, 5a) in etwa elliptisch oder rund ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernungsbereiche (5, 5a) derart ausgebildet und angeordnet werden, dass aus der Metallschicht (3, 3a) eine Gitterstruktur ausgebildet wird, insbesondere eine näherungsweise hexagonale Gitterstruktur oder bevorzugt eine rechtwinklige Gitterstruktur.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernungsbereiche (5, 5a) im Wesentlichen gleichmäßig verteilt angeordnet sind, insbesondere, dass die Metallschicht (3, 3a) in Verfahrensschritt B2 perforiert wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt B2 die Metallschicht (3, 3a) mittels Laserstrahlung (4) an den Entfernungsbereichen (5, 5a) wieder entfernt wird, insbesondere, dass eine gepulste Laserstrahlung (4) verwendet wird, vorzugsweise, dass an jedem Entfernungsbereich (5, 5a) die Entfernung der Metallschicht (3, 3a) mittels genau einem Laserpuls erfolgt und/oder dass in Verfahrensschritt B2 die Metallschicht (3, 3a) an den Entfernungsbereichen (5, 5a) mittels gepulster Laserstrahlung entfernt wird, wobei sich insbesondere die durch einzelne Laserpulse erzeugten Entfernungsbereiche (5, 5a) zumindest teilweise überschneiden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1, 1a) ein Halbleitersubstrat ist, welches zumindest eine Halbleiterschicht aufweist, insbesondere, dass zwischen Metallschicht (3, 3a) und Halbleiterschicht eine oder mehrere leitfähige Schichten angeordnet sind, insbesondere eine transparente leitfähige Schicht (6).
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der Halbleiterschicht gegenüberliegenden Seite der Metallschicht (3, 3a) mittelbar oder bevorzugt unmittelbar eine transparente Schutzschicht (6), insbesondere eine transparente, leitfähige Schutzschicht abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1, 1a) als Superstrat (1, 1a) verwendet wird, indem auf das Substrat (1, 1a) mittelbar oder unmittelbar die Metallschicht (3, 3a) angeordnet wird und mittelbar oder unmittelbar auf die dem Substrat (1, 1a) gegenüberliegende Seite der Metallschicht (3, 3a) mindestens eine Halbleiterschicht angeordnet wird, vorzugsweise, dass das Entfernen der Metallschicht (3, 3a) an den Entfernungsbereichen vor Aufbringen der Halbleiterschicht erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Metallschicht in eine Kapselschicht eingebettet wird, insbesondere, dass vor Aufbringen der Metallschicht (3) eine erste Kapselteilschicht (6a) aufgebracht wird und dass nach Aufbringen und Strukturieren der Metallschicht (3a) eine zweite Kapselteilschicht (6b) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Ausbildung einer photovoltaischen Solarzelle verwendet wird.