DE102022116962A1 - Verfahren und Züchtungsaufbau zum Herstellen lokalisierter Strukturen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Anzahl lokalisierter Strukturen auf einer Oberfläche einer Festkörperschicht, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:- Bereitstellen einer Festkörperschicht in einer Reaktionskammer,- Bestrahlen der Oberfläche der Festkörperschicht mit mehreren Laserstrahlen, so dass die Festkörperschicht in von den Laserstrahlen bestrahlten Bereichen jeweils lokal aufgeheizt wird,- Einleiten wenigstens eines pyrolytisch zersetzbaren Gases in die Reaktionskammer, und- lokalisiertes Abscheiden wenigstens einer Gaskomponente des pyrolytisch zersetzbaren Gases auf der Oberfläche der Festkörperschicht in den durch die Laserstrahlen aufgeheizten Bereichen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Züchtungsaufbau zum Herstellen lokalisierter Strukturen auf einer Oberfläche einer Festkörperschicht. Die Erfindung betrifft ferner eine Mikrokonzentrator-Solarzelle und eine Mikro-LED.
  • Für Anwendungen in der Nano- und Mikrotechnologie ist es oftmals erforderlich, dass Nano- und Mikrostrukturen, insbesondere aus Halbleitermaterialien, in geordneter Weise auf einem Substrat angeordnet sind. Beispielsweise werden für Bildschirme Mikro-Leuchtdioden (LEDs) hergestellt, indem eine Vielzahl mikroskopisch kleiner LEDs in einem regelmäßigen Muster auf einem Substrat angeordnet werden.
  • Die Herstellung einer Mikrokonzentrator-Solarzelle umfasst, dass ein Absorbermaterial in Form von Mikroinseln in einem regelmäßigen Muster auf einem Substrat angeordnet wird. Über den Mikroinseln wird ein Mikrolinsenarray angeordnet, um Sonnenlicht auf die jeweiligen Mikroinseln zu fokussieren. Damit dies gelingt, sollten die Mikroinseln in demselben Muster wie die Mikrolinsen des Mikrolinsenarrays angeordnet sein. Entsprechend sollten die Mikroinseln auf dem Substrat nicht selbstorganisiert, sondern strukturiert in vorgegebenen Bereichen, d.h., insbesondere in einem vorgegebenen Muster, hergestellt werden.
  • Eine Herstellung der Mikroinseln in einem vorgegebenen Muster kann mit einem top-down Prozess oder mit einem bottom-up Prozess realisiert werden. Bei einem top-down Prozess wird zunächst eine flächige Absorberschicht hergestellt, aus der dann durch Materialabtragung, z.B. mittels mechanischem Schneiden, Laserablation oder chemischem Ätzen, Mikroinseln hergestellt werden. Bei einem top-down Prozess geht jedoch in der Regel eine vergleichsweise große Menge an Material verloren.
  • Eine signifikante Materialeinsparung kann typischerweise dann erreicht werden, wenn die Mikroinseln mit einer Größe von wenigen Mikrometern auf einem Substrat in einem bottom-up Prozess hergestellt werden.
  • Eine Möglichkeit, regelmäßig angeordnete Mikroinseln in einem bottom-up Prozess herzustellen, besteht darin, das Substrat zunächst mit einem Femtosekunden-Laser zu strukturieren. Anschließend wird auf das strukturierte Substrat eine Schicht aus Molybdän aufgebracht, die als Rückkontakt der Mikrokonzentrator-Solarzelle dient. Auf der Molybdänschicht werden mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) in den vorstrukturierten Bereichen Mikroinseln aus zum Beispiel Indium hergestellt. Die Indiuminseln dienen als Präkursor für die Herstellung des Absorbermaterials der Mikrokonzentrator-Solarzelle. Das Absorbermaterial kann beispielsweise Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) und die so hergestellte Mikrokonzentrator-Solarzelle eine CIGSe-Mikrokonzentrator-Solarzelle sein. Durch Anpassen der Strukturierung des Substrats kann insbesondere der Abstand zwischen den Mikroinseln beeinflusst werden.
  • Die vorstehend skizzierte Vorgehensweise bei der Herstellung einer CIGSe-Mikrokonzentrator-Solarzelle mit einem bottom-up Prozess wurde beispielsweise von F. Ringleb, et al., in dem Artikel „Growth and shape of indium islands on molybdenum at micro-roughened spots created by femtosecond laser pulses. Applied Surface Science 2017; 418: 548-553.“ und von F. Ringleb, et al., in dem Artikel „Regularly arranged indium islands on glass/molybdenum substrates upon femtosecond laser and physical vapor deposition processing. Appl. Phys. Lett. 2016; 108: 111904.“ beschrieben.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes oder zumindest alternatives Verfahren bereitzustellen, dass eine Herstellung lokalisierter Strukturen auf einer Oberfläche einer Festkörperschicht ermöglicht. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, einen Züchtungsaufbau zum Herstellen einer Anzahl lokalisierter Strukturen auf einer Oberfläche einer Festkörperschicht bereitzustellen.
  • Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, das die in Anspruch 1 definierten Schritte umfasst.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Herstellen einer Anzahl lokalisierter Strukturen auf einer Oberfläche einer Festkörperschicht vorgeschlagen. Das Verfahren weist die Schritte auf:
    • - Bereitstellen einer Festkörperschicht in einer Reaktionskammer,
    • - Bestrahlen der Oberfläche der Festkörperschicht mit mehreren Laserstrahlen, so dass die Festkörperschicht in von den Laserstrahlen bestrahlten Bereichen jeweils lokal aufgeheizt wird,
    • - Einleiten wenigstens eines pyrolytisch zersetzbaren Gases in die Reaktionskammer, und
    • - lokalisiertes Abscheiden wenigstens einer Gaskomponente des pyrolytisch zersetzbaren Gases auf der Oberfläche der Festkörperschicht in den durch die Laserstrahlen aufgeheizten Bereichen.
  • Die Erfindung beruht auf der Überlegung, dass zur Herstellung von Mikroinseln grundsätzlich ein bottom-up Prozess zu bevorzugen ist, weil der bottom-up Prozess vergleichsweise materialsparend ist. Der bottom-up Prozess sollte auch möglichst wenig Schritte erfordern und damit zeitsparend sein. Auch sollte der bottom-up Prozess möglichst schonend für die Festkörperschicht und insbesondere für die Oberfläche der Festkörperschicht sein, um eine hohe Qualität zu gewährleisten.
  • Dies wird durch das erfindungsgemäße Verfahren dadurch erreicht, dass die Oberfläche der Festkörperschicht mit mehreren Laserstrahlen bestrahlt und dadurch lokal in den von den Laserstrahlen bestrahlten Bereichen aufgeheizt wird. Durch Bestrahlen der Oberfläche der Festkörperschicht findet an den bestrahlten Stellen ein lokalisierter Energieeintrag in die Festkörperschicht statt. Der lokalisierte Energieeintrag führt dazu, dass sich die Festkörperschicht in den bestrahlten Bereichen an ihrer Oberfläche erhitzt. Es findet insbesondere ein lokal-definiertes Aufheizen der Festkörperschicht durch örtlich-selektive Laserstrahlung statt. Die Oberfläche der Festkörperschicht wird insbesondere so mit den mehreren Laserstrahlen bestrahlt, dass sich auf der Oberfläche der Festkörperschicht räumlich voneinander getrennte Bereiche bilden, in denen die Oberfläche lokal erhitzt wird. Auf der Oberfläche entsteht dann insbesondere eine Anzahl aufgeheizter Bereiche, die der Anzahl der zum Bestrahlen der Oberfläche verwendeten Laserstrahlen entspricht.
  • In dem Verfahren werden die mehreren Laserstrahlen insbesondere als Heizquelle für eine punktuelle Zersetzung des pyrolytisch zersetzbaren Gases auf der Oberfläche der Festkörperschicht verwendet. Dafür wird das pyrolytisch zersetzbare Gas in die Reaktionskammer eingeleitet. Das pyrolytisch zersetzbare Gas wird in den aufgeheizten Bereichen auf der Oberfläche der Festkörperschicht aufgrund einer thermo-chemischen Reaktion zersetzt. Bei der Zersetzung, wird wenigstens eine Gaskomponente des pyrolytisch zersetzbaren Gases, z.B. Indium oder Gallium, in den aufgeheizten Bereichen abgeschieden. Somit entsteht ein vorzugsweise regelmäßiges Muster von lokalisierten metallischen Strukturen auf der Oberfläche der Festkörperschicht.
  • Das Verfahren hat den Vorteil, dass es vergleichsweise materialsparend ist, da es zur Realisierung von lokalisierter Strukturbildung keine Abtragung von Material erfordert. Außerdem kann auf aufwändige Masken- oder Lithografie-Prozesse verzichtet werden, so dass sich das Verfahren vergleichsweise zeitsparender durchführen lässt. Es können insbesondere die Anzahl der zur Herstellung der lokalisierten Strukturen erforderlichen Schritte reduziert werden. Das Verfahren ist auch nicht auf bestimmte Materialien festgelegt und kann daher vielseitig für eine Vielzahl technologischer Anwendung eingesetzt werden.
  • Da in dem Verfahren kein Ätzprozess benötigt wird, kann auch ein damit verbundenes Risiko einer Beeinträchtigung der Oberfläche der Festkörperschicht bei der Entfernung des Fotolacks verringert werden. Auch ein Risiko, dass das verbleibende Material durch eine hohe eingebrachte Energiedichte der Laserstrahlung beschädigt wird, wie dies bei der Laserablation vorkommen kann, kann verringert werden.
  • Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass die lokalisierten Strukturen vergleichsweise gleichmäßig und insbesondere mit im Wesentlichen konstanten Dimensionen hergestellt werden können. Dieser Vorteil ergibt sich daraus, dass eine Diffusion der abgeschiedenen Gaskomponenten auf der Oberfläche der Festkörperschicht vergleichsweise geringer ist. Aufgrund der erhitzten Bereiche auf der Oberfläche der Festkörperschicht und den die erhitzten Bereiche umgebenen kühleren Bereiche werden die Gaskomponenten selektiv auf der Oberfläche der Festkörperschicht abgeschieden und verbleiben im Wesentlichen in denjenigen erhitzten Bereichen, in denen die Gaskomponenten abgeschieden wurden. Im Ergebnis können die lokalisierten Strukturen mit einem vergleichsweise konstanten Aspektverhältnis von Durchmesser zu Höhe auf der Oberfläche der Festkörperschicht hergestellt werden.
  • Das Verfahren eignet sich grundsätzlich für eine örtlich selektive Abscheidung der lokalisierten Strukturen im Nanometerbereich, im Mikrometerbereich und im Millimeterbereich und damit für eine Vielzahl von Anwendungen, insbesondere in der Halbleiterindustrie. Dabei ist es von Vorteil, dass eine große Anzahl der lokalisierten Strukturen großflächig in kontrollierter Weise auf einer Oberfläche einer Festkörperschicht hergestellt werden kann. Derartige Inseln können als Präkursor für ein örtlich definiertes Wachstum von Verbindungshalbleitern dienen. Abhängig von dem abgeschiedenen Material können die Inseln beispielsweise als Präkursor für die Herstellung von Mikrostrukturen für Solarzellen und Micro-LEDs verwendet werden.
  • Die in der Reaktionskammer bereitgestellte Festkörperschicht kann eine einzelne Substratschicht oder ein Wafer sein. Die Festkörperschicht kann auch Bestandteil eines Schichtsystems sein, das beispielsweise ein Trägersubstrat aufweist, auf der die Festkörperschicht angeordnet ist. Zum Bereitstellen der Festkörperschicht in der Reaktionskammer wird dann das Schichtsystem in der Reaktionskammer so angeordnet, dass dessen Festkörperschicht von den mehreren Laserstrahlen bestrahlt werden kann. Die Festkörperschicht oder das Schichtsystem mit der Festkörperschicht kann beispielsweise von einem Schichthalter in der Reaktionskammer gehalten werden. Die Reaktionskammer ist vorzugsweise eine Reaktionskammer zur chemischen Gasphasenabscheidung (CVD). Eine solche CVD-Reaktionskammer hat typischerweise einen Gaseinlass und einen Gasauslass.
  • Die Oberfläche der Festkörperschicht kann mit den mehreren Laserstrahlen zeitgleich oder zeitlich nacheinander beleuchtet werden. Mit dem Verfahren können die lokalisierten Strukturen also zeitgleich oder zeitlich nacheinander hergestellt werden.
  • Beispielsweise könnten die mehreren Laserstrahlen zwei Laserstrahlen oder mehr sein, oder z.B. 10 Laserstrahlen oder mehr sein, oder 100 Laserstrahlen oder mehr sein oder 500 Laserstrahlen oder mehr sein, oder 1000 Laserstrahlen oder mehr sein. Beispielsweise kann in dem Verfahren eine Matrix aus 7x7 oder mehr, beispielweise 50x50 oder mehr, vorzugsweise 100x100 oder mehr oder aus 500x500 oder mehr Laserstrahlen zum Bestrahlen der Oberfläche der Festkörperschicht verwendet werden. Die Matrix aus den Laserstrahlen kann eine quadratische, eine rechteckige oder auch eine hexagonale Grundfläche haben.
  • Durch das örtlich selektive Aufheizen entstehen auf der Oberfläche der Festkörperschicht Bereiche, die eine Temperaturverteilung aufweisen können, bei der die Temperatur im Zentrum des Bereichs maximal ist und der Betrag der Temperatur mit größer werdendem Abstand zu dem Zentrum abnimmt. Je nach Abstand der Bereiche zueinander befinden sich zwischen den aufgeheizten Bereichen nicht oder kaum aufgeheizte Bereiche oder Bereiche mit einer vergleichsweise leicht erhöhten Temperatur, die jedoch in der Regel deutlich geringer ist, als die Temperatur im Zentrum eines aufgeheizten Bereichs. Je enger die aufgeheizten Bereiche beieinanderliegen, desto geringer kann der Temperaturunterschied zwischen einer Position im Zentrum eines aufgeheizten Bereichs und einer Position, die sich zwischen zwei aufgeheizten Bereichen befindet, sein. Insbesondere durch eine derartige Temperaturverteilung sind die aufgeheizten Bereiche lokalisiert und räumlich voneinander separiert und ein lokales Abscheiden der Gaskomponente aus dem pyrolytisch zersetzbaren Gas wird ermöglicht.
  • Die Anzahl der nach dem Verfahren hergestellten lokalisierten Strukturen kann insbesondere eine einzige lokalisierte Struktur umfassen. Vorzugsweise werden mit dem Verfahren aber insbesondere zwei lokalisierte Strukturen oder mehr hergestellt, beispielweise 10 oder mehr oder 100 oder mehr oder 500 oder mehr oder 1000 oder mehr. Die Anzahl der hergestellten lokalisierten Strukturen kann insbesondere durch die Anzahl der aufgeheizten Bereiche beeinflusst werden. Da sich die lokalisierten Strukturen insbesondere in den aufgeheizten Bereichen bilden, kann also durch Erhöhen der Anzahl der aufgeheizten Bereiche auch die Anzahl der lokalisierten Strukturen erhöht werden. Die Anzahl der aufgeheizten Bereiche wird wiederum durch die Anzahl der verwendeten Laserstrahlen bestimmt, so dass durch Erhöhen der Anzahl der Laserstrahlen auch die Anzahl der hergestellten lokalisierten Strukturen erhöht werden kann.
  • Das pyrolytisch zersetzbare Gase ist insbesondere ein Gas aus einem Stoff oder mehreren Stoffen, die durch thermo-chemische Umwandlungsprozesse in Gaskomponenten aufgespalten werden können. Insbesondere kann so aus einer Gasphase eine Feststoffkomponente abgeschieden werden. Für den thermo-chemischen Umwandlungsprozess wird in der Regel eine bestimmte Reaktionstemperatur benötigt. Diese Reaktionstemperatur wird in dem Verfahren insbesondere in den aufgeheizten Bereichen erreicht, so dass die Gaskomponente insbesondere in den aufgeheizten Bereichen abgespalten und abgeschieden wird. Es ist besonders bevorzugt, dass das pyrolytisch zersetzbare Gase wenigstens eine metallorganische Verbindung aufweist und die lokalisiert abgeschiedene Gaskomponente ein Metall der metallorganischen Verbindung ist. Das Metall kann beispielsweise Ga oder In sein.
  • Vorzugsweise wird in dem Verfahren zunächst ein einzelner Eingangslaserstrahl mit einem Laser erzeugt. Bevorzugt wird dieser einzelne Laserstrahl durch ein Diffraktives Optisches Element (DOE) in die mehreren Laserstrahlen aufgespalten. Das Diffraktive Optische Element ist vorzugsweise ausgebildet, den einzelnen Laserstrahl punktförmig aufzuspalten. Als das Diffraktive Optische Element kann beispielsweise ein Intensitätsmodulator oder Phasenmodulator verwendet werden. Ein Intensitätsmodulator kann beispielsweise ein Chopper sein, der bevorzugt als rotierende Scheibe ausgebildet ist. Mit einem Phasenmodulator kann die Intensität des Laserstrahls homogen in verschiedenen Winkel verteilt werden. Es werden also aus dem einzelnen Eingangslaserstrahl mehrere aufgespaltene Laserstrahlen erzeugt, die eine im Wesentlichen identische Intensität haben aber jeweils unter einem unterschiedlichen Winkel von dem Diffraktiven Optischen Element abgelenkt werden. Vorzugsweise ist das das Diffraktive Optische Element ausgebildet, den einzelnen Laserstrahl so aufzuspalten, dass ein Winkel zwischen den aufgespaltenen Laserstrahlen konstant ist. Dass ein Winkel zwischen den aufgespaltenen Laserstrahlen konstant ist, kann beispielweise mit einem Phasenmodulator realisiert werden.
  • Durch das Diffraktive Optische Element kann insbesondere beeinflusst werden, in welchem Abstand zueinander die mehreren Laserstrahlen auf die Oberfläche der Festkörperschicht treffen. Außerdem kann durch das Diffraktive Optische Element beeinflusst werden, wie viele Laserstrahlen auf die Oberfläche der Festkörperschicht treffen. Das Diffraktive Optische Element kann so ausgebildet sein, dass eine vorgegebene Anzahl Laserstrahlen auf die Oberfläche der Festkörperschicht trifft. Zusätzlich oder alternativ kann das Diffraktive Optische Element so ausgebildet sein, dass die mehreren Laserstrahlen in einem vorgegebenen Abstand zueinander auf die Oberfläche der Festkörperschicht treffen. Durch Anpassen des Diffraktiven Optischen Elements können insbesondere die Anzahl an lokalisierten Strukturen und/oder deren Abstand zueinander auf der Oberfläche der Festkörperschicht beeinflusst werden. Beispielsweise kann das Diffraktive Optische Element so ausgebildet sein, dass auf der Oberfläche der Festkörperschicht 49 Bereiche lokalisiert aufgeheizt werden und die Bereiche zueinander einen Abstand von 750 µm zueinander haben. Das Verfahren kann aber auch auf eine größere Anzahl lokalisierter Strukturen hochskaliert werden. Beispielsweise könnten mit dem Verfahren 500 oder mehr lokalisierte Strukturen auf einmal oder zeitlich nacheinander hergestellt werden. Die lokalisierten Strukturen haben vorzugsweise einen Abstand zueinander, der zwischen 5 µm und 1000 µm beträgt. Welcher Abstand gewählt wird, hängt insbesondere von der Verwendung bzw. Anwendung der lokalisierten Strukturen ab.
  • Alternativ zu einem Diffraktiven Optischen Element kann auch ein Linsensystem zum Aufspalten eines Eingangslaserstrahls in die mehreren Laserstrahlen verwendet werden. Ein solches Linsensystem kann insbesondere eine Anzahl Mikrolinsen umfassen, die in einer Ebene wabenartig angeordnet sind. Das Linsensystem kann genau wie das Diffraktive Optische Element mit einem Eingangslaserstrahl bestrahlt werden, der dann durch das Linsensystem in die mehreren Laserstrahlen aufgespalten wird. Mit den aufgespaltenen mehreren Laserstrahlen wird dann die Oberfläche der Festkörperschicht bestrahlt.
  • Es kann vorteilhaft sein, wenn in dem Verfahren der von einem Laser emittierte kollimierte einzelne Eingangslaserstrahl zunächst auf das Diffraktive Optische Element oder das Linsensystem trifft und die aufgespaltenen mehreren Laserstrahlen anschließend auf die Oberfläche der Festkörperschicht fokussiert werden. Dafür kann eine achromatische Linse verwendet werden, die zwischen dem Diffraktiven Optischen Element oder dem Linsensystem und der Festkörperschicht angeordnet ist.
  • Die Eigenschaften des Lasers zum Emittieren des einzelnen Eingangslaserstrahls werden vorzugsweise abhängig von dem Material der Festkörperschicht und der gewünschten Musterabscheidung ausgewählt. Der Laser emittiert bevorzugt Laserstrahlung im Infrarotbereich, insbesondere mit einer Wellenlänge von 1000 nm oder mehr. Es kann vorteilhaft sein, wenn ein Laser mit einer vergleichsweise höheren Leistung verwendet wird, damit trotz der Aufspaltung des einzelnen Laserstrahls in die mehreren Laserstrahlen die notwendige Temperaturerhöhung in den Bereichen auf der Oberfläche der Festkörperschicht erzielt werden kann.
  • Abhängig von der eingebrachten Leistung in die Oberfläche und/oder der Bestrahlungszeit der Oberfläche der Festkörperschicht kann eine Abscheidungsrate beim Abscheiden der Gaskomponente, beispielsweise des Metalls der metallorganischen Verbindung, beeinflusst werden. Beispielsweise können bei einer bestimmten Abscheidungsrate die erbrachte Leistung, die Intensität und die Bestrahlungszeit des Lasers experimentell ermittelt und diese Abscheidungsrate anschließend durch Programmierung computerimplementiert eingestellt werden.
  • Alternativ können die mehreren Laserstrahlen in dem Verfahren von mehreren Lasern erzeugt werden. Es kann also mehrere Lichtquellen geben, die jeweils unabhängig voneinander einen Laserstrahl emittieren. Die einzelnen Laserstrahlen der jeweiligen Laser bilden dann gemeinsam die mehreren Laserstrahlen, mit denen die Oberfläche der Festkörperschicht bestrahlt wird.
  • In dem Verfahren werden die mehreren Laserstrahlen vorzugsweise so erzeugt, dass durch das Bestrahlen der Oberfläche mit den mehreren Laserstrahlen auf der Oberfläche der Festkörperschicht ein regelmäßiges Muster von lokal aufgeheizten Bereichen entsteht. Das regelmäßige Muster kann beispielsweise aus Quadraten, Rechtecken, oder aus Dreiecken zusammengesetzt sein. Aus einer Festkörperschicht mit in einem regelmäßigen Muster angeordneten lokalisierten Strukturen kann besonders vorteilhaft eine Mikrokonzentrator-Solarzelle oder eine Mikro-LED hergestellt werden.
  • Ein regelmäßiges Muster kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass ein entsprechend ausgebildetes Diffraktives Optisches Element oder ein Linsensystem verwendet wird, das einen musterförmigen Energieeintrag in die Festkörperschicht ermöglicht. Die resultierende thermische Inhomogenität gemäß dem regelmäßigen Muster kann eine selektive Bildung flüssiger und letztlich kristalliner lokalisierter Strukturen auf der Oberfläche der Festköperschicht bewirken. Derart gebildete Mikroinseln können als Präkursor für ein örtlich-definiertes Wachstum von Verbindungshalbleitern dienen.
  • Vorzugsweise wird die Oberfläche der Festkörperschicht in dem Verfahren derart mit den mehreren Laserstrahlen beleuchtet, dass die lokal aufgeheizten Bereiche jeweils zu wenigstens einem unmittelbar benachbarten lokal aufgeheizten Bereich einen Abstand haben, der zwischen 200 µm und 1500 µm beträgt. Auch Abstände von unter 200 µm können je nach Anwendungsfall vorteilhaft sein. Insbesondere zur Herstellung eines Displays mit einer Vielzahl LEDs kann es vorteilhaft sein, wenn die lokal aufgeheizten Bereiche und damit die hergestellten lokalisierten Strukturen einen Abstand von unter 200 µm, beispielsweise zwischen 5 µm und 150 µm aufweisen.
  • Vorzugsweise wird die Gaskomponente des pyrolytisch zersetzbaren Gases, also beispielsweise das Metall einer metallorganischen Verbindung, so abgeschieden, dass die hergestellten lokalisierten Strukturen eine Höhe von 2 µm oder weniger haben. Vorzugsweise haben die hergestellten lokalisierten Strukturen einen Durchmesser von 25 µm bis 100 µm. Vorzugsweise haben die hergestellten lokalisierten Strukturen ein Verhältnis von Höhe-zu-Durchmesser von 0,02 bis 0,1. Solche lokalisierten Strukturen eignen sich besonders als Präkursor für die Herstellung einer Mikrokonzentrator-Solarzelle und/oder einer Mikro-LED.
  • In dem Verfahren kann eine Abscheidungsrate, mit der die Gaskomponente, z.B. das Metall einer metallorganischen Verbindung, in den durch die mehreren Laserstrahlen aufgeheizten Bereichen abgeschieden wird, durch Anpassen einer Laserleistung, einer Laserintensität oder einer Beleuchtungszeit eingestellt werden. Die Laserleistung, Laserintensität oder Beleuchtungszeit können beispielweise so eingestellt werden, dass das Metall der metallorganischen Verbindung mit einer Abscheidungsrate zwischen 0,2 Å/s und 1,0 Å/s in den aufgeheizten Bereichen abgeschieden wird.
  • Das Verfahren kann weiterhin die zeitlich vorgelagerten Schritte aufweisen:
    • - Bereitstellen eines Trägersubstrats in einer Vakuumkammer,
    • - Aufbringen der Festkörperschicht auf dem Trägersubstrat, vorzugsweise durch Abscheidung aus einer Gasphase, und
    • - Transferieren des Trägersubstrats mit aufgebrachter Festkörperschicht in die Reaktionskammer.
  • Die Festkörperschicht kann beispielsweise mittels PVD, oder Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder mittels Metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOCVD) oder mittels Sputtern auf das Trägersubstrataufgebracht werden.
  • Nachdem die Festkörperschicht auf dem Trägersubstrat aufgebracht wurde, wird das auf diese Weise gebildete Schichtsystem in die Reaktionskammer transferiert, um dort die lokalisierten Strukturen auf der Oberfläche der Festkörperschicht herzustellen.
  • Die Materialien des Trägersubstrats und der Festkörperschicht können zu der späteren technischen Anwendung passend ausgewählt werden. Ein in dem Verfahren verwendetes Trägersubstrat kann beispielsweise aus Glas oder aus Silizium bestehen. Ein Trägersubstrat kann insbesondere aus Floatglas, Siliziumdioxid (Kieselglas) oder Borosilikatglas bestehen. Das Trägersubstrat kann aber auch ein Siliziumwafer sein. Das Trägersubstrat könnte auch aus Saphir (Al2O3) bestehen.
  • Welches Material für das Trägersubstrat gewählt wird hängt insbesondere von der geplanten Anwendung ab. Wenn aus dem Schichtsystem eine Mikrokonzentrator-Solarzelle hergestellt werden soll, eignet sich insbesondere ein Trägersubstrat aus Glas. Wenn jedoch aus dem Schichtsystem eine Mikro-LED hergestellt werden soll, eignet sich ein Trägersubstrat, das Silizium aufweist. Für die Herstellung der Komplementär-symmetrischen MetallOxid-Halbleiter (CMOS), sind Siliziumwafer als Trägersubstrat bevorzugt. Entsprechend kann das Trägersubstrat aus einem kristallinen Material oder aus einem amorphen Material bestehen.
  • Da in dem Verfahren die mehreren Laserstrahlen als Heizquelle verwendet werden, kann das Verfahren sowohl für die Aufheizung einer amorphen als auch einer kristallinen Festkörperschicht verwendet werden. Entsprechend kann die Festkörperschicht eine amorphe oder kristalline Festkörperschicht sein. Vorzugsweise besteht die Festkörperschicht aus einem Metall, z.B. aus Molybdän. Die Festkörperschicht könnte beispielweise ein Blech sein, z.B. ein Molybdän-Blech. Molybdän eignet sich insbesondere als Rückkontakt einer Mikrokonzentrator-Solarzelle. Alternativ könnte die Festkörperschicht aus einem Verbindungshalbleiter, zum Beispiel einem II-VI-Verbindungshalbleiter oder einem III-V-Verbindungshalbleiter, bestehen. Geeignete Verbindungshalbleiter sind je nach Anwendung Si, SiGe, SiC, GaN, InN, AIN, InP, GaAs, oder InAs. Auch ternäre oder quaternäre Verbindungshalbleiter wie InGaN oder InGaAIN könnten verwendet werden.
  • Das in die Reaktionskammer eingeleitete pyrolytisch zersetzbare Gas weist vorzugsweise die metallorganische Verbindung Triethylindium, Trimethylindium, Trimethylgallium, Trimethylkupfer oder Dimethylselenid oder mehrere dieser metallorganischen Verbindungen in Kombination auf. Zur Herstellung einer metallischen Legierung, z.B. In-Ga-Cu, können zum Beispiel zusätzlich zu beispielsweise Indium weitere Metalle wie Gallium und Kupfer als Gaskomponenten aus einem entsprechenden Präkursor-Gas, in diesem Fall z.B. Trimethylgallium (TMGa) und Trimethylkupfer (TMCu) abgeschieden werden.
  • Insbesondere für die Herstellung einer CIGSe-Solarzelle ist es in dem Verfahren bevorzugt, dass die hergestellten lokalisierten Strukturen selenisiert werden. Die Selenisierung kann in derselben Reaktionskammer erfolgen, z.B. durch Einleiten eines pyrolytisch zersetzbaren Gases, das Ditertbutyl-selenide (DTBSe) oder Diisopropyl-selenide (DIPSe) aufweist. Entsprechend kann in dem Verfahren vorgesehen sein, dass die Selenisierung in der Reaktionskammer durch lasergenerierte Zersetzung von Ditertbutyl-selenide (DTBSe) oder Diisopropyl-selenide (DIPSe) erfolgt. Beispielsweise kann die Selenisierung in einer CVD-Reaktionskammer durchgeführt werden.
  • Alternativ könnte die Selenisierung der lokalisierten Strukturen in einer separaten Selenisierungskammer erfolgen, in die die Festkörperschicht mit aufgebrachten lokalisierten Strukturen transferiert wird. Dort kann die Selenisierung mit einem speziellen Verfahren, z.B. durch Plasmagestützte-Abscheidung, erfolgen.
  • In einer Variante des Verfahrens weist das pyrolytisch zersetzbare Gas die metallorganische Verbindung Trimethylindium, und/oder Trimethylgallium auf. Auf das abgeschiedene Indium und/oder Gallium wird anschließend eine Kupferschicht aufgebracht. Nach einer anschließend durchgeführten Selenisierung weisen die lokalisierten Strukturen die Zusammensetzung CuInSe2, CuGaSe2 oder Cu(In,Ga)Se2 auf. Auf diese lokalisierten Strukturen kann anschließend eine Schicht aus CdS aufgebracht werden. Insbesondere kann nach der Herstellung der CIGSe-Inseln als p-dotiertes Material, in sich anschließenden Prozessschritten mittels nasschemischer Badabscheidung z.B. 50 nm CdS als eine n-dotierte Schicht auf die CIGSe-Inseln abgeschieden. Anschließend kann auf die Schicht aus CdS weiterhin eine Schicht aus ZnO:AI aufgebracht werden. Beispielsweise kann durch Sputtern eine 300 nm ZnO:AI-Schicht aufgebracht werden, um dadurch die Heterostruktur der CIGSe-Solarzellen abzuschließen. Über den CIGSe-Mikroinseln kann ein Linsenarray angeordnet werden, um Sonnenlicht auf die Mikroinseln zu fokussieren. Auf diese Weise kann eine CIGSe-Mikrokonzentrator-Solarzelle realisiert werden.
  • Hinsichtlich des Züchtungsaufbaus wird erfindungsgemäß ein Züchtungsaufbau zum Herstellen einer Anzahl lokalisierter Strukturen auf einer Oberfläche einer Festkörperschicht vorgeschlagen. Der Züchtungsaufbau weist auf:
    • - eine Reaktionskammer aufweisend einen Gaseinlass und einen Gasauslass, wobei innerhalb der Reaktionskammer ein Schichthalter zum Halten einer Festkörperschicht angeordnet ist,
    • - eine an den Gaseinlass fluidleitend angeschlossene Gasquelle, zum Bereitstellen eines pyrolytisch zersetzbaren Gases,
    • - eine Laserstrahlenbereitstellungsvorrichtung, die ausgebildet und angeordnet ist, eine von dem Schichthalter gehaltene Festkörperschicht mit mehreren Laserstrahlen zu bestrahlen, um die Oberfläche einer von dem Schichthalter gehaltenen Festkörperschicht in von den Laserstrahlen bestrahlten Bereichen jeweils lokal aufzuheizen.
  • Mit dem Züchtungsaufbau kann insbesondere das vorstehend beschriebene Verfahren durchgeführt werden. Die Reaktionskammer kann insbesondere eine CVD-Reaktionskammer sein.
  • Die Laserstrahlenbereitstellungsvorrichtung kann einen Laser zum Bereitstellen eines Eingangslaserstrahls und ein Diffraktives Optisches Element oder ein Linsensystem zum Aufspalten des Eingangslaserstrahls in die mehreren Laserstrahlen aufweisen. Das Diffraktive Optische Element ist vorzugsweise ein Intensitäts-Modulator oder Phasenmodulator. Der Züchtungsaufbau kann weiterhin eine achromatische Linse umfassen, die angeordnet und ausgebildet ist, von dem Diffraktiven Optischen Element oder von dem Linsensystem aufgespaltenen Laserstrahlen auf die Oberfläche einer von dem Schichthalter gehaltenen Festkörperschicht zu fokussieren. Der Fokusabstand kann beispielsweise zwischen 200 mm und 250 mm, beispielweise 238 mm betragen.
  • Alternativ oder zusätzlich zu einem Diffraktiven Optischen Element oder einem Linsensystem kann die Laserstrahlenbereitstellungsvorrichtung eine Laseranordnung aus mehreren Lasern aufweisen, die ausgebildet und angeordnet sind, die mehreren Laserstrahlen bereitzustellen.
  • Der Züchtungsaufbau kann weiterhin eine Vakuumkammer zum Herstellen der Festkörperschicht aufweisen. Beispielsweise kann die Festkörperschicht auf einem Trägersubstrat hergestellt werden. Trägersubstrat und Festkörperschicht bilden dann zusammen ein Schichtsystem. Die Vakuumkammer kann zu einer MBE-Anlage, einer MOCVD-Anlage, einer PVD-Anlage oder einer Sputter-Anlage gehören. Entsprechend kann die Festkörperschicht mittels MBE, MOCVD, PVD oder Sputtern hergestellt werden.
  • Bei dem Züchtungsaufbau kann ein Laser der Laserstrahlenbereitstellungsvorrichtung außerhalb der Reaktionskammer angeordnet sein und die Reaktionskammer ein für die Laserstrahlen transparentes Fenster aufweisen, durch das eine von dem Schichthalter gehaltene Festkörperschicht mit den mehreren Laserstrahlen beleuchtet werden kann.
  • Der Züchtungsaufbau kann zusätzlich eine Selenisierungskammer aufweisen, in der auf der Oberfläche der Festkörperschicht hergestellte lokalisierte Strukturen selenisiert werden können.
  • Die Erfindung betrifft auch eine Verwendung einer nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellten Festkörperschicht mit einer Anzahl lokalisierter Strukturen zur örtlich definierten Herstellung von Nanostrukturen, vorzugsweise im Bereich von 1 nm bis 999 nm, Mikrostrukturen, vorzugsweise im Bereich von 1 µm bis 999 µm, oder Millimeterstrukturen, vorzugsweise im Bereich von 1 mm bis 5 mm. Die lokalisierten Strukturen dienen dabei insbesondere als ein Präkursor für ein Wachstum der Nanostrukturen, Mikrostrukturen oder Millimeterstrukturen. Beispielsweise können die lokalisierten Strukturen als Präkursor für ein örtlich definiertes Wachstum von Verbindungshalbleitern dienen. Die lokalisierten Strukturen können aber auch für die Herstellung von Cu(In,Ga)Sez-Mikrokonzentrator-Solarzellen dienen. Die Entstehungsorte der CIGSe-Inseln können beispielweise durch die Keimbildung von Indium-Inseln in Folge einer lasergenerierten, ortsdefinierten Zersetzung von Triethyl- oder Trimethylindium bestimmt werden.
  • Beispielsweise können die lokalisierten Strukturen so angeordnet sein, dass auf der Festkörperschicht CIGSe-Inseln mit einem Durchmesser von beispielsweise 50 µm und Abständen von ungefähr 1 mm in einem regelmäßigen Muster hergestellt werden können. Über den CIGSe-Inseln kann ein Mikrolinsenarray mit in demselben Muster angeordneten Mikrolinsen platziert werden.
  • Die Erfindung betrifft auch eine Mikrokonzentrator-Solarzelle aufweisend eine nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellte Festkörperschicht mit auf der Oberfläche der Festkörperschicht angeordneten lokalisierten Strukturen und mit einem Linsenarray, das so angeordnet und ausgebildet ist, dass sich über den lokalisierten Strukturen jeweils eine Linse des Linsenarrays befindet, um einfallendes Sonnenlicht auf die jeweilige lokalisierte Struktur zu fokussieren.
  • Eine Mikrokonzentrator-Solarzelle hat gegenüber einer flächigen Solarzelle den Vorteil, dass eine Menge des benötigtes Absorbermaterials eingespart werden kann. Beispielsweise kann bei einer CIGSe-Mikrokonzentrator-Solarzelle insbesondere die benötigte Menge des vergleichsweise seltenen Indiums reduziert werden.
  • Die Erfindung betrifft auch eine Micro-LED aufweisend eine nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellte Festkörperschicht mit auf der Oberfläche der Festkörperschicht angeordneten lokalisierten Strukturen. Die lokalisierten Strukturen sind vorzugsweise Bestandteil oder Träger jeweils einer LED-Struktur, die bei Anlegen einer Spannung elektromagnetische Strahlung emittiert. Mit der Micro-LED kann beispielsweise ein Display hergestellt werden.
  • Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren näher erläutert werden. Von den Figuren zeigt:
    • 1 :schematisch ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Herstellen einer Anzahl Iokalisierter Strukturen auf eine Oberfläche einer Festkörperschicht;
    • 2:schematisch und beispielhaft einen Züchtungsaufbau zum Herstellen einer Anzahl lokalisierter Strukturen auf eine Oberfläche einer Festkörperschicht;
    • 3:schematisch und beispielhaft eine Vakuumkammer einer PVD-Anlage zum Aufbringen einer Festkörperschicht auf einem Substrat;
    • 4:schematisch und beispielhaft einen Züchtungsaufbau während eines Beleuchtens einer Oberfläche einer Festkörperschicht mit mehreren Laserstrahlen; und
    • 5:beispielhaft eine Simulation einer Temperaturverteilung auf einer mit mehreren Laserstrahlen beleuchteten Oberfläche einer Festkörperschicht.
  • 1 zeigt schematisch ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Herstellen einer Anzahl lokalisierter Strukturen auf eine Oberfläche einer Festkörperschicht. Die Festkörperschicht ist auf einem Trägersubstrat angeordnet und bildet zusammen mit dem Trägersubstrat ein Schichtsystem.
  • In dem Verfahren wird zunächst das Schichtsystem hergestellt. Dafür wird in einer Vakuumkammer mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) auf das Trägersubstrat die Festkörperschicht aufgebracht (Schritt S1). In dem hier beschriebenen Verfahren besteht das Trägersubstrat aus Glas. Die Festkörperschicht besteht aus Molybdän. Das Schichtsystem eignet sich somit insbesondere für die Herstellung einer Mikrokonzentrator-Solarzelle. Alternativ könnte das Trägersubstrat auch Silizium aufweisen und die Festkörperschicht aus einem Verbindungshalbleitermaterial bestehen. Ein solches Schichtsystem eignet sich insbesondere für optoelektronische Anwendungen wie Mikro-LEDs.
  • Das Schichtsystem aufweisend das Trägersubstrat und die Festkörperschicht wird anschließend in eine Vakuumkammer transferiert (Schritt S2). Die Vakuumkammer umfasst einen Gaseinlass und einen Gasauslass und eignet sich zur chemischen Gasphasenabscheidung (CVD). In der Vakuumkammer befindet sich ein Schichthalter an dem das Schichtsystem befestigt wird (Schritt S3).
  • Die Vakuumkammer weist weiterhin ein Fenster auf. Durch das Fenster wird das Schichtsystem mit mehreren Laserstrahlen beleuchtet. Dafür wird zunächst mit einem Laser ein einzelner Eingangslaserstrahl erzeugt (Schritt S4). Der einzelne Eingangslaserstrahl wird durch ein Diffraktives Optisches Element in mehrere Laserstrahlen aufgespalten (Schritt S5). Das hier verwendete Diffraktive Optische Element ist ein Phasenmodulator, der ausgebildet ist, den einzelnen Eingangslaserstrahl in die mehreren Laserstrahlen aufzuspalten, so dass die mehreren Laserstrahlen eine im Wesentlichen identische Intensität aufweisen. Alternativ könnte zum Aufspalten des Eingangslaserstrahls auch ein Linsensystem aus wabenartig angeordneten Mikrolinsen verwendet werden. Es könnten auch mehrere Laser verwendet werden, um die mehreren Laserstrahlen zu erzeugen.
  • Die aufgespaltenen mehreren Laserstrahlen werden mittels einer Fokussierlinse auf die Oberfläche der Festkörperschicht des Schichtsystems fokussiert (Schritt S6). In dem hier beschriebenen Verfahren beträgt der Fokusabstand 238 mm, kann aber in alternativen Varianten des Verfahrens insbesondere zwischen 200 mm und 300 mm betragen.
  • Das Diffraktive Optische Element ist so angeordnet und ausgebildet, dass es den einzelnen Eingangslaserstrahl derart in die mehreren Laserstrahlen aufspaltet, dass die Oberfläche der Festkörperschicht in einem regelmäßigen Muster durch die mehreren Laserstrahlen beleuchtet wird. In den durch die mehreren Laserstrahlen bestrahlten Bereichen erfolgt ein lokalisiertes Erhitzen der Oberfläche der Festkörperschicht (Schritt S7). Es findet insbesondere ein lokalisierter Energieeintrag in die Festköperschicht statt. Da die Oberfläche der Festkörperschicht in einem regelmäßigen Muster durch die mehreren Laserstrahlen bestrahlt wird, entsteht so ein regelmäßiges Muster von lokal erhitzten Bereichen auf der Oberfläche der Festkörperschicht. Beispielsweise können so 49 lokal erhitzte Bereiche erzeugt werden, die zu jeweils benachbarten erhitzten Bereichen einen Abstand von 750 µm aufweisen.
  • Anschließend wird durch den Gaseinlass in die Reaktionskammer ein pyrolytisch zersetzbares Gas eingeleitet, das wenigstens eine metallorganische Verbindung aufweist (Schritt S8). Zum Herstellen einer CIGSe-Mikrokonzentrator-Solarzelle weist das pyrolytisch zersetzbare Gas insbesondere Trimethylindium (TMIn) auf. Das pyrolytisch zersetzbare Gas wird an den aufgeheizten Bereichen auf der Oberfläche der Festkörperschicht zersetzt. Bei der Zersetzung wird das Metall, also hier Indium, in den aufgeheizten Bereichen auf der Oberfläche der Festkörperschicht abgeschieden (Schritt S9). Ein bei der Zersetzung entstehender Kohlenwasserstoffrest wird durch den Gasauslass der Reaktionskammer abgepumpt (Schritt S10). Dadurch entsteht auf der Oberfläche der Festkörperschicht ein regelmäßiges Muster von metallischen Tropfen.
  • Zur Herstellung von metallischen Legierungen, wie z.B. In-Ga-Cu, wird in die Reaktionskammer entsprechend ein pyrolytisch zersetzbares Gas eingeleitet, das weitere metallorganische Verbindungen aufweist, beispielsweise Trimethylgallium (TMGa) und Trimethylkupfer (TMCu).
  • Zur Herstellung einer CIGSe-Mikrokonzentrator-Solarzelle findet anschließend eine Selenisierung statt (Schritt S11). Dafür wird das Schichtsystem in eine Selenisierungskammer transferiert, in der die Selenisierung durch plasmagestützte Abscheidung erfolgt. Alternativ könnte die Selenisierung auch in derselben Reaktionskammer durchgeführt werden, indem durch den Gaseinlass ein entsprechendes Präkursor-Gas eingeleitet wird, z.B. durch lasergenerierte Zersetzung von Ditertbutyl-selenid oder Diisopropyl-selenid.
  • Nach der Herstellung der CIGSe-Mikroinseln als p-dotiertes Material werden in dem Verfahren in sich anschließenden Prozessschritten mittels chemischer Badabscheidung 20 nm bis 60 nm, beispielweise 50 nm, CdS als eine n-dotierte Schicht auf die CIGSe-Inseln abgeschieden. Danach wird die Probe durch Sputtern mit 200 nm bis 350 nm, beispielsweise 300 nm, ZnO:Al beschichtet, um die Heterostruktur der CIGSe-Solarzelle abzuschließen. Über den Absorberinseln wird eine Linsenanordnung platziert, die eine Vielzahl Mikrolinsen aufweist, die in demselben Muster wie die Absorberinseln angeordnet sind (Schritt S12). Die Mikrolinsen werden so über den Absorberinseln positioniert, dass die Mikrolinsen Sonnenlicht auf die Absorberinseln fokussieren können.
  • 2 zeigt schematisch und beispielhaft einen Züchtungsaufbau 200 zum Herstellen einer Anzahl lokalisierter Strukturen auf eine Oberfläche einer Festkörperschicht. Mit dem Züchtungsaufbau 200 kann insbesondere das mit Bezug auf 1 beschriebene Verfahren durchgeführt werden.
  • Der Züchtungsaufbau 200 weist eine Vakuumkammer 202 zum Herstellen einer Festkörperschicht auf. Die Vakuumkammer 202 gehört zu einer PVD-Anlage, so dass die Festkörperschicht mittels PVD in der Vakuumkammer 202 auf das Trägersubstrat aufgebracht werden kann. Alternativ könnte die Vakuumkammer 202 auch zu einer MBE-Anlage, MOCVD-Anlage oder Sputter-Anlage gehören und die Festkörperschicht entsprechend mittels MBE, MOCVD oder Sputtern auf das Trägersubstrat aufgebracht werden.
  • Der Züchtungsaufbau 200 umfasst weiterhin eine Reaktionskammer 204 aufweisend einen Gaseinlass 206 zum Einleiten eines pyrolytisch zersetzbaren Gases vorzugsweise aufweisend wenigstens eine metallorganische Verbindung, wie z.B. Triethylindium, Trimethylindium, Trimethylgallium, Trimethylkupfer, und mit einem Gasauslass 208. In der Reaktionskammer 204 ist weiterhin ein Schichthalter 210 zum Halten der Festkörperschicht angeordnet.
  • An den Gaseinlass 206 der Reaktionskammer 204 ist eine Gasquelle 210 fluidleitend angeschlossen, zum Bereitstellen des pyrolytisch zersetzbaren Gases insbesondere aufweisend die wenigstens eine metallorganische Verbindung.
  • Die Reaktionskammer 204 weist weiterhin ein Fenster 212 und der Züchtungsaufbau 200 weist weiterhin eine Laserstrahlenbereitstellungsvorrichtung 211 mit einem Laser 214 auf. Der Laser 214 ist so in Bezug auf die Reaktionskammer 204 angeordnet, dass mit einem von dem Laser 214 emittierten Laserstrahl eine von dem Schichthalter 210 gehaltene Festkörperschicht beleuchtet werden kann.
  • Zwischen dem Laser 214 und dem Fenster 212 sind ein Diffraktives Optisches Element 216 und eine achromatische Linse 218 angeordnet. Das Diffraktive Optische Element 216 gehört ebenfalls zu der Laserstrahlenbereitstellungsvorrichtung 211 und ist so in Bezug auf den Laser 214 angeordnet, dass ein von dem Laser 214 emittierter einzelner Eingangslaserstrahl von dem Diffraktiven Optischen Element 216 in mehrere Laserstrahlen aufgespalten wird. Das Diffraktive Optische Element 216 ist insbesondere ein Phasenmodulator, kann aber auch ein Intensitätsmodulator sein. Alternativ zu dem Diffraktiven Optischen Element 216 könnte die Laserstrahlenbereitstellungsvorrichtung 211 auch ein Linsensystem zum Aufspalten eines Eingangslaserstrahls des Lasers 214 aufweisen. Wiederum alternativ könnte die Laserstrahlenbereitstellungsvorrichtung 211 auch mehrere Laser aufweisen, deren Laserstrahlen entweder direkt als mehrere Laserstrahlen auf die Festkörperschicht treffen oder auf ihrem Weg durch ein Diffraktives Optisches Element oder ein Linsensystem zunächst in mehrere Laserstrahlen aufgespalten werden.
  • Die achromatische Linse 218 ist zwischen dem Diffraktiven Optischen Element 216 und dem Fenster 212 angeordnet und so ausgebildet, dass die achromatische Linse 218 die von dem Diffraktiven Optischen Element 216 erzeugten mehreren Laserstrahlen auf ein von dem Schichthalter 210 gehaltenes Schichtsystem fokussiert.
  • Während eines Herstellens lokalisierter Strukturen auf der Oberfläche einer Festkörperschicht mit dem Züchtungsaufbau 200 wird mittels der mehreren Laserstrahlen die Oberfläche der Festkörperschaft lokal erhitzt, so dass sich auf der Oberfläche der Festkörperschicht mehrere lokal erhitzte Bereiche bilden.
  • Das Diffraktive Optische Element 216 ist insbesondere so ausgebildet, dass mit den mehreren Laserstrahlen auf der Oberfläche der Festkörperschicht ein regelmäßiges Muster lokal erhitzter Bereiche erzeugt werden kann. Wenn aus der Gasquelle 213 ein pyrolytisch zersetzbares Gas in die Reaktionskammer 204 eingeleitet wird, zersetzt sich die metallorganische Verbindung, so dass z.B. das Metall einer metallorganischen Verbindung in den lokal erhitzten Bereichen abgeschieden wird. Auf diese Weise bilden sich in den lokal erhitzten Bereichen lokalisierte Strukturen, die in demselben Muster angeordnet sind, wie die lokal erhitzten Bereiche. Entsprechend ist es möglich, lokalisierte Strukturen in einem regelmäßigen Muster auf der Oberfläche der Festkörperschicht herzustellen.
  • Falls eine anschließende Selenisierung der lokalisierten Strukturen durchgeführt werden soll, kann die Festkörperschicht in eine Selenisierungskammer 220 des Züchtungsaufbaus 200 überführt werden. Die Selenisierung kann beispielsweise durch plasmagestützte Abscheidung erfolgen. Alternativ könnte die Selenisierung auch in der Reaktionskammer 204 durchgeführt werden, nämlich durch Einleiten eines pyrolytisch zersetzbaren Gases, welches die metallorganische Verbindung Ditertbutyl-selenide (DTBSe) oder Diisopropyl-selenide (DIPSe) aufweist.
  • 3 zeigt eine Vakuumkammer 300 einer PVD-Anlage zum Aufbringen einer Festkörperschicht auf ein Trägersubstrat 302. Die Vakuumkammer 300 könnte beispielsweise als die Vakuumkammer 202 in dem Züchtungsaufbau 200 verwendet werden.
  • In der Vakuumkammer 300 ist ein Schichthalter 304 angeordnet, von dem das Trägersubstrat 302 gehalten wird.
  • Mittels eines Elektronenstrahlverdampfers 306 kann ein Elektronenstrahl 308 erzeugt und mittels eines Magnetfeldes auf das Ausgangsmaterial 312 gelenkt werden, um das Ausgangsmaterial 312 zu verdampfen. Das in die Gasphase überführte Ausgangsmaterial 314 kondensiert an dem Trägersubstrat 302 und bildet dort die Festkörperschicht eines Schichtsystems. Wenn das so hergestellte Schichtsystem zum Herstellen einer Mikrokonzentrator-Solarzelle verwendet werden soll, ist es bevorzugt, wenn das Trägersubstrat 302 eine amorphe Schicht ist und insbesondere aus Glas besteht. Das Ausgangsmaterial 312 weist vorzugsweise Molybdän auf, so dass auf dem Glassubstrat eine Festkörperschicht aus Molybdän aufgebracht wird. Die Festkörperschicht aus Molybdän kann in der Mikrokonzentrator-Solarzelle als Rückkontakt verwendet werden.
  • 4 zeigt einen Züchtungsaufbau 400 zum Herstellen lokalisierter Strukturen auf einer Oberfläche 402 einer Festkörperschicht 404 während eines Bestrahlens der Festkörperschicht 404 mit mehreren Laserstrahlen 406.
  • Der Züchtungsaufbau 400 umfasst eine CVD-Reaktionskammer 408 mit einem Gaseinlass 412 und einem Gasauslass 414. In der CVD-Reaktionskammer 408 ist ein Schichthalter 416 angeordnet, der ein Schichtsystem 418 hält. Das Schichtsystem 418 weist ein amorphes Trägersubstrat 420 und eine kristalline Festkörperschicht 404 auf.
  • Die CVD-Reaktionskammer 408 weist auch ein Fenster 422 auf, durch das Laserstrahlen von außerhalb der CVD-Reaktionskammer 408 in die CVD-Reaktionskammer 408 zum Beleuchten der Oberfläche 402 der Festkörperschicht 404 eindringen können.
  • Außerhalb der CVD-Reaktionskammer 408 ist ein Laser 424 angeordnet, der einen kollimierten Eingangslaserstrahl 426 in Richtung des Schichtsystems 418 emittiert. Der kollimierte Eingangslaserstrahl 426 trifft zunächst auf ein Diffraktives Optisches Element 428 und wird von diesem in mehrere Laserstrahlen 430 punktförmig aufgespalten. Das Diffraktive Optische Element 428 ist vorzugsweise entweder ein Phasenmodulator oder ein Intensitätsmodulator. Die mehreren Laserstrahlen 430 werden von einer Fokussierlinse 431 als fokussierte Laserstrahlen 406 durch das Fenster 422 auf die Oberfläche 402 der Festkörperschicht 404 gelenkt.
  • Die mehreren Laserstrahlen 406 werden insbesondere so auf die Oberfläche 402 der Festkörperschicht 404 fokussiert, dass auf der Oberfläche ein regelmäßiges Muster von durch die Laserstrahlen 406 erhitzten Bereiche entsteht. Die erhitzten Bereiche stellen insbesondere diejenigen Stellen auf der Oberfläche 402 der Festkörperschicht 404 dar, an denen die Gaskomponente eines durch den Gaseinlass 412 eingeleitetes pyrolytisch zersetzbaren Gases z.B. aus metallorganischen Verbindungen durch eine chemische Reaktion abgeschieden wird. Dadurch können auf der Oberfläche 402 der Festkörperschicht 404 lokalisierte Strukturen in einem regelmäßigen Muster hergestellt werden.
  • 5 zeigt beispielhaft das Ergebnis einer Simulation einer Temperaturverteilung 500 auf einer Oberfläche einer Festkörperschicht, unter der Annahme, dass die Oberfläche mit mehreren punktförmig aufgespaltenen Laserstrahlen beleuchtet wird. Weiterhin wurde für die Simulation angenommen, dass die mehreren punktförmig aufgespaltenen Laserstrahlen in der Festkörperschicht absorbiert werden, so dass die Festkörperschicht an ihrer Oberfläche lokal aufgeheizt wird aber dabei nicht aufschmilzt.
  • Die Festkörperschicht besteht hierbei aus Molybdän und ist auf einem Trägersubstrat aus Kalk-Natron-Glas angeordnet. Zum Erstellen der Simulation wurden die Molybdän-Schichtdicke, die Dicke des Trägersubstrats sowie der Durchmesser der mehreren punktförmig aufgespaltenen Laserstrahlen und die Laserleistung so gewählt, dass die gezeigte Temperaturverteilung auf der Oberfläche der Molybdänschicht erreicht wurde.
  • In dem hier beispielhaft gezeigten Ausschnitt der Simulation wird die Oberfläche 501 der Molybdänschicht in neun Bereichen 502, 504, 506, 508, 510, 512, 514, 516, 518 lokal erhitzt. Entsprechend wird die Oberfläche 501 in diesem Ausschnitt mit neun punktförmig aufgespaltenen Laserstrahlen bestrahlt.
  • Die Abszisse 520 und die Ordinate 522 geben beispielhaft die räumlichen Koordinaten auf der Oberfläche 501 in Mikrometern an. Auf der Oberfläche 501 ist die Temperaturverteilung 500 durch Linien dargestellt, die die jeweilige Temperatur in °C an der entsprechenden Stelle der Oberfläche 501 repräsentieren.
  • Die erhitzten Bereiche 502, 504, 506, 508, 510, 512, 514, 516, 518 sind räumlich voneinander beabstandet und in einem regelmäßigen Muster angeordnet. Die erhitzten Bereiche 502, 504, 506, 508, 510, 512, 514, 516, 518 weisen jeweils in ihrem Zentrum 524 die höchste Temperatur auf. Von dem jeweiligen Zentrum 524 ausgehend sinkt die Temperatur. An Positionen 526 zwischen den erhitzten Bereiche 502, 504, 506, 508, 510, 512, 514, 516, 518, ist die Temperatur deutlich geringer als in den jeweiligen Zentren 524 der erhitzten Bereiche 502, 504, 506, 508, 510 ,512, 514, 516, 518. Die erhitzten Bereiche 502, 504, 506, 508, 510, 512, 514, 516, 518 sind somit lokalisiert angeordnet, so dass die Zersetzung eines in die Reaktionskammer eingeleiteten pyrolytisch zersetzbaren Gases lokalisiert in den jeweiligen erhitzten Bereiche 502, 504, 506, 508, 510, 512, 514, 516, 518 stattfinden kann. Die hier dargestellte Temperaturverteilung 500 ermöglicht insbesondere die Herstellung lokalisierter Strukturen auf einer Oberfläche 501 einer Festkörperschicht in einer Reaktionskammer.
  • 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
    • F. Ringleb, et al., in dem Artikel „Growth and shape of indium islands on molybdenum at micro-roughened spots created by femtosecond laser pulses. Applied Surface Science 2017; 418: 548-553 [0007]
    • F. Ringleb, et al., in dem Artikel „Regularly arranged indium islands on glass/molybdenum substrates upon femtosecond laser and physical vapor deposition processing. Appl. Phys. Lett. 2016; 108: 111904 [0007]

Claims (15)

  1. Verfahren zum Herstellen einer Anzahl lokalisierter Strukturen auf einer Oberfläche einer Festkörperschicht, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: - Bereitstellen einer Festkörperschicht in einer Reaktionskammer, - Bestrahlen der Oberfläche der Festkörperschicht mit mehreren Laserstrahlen, so dass die Festkörperschicht in von den Laserstrahlen bestrahlten Bereichen jeweils lokal aufgeheizt wird, - Einleiten wenigstens eines pyrolytisch zersetzbaren Gases in die Reaktionskammer, und - lokalisiertes Abscheiden wenigstens einer Gaskomponente des pyrolytisch zersetzbaren Gases auf der Oberfläche der Festkörperschicht in den durch die Laserstrahlen aufgeheizten Bereichen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das pyrolytisch zersetzbare Gase wenigstens eine metallorganische Verbindung aufweist und die lokalisiert abgeschiedene Gaskomponente ein Metall der metallorganischen Verbindung ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zunächst ein einzelner Eingangslaserstrahl erzeugt wird, der durch ein Diffraktives Optisches Element oder ein Linsensystem in die mehreren Laserstrahlen aufgespalten wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mehreren Laserstrahlen von mehreren Lasern erzeugt werden.
  5. Verfahren nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die mehreren Laserstrahlen so erzeugt werden, dass durch das Bestrahlen der Oberfläche mit den mehreren Laserstrahlen auf der Oberfläche der Festkörperschicht ein regelmäßiges Muster von lokal aufgeheizten Bereichen entsteht.
  6. Verfahren nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, das weiterhin die zeitlich vorgelagerten Schritte aufweist: - Bereitstellen eines Trägersubstrats in einer Vakuumkammer, - Aufbringen der Festkörperschicht auf dem Trägersubstrat durch Abscheidung aus einer Gasphase, und - Transferieren des Trägersubstrats mit aufgebrachter Festkörperschicht in die Reaktionskammer.
  7. Verfahren nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine pyrolytisch zersetzbare Gas die metallorganische Verbindung Triethylindium, Trimethylindium, Trimethylgallium, Trimethylkupfer oder Dimethylselenid oder mehrere dieser metallorganischen Verbindungen in Kombination aufweist.
  8. Züchtungsaufbau zum Herstellen einer Anzahl lokalisierter Strukturen auf einer Oberfläche einer Festkörperschicht, aufweisend: - eine Reaktionskammer aufweisend einen Gaseinlass und einen Gasauslass, wobei innerhalb der Reaktionskammer ein Schichthalter zum Halten einer Festkörperschicht angeordnet ist, - eine an den Gaseinlass angeschlossene Gasquelle, zum Bereitstellen eines pyrolytisch zersetzbaren Gases, und - eine Laserstrahlenbereitstellungsvorrichtung, die ausgebildet und angeordnet ist, eine von dem Schichthalter gehaltene Festkörperschicht mit mehreren Laserstrahlen zu bestrahlen, um die Oberfläche einer von dem Schichthalter gehaltenen Festkörperschicht in von den Laserstrahlen bestrahlten Bereichen jeweils lokal aufzuheizen.
  9. Züchtungsaufbau nach Anspruch 8, wobei die Laserstrahlenbereitstellungsvorrichtung einen Laser zum Bereitstellen eines Eingangslaserstrahls und ein Diffraktives Optisches Element oder ein Linsensystem zum Aufspalten des Eingangslaserstrahls in die mehreren Laserstrahlen aufweist.
  10. Züchtungsaufbau nach Anspruch 9, der weiterhin eine achromatische Linse aufweist, die angeordnet und ausgebildet ist, von dem Diffraktiven Optischen Element oder von dem Linsensystem aufgespaltenen Laserstrahlen auf die Oberfläche einer von dem Schichthalter gehaltenen Festkörperschicht zu fokussieren.
  11. Züchtungsaufbau nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Laserstrahlenbereitstellungsvorrichtung eine Laseranordnung aus mehreren Lasern aufweist, die ausgebildet und angeordnet sind, die mehreren Laserstrahlen bereitzustellen.
  12. Züchtungsaufbau nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 11, der weiterhin eine Selenisierungskammer aufweist, die so ausgebildet ist, dass in dieser auf der Oberfläche der Festkörperschicht hergestellte lokalisierte Strukturen selenisiert werden können.
  13. Verwendung einer nach dem Verfahren gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellten Festkörperschicht mit aufgebrachten lokalisierten Strukturen zur örtlich definierten Herstellung von Nanostrukturen, Mikrostrukturen, oder Millimeterstrukturen, wobei die lokalisierten Strukturen als ein Präkursor für ein Wachstum der Nanostrukturen, Mikrostrukturen, oder Millimeterstrukturen dienen.
  14. Mikrokonzentrator-Solarzelle aufweisend eine nach dem Verfahren der Ansprüche 1 bis 7 hergestellte Festkörperschicht mit auf der Oberfläche der Festkörperschicht angeordneten lokalisierten Strukturen und ein Linsenarray, das so angeordnet und ausgebildet ist, dass sich über den lokalisierten Strukturen jeweils eine Linse des Linsenarrays befindet, um einfallendes Sonnenlicht auf die jeweilige lokalisierte Struktur zu fokussieren.
  15. Micro-LED aufweisend eine nach dem Verfahren der Ansprüche 1 bis 7 hergestellte Festkörperschicht mit auf der Oberfläche der Festkörperschicht angeordneten lokalisierten Strukturen, wobei die lokalisierten Strukturen Bestandteil oder Träger jeweils einer LED-Struktur sind, die bei Anlegen einer Spannung elektromagnetische Strahlung emittiert.
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