DE102017122708A1 - Verfahren zur Herstellung einer Siliciumcarbid aufweisenden stickstofffreien Schicht - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Siliciumcarbid aufweisenden stickstofffreien Schicht Download PDF

Info

Publication number
DE102017122708A1
DE102017122708A1 DE102017122708.3A DE102017122708A DE102017122708A1 DE 102017122708 A1 DE102017122708 A1 DE 102017122708A1 DE 102017122708 A DE102017122708 A DE 102017122708A DE 102017122708 A1 DE102017122708 A1 DE 102017122708A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
layer
silicon
sic
carbon
dispersion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102017122708.3A
Other languages
English (en)
Inventor
Siegmund Greulich-Weber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
PSC Technologies GmbH
Original Assignee
PSC Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by PSC Technologies GmbH filed Critical PSC Technologies GmbH
Priority to DE102017122708.3A priority Critical patent/DE102017122708A1/de
Priority to CN201880063703.5A priority patent/CN111164734A/zh
Priority to EP18781975.0A priority patent/EP3688792A1/de
Priority to US16/651,384 priority patent/US20200303584A1/en
Priority to PCT/EP2018/075493 priority patent/WO2019063413A1/de
Publication of DE102017122708A1 publication Critical patent/DE102017122708A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02524—Group 14 semiconducting materials
    • H01L21/02529—Silicon carbide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/90—Carbides
    • C01B32/914—Carbides of single elements
    • C01B32/956—Silicon carbide
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/02373—Group 14 semiconducting materials
    • H01L21/02378—Silicon carbide
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/02422—Non-crystalline insulating materials, e.g. glass, polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612—Formation types
    • H01L21/02617—Deposition types
    • H01L21/02623—Liquid deposition
    • H01L21/02628—Liquid deposition using solutions
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/324—Thermal treatment for modifying the properties of semiconductor bodies, e.g. annealing, sintering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/16—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic Table
    • H01L29/1608—Silicon carbide
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/028—Inorganic materials including, apart from doping material or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic Table
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/1804—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof comprising only elements of Group IV of the Periodic Table
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen stickstofffreien Schicht aus Siliciumcarbid mittels einer kohlenstoff- und siliciumhaltigen Lösung oder Dispersion.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Halbleitertechnik. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Siliciumcarbid aufweisenden Schicht, wobei die Schicht stickstofffrei ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Siliciumcarbid aufweisende Schicht sowie die Verwendung einer Siliciumcarbid aufweisenden Schicht innerhalb einer Solarzelle. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle sowie eine Solarzelle.
  • In Zeiten des Klimawandels gewinnen regenerative Energien und/oder regenerative Arten der Umwandlung zu mechanischer und/oder elektrischer und/oder chemischer Energie zunehmend an Bedeutung. Großes Potential ist hier im Bereich der Photovoltaik vorhanden. Lange wurde in der Forschung und/oder der Industrie ein maximaler zu erreichender Wirkungsgrad von etwa 30 % bis 40 %, je nach verwendetem Material und je nach Aufbau der Solarzelle, angenommen. Aufgrund des kleinen Bandabstands von Silicium lässt sich jedoch das Thermalisierungsproblem durch höher energetische Strahlung ausgehend von der Sonne nicht vermeiden. So tragen alle Photonen, die eine größere Energie als der Bandabstand aufweisen, zu der höher energetischen Strahlung bei und limitieren demgemäß den theoretisch maximal möglichen Wirkungsgrad einer Solarzelle.
  • Dieser maximale Wirkungsgrad wird auch als Shockley-Queisser-Limit bezeichnet. Shockley und Queisser haben als obere, maximale Grenze für den Wirkungsgrad, d.h. die Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Energie der Sonne, etwa 30 % bestimmt, insbesondere unter der Berücksichtigung von unfokussiertem Sonnenlicht außerhalb der Erdatmosphäre.
  • In der Forschung gab es in den letzten Jahren und Jahrzehnten Untersuchungen bzw. unterschiedliche Forschungsansätze im Hinblick auf die Steigerung des maximal zu erreichenden Wirkungsgrades. Zusammenfassend lassen sich die verschiedenen Strömungen und Ansätze unter dem Begriff „Solarzellen der dritten Generation“ („third generation solar cells“) bezeichnen. Bei sogenannten „Solarzellen der dritten Generation“ bzw. „third generation solar cells“ wird von einem maximal zu erreichenden Wirkungsgrad von 86 % ausgegangen. Dieser nutzt den Carnot-Wirkungsgrad unter Berücksichtigung der Temperatur der Sonne sowie den nutzbaren Anteil der eingestrahlten Sonnenstrahlung, ermittelt durch das Boltzmann-Gesetz. Letztlich lässt sich in der Praxis nicht der theoretische, maximal mögliche Carnot-Wirkungsgrad bei dem nutzbaren Anteil der Strahlungsleistung in einer kommerziellen Photovoltaik-Anwendung in Form einer Solarzelle realisieren. Ausgangspunkt ist jedoch, dass der bisher angenommene, aufgrund der Halbleitertechnik beschränkte Wirkungsgrad steigerungsfähig ist.
  • Unter dem Oberbegriff „Solarzellen der dritten Generation“ sind verschiedene Herangehensweisen zur Optimierung des Wirkungsgrades gebündelt, die versuchen die Thermalisierungsverluste zu reduzieren. Meist handelt es sich hierbei bisher - mit Ausnahme der Tandemsolarzelle - um theoretische Konzepte und Modelle, die noch nicht umgesetzt bzw. demonstriert werden konnten. Beispielhaft sei an dieser Stelle die thermophotovoltaische Konversion genannt, bei welcher ein Zwischenabsorber von der Sonnenstrahlung aufgeheizt wird und der Absorber an der Rückseite einer Solarzelle einen Teil der thermischen Strahlung des Zwischenabsorbers absorbiert und in elektrische Energie umwandelt. Bei Tandemzellen ist es hingegen möglich, eine Solarzelle mit monochromatischer Strahlung zu betreiben, wobei eine Mehrzahl von Solarzellen mit abnehmender Energielücke hintereinander angeordnet wird. Im Konzept der Up- und Down-Conversion ist vorgesehen, das Sonnenspektrum über ein lumineszierendes Material dem Solarzellenmaterial anzupassen.
  • Eine weitere Forschungsrichtung der Solarzellen der dritten Generation ist in den „Intermediate-Band-Solarzellen“ zu sehen, die den „Impurity Photovoltaic (IPV) Effect“ nutzen. Durch Verwendung eines „intermediate“ Bandes (IB) als sogenanntes Zwischenband zwischen dem Leitungs- und Valenzband können Photonen mit einer geringeren Energie als der Bandabstand genutzt werden. Photonen, die eine geringere Energie als der Bandabstand zwischen Leitungs- und Valenzband aufweisen, würden sonst ungenutzt transmittiert werden. Demgemäß kann sowohl der induzierte Fotostrom als auch der Wirkungsgrad der Solarzelle erhöht werden. Es besteht demzufolge die Möglichkeit über das Zwischenband bzw. das Zwischenenergieniveau zusätzliche Elektronen-Loch-Paare zu generieren, wobei jedoch auch eine Rekombination eines Elektron-Loch-Paares über den Zwischenzustand erfolgen kann.
  • Im Bereich der Intermediate-Band-Solarzelle können Materialien verwendet werden, die aufgrund ihres großen Bandabstandes bisher nicht für die Verwendung innerhalb einer Solarzelle in Betracht gezogen worden sind. Bei einem großen Bandabstand kann das zuvor beschriebene Problem der Thermalisierung umgangen werden, jedoch fällt auch der maximale Wirkungsgrad für konventionelle Solarzellen bei Bandlücken über 2 eV signifikant ab, so dass Bandabstände über 2 eV, die keinem Thermalisierungsproblem unterliegen, nicht in Betracht gezogen wurden. Der maximal mögliche Wirkungsgrad ist für eine konventionelle Solarzelle nach dem Schockley-Queisser-Limit bei einem Bandabstand zwischen 1 eV bis 2 eV am größten.
  • Die Materialauswahl zur geeigneten Umsetzung einer IB-Solarzelle gestaltet sich als schwierig, da eine Vielzahl von unterschiedlichen Faktoren berücksichtigt werden muss. Trotz des vielversprechenden theoretischen Ansatzes der Intermediate-Band-Solarzellen sind diese bislang nicht zugänglich, es wurden lediglich theoretische mögliche Materialzusammensetzungen im Stand der Technik diskutiert.
  • Beispielsweise wurde angedacht, dass IB-Solarzellen auf neuen Nanomaterialen unter der Verwendung von Quantenpunkten (quantum-dots) basieren. Weiter ist es bekannt, eine Störstellendotierung durchzuführen oder niedrig legierte Halbleiterlegierungen zu verwenden. Die Störstellendotierung ist aufgrund der unerwünschten Rekombinierung über den durch die Störstellen hervorgerufenen Rekombinierungskanal mit Schwierigkeiten verbunden. Bei den Quantenpunkten konnte das grundsätzliche Konzept einer Intermediate-Band-Solarzelle demonstriert werden, wobei das Zwischenband den Wirkungsgrad der Solarzelle erhöhen kann. Darüber hinaus wird für die vorgenannten Systeme beispielsweise Galliumarsenid (GaAs) als Wirtsmaterial verwendet, wobei die Bandlückenenergie mit 1,42 eV wesentlich geringer als die optimale Bandlückenenergie für eine Intermediate-Band-Solarzelle mit 2,4 eV ist. Niedrig legierte Halbleiterlegierungen können auch InGaAsN und ZnTe:O aufweisen, wobei das Energieniveau des Zwischenbandes durch die Legierungszusammensetzung veränderbar sein könnte. Die vorgenannten Ansätze werden derzeit wissenschaftlich diskutiert und erforscht.
  • Des Weiteren wurde kubisches Siliciumcarbid (3C-SiC) als Material innerhalb der Forschungsrichtung „Solarzellen der dritten Generation“ diskutiert. Theoretisch würde sich die Bandlücke von 3C-SiC zur Verwendung in der Intermediate-Band-Solarzelle eignen, wobei im Stand der Technik derzeit konkrete Vorschläge zur Herstellung einer solchen Solarzelle fehlen. Die Dotierung von 3C-SiC mit Bor ermöglicht ein Energieniveau von 0,7 eV oberhalb des Valenzbandes. Dieses Energieniveau kann dabei innerhalb der Intermediate-Band-Solarzelle genutzt werden. Allerdings konnte 3C-SiC nicht, insbesondere für die großindustrielle Umsetzung, in einem Schichtaufbau der Intermediate-Band-Solarzelle eingesetzt werden. Die grundsätzliche Durchführbarkeit einer 3C-SiC Intermediate-Band-Solarzelle wurde im Stand der Technik wissenschaftlich diskutiert. Insbesondere wurde dabei eine Störstellendotierung innerhalb einer Schicht untersucht, siehe hierfür beispielsweise Syväjärvi et al., „Cubic silicon carbide as a potential photovoltaic material", 2016, Solar Energy Materials and Solar Cells, (145), 104-108. Zudem konnten Sun et al. in „Solar driven energy conversion applications based on 3C-SiC“, 2016, Materials Science Forum, 1028-1031, zeigen, dass 3C-SiC ein vielversprechendes Material zur Anwendung innerhalb einer Intermediate-Band-Solarzelle darstellt.
  • Jedoch mangelt es, wie zuvor ausgeführt, in dem Stand der Technik an der tatsächlichen Umsetzung einer Intermediate-Band-Solarzelle mit einem erhöhten Wirkungsgrad, insbesondere unter der Verwendung eines auf 3C-SiC basierenden Wirtsmaterials. Die theoretische grundsätzliche Eignung des dotierten 3C-SiC Materials ist noch weit von der tatsächlichen Herstellung einer Solarzelle der vorgenannten Art entfernt.
  • Das Aufbringen von gegebenenfalls dotierten 3C-SiC Schichten auf eine Trägerfläche bzw. auf ein Substrat zur Herstellung einer Solarzelle ist mit Problemen verbunden, die derzeit mit den in der Praxis bekannten Aufbringungsarten von Schichten zur Herstellung einer Solarzelle nicht überwunden werden können. Die größte Herausforderung bei der Herstellung von Intermediate-Band-Solarzellen besteht in der Realisierung des photovoltaischen Verhaltens.
  • Eine mangelnde Kenntnis des Herstellungsprozesses für eine Siliciumcarbid-Solarzelle liegt unter anderem auch daran, dass Siliciumcarbid ein ungeeignetes Material für eine konventionelle Solarzelle ist. Die Bandlücke von 2,3 eV wurde für konventionelle Solarzellen als zu groß angesehen, wie zuvor erläutert. Mit einem Bandabstand größer als 2 eV ist der maximale Wirkungsgrad für 3C-SiC im Bereich einer konventionellen Solarzelle deutlich geringer als beispielsweise für Silicium.
  • Zudem stehen der Forschung im Hinblick auf eine 3C-SiC Intermediate-Band-Solarzelle zu hohe Preise für die SiC-Einkristall-Produktion, eine zu kleine Nutzfläche der derzeit verwendeten SiC-Wafer, Probleme in der Herstellung des Materials 3C-SiC und die notwendige Stickstofffreiheit des SiC-Wafers der Realisierung des nutzbaren Produktes, d. h. der tatsächlich produzierten Intermediate-Band-Solarzelle, entgegen. Unter Verwendung von Standardkristallzuchtverfahren lässt sich 3C-SiC nur schwer bzw. nur mit einem sehr großen Aufwand herstellen. Demzufolge kann die benötigte Mindestfläche für eine Solarzelle nicht mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Methoden hergestellt werden. Ebenfalls sind die verfügbaren Wafer zur Herstellung einer Solarzelle um einiges zu klein.
  • Ein weiteres Problem ergibt sich aus der Tatsache, dass kommerziell erwerbbares Siliciumcarbid unvermeidbar mit Stickstoff verunreinigt ist. Stickstoff ist der flache Donator im Siliciumcarbid und demzufolge elektrisch aktiv. Um ein semiisolierendes Siliciumcarbid zu erhalten, wird der Stickstoff meist mit Bor passiviert. Dabei ist Bor der Akzeptator in dem 3C-SiC. Demzufolge enthält das Siliciumcarbid im Volumen den Bor-Akzeptator und den Stickstoff-Donator. Jedoch führt dies unter Sonneneinstrahlung dazu, dass eine intensive sowie schnelle Donator-Akzeptator-Rekombinationsluminiszenz erfolgt. Diese Rekombinationsluminiszenz stellt einen effektiven Kurzschluss für eine Solarzelle dar und ist demgemäß unbedingt zu vermeiden.
  • Im Stand der Technik konnten bisher keine kommerziell nutzbaren Intermediate-Band-Solarzellen vorgestellt werden, erst recht keine kommerziell nutzbaren Intermediate-Band-Solarzellen unter der Verwendung von 3C-SiC.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die zuvor beschriebenen Nachteile und Probleme im Stand der Technik zu vermeiden oder aber zumindest im Wesentlichen zu reduzieren und/oder abzuschwächen.
  • Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Siliciumcarbid aufweisenden Schicht zur Verfügung zu stellen, wobei durch das Verfahren gewährleistet werden soll, dass die Schicht zumindest im Wesentlichen stickstofffrei ist.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Siliciumcarbid aufweisenden Schicht gemäß Anspruch 1; weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Erfindungsaspektes sind Gegenstand der diesbezüglichen Unteransprüche.
  • Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Siliciumcarbid aufweisende Schicht nach Anspruch 16.
  • Des Weiteren ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle nach Anspruch 18, weitere, vorteilhafte Ausgestaltung dieses Erfindungsaspektes sind Gegenstand der diesbezüglichen Unteransprüche.
  • Schließlich ist wiederum weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Solarzelle nach Anspruch 40.
  • Es versteht sich von selbst, dass im Folgenden genannte, besondere Ausgestaltungen, insbesondere besondere Ausführungsformen oder dergleichen, welche nur im Zusammenhang mit einem Erfindungsaspekt beschrieben sind, auch in Bezug auf die anderen Erfindungsaspekte entsprechend gelten, ohne dass dies einer ausdrücklichen Erwähnung bedarf.
  • Weiterhin ist bei allen nachstehend genannten relativen bzw. prozentualen, insbesondere gewichtsbezogenen Mengenangaben zu beachten, dass diese im Rahmen der vorliegenden Erfindung vom Fachmann derart auszuwählen sind, dass in der Summe der Inhaltsstoffe, Zusatz- bzw. Hilfsstoffe oder dergleichen stets 100 % bzw. 100 Gew.-% resultieren. Dies versteht sich für den Fachmann aber von selbst.
  • Zudem gilt, dass alle im Folgenden genannten Parameterangaben oder dergleichen grundsätzlich mit genormten oder explizit angegebenen Bestimmungsverfahren oder aber für den Fachmann an sich geläufigen Bestimmungsmethoden bestimmt bzw. ermittelt werden können.
  • Dies vorausgeschickt, wird nachfolgend der Gegenstand der vorliegenden Erfindung näher erläutert.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung - gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung - ist somit ein Verfahren zur Herstellung einer Siliciumcarbid aufweisenden Schicht, wobei die Schicht stickstofffrei ist, wobei
    1. (a) in einem ersten Verfahrensschritt eine flüssige kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere ein SiC-Precursorsol, auf einen Träger aufgebracht wird,
    2. (b) in einem auf den ersten Verfahrensschritt (a) folgenden zweiten Verfahrensschritt die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Persecursol, zu Siliciumcarbid umgesetzt wird, wobei die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion einer mehrstufigen thermischen Behandlung unterzogen wird, wobei
      1. (i) in einer ersten thermische Verfahrensstufe (i) die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, auf Temperaturen von 300 °C oder höher, insbesondere 300 bis 1800 °C, vorzugsweise 800 bis 1000 °C, erhitzt wird und
      2. (ii) in einer auf die erste thermische Verfahrensstufe (i) folgenden zweiten thermischen Verfahrensstufe die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, auf Temperaturen von 1800 °C oder höher, insbesondere 1800 bis 2200 °C, erhitzt wird.
  • Unter einer „stickstofffreien“ Schicht wird im Rahmen dieser Erfindung eine Schicht verstanden, die zumindest im Wesentlichen keinen Stickstoff aufweist. Auch unter einer „vollständigen stickstofffreien“ Schicht wird im Rahmen dieser Erfindung eine Schicht verstanden, die zumindest im Wesentlichen keinen Stickstoff aufweist. Grundsätzlich kann es jedoch sein, dass noch einzelne Stickstoffatome in der Schicht vorhanden sind, wobei diese geringe Menge an Stickstoff nicht dazu ausreicht, dass die Schicht Eigenschaften einer Stickstoff aufweisenden Schicht zeigt. Insbesondere ist die stickstofffreie Schicht derart ausgebildet, dass sie die Eigenschaften einer stickstofffreien Schicht aufweist. Demgemäß ist keine Beeinflussung mehr der Schicht durch Stickstoff vorhanden. Demzufolge bezieht sich die Aussage, dass die Schicht stickstofffrei ist, nicht im Hinblick auf eine atomare Ebene bzw. auf eine atomare Skala, sondern die Aussage gibt an, dass die Schicht nicht durch Stickstoff in irgendeiner Form beeinflusst wird.
  • Wie die Anmelderin überraschenderweise herausgefunden hat, werden die stickstoffhaltigen Verbindungen während einer Erhitzung auf zumindest im Wesentlichen 1000 °C für vorzugsweise 15 bis 60 Minuten zersetzt und in die Gasphase überführt, insbesondere wobei der Stickstoff als elementarer Stickstoff oder flüchtige Stickstoffverbindung vorliegt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht die Siliciumcarbid aufweisende Schicht aus gegebenenfalls dotiertem Siliciumcarbid, d. h. die Siliciumcarbid besteht die Silicium aufweisende Schicht ist eine gegebenenfalls dotierte Siliciumcarbidschicht.
  • Die Anmelderin hat herausgefunden, dass eine Siliciumcarbid aufweisende stickstofffreie Schicht durch ein kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung bzw. Dispersion hergestellt werden kann, wobei diese eine äußerst geringe Anzahl an Defekten aufweist und die Schicht sich demzufolge hervorragend für Halbleiteranwendungen eignet.
  • Darüber hinaus lassen sich gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die Schichten aus Siliciumcarbid, die stickstofffrei sind, auf einer großen Vielfalt von Trägern erzeugen, und nicht nur auf einkristallinen Trägern, wie beispielsweise Siliciumcarbid oder Silicium-Wafern. Insbesondere ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch möglich, den Träger nach Erzeugung der Schicht aus Siliciumcarbid wieder zu entfernen. Letztlich dient der Träger zur Anordnung bzw. zur Ablage der Schicht, sofern die Schicht noch nicht ausgehärtet ist bzw. temperaturbehandelt worden ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die einfache, kostengünstige und reproduzierbare Herstellung von stickstofffreien Schichten aus Siliciumcarbid bzw. Siliciumcarbidkörpern mit ebener Oberfläche.
  • Durch eine mindestens zweistufige thermische Behandlung in Verfahrensschritt (b) wird die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion besonders schonend und vollständig in einkristallines Siliciumcarbid umgewandelt, welches nur eine äußerst geringe Anzahl an Fehlstellen aufweist.
  • Unter einer kohlenstoff- und siliciumhaltigen Lösung und Dispersion ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Lösung oder Dispersion, insbesondere ein Precursorsol zu verstehen, welche(s) kohlenstoff- und siliciumhaltige chemische Verbindungen enthält, wobei die einzelnen Verbindungen Kohlenstoff und/oder Silicium aufweisen können. Vorzugsweise eignen sich die Verbindungen, welche Kohlenstoff und Silicium aufweisen, als Precursorsol für die herzustellenden Zielverbindungen.
  • Unter einem Precursor ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine chemische Verbindung oder eine Mischung chemischer Verbindungen zu verstehen, welche durch chemische Reaktion und/oder unter Einwirkung von Energie zu einer oder mehrerer Zielverbindungen reagieren.
  • Unter einem Precursorsol ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Lösung oder Dispersion von Vorläufersubstanzen, insbesondere Ausgangsverbindungen, vorzugsweise Precursoren, zu verstehen, welche zu den gewünschten Zielverbindungen reagieren. In den Precursorsolen liegen die chemischen Verbindungen bzw. Mischungen chemischer Verbindungen nicht mehr zwingend in Form der ursprünglich eingesetzten chemischen Verbindungen vor, sondern beispielsweise als Hydrolyse-, Kondensations- oder anderweitige Reaktions- bzw. Zwischenprodukte. Die wird jedoch insbesondere auch durch den Ausdruck des „Sols“ verdeutlicht. Im Rahmen von Sol-Gel-Verfahren werden üblicherweise anorganische Materialien unter Hydro- bzw. Solvolyse in reaktive Intermediate bzw. Agglomerate und Partikel, das sogenannte Sol, überführt, welche anschließend insbesondere durch Kondensationsreaktionen zu einem Gel altern, wobei größere Partikel und Agglomerate in der Lösung oder Dispersion entstehen.
  • Unter einem SiC-Precursorsol ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Sol, insbesondere eine Lösung oder Dispersion zu verstehen, welche chemische Verbindungen oder deren Umsetzungsprodukte enthält, aus welchen unter Verfahrensbedingungen Siliciumcarbid erhalten werden kann.
  • Unter einer Lösung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein üblicherweise flüssiges Einphasensystem zu verstehen, in welchem mindestens ein Stoff, insbesondere eine Verbindung oder deren Bausteine, wie beispielsweise Ionen, homogen verteilt in einem weiteren Stoff, dem sogenannten Lösemittel, vorliegen. Unter einer Dispersion ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein zumindest zweiphasiges System zu verstehen, wobei eine erste Phase, nämlich die dispergierte Phase, in einer zweiten Phase, der kontinuierlichen Phase, verteilt vorliegt. Die kontinuierliche Phase wird auch als Dispersionsmedium oder Dispersionsmittel bezeichnet; die kontinuierliche Phase liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung üblicherweise in Form einer Flüssigkeit vor und Dispersionen sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung im Allgemeinen Fest-in-flüssig-Dispersionen. Insbesondere bei Solen oder auch bei polymeren Verbindungen ist jedoch der Übergang von einer Lösung zu einer Dispersion oftmals fließend und es kann nicht mehr eindeutig zwischen einer Lösung und einer Dispersion unterschieden werden.
  • Unter einer Schicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Verteilung von Material, insbesondere in Form eines Einkristalls, mit einer gewissen Schichtdicke in einer Ebene, insbesondere auf einer Oberfläche eines Trägers bzw. eines Substrates, zu verstehen. Die Ebene muss dabei nicht vollständig mit dem Material bedeckt sein. Üblicherweise ist jedoch zumindest eine Oberfläche des Trägers oder Substrates vollflächig mit der Schicht aus Siliciumcarbid bzw. mit einer Schicht der kohlenstoff- und siliciumhaltigen Lösung oder Dispersion versehen.
  • Unter einem Träger ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Material zu verstehen, auf welches die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, aufgebracht wird. Insbesondere ist ein Träger im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein dreidimensionales oder auch ein nahezu zweidimensionales Gebilde mit mindestens einer vorzugsweise ebenen Oberfläche, auf welche die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion aufgebracht wird. Bei dem Träger handelt es sich somit vorzugsweise um ein Trägermaterial, um die Schicht aus Siliciumcarbid aus der formlosen kohlenstoff- und siliciumhaltigen Lösung zu erzeugen.
  • Bei dem im Rahmen der vorliegenden Erfindung hergestellten Silicumcarbid handelt es sich, wie zuvor ausgeführt, entweder um dotiertes Siliciumcarbid oder um nicht-dotiertes Siliciumcarbid, wobei das Siliciumcarbid vorzugsweise in einkristalliner Form vorliegt. Insbesondere Einkristalle eignen sich zur Verwendung in der Halbleitertechnik.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es im Allgemeinen vorgesehen, dass im ersten Verfahrensschritt (a) die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, als Schicht, insbesondere als homogene Schicht, auf den Träger aufgebracht wird. Durch die Aufbringung der kohlenstoff- und siliciumhaltigen Lösung oder Dispersion, insbesondere des SiC-Precursorsols, in Form einer Schicht auf den Träger lassen sich homogene einkristalline Schichten aus Siliciumcarbid erhalten.
  • Üblicherweise wird in der ersten thermischen Verfahrensstufe (i) die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, in ein Glas überführt. Durch die Erhitzung in der ersten thermischen Verfahrensstufe werden insbesondere die Löse- und Dispersionsmittel sowie andere flüchtige Stoffe entfernt und die nicht-flüchtigen Bestandteile der kohlenstoff- und siliciumhaltigen Lösungen oder Dispersionen pyrolysiert. Bei der Pyrolyse bleibt vorzugsweise ein Glas zurück, in welchem bevorzugt Silicium und Kohlenstoff in hoher Konzentration vorliegen. Unter einem Glas ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein amorpher Festkörper zu verstehen, welcher eine Nah-, jedoch keine Fernordnung aufweist. Bei einem Glas handelt es sich insbesondere um eine erstarrte Schmelze.
  • Was nun den Zeitraum anbelangt, in welchem in Verfahrensstufe (i) die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, erhitzt wird, so kann dieser naturgemäß in weiten Bereichen variieren. Es hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch bewährt, wenn in der ersten thermischen Verfahrensstufe (i) die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, für einen Zeitraum von zumindest im Wesentlichen 5 bis 150 Minuten, bevorzugt 10 bis 120 Minuten, vorzugsweise 15 bis 60 Minuten, erhitzt wird.
  • Die vorgenannte Zeitdauer ermöglicht es, dass während der Pyrolyse und der Kristallisation zu Siliciumcarbid eine stickstofffreie Schicht gewährleistet werden kann. Dabei werden die stickstoffhaltigen Verbindungen zersetzt und in die Gasphase überführt. Der vorgenannte Zeitraum von vorzugsweise etwa 30 Minuten stellt sicher, dass auch zumindest im Wesentlichen alle relevanten stickstoffhaltigen Verbindungen zersetzt worden sind, so dass die durch die thermische Behandlung gewonnene Siliciumcarbid aufweisende Schicht die Eigenschaften einer vollständig stickstofffreien Schicht aufweist.
  • Was nun den Zeitraum anbelangt, für welchen die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere dass in Verfahrensstufe (i) erhaltene Glas, in der zweiten Verfahrensstufe (ii) erhitzt wird, so kann dieser in weiten Bereichen variieren. Üblicherweise wird in Verfahrensstufe (ii) die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, vorzugsweise das in Verfahrensstufe (i) erhaltene Glas, für einen Zeitraum von über 10 Minuten, insbesondere über 15 Minuten, vorzugsweise über 20 Minuten, bevorzugt über 25 Minuten, erhitzt.
  • Gleichermaßen kann es im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass in Verfahrensstufe (ii) die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, vorzugsweise das in Verfahrensstufe (i) erhaltene Glas, für einen Zeitraum von 10 bis 90 Minuten, insbesondere 10 bis 40 Minuten, vorzugsweise 20 bis 35 Minuten, bevorzugt 25 bis 40 Minuten, weiter bevorzugt zumindest im Wesentlichen 40 Minuten, erhitzt wird. Die vorgenannten Zeiträume sind ausreichend, um eine vollständige Umwandlung der Precursoren in Siliciumcarbid und die Herstellung von Siliciumcarbideinkristallen zu erhalten, jedoch ausreichend kurz, um eine übermäßige Sublimation von Siliciumcarbid zu verhindern.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird in einer der ersten thermischen Verfahrensstufe (i) vorgelagerten Verfahrensstufe die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, auf Temperaturen im Bereich von 50 bis 800 °C, insbesondere 100 bis 500 °C, vorzugsweise 100 bis 250 °C, erhitzt. Was den Zeitraum für die Erhitzung anbelangt, so wurde es als besonders vorteilhaft festgestellt, wenn die der ersten thermischen Verfahrensstufe (i) vorgelagerte Trocknungsstufe für zumindest im Wesentlichen 5 bis 30 Minuten, bevorzugt 5 bis 20 Minuten, weiter bevorzugt 10 bis 18 Minuten, vorzugsweise zumindest im Wesentlichen 15 Minuten, durchgeführt wird. Der vorgenannte Zeitraum so wie die vorgenannten Temperaturbereiche dienen dazu, das Material zu trocknen, bevor es der thermischen Behandlung in den Verfahrensstufen (i) und (ii) unterzogen wird.
  • Gemäß einer weiteren ganz besonders bevorzugten Ausführungsform sind die stickstoffhaltigen Verbindungen der kohlenstoff- und siliciumhaltigen Lösung oder Dispersion durch die Temperaturbehandlung, insbesondere in der ersten thermischen Verfahrensstufe (i), zersetzt worden. Dabei können die stickstoffhaltigen Verbindungen in die Gasphase überführt worden sein, wobei der Stickstoff in Form elementaren Stickstoffs oder flüchtiger stickstoffhaltiger Verbindungen in die Gasphase überführt werden kann. Durch die Zersetzung der stickstoffhaltigen Verbindungen kann eine stickstofffreie Schicht sichergestellt werden, deren von Stickstoff unbeeinflusste Materialeigenschaften sich besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit Halbleiteranwendungen zeigen.
  • Üblicherweise wird in Verfahrensstufe (ii) die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, vorzugsweise das in Verfahrensstufe (i) erhaltene Glas, in kristallines Siliciumcarbid, bevorzugt einkristallines Siliciumcarbid, umgewandelt.
  • Es hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung als vorteilhaft erwiesen, wenn in einer ersten thermischen Verfahrensstufe (i) die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion pyrolysiert und zu einem Glas umgewandelt wird und in einem nachfolgenden getrennten Verfahrensstufe, insbesondere in der zweiten thermischen Verfahrensstufe (ii), die Kristallisation und Herstellung der Siliciumcarbideinkristalle erfolgt. Auf diese Weise lassen sich besonders reine Siliciumcarbideinkristalle mit geringen Anteilen an Defektstrukturen erhalten. Insbesondere ist es durch geeignete Temperaturwahl während der zweiten thermischen Verfahrensstufe (ii) möglich, den Polytyp des Siliciumcarbides einzustellen. So wird beispielsweise bei einer Temperatur in der zweiten Verfahrensstufe (ii) von 1800 °C der Polytyp 3C-SiC erhalten, und bei Temperaturen von über 2100 °C in der zweiten thermischen Verfahrensstufe (ii) die hexagonalen SiC-Polytypen, nämlich 4H-SiC und 6H-SiC.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass im Anschluss an Verfahrensstufe (i) und vor Durchführung von Verfahrensstufe (ii) die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, vorzugsweise das in Verfahrensstufe (i) erhaltene Glas, abgekühlt, insbesondere abgeschreckt wird. Durch eine Abkühlung, insbesondere Abschreckung des erhaltenen Glases, wird der amorphe Glaszustand erhalten und bzw. eingefroren. Insbesondere ist es auf diese Weise möglich, eine ideale Ausgangsbedingung für die nachfolgende Umwandlung zu einkristallinem Siliciumcarbid zu erhalten.
  • Was nun die Abkühlrate in diesem Zusammenhang anbelangt, so kann diese naturgemäß in weiten Bereichen variieren.
  • Es hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch bewährt, wenn die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, vorzugsweise das in Verfahrensstufe (i) erhaltene Glas, mit einer Abkühlrate von mehr als 50 °C/min, insbesondere mehr als 70 °C/min, vorzugsweise mehr als 100 °C/min, abgekühlt wird.
  • Üblicherweise werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung zumindest die Verfahrensstufen (i) und (ii) in einer Schutzgasatmosphäre, insbesondere einer Inertgasatmosphäre, durchgeführt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird insbesondere der gesamte Verfahrensschritt (b) in einer Schutzgasatmosphäre, insbesondere eine Inertgasatmosphäre, durchgeführt, wobei es besonders bevorzugt wird, wenn sowohl Verfahrensschritt (a) und (b) in einer Schutzgasatmosphere, insbesondere eine Inertgasatmosphere, durchgeführt werden.
  • Unter einem Schutzgas ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Gas zu verstehen, welches die Oxidation der Bestandteile der kohlenstoff- und siliciumhaltigen Lösung oder Dispersion durch insbesondere Sauerstoff wirkungsvoll verhindert, während ein Inertgas im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Gas ist, welches mit den Bestandteilen der kohlenstoff- und siliciumhaltigen Lösung oder Dispersion unter Verfahrensbedingungen keine Reaktion eingeht. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist das Schutzgas üblicherweise ausgewählt aus den Edelgasen und deren Mischung, insbesondere Argon und deren Mischung. Besonders bevorzugt wird es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wenn das Schutzgas Argon ist.
  • Vorzugsweise erfolgt eine Dotierung der Siliciumcarbid aufweisenden Schicht. Demzufolge kann die Schicht dotiertes Siliciumcarbid aufweisen, wobei das Siliciumcarbid vorzugsweise in einkristalliner Form vorliegt. Sowohl eine einkristalline Form als auch die von Stickstoff unbeeinflussten Eigenschaften der Schicht eignen sich zur Verwendung in der Halbleitertechnik.
  • Unter einem dotierten Siliciumcarbid ist ein Siliciumcarbid zu verstehen, welches mit weiteren Elementen, insbesondere aus der 13. und 15. Gruppe des Periodensystems der Elemente, in geringen Mengen, dotiert ist. Vorzugsweise weist das Siliciumcarbid mindestens ein Dotierungselement im ppm-Bereich (parts per million) oder ppb-Bereich (parts per billion) auf. Insbesondere erfolgt eine p-Dotierung der Siliciumcarbid aufweisenden Schicht oder eine gezielte Einfügung von Defektstellen bzw. Gitterlücken. Durch die Dotierung der Siliciumcarbide werden insbesondere die elektrischen Eigenschaften der Siliciumcarbide entscheidend beeinflusst, so dass sich dotierte Siliciumcarbide speziell für Anwendungen in der Halbleitertechnik, vorzugsweise im Bereich von Solarzellen, eignen. Dotierungen mit Dotierungselementen, welche mehr als vier Valenzelektronen aufweisen, werden dabei als n-Dotierungen bezeichnet, während Dotierungen mit Dotierungselementen, welche weniger als vier Valenzelektronen aufweisen, als p-Dotierungen bezeichnet werden. Wie zuvor erwähnt, erfolgt vorzugsweise eine p-Dotierung der Siliciumcarbid aufweisenden Schicht.
  • Üblicherweise ist das Siliciumcarbid mit einem Element ausgewählt aus der Gruppe von Phosphor, Arsen, Antimon, Bor, Aluminium, Gallium, Indium, Titan, Vanadium, Chrom, Mangan und deren Mischungen dotiert und/oder die elektrischen Eigenschaften des Siliciumcarbids werden durch gezielte Einfügung von Defektstellen, insbesondere Gitterlücken, beispielsweise durch Behandlung des Siliciumcarbids mit hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung. Vorzugsweise ist das Siliciumcarbid mit Elementen der 13. und 15. Gruppe des Periodensystems der Elemente dotiert, wodurch insbesondere die elektrischen Eigenschaften des Siliciumcarbides gezielt manipuliert und eingestellt werden konnten. Derartige dotierte Siliciumcarbide eignen sich insbesondere für Anwendungen in der Halbleitertechnik.
  • Wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Siliciumcarbid dotiert ist, so hat es sich bewährt, wenn das dotierte Siliciumcarbid das Dotierungselement in Mengen von 0,000001 bis 0,0005 Gew.-%, insbesondere 0,000001 bis 0,0001 Gew.-%, vorzugsweise 0,000005 bis 0,0001 Gew.-%, bevorzugt 0,000005 bis 0,00005 Gew.-%, bezogen auf das dotierte Siliciumcarbid, enthält. Für die gezielte Einstellung der elektrischen Eigenschaften des Siliciumcarbides reichen somit äußerst geringe Mengen an Dotierungselementen vollkommen aus.
  • Falls eine Dotierung mit Phosphor erfolgen soll, so hat es sich bewährt, wenn eine Dotierung mit Phosphorsäure erfolgt.
  • Falls mit Arsen oder Antimon dotiert wird, so hat es sich bewährt, wenn das Dotierungsreagenz ausgewählt ist aus Arsentrichlorid, Antimonchlorid, Arsenoxid oder Antimonoxid.
  • Falls Aluminium als Dotierungsreagenz verwendet werden soll, so kann insbesondere beim saurem oder basischem pH-Wert Aluminiumpulver als Dotierung eingesetzt werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, Aluminiumchloride zu verwenden. Generell ist bei der Verwendung von Metallen als Dotierelement immer eine Verwendung der Chloride, Acetate, Acetylacetonate, Formiate, Alkoxide und Hydroxide - mit Ausnahme schwerlöslicher Hydroxide - möglich.
  • Falls Bor als Dotierelement verwendet wird, so ist das Dotierelement üblicherweise Borsäure.
  • Falls Indium als Dotierelement verwendet wird, so ist das Dotierungsreagenzien üblicherweise ausgewählt aus Indiumhalogeniden, insbesondere Indiumtrichlorid (InCl3).
  • Falls Gallium als Dotierelement verwendet wird, so ist das Dotierungsreagenz üblicherweise ausgewählt aus Galliumhaloginiden, insbesondere GaCl3.
  • Falls Titan, Vanadium, Chrom und/oder Mangan als Dotierungsreagenz verwendet werden, werden bevorzugt die entsprechenden Metallchloride eingesetzt.
  • Darüber hinaus ist bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Erfindungsgedankens vorgesehen, dass die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, im ersten Verfahrensschritt (a) als Schicht, insbesondere als homogene Schicht, auf einen Träger aufgebracht wird. Dabei weist der Träger bevorzugt Siliciumcarbid, vorzugsweise 3C-SiC, auf und/oder ist n-dotiert. Der Träger dient zur mechanischen Stabilität während der Aushärtung der kohlenstoff- und siliciumhaltigen Lösung oder Dispersion. Dabei wird die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion auf den Träger aufgebracht, wobei der Träger auch alle thermischen Behandlungsstufen durchlaufen kann bzw. derart ausgebildet ist, dass der Träger die Eigenschaften der herzustellenden Schicht durch die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion nicht nachteilig beeinflusst. Der Träger ermöglicht daher eine einfache Auftragung bzw. einen einfachen Auftrag der kohlenstoff- und siliciumhaltigen Lösung oder Dispersion und gewährleistet die mechanische Stabilität der herzustellenden Schicht.
  • Die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion kann durch jedes geeignete Verfahren auf den Träger aufgebracht werden. Es hat sich jedoch bewährt, wenn im Verfahrensschritt (a) die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, durch ein Beschichtungsverfahren, aufgebracht wird. Als Beschichtungsverfahren können dabei Tauchen (Dipcoating), Spincoating, Sprühen, Rollen, Walzen oder Druck genutzt werden. Besonders gute Ergebnisse werden erhalten, wenn die kohlenstoff- und silicumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, durch Tauchen, Spincoating, Sprühen oder Drucken, bevorzugt Tauchen, auf den Träger aufgebracht wird.
  • Was nun die Schichtdicke anbelangt, mit welcher die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, auf den Träger aufgebracht wird, so kann dieses in Abhängigkeit vom jeweilgen Verwendungszweck des Siliciumcarbids sowie der jeweiligen chemischen Zusammensetzung des Siliciumcarbids in weiten Bereichen variieren. Üblicherweise im Verfahrensschritt (a) die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, mit einer Schichtdicke im Bereich von 0,1 bis 1.000 µm, insbesondere 0,1 bis 500 µm, vorzugsweise 0,1 bis 300 µm, bevorzugt 0,1 bis 10 µm, auf den Träger aufgebracht. Dabei kann während der thermischen Behandlung der kohlenstoff- und siliciumhaltigen Lösung oder Dispersion eine Reduktion der Schichthöhe der kohlenstoff- und siliciumhaltigen Lösung oder Dispersion erfolgen. Diese Reduktion kann dabei zumindest im Wesentlichen 20 % der ursprünglichen Schichtdicke der kohlenstoff- und siliciumhaltigen Lösung oder Dispersion betragen.
  • Weiterhin kann es im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, eine dynamische Viskosität nach Brookfield bei 25 °C im Bereich von 3 bis 500 mPas, insbesondere 4 bis 200 mPas, vorzugsweise 5 bis 100 mPas, aufweist. Wenn die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, dynamische Viskositäten in den vorgenannten Bereichen aufweist, lassen sich die Schichtdicken, mit welchen die silicium- und kohlenstoffhaltige Lösung, insbesondere auf den Träger, aufgebracht wird, in weiten Bereichen variieren. Insbesondere lassen sich bei einmaligem Auftrag der silicium- und kohlenstoffhaltigen Lösung sehr hohe Schichtdicken realisieren, welche beispielsweise bei der Herstellung von Siliciumcarbid-Wafern von Vorteil sind, da der Wafer in nur wenigen Arbeitsgängen zugänglich ist.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol,
    1. (A) mindestens eine siliciumhaltige Verbindung,
    2. (B) mindestens eine kohlenstoffhaltige Verbindung und
    3. (C) mindestens ein Löse- oder Dispersionsmittel.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung enthält die silicium- und kohlenstoffhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, spezielle Precursoren, welche unter Verfahrensbedingungen Silicium freisetzen und spezielle Precursoren, welche unter Verfahrensbedingungen Kohlenstoff freisetzen. Auf diese Weise kann das Verhältnis von Kohlenstoff zu Silicium in den kohlenstoff- und siliciumhaltigen Lösungen oder Dispersionen einfach variiert und auf die jeweiligen Anwendungsfälle zugeschnitten werden.
  • Besonders gute Ergebnisse werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung erhalten, wenn die siliciumhaltige Verbindung ausgewählt ist aus Silanen, Silanhydrolysaten, Orthokieselsäure sowie deren Mischungen. Besonders bevorzugt ist die siliciumhaltige Verbindung ein Silan.
  • Gleichermaßen hat es sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung bewährt, wenn die kohlenstoffhaltige Verbindung ausgewählt ist aus der Gruppe von Zuckern, insbesondere Saccharose, Glucose, Fructose, Invertzucker, Maltose; Stärke; Stärkederivaten; organischen Polymeren, insbesondere Phenol-Formaldehydharz und Resorcinol-Formaldehydharz, und deren Mischungen.
  • Was nun das Verhältnis von Silicium zu Kohlenstoff in der kohlenstoff- und siliciumhaltigen Lösung oder Dispersion anbelangt, so kann dieses naturgemäß in weiten Bereichen variieren. Es hat sich jedoch bewährt, wenn die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, ein gewichtsbezogenes Verhältnis von Silicium zu Kohlenstoff im Bereich von 1 : 1 bis 1 : 10, insbesondere 1 : 2 bis 1 : 7, vorzugsweise 1 : 3 bis 1 : 5, bevorzugt 1 : 3,5 bis 1 : 4,5, aufweist. Besonders gute Ergebnisse werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung erhalten, wenn das gewichtsbezogene Verhältnis von Silicium zu Kohlenstoff in der kohlenstoff- und siliciumhaltigen Lösung oder Dispersion, insbesondere in dem SiC-Precursorsol, 1 : 4 beträgt. Mit den zuvor genannten Verhältnissen von Silicium zu Kohlenstoff lassen sich insbesondere in einer nachfolgenden thermischen Behandlung gezielt und reproduzierbar Siliciumcarbid-Einkristalle, insbesondere einkristalline Siliciumcarbidschichten, erzeugen.
  • Was nun die Auswahl des Löse- oder Dispersionsmittels anbelangt, so kann dies aus sämtlichen geeigneten Löse- oder Dispersionsmitteln ausgewählt werden. Üblicherweise ist das Löse- oder Dispersionsmittel jedoch ausgewählt aus Wasser und organischen Lösemitteln sowie deren Mischungen. Insbesondere bei Mischungen, welche Wasser enthalten, werden die in der Regel hydrolysierbaren bzw. sovolysierbaren Ausgangsverbindungen zu anorganischen Hydroxiden, insbesondere Metallhydroxiden und Kieselsäuren, umgesetzt, welche anschließend kondensieren, so dass für die Pyrolyse und die Kristallisation geeignete Precursoren erhalten werden.
  • Die eingesetzten Verbindungen sollten darüber hinaus in den verwendeten Lösemitteln, insbesondere in Ethanol und/oder Wasser, ausreichend hohe Löslichkeiten aufweisen, um feinteilige Dispersionen der Lösungen, insbesondere Sole, bilden zu können und dürfen während des Herstellungsverfahrens nicht mit anderen Bestandteilen der Lösung oder Dispersion, insbesondere des Sols, zu unlöslichen Verbindungen reagieren.
  • Darüber hinaus muss die Reaktionsgeschwindigkeit der einzelnen ablaufenden Reaktionen aufeinander abgestimmt werden, da die Hydrolyse, Kondensation und gegebenenfalls Gelation der erfindungsgemäßen Zusammensetzung nach Möglichkeit ungestört ablaufen sollte, um eine möglichst homogene Verteilung der einzelnen Bestandteile in dem Sol zu erhalten.
  • Die gebildeten Reaktionsprodukte dürfen weiterhin nicht oxidationsempfindlich sein und sollten darüber hinaus nicht flüchtig sein.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das organische Lösemittel ausgewählt ist aus Alkoholen, insbesondere Methanol, Ethanol, 2-Propanol, Aceton, Essigsäureethylester und deren Mischungen. Besonders bevorzugt wird es in diesem Zusammenhang, wenn das organische Lösemittel ausgewählt ist aus Methanol, Ethanol, 2-Propanol und deren Mischungen, wobei insbesondere Ethanol bevorzugt ist.
  • Die zuvor genannten organischen Lösemittel sind mit Wasser in weiten Bereichen mischbar und insbesondere auch für die Dispergierung oder zum Lösen polarer anorganischer Stoffe, wie beispielsweise von Metallsalzen, geeignet.
  • Wie zuvor ausgeführt, werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung Mischungen aus Wasser und mindestens einem organischen Lösemittel, insbesondere Mischungen aus Wasser und Ethanol, bevorzugt als Löse- oder Dispersionsmittel, verwendet. In diesem Zusammenhang wird es bevorzugt, wenn das Löse- oder Dispersionsmittel ein gewichtsbezogenes Verhältnis von Wasser zu organischem Lösemittel von 1 : 10 bis 20 : 1, insbesondere 1 : 5 bis 15 : 1, vorzugsweise 1 : 2 bis 10 : 1, bevorzugt 1 : 1 bis 5 : 1, besonders bevorzugt 1 : 3, aufweist. Durch das Verhältnis von Wasser zu organischen Lösemitteln kann einerseits die Hydrolysegeschwindigkeit, insbesondere der siliciumhaltigen Verbindung sowie der Dotierungsreagenzien, eingestellt werden, andererseits kann auch die Löslichkeit und Reaktionsgeschwindigkeit der kohlenstoffhaltigen Verbindung, insbesondere der kohlenstoffhaltigen Precursorverbindung, wie beispielsweise Zucker, eingestellt werden.
  • Die Menge, in welcher die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion das Löse- oder Dispersionsmittel enthält, kann in Abhängigkeit von den jeweiligen Auftragsbedingungen sowie der Art des herzustellenden dotierten oder undotierten Siliciumcarbids in weiten Bereichen variieren. Üblicherweise weist die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion das Löse- oder Dispersionsmittel jedoch in Mengen von 10 bis 80 Gew.-%, insbesondere 15 bis 75 Gew.-%, vorzugsweise 20 bis 70 Gew.-%, bevorzugt 20 bis 65 Gew.-%, bezogen auf die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, auf.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist üblicherweise vorgesehen, dass die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion ein gewichtsbezogenes Verhältnis von Silicium zu Kohlenstoff, insbesondere in Form der siliciumhaltigen Verbindung und der kohlenstoffhaltigen Verbindung, im Bereich von 1 : 1 bis 1 : 10, insbesondere 1 : 2 bis 1 : 7, vorzugsweise 1 : 3 bis 1 : 5, bevorzugt 1 : 3,5 bis 1 : 4,5, aufweist. Besonders gute Ergebnisse werden in diesem Zusammenhang erhalten, wenn die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion ein gewichtsbezogenes Verhältnis Silicium zu Kohlenstoff, insbesondere von siliciumhaltiger Verbindung zu kohlenstoffhaltiger Verbindung, von 1 : 4 aufweist.
  • Was nun die siliciumhaltige Verbindung anbelangt, so wird es bevorzugt, wenn die siliciumhaltige Verbindung ausgewählt ist aus Silanen, Silanhydrolysaten, Orthokieselsäure sowie deren Mischungen, insbesondere Silanen. Orthokieselsäure sowie deren Kondensationsprodukte können im Rahmen der vorliegenden Erfindung beispielsweise aus Alkalisilikaten erhalten werden, deren Alkalimetallionen durch lonenaustausch gegen Protonen ausgetauscht wurden. Alkalimetallverbindungen werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung nach Möglichkeit nicht in der kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion verwendet, da sie auch in die siliciumcarbidhaltige Verbindung eingelagert werden. Eine Alkalimetalldotierung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch in der Regel nicht erwünscht. Falls diese jedoch erwünscht sein sollte, können geeignete Alkalimetallsalze, beispielsweise der siliciumhaltigen Verbindungen oder auch Alkaliphosphate, verwendet werden.
  • Wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Silan als siliciumhaltige Verbindung verwendet wird, so hat es sich bewährt, wenn das Silan ausgewählt ist aus Silanen der allgemeinen Formel I R4-nSiXn (I) mit
    • R =
    Alkyl, insbesondere C1- bis C5-Alkyl, vorzugsweise C1- bis C3-Alkyl, bevorzugt C1- und/oder C2-Alkyl; Aryl, insbesondere C6- bis C20-Aryl, vorzugsweise C6- bis C15-Aryl, bevorzugt C6- bis C10-Aryl; Olefin, insbesondere terminales Olefin, vorzugsweise C2- bis C10-Olefin, bevorzugt C2- bis C8-Olefin, besonders bevorzugt C2- bis C5-Olefin, ganz besonders bevorzugt C2- und/oder C3-Olefin, insbesondere bevorzugt Vinyl; Amin, insbesondere C2- bis C10-Amin, vorzugsweise C2- bis C8-Amin, bevorzugt C2- bis C5-Amin, besonders bevorzugt C2- und/oder C3-Amin; Carbonsäure, insbesondere C2- bis C10-Carbonsäure, vorzugsweise C2- bis C8-Carbonsäure, bevorzugt C2- bis C5-Carbonsäure, besonders bevorzugt C2- und/oder C3-Carbonsäure; Alkohol, insbesondere C2- bis C10-Alkohol, vorzugsweise C2- bis C8-Alkohol, bevorzugt C2- bis C5-Alkohol, besonders bevorzugt C2- und/oder C3-Alkohol;
    X =
    Halogenid, insbesondere Chlorid und/oder Bromid; Alkoxy, Insbesondere C1- bis C6-Alkoxy, besonders bevorzugt C1- bis C4- Alkoxy, ganz besonders bevorzugt C1- und/oder C2-Alkoxy; und
    n =
    1 - 4, vorzugsweise 3 oder 4.
  • Besonders gute Ergebnisse werden jedoch erhalten, wenn das Silan ausgewählt ist aus Silanen der allgemeinen Formel Ia R4-nSiXn (Ia) mit
    • R =
    C1- bis C3-Alkyl, insbesondere C1- und/oder C2-Alkyl; C6- bis C15-Aryl, insbesondere C6- bis C10-Aryl; C2- und/oder C3-Olefin, insbesondere Vinyl;
    X =
    Alkoxy, Insbesondere C1- bis C6-Alkoxy, besonders bevorzugt C1- bis C4- Alkoxy, ganz besonders bevorzugt C1- und/oder C2-Alkoxy; und
    n =
    3 oder 4.
  • Durch Hydrolyse und anschließende Kondensationsreaktion der zuvor genannten Silane können im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf einfache Weise kondensierte Orthokieselsäuren bzw. Siloxane erhalten werden, welche nur sehr geringe Partikelgrößen aufweisen, wobei auch weitere Elemente, insbesondere Metallhydroxide in das Grundgerüst eingebaut werden können.
  • Durch die Verwendung von kohlenstoff- und siliciumhaltigen Lösungen oder Dispersionen, insbesondere von SiC-Precursorsolen, ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich, die Bestandteile des herzustellenden Siliciumcarbids in homogener und feiner Verteilung möglichst räumlich benachbart zueinander anzuordnen, so dass bei Energieeinwirkung die einzelnen Bestandteile der siliciumcarbidhaltigen Zielverbindung in unmittelbarer Nähe zueinander vorliegen und nicht erst vergleichsweise weite Strecken diffundieren müssen.
  • Besonders gute Ergebnisse werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung erhalten, wenn die siliciumhaltige Verbindung ausgewählt ist aus Tetraalkoxysilanen, Trialkoxysilanen und deren Mischungen, vorzugsweise Tetraethoxysilan, Tetramethoxysilan oder Triethoxymethylsilan und deren Mischungen.
  • Was nun die Mengen anbelangt, in welcher die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion die siliciumhaltige Verbindung enthält, so kann diese gleichfalls in Abhängigkeit der jeweiligen Anwendungsbedingungen in weiten Bereichen variieren. Üblicherweise weist die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion die siliciumhaltige Verbindung jedoch in Mengen von 1 bis 80 Gew.-%, insbesondere 2 bis 70 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 60 Gew.-%, bevorzugt 10 bis 60 Gew.-%, bezogen auf die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, auf.
  • Wie zuvor dargelegt, enthält die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion nach der Erfindung mindestens eine kohlenstoffhaltige Verbindung. Als kohlenstoffhaltige Verbindung kommen sämtliche Verbindungen in Betracht, welche sich entweder in den verwendeten Lösemitteln lösen oder zumindest fein dispergieren lassen und bei der Pyrolyse festen Kohlenstoff freisetzen können. Bevorzugt ist die kohlenstoffhaltige Verbindung gleichfalls in der Lage, unter Verfahrensbedingungen Metallhydroxide zu elementarem Metall zu reduzieren.
  • Es hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung bewährt, wenn die kohlenstoffhaltige Verbindung ausgewählt ist aus der Gruppe von Zuckern, insbesondere Saccharose, Glucose, Fructose, Invertzucker, Maltose; Stärke; Stärkederivaten; organischen Polymeren, insbesondere Phenol-Formaldehydharz und Resorcinol-Formaldehydharz, und deren Mischungen.
  • Besonders gute Ergebnisse werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung erhalten, wenn die kohlenstoffhaltige Verbindung ausgewählt ist aus der Gruppe von Zuckern; Stärke, Stärkederivaten und deren Mischungen, bevorzugt Zuckern, da sich insbesondere durch die Verwendung von Zuckern und Stärke bzw. Stärkederivanten die Viskosität der kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion gezielt einstellen lässt.
  • Was nun die Menge anbelangt, in welcher die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion die kohlenstoffhaltige Verbindung enthält, so kann diese gleichfalls in Abhängigkeit von den jeweiligen Auftrags- und Anwendungsbedingungen bzw. der herzustellenden Zielverbindungen in weiten Bereich variieren. Üblicherweise enthält die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion die kohlenstoffhaltige Verbindung jedoch in Mengen von 5 bis 50 Gew.-%, insbesondere 10 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 35 Gew.-%, vorzugsweise 12 bis 30 Gew.-%, bezogen auf die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung weist die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion somit gegebenenfalls ein Dotierreagenz auf. Wenn die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion ein Dotierreagenz aufweist, so weist die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion das Dotierreagenz üblicherweise in Mengen von 0,000001 bis 15 Gew.-%, insbesondere 0,000001 bis 10 Gew.-%, vorzugsweise 0,000005 bis 5 Gew.-%, bevorzugt 0,00001 bis 1 Gew.-%, bezogen auf die Lösung oder Dispersion, auf. Durch die Zugabe von Dotierreagenzien können die Eigenschaften des resultierenden Siliciumcarbids entscheidend verändert werden.
  • Darüber hinaus kann es im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, Dotierungsreagenzien enthält. Insbesondere für Anwendungen in der Halbleitertechnik sind Dotierungen des Siliciumcarbids üblich, um Halbleitereigenschaften in dem Siliciumcarbidmaterial zu erzeugen, wie zuvor bereits beschrieben. Reines Siliciumcarbid kann jedoch beispielsweise als Isolator verwendet werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weißt die kohlenstoff- und silicumhaltige Lösung oder Dispersion insbesondere das SiC-Precursorsol,
    1. (A) mindestens eine siliciumhaltige Verbindung,
    2. (B) mindestens eine kohlenstoffhaltige Verbindung,
    3. (C) mindestens ein Löse- oder Dispersionsmittel und
    4. (D) gegebenenfalls Dotierungsreagenzien,
    auf.
  • Was nun den Träger anbelangt, auf welchem die silicium- und kohlenstoffhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, aufgebracht wird, so kann dieser aus einer Vielzahl von geeigneten Materialien ausgewählt werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass der Träger ausgewählt ist aus kristallinen und amorphen Trägern. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Träger ein amorpher Träger. Es ist eine Besonderheit der vorliegenden Erfindung, dass die Herstellung der Siliciumcarbidschichten nicht ausschließlich auf kristallinen, insbesondere einkristallinen, Trägern erfolgen muss, sondern dass auch deutlich preiswertere amorphe Träger verwendet werden können.
  • Was nun das Material anbelangt, aus welchem der Träger besteht, so werden besonders gute Ergebnisse erhalten, wenn das Material ausgewählt ist aus Kohlenstoff, insbesondere Graphit, und keramischen Materialien, insbesondere Siliciumcarbid, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid sowie Metallen und deren Mischungen.
  • Besonders gute Ergebnisse werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch erhalten, wenn das Material des Trägers Kohlenstoff, insbesondere Graphit, ist. Insbesondere durch die Verwendung von Graphitträgern lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders einfach und kostengünstig dünne Schichten aus Siliciumcarbid bzw. Siliciumcarbid-Wafer herstellen. Darüber hinaus sind weitere geeignete Materialien und Trägermaterialien beispielsweise Siliciumoxid, insbesondere Siliciumdioxid-Wafer, Aluminiumoxid, beispielsweise in Form von Saphir, sowie Metalle oder metallisierte Oberflächen, welche aus einkristallinen Materialien, insbesondere Siliciumcarbid oder Siliciumdioxid-Wafern, bestehen, auf welche ein Metall, beispielsweise Platin, aufgedampft ist.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Träger eine Schichtdicke von 1 bis 1.000 µm, vorzugsweise von 1 bis 300 µm, bevorzugt von 80 bis 120 µm, und insbesondere zumindest im Wesentlichen 100 µm, auf. Eine Trägerschichtdicke der vorgenannten Art gewährleistet die mechanische Stabilität der kohlenstoff- und siliciumhaltigen Lösung oder Dispersion, insbesondere während der thermischen Behandlung. Gleichzeitig wird jedoch möglichst wenig Menge (gewichts- und/oder volumenbezogen) des Materials für den Träger verwendet. Die vorgenannten Schichtdicken des Trägers gelten insbesondere für Träger, welche nicht nach Herstellung der stickstofffreien Siliciumcarbid aufweisenden Schicht wieder entfernt werden. Bei Trägern, welche anschließend entfernt werden, wie beispielsweise Träger auf Basis von Graphit, ist die Schichtdicke weniger kritisch.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann darüber hinaus gleichfalls vorgesehen sein, dass im Anschluss an die thermische Behandlung, insbesondere im Anschluss an den Verfahrensschritt (b), der Träger entfernt wird.
    Falls im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Träger entfernt wird, so hat es sich bewährt, wenn der Träger oxidativ entfernt wird. Üblicherweise wird der Träger thermisch oder chemisch entfernt, insbesondere thermisch oder chemisch oxidativ entfernt. In diesem Zusammenhang werden besonders gute Ergebnisse erhalten, wenn der Träger in einer Sauerstoffatmosphäre, mittels Ozon und/oder durch Einwirkung von wässriger Wasserstoffperoxidlösung entfernt wird. Bei der oxidativen Entfernung in einer Sauerstoffatmosphäre wird der Träger sozusagen verbrannt, was sich insbesondere bei Trägern auf Basis von Graphit anbietet.
  • Die Entfernung des Trägers erlaubt insbesondere die Herstellung von nahezu zweidimensionalen Siliciumcarbidkörpern aber auch von Siliciumcarbid-Wafern.
  • Im Allgemeinen wird in diesem Zusammenhang die Dicke der Schicht bzw. des Wafers über die Schichtdicke der flüssigen kohlenstoff- und siliciumhaltigen Lösung oder Dispersion, insbesondere des SiC-Precursorsols, bestimmt.
  • Zur Herstellung von Siliciumcarbid-Wafern mir besonders großen Dicken werden die Verfahrensschritte (a) und (b) solange wiederholt, bis ein Wafer der gewünschten Dicke erhalten ist. Auf diese Weise lassen sich einkristalline Siliciumcarbid-Wafer nahezu beliebiger Dicke auf einfache Weise erhalten.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Verfahrensschritte (a) und (b) wiederholt, wobei in jedem Durchgang unterschiedliche kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösungen oder Dispersionen, insbesondere das SiC-Precursorsol, vorzugsweise mit unterschiedlichen Dotierungsreagenzien und/oder unterschiedlichen Konzentrationen an Dotierungsreagenzien, eingesetzt werden. Durch die Verwendung unterschiedlicher kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösungen oder Dispersionen, insbesondere das SiC-Precursorsol, bei der jeweiligen Durchführung der Verfahrensschritte (a) und (b) können Halbleitermaterialien mit schichtweise unterschiedlichen elektronischen Eigenschaften erhalten werden, welche als Grundmaterialien für elektronische Bauteile, genutzt werden können. Beispielsweise können Schichtfolgen mit pn-Dotierung für Dioden und pnp- oder npn-Dotierungen als Basismaterialien für Bipolartransistoren verwendet werden. Auch sind auf diese Weise Solarzellen, insbesondere Intermediate-Band-Solarzellen auf Basis von Siliciumcarbid zugänglich wie nachfolgend noch beschrieben.
  • Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung - gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung - ist eine SiC-Schicht und/oder ein SiC-Wafer. Insbesondere ist die SiC-Schicht und/oder der SiC-Wafer nach einem Verfahren der zuvor beschriebenen Art hergestellt. Die SiC-Schicht und/oder der SiC-Wafer weist dabei Siliciumcarbid, vorzugsweise 3C-SiC, auf. Die SiC-Schicht und/oder der SiC-Wafer zeichnen sich dabei dadurch aus, dass die SiC-Schicht und/oder der SiC-Wafer vollständig stickstofffrei sind.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht die SiC-Schicht bzw. der SiC-Wafer aus Siliciumcarbid, welches gegebenenfalls dotiert oder gezielt mit Defektstellen, insbesondere Gitterlücken, versehen ist.
  • Eine stickstofffreie SiC-Schicht und/oder ein stickstofffreie SiC-Wafer eignen sich dabei besonders für die Halbleiteranwendung, beispielsweise wenn sichergestellt werden sollte, dass keine Verunreinigung bzw. Dotierung mit Stickstoff in einer Schicht vorgesehen ist, insbesondere zur Vermeidung einer unerwünschten Rekombination.
  • Zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen wird auf die vorangegangenen Ausführungen zum Verfahren zur Herstellung einer Siliciumcarbid aufweisenden stickstofffreien Schicht verwiesen. Selbiges gilt in diesem Zusammenhang natürlich auch für einen Siliciumcarbidkörper bzw. einen SiC-Wafer.
  • Darüber hinaus ist ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung die Verwendung einer, vorzugsweise p-dotierten, SiC-Schicht und/oder eines SiC-Wafers wie zuvor beschrieben und/oder hergestellt nach einem Verfahren wie zuvor beschrieben in einer Solarzelle, insbesondere in einer Intermediate-Band-Solarzelle.
  • Dabei zeigt sich die erfindungsgemäße Siliciumcarbid aufweisende stickstofffreie Schicht als besonders vorteilhaft, da eine Schicht in dem Solarzellenaufbau zur Herstellung einer Intermediate-Band-Solarzelle stickstofffrei sein sollte und vorzugsweise mit Bor dotiert wird. Bei einer Intermediate-Band-Solarzelle kann durch die Verwendung der stickstofffreien Schicht sichergestellt werden, dass das Zwischenbandenergieniveau nicht durch Stickstoff in einer p-dotierten Schicht verschoben wird. Dies ist eine deutliche Verbesserung zum Stand der Technik, da Siliciumcarbid sich zwar theoretisch besonders gut für Intermediate-Band-Solarzellen aufgrund des großen Bandabstandes eignet, jedoch unvermeidbar mit Stickstoff verunreinigt ist. Da Stickstoff der flache Donator im Siliciumcarbid ist, ist er auch elektrisch aktiv. Sofern jedoch eine isolierende Siliciumcarbidschicht aus einer stickstoffhaltigen, Siliciumcarbid aufweisenden Schicht hergestellt werden soll, so wird eine Passivierung des Stickstoffes mit Bor vorgenommen, wie eingangs erläutert. Dies führt bei Sonneneinstrahlung zu einer Donator-Akzeptator-Rekombinationslumineszenz, die auf jeden Fall vermieden werden sollte. Erst durch die Erfindung kann gewährleistet werden, dass stickstofffreies Siliciumcarbid in einer Schicht zur Verfügung gestellt werden kann.
  • Darüber hinaus ist ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung - gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung - ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, insbesondere eine Intermediate-Band-Solarzelle, mit einem Schichtaufbau, mit wenigstens einer, insbesondere dünnen, Siliciumcarbid, vorzugsweise 3C-SiC aufweisenden stickstofffreien Schicht, insbesondere hergestellt nach dem zuvor beschriebenen Verfahren, wobei zur Erzeugung der stickstofffreien Schicht
    1. (a) in einem ersten Verfahrensschritt eine flüssige kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere ein SiC-Precursorsol, auf ein Substrat oder eine Schicht des Schichtaufbaus aufgebracht wird,
    2. (b) in einem auf den ersten Verfahrensschritt (a) folgenden zweiten Verfahrensschritt die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Persecursol, zu Siliciumcarbid umgesetzt wird, wobei die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, einer mehrstufigen thermischen Behandlung, unterzogen wird, wobei
      1. (i) in einer ersten thermischen Verfahrensstufe (i) die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, auf Temperaturen von 300 °C oder höher, insbesondere 300 bis 1800 °C, vorzugsweise 800 bis 1000 °C, erhitzt wird und
      2. (ii) in einer auf die erste thermische Verfahrensstufe (i) folgenden thermischen Verfahrensstufe (ii) die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, auf Temperaturen von 1800 °C oder höher, insbesondere 1800 bis 2200 °C, erhitzt wird.
  • Durch die erfindungsgemäße stickstofffreie Schicht kann eine Intermediate-Band-Solarzelle hergestellt werden. Dies ist ein großer Schritt hinsichtlich der Entwicklung der Solarzellen, da durch eine Intermediate-Band-Solarzelle der Wirkungsgrad einer herkömmlichen Solarzelle deutlich erhöht werden kann. Es kann somit eine Intermediate-Band-Solarzelle bereitgestellt werden, die einen um bis zu 50 % höheren Wirkungsgrad als herkömmliche Solarzellen aufweist. Dabei wird zur Herstellung einer Intermediate-Band-Solarzelle eine stickstofffreie Schicht, die durch die thermische Temperaturbehandlung einer kohlenstoff- und siliciumhaltigen Lösung oder Dispersion gewonnen worden ist, genutzt.
  • Wie zuvor erläutert benötigt eine Intermediate-Band-Solarzelle, bevorzugt innerhalb der p-dotierten Schicht, eine stickstofffreie Schicht, so dass eine Rekombinationslumineszenz aufgrund der Passivierung von Stickstoff mit Bor vermieden werden kann. Demzufolge kann der bislang unvermeidliche Kurzschluss der Solarzelle umgangen werden.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann somit eine kommerzielle nutzbare Intermediate-Band-Solarzelle zur Verfügung gestellt werden, wie sie bislang nicht zugänglich gewesen war.
  • Auch der Einsatz einer stickstofffreien Schicht in einer anderen Solarzellenform bzw. einem anderen Solarzellenaufbau ist in diesem Zusammenhang denkbar, wobei durch die stickstofffreie Schicht die Halbleitereigenschaften und insbesondere der Wirkungsgrad verbessert werden kann, da eine ungewünschte Verunreinigung mit Stickstoff vermieden werden kann.
  • Demzufolge kann ein Halbleitermaterial bereitgestellt werden, welches den Materialanforderungen für Solarzellen der dritten Generation entsprechen kann. Gerade Siliciumcarbid bietet im Bereich der Solarzellen der dritten Generation, wie eingangs bereits erläutert, ein hohes Entwicklungspotenzial, was nunmehr durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle durch die stickstofffreie Schicht umgesetzt bzw. genutzt werden kann. Die bisherigen Restriktionen zum Materialeinsatz des Siliciumcarbides, insbesondere des kubischen (3C-SiC) Siliciumcarbides, können demgemäß umgangen werden.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann eine Solarzelle, insbesondere eine Intermediate-Band-Solarzelle, mit vergleichsweise geringen Herstellungskosten produziert werden - auch im großindustriellen Maßstab, wobei einkristallines Siliciumcarbid, welches darüber hinaus in wenigstens einer Schicht stickstofffrei ist, genutzt werden kann.
  • Darüber hinaus kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht nur die notwendige Stickstofffreiheit der SiC-Schicht sichergestellt werden, vielmehr können auch SiC-Schichten kostengünstig hergestellt werden, welche sich zur Herstellung von Solarzellen eignen.
  • Grundsätzlich ist es auch denkbar, wenigstens eine stickstofffreie Schicht nach der zuvor beschriebenen thermischen Behandlung zu erhalten und weitere Schichten bzw. eine weitere Schicht mit einem unterschiedlichen Verfahren auf die stickstofffreie Schicht aufzutragen bzw. die stickstofffreie Schicht auf ein durch ein anderes Herstellungsverfahren gewonnene Schicht der Solarzelle aufzubringen.
  • Für weitergehende Einzelheiten zu dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle kann auf die obigen Ausführungen zur Herstellung einer stickstofffreien Schicht verwiesen werden, welche auch in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle entsprechend gelten.
  • Dabei versteht es sich, dass die zuvor genannten und erläuterten Merkmale, insbesondere auch unter der Berücksichtigung der zuvor genannten Zusammensetzung der stickstofffreien Schicht, entsprechend für das Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle gelten. Die dort ausgeführten Vorteile und Besonderheiten können auch im Hinblick auf das Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle angewendet werden.
  • Im Folgenden wird auf Besonderheiten beim Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle eingegangen, die sich von den Merkmalen des Verfahrens zur Herstellung einer Siliciumcarbid aufweisenden stickstofffreien Schicht unterscheiden bzw. diese weiter charakterisieren.
  • Unter einem Substrat ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung jeder geeignete Träger zu verstehen, welcher dem Schichtaufbau der Solarzelle mechanische Stabilität verleiht, insbesondere zumindest während der Herstellung des Schichtaufbaus. Das Substrat kann dabei einen Teil der Solarzelle bilden, d. h. ein Teil des Schichtaufbaus der Solarzelle sein oder kann bei mechanisch besonders widerstandsfähigen Schichten der Solarzelle nach Herstellung des Schichtaufbaus bzw. eines Teils des Schichtaufbaus wieder entfernt werden. Falls das Substrat einen Teil der Solarzelle bildet, so wird insbesondere ein elektrisch leitfähiges und/oder ein transparentes Substrat verwendet. Ein elektrisch leitfähiges Substrat kann als Elektrodenmaterial, insbesondere als Anodenmaterial der Solarzelle fungieren, oder den durch die Photospannung erzeugten Strom zu der eigentlichen Elektrode, beispielsweise einen Ableitblech bzw. einer Metallschicht, weiterleiten. Als elektrisch leitfähige Substrate können insbesondere Metallsubstrate, Graphitsubstrate und vorzugsweise stark mit Stickstoff dotierte Siliciumcarbid-Substrate verwendet werden. Als transparente Substrate eignen sich insbesondere Glassubstrate, vorzugsweise Quarzglas-Substrate, Siliciumcarbid-Substrate oder Saphirsubstrate.
  • Der in dem Verfahren zur Herstellung einer stickstofffreien Schicht beschriebene Träger kann in diesem Zusammenhang ein Substrat sein, welches die vorgenannten Eigenschaften des Trägers aufweist, wobei zur Herstellung der Solarzelle, insbesondere transparente und/oder elektrisch leitfähige Substrate, bevorzugt sind. Darüber hinaus kann die stickstofffreie Schicht auch auf eine weitere Schicht aufgebracht werden, wobei die weitere Schicht dann als Träger dient und beispielsweise zuvor auf ein Substrat aufgebracht worden ist.
  • Zur Dotierung der stickstofffreien Schicht ist in diesem Zusammenhang anzuführen, dass vorzugsweise eine p-Dotierung erfolgt. Insbesondere wird eine Dotierung durch Bor und/oder Aluminium und/oder Chrom und/oder durch Vanadium und/oder Mangan und/oder Titan und/oder Scandium durchgeführt. Bei einer Dotierung mit Bor wird vorzugsweise ein Einbringen durch Additive mittels Di-Natriumtetraborat und/oder Borsäure genutzt.
  • Darüber hinaus ist es auch denkbar in der stickstofffreien Schicht Gitterlücken und/oder sogenannte Fehlstellen zu erzeugen, insbesondere durch die Verwendung von hochenergetischer Strahlung, vorzugsweise durch Elektronenbestrahlung. Durch die sogenannten Gitterlücken und/oder Leerstellen sind Fehlstellen im Kristall vorhanden, die kein Atom mehr aufweisen, wobei das Atom durch hochenergetische Strahlung, vorzugsweise Laserstrahlung, entfernt worden sein kann. Die vorgenannten Gitterlücken können dabei zu den Halbleitereigenschaften der herzustellenden Solarzelle beitragen. Gitterlücken, insbesondere Si- oder C-Leerstellen, werden vorzugswesie durch Elektronenbestrahlung erzeugt und können durch thermische Prozesse in eine Vielzahl unterschiedlicher Defekte - bisher sind etwa 12 bekannt - mit unterschiedlichen optischen und elektrischen Eigenschaften umgewandelt werden, wie z. B. Doppellücken, Antisites usw. Diese alle besitzen unterschiedliche optische Eigenschaften, so dass sich damit gezielt Zwischenbänder generieren lassen. Die Energie der Strahlung und Einwirkdauer bestimmen die Konzentration der erzeugten Defekte. Bei ausreichend hoher Konzentration bilden sich entsprechend Defektbänder, die als Zwischenbänder geeignet sind. Solche Prozesse und Eigenschaften wurden in der Vergangenheit intensiv in der Grundlagenforschung untersucht.
  • Als Schichtdicke der stickstofffreien Schicht wird vorzugsweise in Verfahrensschritt (a) die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, mit einer Schichtdicke im Bereich von 1 nm bis 100 µm, insbesondere 5 bis 500 nm, vorzugsweise 8 bis 300 nm, bevorzugt 10 bis 200 nm, aufgebracht. Schichtdicken von jeweils 10 bis 200 nm sind dabei von Vorteil, jedoch sind auch dickere Schichten, wie zuvor beim Verfahren zur Herstellung einer stickstofffreien Schicht beschrieben, möglich. Die Schichtdicke kann dabei von der Benetzung und der, insbesondere einstellbaren, Viskosität des Precursorsols abhängen. Wird die Schichtdicke des Sols unter 10 µm gewählt, so ist eine einkristalline Schicht zu erwarten. Grundsätzlich können jedoch auch alle Arten von SiC-Oberflächen, seien sie kristallin und/oder amorph, beschichtet werden.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein wenigstens zweischichtiger Aufbau, insbesondere auf ein Substrat, aufgebracht, wobei der wenigstens zweischichtige Aufbau eine weitere Schicht aufweist. Diese weitere, insbesondere Siliciumcarbid, vorzugsweise 3C-SiC, aufweisende, Schicht kann dabei nach einem Verfahrensmerkmal der zuvor beschriebenen Art hergestellt werden. Bevorzugt handelt es sich bei der weiteren Schicht um eine Siliciumcarbidschicht, insbesondere eine 3C-SiC-Schicht, welche vorzugsweise n-dotiert ist, bevorzugt mit einem Element der 15. Gruppe des Periodensystems der Elemente, bevorzugt Stickstoff und/oder Phosphor.
  • Vorzugsweise wird zuerst die weitere Schicht auf das Substrat aufgebracht und anschließend auf die weitere Schicht die stickstofffreie Schicht aufgebracht.
  • Grundsätzlich ist es in diesem Zusammenhang auch denkbar, eine weitere, vorzugsweise undotierte, Schutzschicht oberhalb der stickstofffreien Schicht aufzubringen, insbesondere wobei die undotierte Schutzschicht nach einem zuvor beschriebenen Verfahrensmerkmal hergestellt worden ist. Insbesondere hat die Schutzschicht eine Temperaturbehandlung erfahren. Die undotierte Schutzschicht kann dabei eine Schichtdicke von 0,1 bis 25 nm, bevorzugt 1 bis 10 nm, aufweisen.
  • Darüber hinaus kann auch die stickstofffreie Schicht zumindest im Wesentlichen sofort auf die weitere Schicht aufgebracht werden, wobei damit der pn-Übergang beeinflusst werden kann sowie die Temperaturbehandlung für beide Schichten gleichzeitig durchgeführt werden kann.
  • Weiterhin ist es auch denkbar, dass die weitere Schicht eine, insbesondere von der stickstofffreien Schicht separate bzw. unabhängige, Temperaturbehandlung erfolgt. In diesem Zusammenhang versteht es sich, dass wenn die stickstofffreie Schicht auf die weitere Schicht und/oder die weitere Schicht auf die stickstofffreie Schicht aufgebracht wird, die jeweils andere Schicht die Temperaturbehandlung der stickstofffreien Schicht und/oder der weiteren Schicht ebenfalls mit durchlaufen bzw. erfahren kann.
  • Zudem kann die weitere Schicht dotiert sein, vorzugsweise n-dotiert. Eine n-Dotierung kann dabei vorzugsweise mittels Stickstoff und/oder Phosphor erfolgen.
  • Falls das Siliciumcarbid der weiteren Schicht mit Stickstoff dotiert werden soll, so können beispielsweise Salpetersäure, Ammoniumchlorid, Kaliumnitrat und/oder Melamin als Dotierungsreagenzien eingesetzt werden. Im Fall von Stickstoff besteht darüber hinaus auch die Möglichkeit, das Verfahren zur Herstellung der weiteren Schicht in einer Stickstoffatmosphäre durchzuführen, wobei gleichfalls Dotierungen mit Stickstoff erzielt werden können, welche jedoch weniger genau einzustellen sind.
  • Im Übrigen kann die weitere Schicht auch einer thermischen Behandlung unterzogen werden, insbesondere zur Herstellung einer einkristallinen Siliciumcarbid aufweisenden weiteren Schicht. Dabei kann vorgesehen sein, dass
    1. (A) in einer ersten thermischen Verfahrensstufe die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, auf Temperaturen im Bereich von 800 bis 1.200 °C, insbesondere 900 bis 1.100 °C, vorzugsweise 950 bis 1.050 °C, erhitzt wird, vorzugsweise für 1 bis 10 Minuten, bevorzugt für 1 bis 5 Minuten und insbesondere zumindest im Wesentlichen für 2 Minuten, und
    2. (B) in einer auf die erste thermische Verfahrensstufe (A) folgenden zweiten thermischen Verfahrensstufe die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, auf Temperaturen von 1.800 °C oder höher erhitzt wird, vorzugsweise für 10 bis 90 Minuten, bevorzugt für 10 bis 40 Minuten und insbesondere zumindest im Wesentlichen für 30 Minuten.
  • Durch die zuvor beschriebene Temperaturbehandlung können sich Einkristalline, gegebenenfalls amorphe Siliciumcarbid aufweisende Schichten ausbilden.
  • Darüber hinaus kann auch eine elektrisch leitfähige Schicht, insbesondere ein Metallgitter, oberhalb der stickstofffreien Schicht und/oder der weiteren Schicht angeordnet werden. Dabei kann die elektrisch leitfähige Schicht insbesondere dem Substrat abgewandt und/oder auf der dem Substrat gegenüberliegenden Seite der Solarzelle angeordnet werden. Die elektrisch leitfähige Schicht kann dabei als Kathode der Solarzelle dienen und gemeinsam mit der gegebenenfalls vorhandenen Rückkontaktierung zur Stromweiterleitung dienen. In diesem Zusammenhang versteht es sich, dass auch weitere Möglichkeiten für die Kontaktierung mit dem erfindungsgemäßen Schichtaufbau der Solarzelle genutzt werden können. Grundsätzlich ist es in diesem Zusammenhang jedoch auch denkbar, die auch für konventionelle Solarzellen übliche Kontaktierung zu nutzen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die elektrisch leitfähige Schicht, insbesondere das Metallgitter, als Aluminiumableitungsnetz bzw. aus Aluminium ausgebildet. Dabei kann die elektrisch leitfähige Schicht, insbesondere das Metallgitter, demgemäß auf der obersten Schicht der Solarzelle angeordnet werden bzw. aufgebracht werden, so wie dies bereits auch für konventionelle Solarzellen bekannt ist.
  • Bei einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgedankens kann eine Verspiegelungsschicht und/oder eine elektrisch leitfähige Schicht, insbesondere eine Metallschicht und/oder eine TCO-Anode, unterhalb des Substrates und/oder unterhalb der stickstofffreien Schicht und/oder unterhalb der weiteren Schicht angeordnet werden. Bevorzugt wird die Verspiegelungsschicht und/oder Metallschicht auf der dem Metallgitter, insbesondere dem Aluminiumableitungsnetz, gegenüberliegenden Seite der Solarzelle angeordnet. Die Abkürzung „TCO“ bezeichnet in diesem Zusammenhang „transparent conductive oxides“ (zu deutsch: transparente, elektrisch leitfähige Oxide). TCOs sind Materialien mit einer vergleichsweise geringen Adsorption von elektromagnetischen Wellen im Bereich des sichtbaren Lichts. Bevorzugt eingesetzte TCO-Materiale sind Indium-Zinn-Oxid (ITO), Fluor-Zinn-Oxid (FTO), Aluminium-Zinn-Oxid (AZO) und Antimon-Zinn-Oxid. Die elektrisch leitfähige Schicht dient dabei zur Kontaktierung und Weiterleitung des durch die Solarzelle erzeugten Stromes bzw. der gebildeten Ladungsträger.
  • Darüber hinaus ist weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung - gemäß einem fünftem Aspekt der vorliegenden Erfindung - eine Solarzelle, insbesondere eine Intermediate-Band-Solarzelle. Die Solarzelle ist dabei insbesondere hergestellt nach dem zuvor beschriebenen Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, insbesondere unter der Verwendung SiC-Schicht und/oder eines SiC-Wafers wie zuvor beschrieben und/oder hergestellt nach einem Verfahren wie zuvor beschrieben. Die Solarzelle weist dabei wenigstens eine Siliciumcarbid aufweisende Schicht auf. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Siliciumcarbid aufweisende Schicht vollständig stickstofffrei ist.
  • Auf diese bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung lassen sich alle Vorteile, Merkmale und besonderen sowie die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gleichfalls anwenden.
  • Zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen sei an dieser Stelle auf die Ausführungen der Vorteile sowie der Merkmale der wenigstens eine stickstofffreie Schicht aufweisenden Solarzelle verzichtet.
  • Darüber hinaus ist weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung - gemäß einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung - ein Verfahren zur selektiven Erzeugung von Energieniveaus zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband eines Halbleiters durch gezielte Erzeugung von Gitterlücken in dem Halbleiter.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die erzeugten Energieniveaus zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband in Form eines Bandes, insbesondere eines Zwischenbandes (Intermediate Band), ausgebildet.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird es somit bevorzugt, wenn dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur selektiven Erzeugung von Zwischenbändern (Intermediate Bands) zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband eines Halbleiters durch gezielte Erzeugung von Gitterlücken in dem Halbleiter ist.
  • Denn, wie die Anmelderin überraschenderweise herausgefunden hat, lassen sich durch gezielte Erzeugung von Gitterlücken und daraus resultierenden Defektstrukturen in einem Halbleitermaterial Energieniveaus und Energiebänder erzeugen, welche zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband des Halbleitermaterials angeordnet sind.
  • Üblicherweise werden die Gitterlücken durch Strahlung, insbesondere Elektronenstrahlung, erzeugt. Besonders gute Ergebnisse werden in diesem Zusammenhang erhalten, wenn die Energie der Strahlung mehr als 2 MeV beträgt.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird es darüber hinaus bevorzugt, wenn in einem ersten Verfahrensschritt das Halbleitermaterial bestrahlt wird, insbesondere mit Elektronenstrahlung, wodurch Gitterlücken erzeugt werden.
  • In einem zweiten auf den ersten Verfahrensschritt folgenden Verfahrensschritt werden dann aus den Gitterlücken durch thermische Prozesse Defektstrukturen erzeugt.
  • Die Defekte bzw. Defektstrukturen, welche aus den Gitterlücken erzeugt werden können, weisen unterschiedlich optische und elektrische Eigenschaften auf, wie bspw. Doppellücken, Antisites etc. Da die unterschiedlichen Defekte unterschiedliche optische und elektrische Eigenschaften besitzen, lassen sich gezielt Zwischenbänder in einem Halbleitermaterial generieren.
  • Die Energie und Einwirkdauer der Strahlung bestimmen dabei die Konzentration der erzeugten Defekte.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird es darüber hinaus bevorzugt, wenn der Halbleiter aus Siliciumcarbid besteht*. Insbesondere wird es bevorzugt, wenn der Halbleiter eine zuvor beschriebene stickstofffreie Siliciumcarbid-Schicht ist.
  • Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibungen von Ausstellungsbeispielen anhand der Zeichnung und der Zeichnung selbst. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
  • Es zeigt:
    • 1 eine schematische Darstellung des Schichtaufbaus einer erfindungsgemäßen Solarzelle,
    • 2 eine schematische Darstellung des Schichtaufbaus einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Solarzelle,
    • 3 eine schematische Darstellung des Schichtaufbaus einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Solarzelle,
    • 4 eine schematische Darstellung des Schichtaufbaus einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Solarzelle,
    • 5 eine schematische perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Solarzelle und
    • 6 eine schematische Darstellung des Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen stickstofffreien Schicht.
  • 1 zeigt einen schematischen Schichtaufbau einer Solarzelle 1. Dabei weist die Solarzelle 1 ein Substrat 4 auf. Bevorzugt handelt es sich bei dem Substrat 4 um ein stark stickstoffdotiertes Siliciumcarbid oder ein transparentes Substrat, beispielsweise aus Quarzglas. Auf dem Substrat 4 ist eine weitere Schicht 3 aufgebracht worden. Auf der weiteren Schicht 3 ist eine stickstofffreie Schicht 2 aufgetragen.
  • In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Substrat 4 eine Schichtdicke von zumindest im Wesentlichen 100 µm auf. Ferner weist das Substrat 4 als Material Siliciumcarbid auf, welches darüber hinaus auch n-dotiert ist.
  • Die weitere Schicht 3 und die stickstofffreie Schicht 2 weisen eine Schichtdicke von zumindest im Wesentlichen 100 nm auf. Nicht dargestellt ist, dass die weitere Schicht 3 durch Tauchen auf das Substrat 4 aufgebracht worden ist und die stickstofffreie Schicht 2 aufgesprüht worden ist. Zudem ist die stickstofffreie Schicht 2 p-dotiert. Als Dotierung der stickstofffreien Schicht wird in dem dargestellten Ausführungsbeispiel Bor genutzt. Die weitere Schicht 3 ist n-dotiert. Die weitere Schicht 3 weist als Dotierung Stickstoff auf. Demgemäß weist die weitere Schicht 3 Stickstoff auf, wohingegen die stickstofffreie Schicht 2 vollständig stickstofffrei ausgebildet ist. Als Material weisen in dem dargestellten Ausführungsbeispiel sowohl die weitere Schicht 3 als auch die stickstofffreie Schicht 2 Siliciumcarbid auf.
  • Des Weiteren zeigt 2 einen weitere möglichen Schichtaufbau der Solarzelle 1. Dabei ist auf dem Substrat 4 die stickstofffreie Schicht 2 aufgebracht worden, wobei die stickstofffreie Schicht 2 als Träger für die weitere Schicht 3 dient. Die weitere Schicht 3 sowie die stickstofffreie Schicht 2 weisen diejenige Materialzusammensetzung auf, die bereits in dem Ausführungsbeispiel in 1 erläutert worden ist.
  • 3 zeigt, dass nach Herstellung des Schichtaufbaus der Solarzelle 1 das Substrat 4, was zuvor als Träger für die weitere Schicht 3 diente, entfernt werden kann.
  • Weiterhin zeigt die 4, dass oberseitig auf der Solarzelle 1, das heißt im vorliegenden Fall oberseitig auf der stickstofffreien Schicht 2 und somit auf der dem Substrat 4 gegenüberliegenden Seite der Solarzelle 1, eine Elektrode, insbesondere ein Metallgitter 6, angeordnet sein kann. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Metallgitter 6 als Aluminiumableitungsnetz ausgebildet. Das Aluminiumableitungsnetz dient dabei zur Kontaktierung der Solarzelle 1.
  • Zudem zeigt 5, dass auf der dem Metallgitter 6 abgewandten Seite der Solarzelle 1 eine weitere elektrisch leitende Schicht 5, insbesondere eine Metallschicht oder eine TCO-Anode, angeordnet sein kann. In weiteren Ausführungsformen kann anstelle und/oder ergänzend zu der elektrisch leitfähigen Schicht eine Verspiegelungsschicht vorgesehen sein. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine TCO-Anode als elektrisch leitfähig vorgesehen.
    Nicht dargestellt ist, dass zusätzlich zu der stickstofffreien Schicht 2 und der weiteren Schicht 3 eine, vorzugsweise undotierte, Schutzschicht vorgesehen sein kann, die beispielsweise unterhalb und/oder oberhalb der Schichten 2, 3 angeordnet sein kann.
  • Die in 5 gezeigte Solarzelle 1 ist als sogenannte Intermediate-Band-Solarzelle ausgebildet, wobei sie ein Zwischenbandenergieniveau („intermediate band“) zwischen dem Leitungs- und Valenzband zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Solarzelle 1 nutzt. Wesentlich ist es in diesem Zusammenhang, dass die stickstofffreie Schicht 2 kein Stickstoff aufweist. In der stickstofffreien Schicht 2 wird dabei als Material 3C-SiC verwendet, welches sich aufgrund seines großen Bandabstandes zur Anwendung innerhalb einer Intermediate-Band-Solarzelle eignet.
  • Darüber hinaus ist es gemäß einer nicht in der Figurendarstellung dargestellten Ausführungsform der Solarzelle 1 möglich, dass die Solarzelle ein transparentes Substrat 4, insbesondere ein Quarzglas-Substrat, aufweist, auf welches die elektrisch leitfähige Schicht 5 insbesondere in Form einer TCO-Anode aufgebracht ist. Auf die elektrisch leitfähige Schicht 5 ist eine n-dotierte weitere Schicht 3, insbesondere eine n-dotierte Siliciumcarbidschicht, aufgebracht. Die weitere Siliciumcarbidschicht ist vorzugsweise mit Stickstoff oder Phospor n-dotiert. Auf die weitere Schicht ist die stickstofffreie Schicht 2 aufgebracht, welche p-dotiert ist, insbesondere durch Verwendung von Borsäure. Auf die stickstofffreie Schicht 2 ist dann wiederrum eine Elektrode, insbesondere eine Kathode, in Form eines Aluminiumgitters aufgebracht. Weiterhin ist es möglich, dass auf die Elektrode eine oder mehrere Schutzschichten, insbesondere auf Basis von Siliciumcarbid aufgebracht sind.
  • 6 zeigt eine schematische Darstellung des Verfahrens zur Herstellung einer stickstofffreien Schicht 2. Im Schritt (1) wird auf einen Träger die stickstofffreie Schicht 2 aufgebracht. Als Aufbringungsarten sind beispielsweise Drucken, Tauchen, Spincoating, Dipcoating, Sprühen, Rollen oder Walzen denkbar. Bevorzugt wird die stickstofffreie Schicht 2 durch Tauchen im Schritt (1) auf den Träger aufgebracht. Dabei ist die stickstofffreie Schicht 2 zunächst als kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere SiC-Precursorsol, vorgesehen.
  • Im Schritt (2) wird die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion zur Trocknung und/oder Vorheizung auf eine Temperatur von zumindest im Wesentlichen 200 °C für 15 Minuten erhitzt.
    In den Schritten (3) bis (5) wird die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion zu Siliciumcarbid umgesetzt, wobei eine thermische Behandlung zu dieser Umsetzung vorgesehen ist. Gegebenenfalls kann die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung und Dispersion Dotierungsreagenzien aufweisen.
  • Im Schritt (3) ist in einer ersten thermischen Verfahrensstufe (i) vorgesehen, dass die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion auf 900 °C für 60 Minuten erhitzt wird.
  • Zudem ist im Schritt (4) vorgesehen, dass die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung, insbesondere das aus dem Schritt (3) erhaltene Glas, abgekühlt, vorzugsweise abgeschreckt, wird.
  • Im Schritt (5) wird in einer zweiten thermischen Verfahrensstufe (ii) die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion auf zumindest im Wesentlichen 2000 °C für zumindest im Wesentlichen 40 Minuten erhitzt.
  • Darüber hinaus ist in dem dargestellten Verfahren zur Herstellung einer stickstofffreien Schicht 2 eine Dotierung der stickstofffreien Schicht 2 vorgesehen. Dabei erfolgt eine Dotierung der stickstofffreien Schicht 2 vorzugsweise durch Verwendung einer Borsäure aufweisend kohlenstoff- und stickstoffhaltige Lösung oder Dispersion. Es ist jedoch auch möglich, die elektrischen Eigenschaften der stickstoffdotierten Schicht zwei durch gezielte Erzeugung von Gitterlücken, beispielsweise durch Bestrahlung mit hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung in Schritt (6) einzustellen.
  • Im Schritt (7) kann das Substrat 4 bzw. der Träger von der stickstofffreien Schicht 2 entfernt werden.
  • In weiteren Verfahrensstufen kann vorgesehen sein, dass auf die stickstofffreie Schicht 2 eine weitere Schicht 3 und/oder eine Schutzschicht vorzugsweise undotiert, aufgebracht werden kann. Darüber hinaus kann die stickstofffreie Schicht 2 auch auf die weitere Schicht 3 und/oder auf die, vorzugsweise undotierte, Schutzschicht aufgebracht werden. Dabei können die vorgenannten Schichten und/oder ein Substrat 4 als Träger zur Ablage der kohlenstoff- und siliciumhaltigen Lösung oder Dispersion zur Herstellung der stickstofffreien Schicht 2 dienen.
  • Ferner ist vorgesehen, dass im Schritt (1) die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion mit einer Schichtdicke von 10 µm aufgebracht wird. Das Aufbringen erfolgt derart, dass sich eine homogene Schicht, insbesondere des SiC-Precursorsols, auf dem Träger ergibt.
  • Darüber hinaus ist auch vorgesehen, dass durch die thermische Behandlung in den Schritten (3) und (5) kristallines Siliciumcarbid aus der kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion erhalten wird, wobei in dem Schritt (3) ein Glas erhalten wird. Demgemäß ist im Schritt (3) vorgesehen, dass die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion in ein Glas überführt wird.
  • Die thermische Behandlung im Schritt (3) wird dabei bei einer solchen Temperatur bzw. für eine so lange Zeitdauer durchgeführt, dass gewährleistet werden kann, dass alle stickstoffhaltigen Verbindungen durch die Temperaturbehandlung zersetzt worden sind, wobei die stickstoffhaltigen Verbindungen in die Gasphase überführt werden können, so dass die stickstofffreie Schicht 2, die aus der kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion gewonnen wird, die Eigenschaften einer stickstofffreien Schicht 2 aufweist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Solarzelle
    2
    stickstofffreie Schicht
    3
    weitere Schicht
    4
    Substrat
    5
    elektrisch leitfähige Schicht
    6
    Metallgitter
  • 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 Nicht-Patentliteratur
    • Syväjärvi et al., „Cubic silicon carbide as a potential photovoltaic material“, 2016, Solar Energy Materials and Solar Cells, (145), 104-108 [0010]

Claims (20)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Siliciumcarbid aufweisenden Schicht, wobei die Schicht stickstofffrei ist, wobei (a) in einem ersten Verfahrensschritt eine flüssige kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere ein SiC-Precursorsol, auf einen Träger aufgebracht wird, (b) in einem auf den ersten Verfahrensschritt (a) folgenden zweiten Verfahrensschritt die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorol, zu Siliciumcarbid umgesetzt wird, wobei die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion einer mehrstufigen thermischen Behandlung unterzogen wird, wobei (i) in einer ersten thermische Verfahrensstufe (i) die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, auf Temperaturen von 300 °C oder höher, insbesondere 300 bis 1800 °C, vorzugsweise 800 bis 1000 °C, erhitzt wird und (ii) in einer auf die erste thermische Verfahrensstufe (i) folgenden zweiten thermischen Verfahrensstufe die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, auf Temperaturen von 1800 °C oder höher, insbesondere 1800 bis 2200 °C, erhitzt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Verfahrensstufe (i) zumindest im Wesentlichen für 5 bis 150 Minuten, bevorzugt 10 bis 120 Minuten, vorzugsweise 15 bis 60 Minuten, durchgeführt wird und/oder dass die thermische Verfahrensstufe (ii) zumindest im Wesentlichen für 10 bis 90 Minuten, bevorzugt 10 bis 40 Minuten, vorzugsweise 40 Minuten, durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einer der ersten thermischen Verfahrensstufe (i) vorgelagerten Verfahrensstufe die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, auf Temperaturen im Bereich von 50 bis 800 °C, insbesondere 100 bis 500 °C, vorzugsweise 100 bis 250 °C, erhitzt wird, insbesondere für zumindest im Wesentlichen 5 bis 30 Minuten, bevorzugt 5 bis 20 Minuten, weiter bevorzugt 10 bis 18 Minuten, vorzugsweise zumindest im Wesentlichen 15 Minuten.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensstufe (i) in der kohlenstoff- und siliciumhaltigen Lösung oder Dispersion, insbesondere dem SiC-Precursorol, enthaltene stickstoffhaltige Verbindungen zersetzt und/oder in die Gasphase überführt werden, insbesondere wobei alle stickstoffhaltigen Verbindungen durch die Temperaturbehandlung zersetzt werden, insbesondere in die Gasphase überführt werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensstufe (i) die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, in ein Glas überführt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensstufe (ii) die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, vorzugsweise das in Verfahrensstufe (i) erhaltene Glas, in kristallines Siliciumcarbid umgewandelt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht dotiert wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Schicht im ersten Verfahrensschritt (a) die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, als Schicht, insbesondere als homogene Schicht, auf einen, vorzugsweise Siliciumcarbid, vorzugsweise 3C-SiC, aufweisenden und/oder n-dotierten, Träger aufgebracht wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt (a) die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, durch ein Beschichtungsverfahren, insbesondere durch Tauchen (Dipcoating), Spincoating, Sprühen, Rollen, Walzen oder Druck auf den Träger aufgebracht wird, vorzugsweise durch Tauchen, Spincoating, Sprühen oder Drucken, bevorzugt durch Tauchen.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt (a) die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, mit einer Schichtdicke im Bereich von 1 µm bis 1.000 µm, insbesondere 5 µm bis 500 µm, vorzugsweise 8 µm bis 300 µm, bevorzugt 10 µm bis 10 µm, auf den Träger aufgebracht wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Trägers ausgewählt ist aus Kohlenstoff, insbesondere Graphit, und keramischen Materialien, insbesondere Siliciumcarbid, Siliciumdioxid, und mineralische Materialen, insbesondere Korund, vorzugsweise Saphir, und Aluminiumoxid sowie Metallen, insbesondere Stahl, und deren Mischungen.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an die thermische Behandlung, insbesondere im Anschluss an Verfahrensschritt (b), der Träger entfernt wird.
  13. SiC-Schicht (2) und/oder SiC-Wafer, insbesondere hergestellt nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die SiC-Schicht (2) und/oder SiC-Wafer Siliciumcarbid aufweist, vorzugsweise 3C-SiC, dadurch gekennzeichnet, dass die SiC-Schicht (2) und/oder SiC-Wafer vollständig stickstoffrei ist.
  14. Verwendung einer, vorzugsweise p-dotierten, SiC-Schicht (2) und/oder eines SiC-Wafers nach Anspruch 13 und/oder hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in einer Solarzelle (1), insbesondere einer Intermediate-Band-Solarzelle.
  15. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, insbesondere eine Intermediate-Band-Solarzelle, mit einem Schichtaufbau, mit wenigstens einer, insbesondere dünnen, Siliciumcarbid, vorzugsweise 3C-SiC, aufweisenden stickstofffreien Schicht, insbesondere hergestellt nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 12, wobei zur Erzeugung der stickstofffreien Schicht (a) in einem ersten Verfahrensschritt eine flüssige kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere ein SiC-Precursorsol,auf ein Substrat oder einer Schicht des Schichtaufbaus aufgebracht wird, (b) in einem auf den ersten Verfahrensschritt (a) folgenden zweiten Verfahrensschritt die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Persecursol, zu Siliciumcarbid umgesetzt wird, wobei die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, einer mehrstufigen thermischen Behandlung unterzogen wird, wobei (i) in einer ersten thermischen Verfahrensstufe (i) die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, auf Temperaturen von 300 °C oder höher, insbesondere 300 bis 1800 °C, vorzugsweise 800 bis 1000 °C, erhitzt wird und (ii) in einer auf die erste thermische Verfahrensstufe (i) folgenden thermischen Verfahrensstufe (ii) die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, auf Temperaturen von 1800 °C oder höher, insbesondere 1800 bis 2200 °C, erhitzt wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt (a) die kohlenstoff- und siliciumhaltige Lösung oder Dispersion, insbesondere das SiC-Precursorsol, mit einer Schichtdicke im Bereich von 1 nm bis 1.000 µm, insbesondere 5 bis 500 nm, vorzugsweise 8 bis 300 nm, bevorzugt 10 bis 200 nm, aufgebracht wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein wenigstens zweischichtiger Aufbau aufgebracht wird, insbesondere auf das Substrat, wobei der wenigstens zweischichtige Aufbau eine weitere Schicht aufweist, insbesondere wobei die weitere, insbesondere Siliciumcarbid, vorzugsweise 3C-SiC, aufweisende, Schicht nach wenigstens einem Verfahrensmerkmal nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und/oder nach einem der Ansprüche 15 oder 16 hergestellt wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Substrat zuerst die weitere Schicht und anschließend auf die weitere Schicht die stickstofffreie Schicht aufgebracht wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Schicht dotiert wird, vorzugsweise n-dotiert, insbesondere durch Stickstoff und/oder Phosphor.
  20. Solarzelle (1), insbesondere Intermediate-Band-Solarzelle, insbesondere hergestellt nach einem Verfahren der Ansprüche 15 bis 19 und/oder unter Verwendung, insbesondere nach Anspruch 14, einer SiC-Schicht (2) und/oder eines SiC-Wafers nach Anspruch 13 und/oder hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, mit wenigstens einer Siliciumcarbid, vorzugsweise 3C-SiC, aufweisenden Schicht (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (2) vollständig stickstofffrei ist.
DE102017122708.3A 2017-09-27 2017-09-29 Verfahren zur Herstellung einer Siliciumcarbid aufweisenden stickstofffreien Schicht Withdrawn DE102017122708A1 (de)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017122708.3A DE102017122708A1 (de) 2017-09-29 2017-09-29 Verfahren zur Herstellung einer Siliciumcarbid aufweisenden stickstofffreien Schicht
CN201880063703.5A CN111164734A (zh) 2017-09-29 2018-09-20 制备含碳化硅的无氮层的方法
EP18781975.0A EP3688792A1 (de) 2017-09-29 2018-09-20 Verfahren zur herstellung einer siliciumcarbid aufweisenden stickstofffreien schicht
US16/651,384 US20200303584A1 (en) 2017-09-27 2018-09-20 Method for Producing a Nitrogen-Free Layer Comprising Silicon Carbide
PCT/EP2018/075493 WO2019063413A1 (de) 2017-09-29 2018-09-20 Verfahren zur herstellung einer siliciumcarbid aufweisenden stickstofffreien schicht

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017122708.3A DE102017122708A1 (de) 2017-09-29 2017-09-29 Verfahren zur Herstellung einer Siliciumcarbid aufweisenden stickstofffreien Schicht

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102017122708A1 true DE102017122708A1 (de) 2019-04-04

Family

ID=63722351

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102017122708.3A Withdrawn DE102017122708A1 (de) 2017-09-27 2017-09-29 Verfahren zur Herstellung einer Siliciumcarbid aufweisenden stickstofffreien Schicht

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20200303584A1 (de)
EP (1) EP3688792A1 (de)
CN (1) CN111164734A (de)
DE (1) DE102017122708A1 (de)
WO (1) WO2019063413A1 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112259631B (zh) * 2020-10-26 2022-11-08 隆基绿能科技股份有限公司 碳化硅电池

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6812134B1 (en) * 2001-06-28 2004-11-02 Lsi Logic Corporation Dual layer barrier film techniques to prevent resist poisoning
US7091137B2 (en) * 2001-12-14 2006-08-15 Applied Materials Bi-layer approach for a hermetic low dielectric constant layer for barrier applications
US20090197086A1 (en) * 2008-02-04 2009-08-06 Sudha Rathi Elimination of photoresist material collapse and poisoning in 45-nm feature size using dry or immersion lithography
JP6105723B2 (ja) * 2012-06-15 2017-03-29 サン−ゴバン セラミックス アンド プラスティクス，インコーポレイティド 炭化ケイ素を含むセラミック体およびその形成方法
CN102931142A (zh) * 2012-11-12 2013-02-13 上海华力微电子有限公司 双应力薄膜的制造方法以及半导体器件
JP6500378B2 (ja) * 2014-09-22 2019-04-17 株式会社Sumco 貼合せＳｉＣウェーハの製造方法及び貼合せＳｉＣウェーハ
CN104409553B (zh) * 2014-11-04 2017-09-08 中国科学院半导体研究所 碳化硅中间带太阳电池及其制备方法
DE102015104943A1 (de) * 2015-03-31 2016-10-06 Universität Paderborn Verfahren zum Herstellen eines nano- oder mikrostrukturierten Schaumstoffs
DE102017110361A1 (de) * 2017-05-12 2018-11-15 Psc Technologies Gmbh Verfahren zur Herstellung von siliciumcarbidhaltigen Strukturen
KR102210029B1 (ko) * 2017-05-18 2021-02-01 주식회사 엘지화학 탄화규소 분말 및 그 제조방법

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Syväjärvi et al., „Cubic silicon carbide as a potential photovoltaic material", 2016, Solar Energy Materials and Solar Cells, (145), 104-108

Also Published As

Publication number Publication date
US20200303584A1 (en) 2020-09-24
EP3688792A1 (de) 2020-08-05
WO2019063413A1 (de) 2019-04-04
CN111164734A (zh) 2020-05-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112010004154B4 (de) Verfahren zum Herstellen einer Halbleiter-Dünnschicht und einerphotovoltaischen Einheit, welche die Dünnschicht enthält
DE69727655T2 (de) Verfahren zur herstellung einer cdte-schicht
EP2276058B1 (de) Druckfähige Maskierungspaste
US20140151706A1 (en) Structures incorporating silicon nanoparticle inks, densified silicon materials from nanoparticle silicon deposits and corresponding methods
WO2012119684A2 (de) Aluminiumoxid basierte metallisierungsbarriere
DE102005010790A1 (de) Photovoltaische Zelle mit einem darin enthaltenen photovoltaisch aktiven Halbleitermaterial
Kim et al. Highly concentrated synthesis of copper-zinc-tin-sulfide nanocrystals with easily decomposable capping molecules for printed photovoltaic applications
WO2016107661A1 (de) Laserdotierung von halbleiter
WO2014101989A1 (de) Dotiermedien zur lokalen dotierung von siliziumwafern
CN105366662A (zh) 硫掺杂石墨烯的制备方法
EP2425461A2 (de) Bandgap tailoring von solarzellen aus flüssigsilan mittels germanium-zugabe
Miao et al. Emissive ZnO@ Zn3P2 nanocrystals: synthesis, optical, and optoelectrochemical properties
Abdel-Latif et al. Effect of doping on the structural, optical and electrical properties of La-doped ZnO thin films
EP3268512B1 (de) Verfahren zum herstellen einer elektrode, elektrode und elektrolysevorrichtung
Shi et al. Formulation of Water-Resistant Fluorescent Ink from Novel Octagonal CsPbBr3/CsPb2Br5 Composite Plates Coordinated with Thermoplastic Polyurethane
WO2018224438A1 (de) Verfahren zur erzeugung von schichten aus siliciumcarbid
EP3688792A1 (de) Verfahren zur herstellung einer siliciumcarbid aufweisenden stickstofffreien schicht
DE102009053818A1 (de) Dotierung von Siliciumschichten aus flüssigen Silanen für Elektronik- und Solar-Anwendungen
JP5946010B2 (ja) 量子ドット太陽電池およびその製造方法
EP2938762A1 (de) Oxidmedien zum gettern von verunreinigungen aus siliziumwafern
DE102017009811A1 (de) Leitpastenzusammensetzung und mit dieser hergestellte Halbleitereinrichtungen
EP1807872A1 (de) Photovoltaische zelle mit einem photovoltaisch aktiven halbleitermaterial
Patil et al. Effect of Lanthanum doping on properties of ZnS thin films for water splitting
DE102018132244B4 (de) Verfahren zur Herstellung von dotierten Halbleiterschichten
Schulz et al. Particulate Contacts to Si and CdTe: Al, Ag, Hg-Cu-Te, and Sb-Te

Legal Events

Date Code Title Description
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee