DE19522923A1 - Verfahren zur Herstellung kristallographisch orientierter mikro/nanokristalliner sowie amorpher und epitaktischer Halbleiterschichten auf elektrisch leitenden und nichtleitenden amorphen, polykristallinen sowie einkristallinen Trägermaterialien - Google Patents

Verfahren zur Herstellung kristallographisch orientierter mikro/nanokristalliner sowie amorpher und epitaktischer Halbleiterschichten auf elektrisch leitenden und nichtleitenden amorphen, polykristallinen sowie einkristallinen Trägermaterialien

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von 0,1 bis 50 µm dicker nano- bzw. mikrokristalliner sowie amorpher und epitaktischer Halbleiterschichten vorzugsweise Silizium, mittels der Kombination von Ionenstrahlbeschichtung bzw. Plasmastrahlbeschichtung bei niedrigen Abscheidetemperaturen.
Die Abscheidung kristallographisch orientierter nano- bzw. mikrokristalliner sowie amorpher und epitaktischer Halbleiterschichten, insbesondere von Siliziumschichten auf einem billigen Trägermaterial, z. B. Glas, bei niedriger Abscheidungstemperatur (≈ 150°C) im folgenden Fremdsubstrat genannt, erscheint als eine der attraktivsten Methoden zur Herstellung von billigen, großflächigen elektronischen Bauelementen, insbesondere von billigen Dünnschichtsolarzellen. Die Vorteile der Erfindung liegen vor allem im geringen Materialverbrauch und in der Möglichkeit der Integration einzelner Bauelemente zu Systemen, beispielsweise Solarzellen zu Modulen, bereits während des Abscheidungsprozesses im Vakuum.
Dünne amorphe Schichten aus Silizium (Si) und seinen Legierungen finden Anwendung als Solarzellen, Speicherelemente, Sensoren, Transistoren, Dioden, optische Speicher usw. Amorphe a-Si : H Schichten, sowohl undotiert als auch dotiert, werden mittels Glimmentladung aus Silan (SiH₄) hergestellt (W.E. Spear and P.G. Le Comber, J. Non-Cryst. Solids 8-10, 727 (1972)) . Die amorphe Si-Schicht ist ungeordnet, die elektrische Leitfähigkeit liegt bei intrinsischen a-Si : H-Schichten bei 10-9 S/cm, bei dotierten Schichten zwischen 10-3 und 10-4 S/cm. Dies liegt an der niedrigen Trägerbeweglichkeit und dem geringen Dotierungswirkungsgrad des a-Si : H. Typische Aktivierungs­ energien für die elektrische Leitfähigkeit liegen zwischen 0,2 eV (n-a-Si : H) und 0,4 eV (p-a-Si : H) bei einer Energie­ bandlücke von ca. 1,75 eV. Die genannten physikalischen Eigenschaften des a-Si : H begrenzen die Leerlaufspannung auf 0,9 V. Hinzu kommt, daß die Dünnschichtsolarzellen aus amorphem Silizium in ihren elektrischen Eigenschaften immer noch nicht stabil sind. Offenbar ist die Abnahme des Zellwirkungsgrads unter Beleuchtung ein nicht zu vermeidender intrinsicher Effekt (Stäbler-Wronski Effekt), der nur verlangsamt werden kann. Der bisher höchste unabhängig bestätigte Wirkungsgrad der Firma Sanyo aus amorphem Silizium vor der Degradation beträgt 12,7 Prozent (M.A. Green und K. Emery, Prog. in Photovoltaics 2,27 (1994)).
Mikrokristalline bzw. nanokristalline Schichten aus Silizium zeigen verbesserte Eigenschaften im Vergleich zu den amorphen Silizium Schichten, z. B. wesentlich höhere Dunkelleitwerte, höhere Energiebandlücke (<1.75 eV) und eine optische Absorption, die von der Kristallitgröße abhängig ist. Die mikrokristallinen bzw. nanokristallinen undotierten Schichten aus Silizium mit einer Kristallitgröße von 10 bis 3 nm besitzen einen Dunkelleitwert von 10-4 bis 10-8 Scm-1 (M. Konuma, H Curtius, F.A. Sarott and S. Veprrek, Phil. Mag. B, 1987, vol. 55, No. 3, 377-389; Finger et al. Mater. Res. Symp. Boston, Dec. 1994) . Die dotierten mikrokristallinen Si- Schichten zeigen eine Dunkelleitfähigkeit von 1-20 Scm-1 und eine Energiebandlücke von <2.0 eV. (S. Guha, I. Yang, P. Nath and M. Hack, Appl. Phys. Lett. 49, 1986 (216); B. Goldstein, C.R. Dickson, J.H. Campell and P.M. Fauchet, Appl. Phyas. Lett. 53 (1988) 2672).
Die mikrokristallinen/nanokristallinen Schichten wurden mittels verschiedener Techniken, z. B. Glimmentladung von SiH₄ + H₂ Gasen, Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD), Radio Frequency Discharge (RFD), Electron-Cyclotron- Chemical Vapour Deposition (ECCVD), hergestellt (A. Matsuda, K. Kumagi and K. Tanaka, Jap. J. Appl. Phys. 22, L34 (1983); S. Komuro, Y. Ayogi, Y. Segawa and S. Namba, A. Masuyama, A. Matsuda and K. Tanaka, J. Appl. Phys. 56, 1658 (1984) and W. Henrion, R. Krankenhagen, M. Schmidt, I. Sieber and H. Flietner, Solid State Phenomena vol. 37-38 (1994) 387- 392).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, kristallographisch orientierte mikro- bzw. nanokristalline Si Schichten und deren Legierungen mittels der ionenstrahlgestützten Plasmaabscheidung aus einem Gasplasma, das Si, Ge, C und H und zusätzliche Dotierstoffe wie P, B, usw. enthält, auf verschiedenen Trägermaterialien (Substrate) zu erzeugen. Dazu wird einer Hochfrequenzionenquelle (1) über ein Regelventil (2) Wasserstoff direkt zugeführt. Der Wasserstoff mischt sich in der Quelle mit Silan, das von einem Vakuumrezipienten (3) über ein zwei-Gitter-Extraktionssystem (4) in die Ionenquelle gelangt. Der isoliert aufgehängte Substrathalter (5) befindet sich direkt in der Entladungskammer der Ionenquelle. Durch Anlegen einer Spannung läßt sich das Potential des Substrathalters beliebig einstellen. Der Substrathalter kann sowohl geheizt als auch gekühlt werden. Die Abscheidung der amorphen sowie der epitaktischen Schichten auf die Trägermaterialien erfolgt auf dem Substrathalter (7) im Vakuumrezipient. Das nicht verbrauchte Gas wird von einem Vakuumpumpsystem (6) abgesaugt. Der Prozeß läuft bei Drücken zwischen 10-4 mbar und 10-2 mbar ab.
Abb. 1 zeigt die Skizze einer ionenstrahlgestützten Plasmabeschichtungsanlage zur Herstellung von Silizium-Schichten.
Abb. 2 zeigt, als typisches Beispiel, das Röntgenbeugungs­ spektrum einer kristallographisch <110< orientierten nanokristallinen Si-Schicht mit ∼45 nm Kristallitgröße auf einem Glassubstrat.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung kristallographisch orientierter mikro- und nanokristalliner sowie amorpher und epitaktischer Halbleiterschichten (Kristallitgröße 5- 500 nm), z. B. Si, SiC und SiGe auf kristallinen und amorphen, elektrisch leitenden und elektrisch nicht­ leitenden Trägermaterialien, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägermaterialien mittels einem ionenstrahlgestützten, gepulsten Plasmastrahl, der die abzuscheidenden Substanzen in gasförmigen Verbindungen, z. B. SiH₄, enthält, mit 50 µm dicken Filmen beschichtet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kristallographisch orientierten nano- bzw. mikrokristallinen Schichten, in der Entladungskammer einer induktiv angeregten Ionenquelle, und die amorphen und epitaktischen Schichten, im Rezipienten, auf die Trägermaterialien aufgebracht werden.
DE19522923A 1995-06-23 1995-06-23 Verfahren zur Herstellung kristallographisch orientierter mikro/nanokristalliner sowie amorpher und epitaktischer Halbleiterschichten auf elektrisch leitenden und nichtleitenden amorphen, polykristallinen sowie einkristallinen Trägermaterialien Withdrawn DE19522923A1 (de)

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