DE1564386A1 - Verfahren zur Herstellung einer photoempfindlichen Halbleitervorrichtung,z.B. einer Sonnenzellenbatterie mit hoher Leistung - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer photoempfindlichen Halbleitervorrichtung,z.B. einer Sonnenzellenbatterie mit hoher Leistung

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DE1564386A1 DE19661564386 DE1564386A DE1564386A1 DE 1564386 A1 DE1564386 A1 DE 1564386A1 DE 19661564386 DE19661564386 DE 19661564386 DE 1564386 A DE1564386 A DE 1564386A DE 1564386 A1 DE1564386 A1 DE 1564386A1
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Description

DipUng. ERICH E. WALTHER Patentanwalt , 1564386
Anmeyir:NeV. Philips
Afelei ΪΗΝ-820
Anmeldungνββι 22.PeIDr. 19§6 _,
Dr. Expl.
"Verfahren zur Herstellung einer photoempfindlichen Halbleitervorrichtung, z.B. einer Sonnenzellenbatterie mit hoher Leistung."
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer photoempfindlichen Halbleitervorrichtung, z.B. einer Sonnenzellenbatter: mit einem Halbleiterkörper mit einer ersten 2one eines Lei tungsten eiaj zweiten Zone entgegengesetzten Leitungstype, die mit der ersten Zone einen p-n-Uebergang bildet, wobei in der ersten Üone die Konzentration der den Leitungstyp bedingenden Verunreinigung in Richtung auf den p-n-Uebergang abnimmt, und auf ein aus Halbleitermaterial eines Leitung) type bestehendes Substrat durch epitaxialeo anwachsen eine Schicht au· gleichem Halbleitermaterial eines Leitungatypo aufgebracht wird, in der über einen Teil der Schichtstärke durch Diffusion die zweite Zone mit entgegengesetztem Leitungstyp gebildet wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine photoempfindliohe Halb
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leitervorrichtung, die durch Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung hergestellt ist.
Photoeajpfindliahe Halbleitervorrichtungen der vorliegenden Art finden z.B. ale Sonnenzellenbatterie in künstlichen. Satelliten für Raumuntersuchung Anwendung und besitzen meist einen Halbleiterkörper aus Silizium. Dabei müssen diese Photospannungszellen während einer gewiesen Zeit in einer itaumzone funktionieren, in der niöh geladene Teilchen mit hoher Energie befinden, die eine schnelle Verschlechterung der Zellen herbeiführen können. Das Bombardement mit diesen Teilchen hoher ßnergie erhöht nämlich die Konzentration von Kristallfehlern im Halbleiterkrietall und bewirkt dadurch eine Herabsetzung der Diffusionekonstante und der Lebensdauer der Minoritataladungsträger, also der Energieleistung der Zellen.
t£a iöt daher notwendig, fellen einer abweichenden Struktur herzustellen, deren i^nergieauübeute weniger duroh die Verschlechterung des Siliziums beeinflusst wird. Man kann dazu die Herα teilung von Konstruktionen erwägen, bei denen die iäinfangmöglichkeit trotz der geringen Lebensdauer der kinoritltB-lfidungsträger vergrösoert wird. So kann man z.B. diene iiinfungaögliahkoit durch die Einwirkung eineu elektribchen Feldes erhöhen, welches spontan in einem Halblelterkriatall auftritt, wenn dessen Dotierung nioht homogen ist.
In "Proc. 1.^.^.^.", May I963, wurde von M. Wolf die Ausbeute von Sonnenzellen mit einem Dotierungsgrudient für einige theoretische ^ Modelle berechnet unter Berücksichtigung sämtlicher Variabelen um Paret0 meter der Sonnenstrahlung. In diesem Artikel wird aber kein Aueführungs-
N> beispiel einer uolohon Zelle gegeben.
**"· Weiterhin ist ein Verfahren *ur Herstellung einer Halbleiter-
vorrichtung mit einem Substrat eines Leitungetype und ait niedrige» spezifiuohem Widerstand bekannt, welches über eine epitaxiale Hchioht gleichen Leltungatypo und mit hohem apeaifisohe* Wider·tend- «it «enig- <
stens einer Halbleiterschicht entgegengesetzten Leitungstyps verbunden ist. um unerwünschte läinflüsse auf die elektrischen Eigenschaften des üebergangs infolge der Anwesenheit einer gestörten Schicht beim üebergang zwischen Substrat und epitaxialer Schicht zu vermeiden, wird zwischen dem Substrat und der epitaxiulen Jchicht mit hohem spezifischem Widerstand eine Yürbindungstjchicht angebracht. Diese Verbindungsaohicht ist von gleichem Leitungstyp wie das Substrat und hat eine !Stärke von etwa 0,001 bis 0,002 mm und einen geringen spezifischen V/iderstand und weist «inen Dotierungsgradient auf. Die Verbindungsschicht kann z.B. durch Diffusion der den Leitungetyp bedingenden Verunreinigung des Substrats in die epitaxiale Schicht gebildet werden. Die so entstandene Struktur bietet aber keine Lösung für das erwähnte Problem der Verschlechterung der Zellen infolge von Bombardement mit schnellen Elektronen.
Die vorliegende Erfindung bezweckt, ein Verfahren zur Herstellung von photoerapfindlicheri Halbleitervorrichtungen, z.B. fhötospannungszellen, mit hohor Ünergieauabeute und verbeusertem Widerstand gegen Bombardement rait geladenen !Teilchen hoher Energie zu schaffen.
Dazu wird bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art zur Herstellung einer photoempfindlichen Halbleitervorrichtung mit einem Halbleiterkörper nit einer ersten Üone eines Leitungetyps und einer zweiten Zone entgegengesetzten Leitungstyps, die mit der ersten Zone einen p-n-Uebergang bildet, wobei in der ersten Zone die Konzentration der den Leitungatyp bedingenden Verunreinigung in Richtung zum p-n-UebergHrig abnimmt, nach der Erfindung von einem 3ubetrat mit einer Verunreinigung eines Leitungstype ausgegangen und, bevor die Verunreinigung dee entgegengesetzten Type in die epitaxiale Schicht eindiffundiert wird, durch Erhitzung die Verunreinigung eines Type aus dem Substrat in die epituxiale Schicht über praktisch die ganae Schiohtstärke eindiffundiert.
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Dabei wird nach einer Vorzugsausführu'igsf orm des Verfahrene nach der Erfindung; die Verunreinigung eines Leitungstyps wenigstens zur Hauptsache während des epitaxialen Anwachsens aus dem Substrat in die epitaxiule Schicht eindiffundiert. Unter gewissen Umständen kann es aber vorteilhaft sein, die Verunreinigung eines Leitungstyps wenigstens teilweise durch Erhitzung nach Beendigung des epitaxialen Anwachsens aus dem Substrat in die epitaxiale Schicht zu diffundieren.
Vorzugsweise wird ein Halbleiterkörper aus Silizium verwendetί Dabei wird nach einer wichtigen Vorzugsausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung als Verunreinigung eines Typs ein Akzeptor, vorzugsweise Aluminium, gewählt. Aluminium bietet den Vorteil, schnell zu diffundieren (Diffusionskonstanto 5 χ 10r Ώ /Sek. bei 1270° C) und am besten ge^en die Einwirkung schneller Elektronen beständig zu sein.
Das epitaxiale Anwachsen von Silizium wird vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 1250° C und1300° C in einer SiCl und H3 enthaltenden Atmosphäre durchgeführt. Dabei wird nach einer weiteren Vorzugsausführungsform des Verfahrens nach dem epitaxialen Anwachsen dee Aluminium au.» dem Substrat in die epitaxiale Schicht durch Verhitzung zwischen 1250° und 13ΟΟ0 C in einem Inerten Gas eindiffundiert zwecks iSrzielung des gewünschten Konzontrationsverlaufs.
Das auf das Substrat aus der Dampfphase epitaxial niedergeschlagene Uatcrial ist vorzugsweise beträchtlich niedriger dotiert als das Substrat, Im Falle des epitaxialen Anwachsens einer p-Typ leitenden Siliziuraechicht wird dabei vorteilhaft eine mit Bor dotierte Schioht aufgebracht. Dabei wird zur Bildung der zweiten Zone entgegengesetzten Leitungenps nach oinfir wichtigen Vorzugsausführungoform über einen Teil der Stärke der epitaxial aufgebrachten Schioht Phosphor eindiffundiert.
i-jine besonders günstige Struktur wird erzielt, wenn von einem Substrat mit einer üta'rk« von etwa 0,3 nun ausgegangen wird, und aas
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BAD OfWGJNAL
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Aluminium über eine Tiefa von etwa 0,02 mm und das Phosphor über eine Tiefe von etwa 0,0002 mm in die epitaxiale Schicht eindiffundiert werden.
Schliesslioh betrifft die Erfindung eine photoempfindliche Halbleitervorrichtung, die gemä'ss dem Verfahren nach der Erfindung hergestellt ist.
Die Erfindung wird an Hand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Sonnenzelle, die ge.mäss dem Verfahre nach der Jrfiudung hergestellt ist.
Fig. 2 zeigt die Dotrarungokurve der epitaxialen üohicht (auf^ logari thraischem Masstab) in Abhängigkeit vom Abstand zum liebergang.
Fig. 3 zeigt die Dotierungskurve für die verschiedenen Schichten in Abhängigkeit vom abstund vom Substrat her. Kb wird nunmehr die Herstellung einer oonnenzellenbatterie beschrieben (eiehe Fig. 1) mit einem Kalbleitorkörper mit einer ernten Zone (1, 2) eines Leitungstyps und einer zweiten ijorie ^3) entgegengesetzten LeitungstypB, die mit der eraten Zone (1, 2) einen p-n-Uebergang bildet, wobei in der ersten Zone (1, 2) die Konzentration der den Leitungstyp bedingenden Verunreinigung in Richtung zum p-n-Uebergang abnimmt.
' üs wird von oinem Substrat ausgegangen, welches aus einer rechtwinkligen Platte aus p-Typ leitendem Silizium mit Abmessungen von etwa 10 rna χ 20 mm besteht, die als den Leitungstyp bedingende Verunreinigung Aluminium in einer Konzentration S. · 5 x 10 At/om enthält, entsprechend einem apezifiaohon Widerstand G » 0,01 U cm.
O Die Platte hat ursprünglich eine Stärk® von 0e5 mm die duroh
SchLeifon auf 0,4 ram und annchlieesend duroh Aetzen in einem Bad von
z.B. einem Gemisch von Salpetersäure? Flüorwaooeratoffaäure und iS säure auf 0,3 nun reduziert wird,,
Auf dwie Dabatrat 1 wird duroh ©pitexialos Anwaoheen ©in®
Siliziumachioht, vöraugövv.fe:uä@ mit p-l'yp^'fe.ptjr^oiaißiang Ieloht ä-^
BAD ORIGINAL
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z.B. in einer Koazentratiou von 10 At.'/om (spezifischer Widerstand höher als 100 U ein), niedergeschlagen bi-s eine Schicht 2 mit einer LJtJt von 0,02 ram entstanden ist, wobei die imwachsgeijchwindigkeit 0,5 μ/am beträgt. Dieser epitaxiale liieriersohlag entsteht dadurch, dass daa oub-8trat 1 bei 1250° C mit einoa Gemisch der Gaoe UiCl , Ii0 und BCl- in Kontakt gebracht wird, wobei letzteres Gas den Akzeptor liefert (üor).
Während der ganzen Bauer dieses Niederschlags diffundiert das Aluminium aus dem Substrat 1 in die Schicht 2, während deren Anwachsens.
Auf diese Weise entsteht ein Dotierungsgradierit in der Schicht 2, der nachstehend an Hand der Figuren 2 und J beschrieben wird.
Der Dotierungsgrudient kann anschließend durch Sintern in einem Ofen zwischen 12^0 G und I3OO G in Anwesenheit eines inerten Gaees noch abgeändert werden. Nach einer bekannten Technik wird darauf zur'Diffusion einer Verunreinigung entgegengesetzten Typs (z.B. Phosphor) übergegangen, ao dass eine Schicht 3 mit entgegengesetztem Leitungstyp (Typ n) ensteht zur Bildung des photoempfindlichen p-n-öebergaags. Dazu wird das Ganze in einer aus Stickstoff und i'hosphorpentoxyd (P„0r) bestehenden Atmosphäre eine halbe Stunde lang bei <)0ü C erhitzt. Das Aetzen der Hinter- und Seitenflächen der äelle, ao?.-ie die Entfernung der Oxydaohicht von der Vorderseite erfolgt nit bekannten Schleiftechniken und/oder chemischen Aetztechniken. Die entstandene n-Typ-Sohioht 3 hnt eine geringe Stärke von z.B. 0,002 rom.
Auf den n- und p-Schlchten der Zelle werden Kontakte gebildet (gegebenefalls über Masken 4, siehe Fig. 1), die darauf gewünschtenfallB nach bekannten Techniken gesintert werden können. Das Anbringen der Kontakte kann z.B. durch Ionenaustausch, Elektrolyse, Kathodenzerstäubung oder Verdampfung im Vakuum erfolgen.
Fig. 2 zeigt .in logarithmiuoher Sknla die Akzeptordotierung
I. in der epitaxialen Schicht in Abhängigkeit vom Abatf ad χ gegenüber
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dein Uebergang bei ."Diffusion während des epitaxialen Anwachsens. Die in gestri-cjholt-punktierter Linie cUirgestellte Kurve gilt für eine Schicht, die während des epitaxialen Niederschlags mit einer Akzeptorkonzentration (Bor) biß 10 At./ca dotiert wurde, τ/ie vorstehend beschrieben. Die in vollauBgezogener Linie dargeatellte Kurve gilt für eine nichtdotierte Schicht. Die in gestrichelter Linie dargestellte Kurve betrifft eine ochicht, die während dos epitaxialen Niederschlags mit einem Donator bis zu einer Konzentration von 10 At./cm dotiert wurde.
Dieye Kurven zeigen., dass die während des Anwachsens auftretende Diffusion aus dem Substrat in die epitaxiale Schicht zu einem geeigneten üotierungsgradienten führen kann, solange die epitaxiale Schicht in geringem Masse p-Typ dotiert ist. Diese Massnahme macht es auGserdem möglich, einen p-n-öehergang nahe an der Oberfläche zu erzielen, was für eine hohe Ausbeute der Photospannungszelle erwünscht ist.
In Fig. 5 iat auf der Abszissenachse die n-Typ-Dotierung H,- - N in den verschiedenen Schichten und auf der Ordinatenachse der
Abstand e vom Substrat her abgetragen. Der Verlauf der Dotierung in der epituxialen JJ chi ent ist zwischen den Punkten e, und e„ dargestellt.
ils iot einleuchtend, dass die Erfindung nicht auf das obenerwähnte Beispiel beschränkt ist und dass für den Fachmann im Rahmen der J "firvjurif; viole Kodifikationen möglich sind. So können Aenderungen angebracht werden, besonders hinsichtlich der Art des verwendeten Materials und der atärse der schichten, ohne daas der RaInnen der Erfindung verlauaon y.'
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Claims (13)

  1. -8- PHN 820
    T56Ä386
    PAT äU i^Nü PRUiICIIE ι
    ι 1. J Verfahren zur Herstellung einer photoempfindlichen Halbleitervorrichtung, z.B. einer Sonnenzellenbatterie, mit einem lialbleiterkörper mit einer ersten Zone eines Leitungstyps und einer zv/eiten iione entgogen*- gesetzten Leitungstyps, die mit der ersten iione einen p-n~U*bergang bildet, wobei in der ersten Zone die Konzentration der den Leitungstyp bedingenden Verunreinigung in Richtung; auf den p-n-Uebergang abnimmt, und auf ein aus Halbleitermaterial eines Leitungtype bestehendes Substrat durch epitaxialas Anwachsen eine Schicht aus gleichem Halbleitermaterial eines Leitun-jstypn aufgebracht wird, in der über einen Teil der Schichtstärke duroh Diffusion die zweite 2one mit entgegengesetztem Leitungatyp gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass von einem Substrat mit einer Verunreinigung «ines Leitungstypa ausgegangen wird und dass, bevor die Verunreinigung des entgegengesetzten Typs in die epitaxiale Schicht eindiffundiert wird, durch Erhitzung die Verunreinigung eines Typs aus dem Substrat in die epitaxiale Schicht über praktisch die ganze Schichtstärke eindiffundiert wird.
  2. 2. Verfahren nach Anopruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verunreinigung eines Leitungstyps wenigstens zur Hauptsache während dea epitaxialen Anwachsens aus dem üubatrat in die epitaxiale Schicht, eindiffundiert wird.
  3. 3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verunreinigung eines Leitungetypo w^iigaten» teilweise durch Erhitzung nach Beendigung des epitaxialen Anwachsens aus den üubatrat in die epitaxiale Schicht oindiffundiert wird.
  4. 4· Verfahren nach einem o;ter mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daas ein Halbleiterkörper auß Silizium
    verwendet wird.
  5. 5· Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden An-
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    "bad
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    Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Verunreinigung eines Typs ein Akzeptor verwendet wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5» daduroh gekennzeichnet, dass als Verunreinigung eines Typs Aluminium verwendet wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 2 und einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das epitaxiale Anwachsen von Silizium bei einer Temperatur zwischen 12^0 und 1J00 C in einer SiGl. und H„ enthaltenden Atmosphäre durchgeführt wird.
  8. 8. Verfahren nach den Ansprüchen 3» 4 un^. 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem epitaxialen Anwachsen das Aluminium aus dem Substrat in die epitaxiale Schicht durch Erhitzung zwischen 1250 und I3OO C in einem Inertgas einrtiffundiert wird.
  9. 9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das auf das Substrat aue der Dampfphase epitaxial niedergeschlagene Material beträchtlich niedriger dotiert ist als das Substrat.
  10. 10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 9» dadurch gekennzeichnet, dass eine mit Bor dotierte Schicht epitaxial aufgebraoht wird.
  11. 11. Vorfahren nach einem oder mehreren dor Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, das« als Verunreinigung entgegongeeetaten Type Phosphor verwendet wird,
  12. 12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass da3 Substrat eine stärke von etwa 0,3 mm hat und das Aluminium über eine Tiefe von etwa 0,02 mm und das Phosphor über eine Tiefe von etwa 0,0002 mm in die apitaxiale Sohicht eindiffundiert werden.
  13. 13. ^hotosmpfincliiohe Halbleitervorrichtung, dia durch anwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren dor ^nnprüche 1 bis 12 hergestellt ia;,.
    009820/0593 " BAD OBiGlNAL
DE19661564386 1963-04-01 1966-02-23 Verfahren zur Herstellung einer photoempfindlichen Halbleitervorrichtung,z.B. einer Sonnenzellenbatterie mit hoher Leistung Pending DE1564386A1 (de)

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