DE19730975A1 - Verfahren zur Herstellung von schichtartigen Gebilden auf einem Substrat, Substrat sowie mittels des Verfahrens hergestellte Halbleiterbauelemente - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von schichtartigen Gebilden auf einem Substrat, Substrat sowie mittels des Verfahrens hergestellte HalbleiterbauelementeInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
schichtartigen Gebilden, bei dem auf oder aus einem, beispielsweise aus
monokristallinen p-Typ oder n-Typ Si bestehenden Substrat, eine Hohl
räume aufweisende, vorzugsweise poröse Materialschicht erzeugt wird und
daraufhin das schichtartige Gebilde oder ein Teil davon auf die Hohlräume
aufweisende oder poröse Materialschicht aufgebracht wird. Sie betrifft
weiterhin verschiedene Substrate, die sich durch dieses Verfahren erzeu
gen lassen und neuartige Halbleiterbauelemente, die sich unter Anwen
dung der erfindungsgemäßen Substrate herstellen lassen.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus mehreren Schriften be
kannt.
Beispielsweise wird in der europäischen Patentanmeldung mit der Veröf
fentlichungsnummer 0 528 229 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines
Halbleiterkörpers beschrieben, bei dem ein Siliziumsubstrat porös ge
macht wird, eine nicht poröse, monokristalline Siliziumschicht auf dem
porösen Siliziumsubstrat bei einer ersten Temperatur gebildet wird und
bei dem eine Oberfläche der nicht porösen monokristallinen Silizium
schicht an ein zweites Substrat gebondet wird, das an seiner Oberfläche
ein isolierendes Material aufweist. Danach wird die poröse Siliziumschicht
durch ein chemisches Ätzverfahren entfernt und es wird dann eine weitere
monokristalline Siliziumschicht auf die erstgenannte nicht poröse mono
kristalline Siliziumschicht durch ein Epitaxie-Verfahren bei einer zweiten
Temperatur aufgewachsen.
Sinn dieses Verfahrens ist es, monokristallines Silizium auf einem beliebi
gem Substrat aufwachsen zu können. Das Verfahren ist jedoch relativ
kompliziert, da die poröse Siliziumschicht weggeätzt werden muß. Ähnli
che Verfahren gehen auch aus den europäischen Patentschriften mit den
Veröffentlichungsnummern 0 536 788 A1 und EP 0 449 589 A1 hervor.
Die Herstellung von kostengünstigen Silizium-Solar-Zellen verlangen
hochwertiges, möglichst einkristallines Silizium für hohe Photospannun
gen, dünne Si-Schichten zur Materialersparnis, trotzdem ausreichende
Lichtabsorption, niedrige Herstellungstemperaturen zur Energieersparnis
und kostengünstige Fremdsubstrate, z. B. Glas für die mechanische Stabi
lität.
Soweit bekannt gibt es noch kein Verfahren, das alle diese Kriterien er
füllt. Beispielsweise werden in den oben genannten europäischen Pa
tentanmeldungen Arbeiten beschrieben, wo man CVD-Epitaxie bei Tempe
raturen über 800°C auf porösem Si durchführt und die so gebildeten epi
taktischen Schichten auf ein Glassubstrat transferiert. Die Si-Schichten
sind nicht strukturiert. Für das Abtrennen werden naßchemische Verfah
ren oder den Substratwafer zerstörende Verfahren eingesetzt. Anwendun
gen für die Photovoltaik werden nicht diskutiert.
Der Aufsatz "Ultrathin crystalline silicon solar cells on glass substrates"
von Rolf Brendel, Ralf B. Bergmann, Peter Lötgen, Michael Wolf und Jür
gen H. Werner, erschienen in Appl. Phys. Lett. 70(3), 20. Januar 1997,
beschreibt eine Möglichkeit, strukturierte polykristalline Siliziumschich
ten, die zur Anwendung als Photozellen geeignet sind, herzustellen. Der
Aufsatz befaßt sich jedoch nicht mit Einkristall-Material und erfordert ei
ne komplexe Strukturierung des Glassubstrates und erfordert auch eine
komplexe Kontaktierung der p- und n-Schichten, um die Photozelle zu
realisieren.
Weitere Schriften, die sich mit porösem Silizium für verschiedene Zwecke
befassen, schließen Veröffentlichungen vom Forschungszentrum Jülich
ein, die sich mit der Herstellung von lateralen Beugungsgittern auf der
Basis von porösem Silizium und Interferenzfiltern aus porösem Silizium
befassen. Der Aufsatz "Optical Sensors Based on Porous Silicon Multi
layers: A Prototype" von W. Theiß, R. Arens-Fischer, S. Hilbrich, D. Schey
en, M.G. Berger, M. Krüger, M. Thönissen, gibt weitere Auskunft über die
Herstellung von porösen Siliziumstrukturen und mögliche Anwendungen
der so erzeugten Strukturen. Dünnschicht-Silizium-Solarzellen sind au
ßerdem in der Veröffentlichung "Crystalline Thin Film Silicon Solar Cells
By Ion-Assisted Deposition" von S. Oelting, Dr. Martini und D. Bonnet be
schrieben. Diese Veröffentlichung erschien anläßlich der "Twelfth Europe
an Photovoltaic Solar Energy Conference" vom 11.-15. April 1994.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs ge
nannten Art vorzuschlagen, welches die oben genannten Probleme über
windet und die Herstellung von kostengünstigen Bauelementen, insbe
sondere jedoch nicht ausschließlich Silizium-Solarzellen ermöglicht, mit
qualitativ hochwertigem, möglichst einkristallinem Silizium für Pho
tospannungen, dünnen Si-Schichten zur Materialersparnis, jedoch gleich
zeitig mit erhöhter Lichtabsorption unter Anwendung von niedrigen Her
stellungstemperaturen und kostengünstigen Fremdsubstraten. Insbeson
dere wird ein Verfahren angestrebt, bei dem das verwendete Substrat wie
derverwendbar ist, oder bei dem eine Vielzahl von gleichartigen Struktu
ren kostengünstig erzeugt werden können.
Es ist auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren zur Er
zeugung von verschiedenen neuartigen Substraten vorzuschlagen, welche
den Ausgangspunkt für die Erzeugung von weiteren Strukturen mittels
Epitaxie-Verfahren bildet. Außerdem ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, eine
Photozelle und andere Halbleiterbauelemente vorzusehen, die kostengün
stig herstellbar sind und ausgezeichnete technische Eigenschaften aufwei
sen.
Zur verfahrensmäßigen Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vor
gesehen, daß das schichtartige Gebilde oder ein Teil davon unter Anwen
dung der Hohlräume aufweisenden oder porösen Schicht als Sollbruch
stelle durch die Erzeugung einer mechanischen Spannung innerhalb der
Hohlräume aufweisenden oder porösen Schicht oder an einer Grenzfläche
der porösen Schicht vom Substrat getrennt wird.
Durch die Trennung des schichtartigen Gebildes vom Substrat unter An
wendung von mechanischen Spannungen, erfolgt diese Trennung derart,
daß lediglich die poröse Schicht beschädigt wird, das Substrat und das
schichtartige Gebilde dagegen nicht. In vielen Fällen gelingt es, die Tren
nung an der oberen, dem Substrat abgewandten Grenzfläche der porösen
Schicht herbeizuführen, so daß die poröse Schicht erhalten bleibt. Somit
ist es ein leichtes, das Substrat wiederzuverwenden. Hierfür wird die porö
se Sicht erst entfernt, da sie im Regelfall beschädigt ist. Auf dem Substrat
wird aber dann, nach der Befreiung von Resten der porösen Schicht, eine
neue poröse Schicht erzeugt, wodurch das Substrat wiederverwendet wer
den kann. Dies ist beim Stand der Technik nicht möglich, wenn die poröse
Schicht durch Ätzen oder durch mechanisches Abtragen vom schichtarti
gen Gebilde entfernt wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die poröse Schicht relativ
dünn ausgeführt werden, vorzugsweise im Bereich von etwa 100 nm bis
10 µ, so daß relativ wenig Material verloren geht und die Arbeitsgeschwin
digkeit verbessert wird.
Es soll an dieser Stelle gesagt werden, daß es möglich wäre, diese Soll
bruchstelle oder -fläche statt durch eine poröse Schicht durch eine Hohl
räume aufweisende Schicht zu erreichen, die beispielsweise durch Photo
lithographie erzeugt werden kann, wobei die Hohlräume zur freien Ober
fläche des Substrats offen sein können. In dieser Anmeldung wird der
Einfachheit halber nur noch von porösen Schichten gesprochen. Es soll
aber verstanden werden, daß diese auch Hohlräume aufweisende und
Sollbruchstellen bildende Schichten umfassen.
Diese Art der Trennung des schichtartigen Gebildes vom Substrat gelingt
auch dann, wenn die Oberfläche der porösen Schicht plan ausgebildet ist.
Besonders günstig ist es, insbesondere für die Herstellung von Photozellen
oder verschiedenen anderen Bauelementen, wenn die dem Substrat abge
wandte Oberfläche der porösen Schicht strukturiert ist, da beim Aufwach
sen des schichtartigen Gebildes auf der porösen Schicht, das schichtartige
Gebilde die Strukturierung der porösen Schicht widerspiegelt, so daß bei
spielsweise bei einer Solarzelle das Einfangen von Licht mit wesentlich
höherer Effizienz erfolgt.
Da die strukturierte Oberfläche des Substrates erhalten bleibt und wie
derverwendet werden kann, gegebenenfalls nach einem Reinigungsschritt
oder nach Auffrischung der Strukturierung, können mehrere gleiche
schichtartige Gebilde von einem Substrat hergestellt werden, was die
Wirtschaftlichkeit des Verfahrens wesentlich erhöht, zumal es nicht je
desmal notwendig ist, das Substrat neu zu strukturieren.
Die Erzeugung der strukturierten Oberfläche der porösen Schicht kann im
Prinzip auf zwei Arten erfolgen. Zum einen kann man die Oberfläche des
einkristallinen Substrats strukturieren und dann in an sich bekannter
Weise porös machen. Das Herstellungsverfahren für die poröse Schicht
führt bei dünnen Schichten dann automatisch zu einer porösen Schicht
mit der gleichen Strukturierung an seiner oberen, dem Substrat abge
wandten Grenzfläche und an seiner unteren, dem Substrat zugewandten
(komplementären) Grenzfläche wie das strukturierte Substrat selbst. Das
heißt, es liegt eine poröse Schicht mit fast parallelen Grenzflächen vor.
Alternativ hierzu kann die planare Oberfläche des einkristallinen Halblei
tersubstrats porös gemacht und die Oberfläche der porösen Schicht an
schließend strukturiert werden. Verschiedene Möglichkeiten diese Struk
turierung durchzuführen, sind in den Ansprüchen 5 und 6 angegeben.
Das Substrat muß nicht unbedingt monokristallin sein, sondern kann
auch polykristallin sein - vorausgesetzt, daß die Korngrößen des polykri
stallinen Materials größer sind als die Breiten- und Dickenabmessungen
der Strukturierung und der Dicke der porösen Schicht, beispielsweise
Korngrößen von 100 µm bis cm Größe.
Die typischen Strukturierungen, die beispielsweise für Solarzellen in Frage
kommen, weisen Dicken- und Breitenunterschiede jeweils im Bereich von
0,5 µ bis 100 µ auf. Durch die Verwendung von dünnen, porösen Schich
ten im Bereich von etwa 100 nm bis 10 µ entspricht der Form der porösen
Oberfläche der porösen Schicht der strukturierten Form des Substrats
auch bei mehrfacher Verwendung desselben, d. h. auch bei der mehrfa
chen Erzeugung der porösen Schichten auf ein und dasselbe Substrat
treu.
Das schichtartige Gebilde wird zumindest teilweise durch ein Epitaxie-
Verfahren auf die poröse Oberfläche aufgebracht. Die poröse Schicht hat
nämlich die gleiche kristalline Struktur wie das ursprüngliche Substrat
und eignet sich bestens für das Aufwachsen von schichtartigen Gebilden
mittels Epitaxie-Verfahren, wobei die so aufgewachsenen schichtartigen
Gebilde dann die gleiche kristalline Struktur aufweisen, d. h. sie sind auch
monokristallin.
Das Epitaxie-Verfahren kann als Homoepitaxie-Verfahren oder als He
teroepotaxie-Verfahren durchgeführt werden. Bei Heteroepitaxie ist es
günstig, daß die poröse Schicht etwas nachgeben kann, so daß eine aus
geprägte Verspannung im Grenzflächenbereich nicht zu befürchten ist.
Durch das Epitaxie-Verfahren wird mindestens eine, zum schichtartigen
Gebilde gehörende Halbleiterschicht auf die Oberfläche der porösen
Schicht aufgebracht. Je nach dem, für welchen Zweck das schichtartige
Gebilde gedacht ist, können dann andere Schichten auf die so erzeugte
Halbleiterschicht aufgebracht werden, wobei es nicht zwingend erforder
lich ist, daß diese weiteren Schichten ebenfalls eine monokristalline
Struktur haben. Allerdings gibt es viele Strukturen, bei denen das
schichtartige Gebilde aus einer Mehrzahl von monokristallinen Halbleiter
schichten bestehen wird, beispielsweise bei zwei Schichten, die einen p-n-
Übergang bilden.
Es ist aber auch erfindungsgemäß möglich, entsprechend den Ansprü
chen 9 und 10, eine Metallschicht auf das schichtartige Gebilde abzu
scheiden und/oder ein Dielektrikum aufzubringen, beispielsweise in Form
einer transparenten oder lichtdurchlässigen Fensterschicht, z. B. durch
das Sol-Gel-Verfahren oder mittels eines Klebstoffs.
Besonders günstig ist es, wenn eine Trägerschicht vorgesehen wird, wel
che entweder mit dem schichtartigen Gebilde in Verbindung gebracht
wird, beispielsweise durch Verklebung, durch Waferbonden oder durch
ein Diffusionslötverfahren, oder als Teil des schichtartigen Gebildes aus
gebildet wird, beispielsweise durch eine Fortsetzung des Epitaxie-
Verfahrens. Wenn die Trägerschicht auf die Oberfläche des schichtartigen
Gebildes, durch Verklebung, durch Waferbonden oder durch ein Diffusi
onsverfahren aufgebracht wird, kann sie beispielsweise aus Glas oder
Aluminium bestehen.
Üblicherweise wird diese Trägerschicht oder der Träger aus einem preis
günstigen und stabilen Material bestehen, beispielsweise aus Glas. Die
mechanische Trennung des schichtartigen Gebildes vom Substrat kann
dann dadurch erfolgen, daß man beispielsweise an der Trägerschicht oder
am Träger zieht, so daß die Trägerschicht bzw. der Träger mit dem
schichtartigen Gebilde sich vom Substrat löst. Die Trägerschicht bzw. der
Träger bildet dann ein weiteres Substrat, auf dem das schichtartige Gebil
de angebracht ist, und man kann nunmehr auf der freien Oberfläche des
schichtartigen Gebildes weitere Verfahrensschritte ausführen. Beispiels
weise kann man, wenn das schichtartige Gebilde ein fertiges Halbleiter
bauelement darstellt, dieses lediglich abdecken oder mit einer Passivie
rung oder mit Oberflächenkontakten versehen. Dies ist von außerordentli
cher Bedeutung, weil man mittels der Erfindung Kontakte, Gates oder
Elektroden auf beiden Seiten des schichtartigen Gebildes erzeugen kann,
was viele Vorteile bringt sowohl herstellungstechnisch als auch im Hin
blick auf die physikalischen Eigenschaften der zu erzeugenden Halbleiter
bauelemente.
Für den Fall, daß das schichtartige Gebilde noch nicht fertig ist, kann
man durch Epitaxie-Verfahren weitere Halbleiterschichten auf der freien
Oberfläche des schichtartigen Gebildes erzeugen und gegebenenfalls auch
weitere Strukturierungen durch photolithographische Verfahren oder ande
re Verfahren vornehmen, sofern dies erforderlich ist. Die kristalline Struk
tur des schichtartigen Gebildes wird dann im weiteren Verlauf des Epita
xie-Verfahrens beibehalten.
Wie anfangs erwähnt, kann dann nach der Trennung des schichtartigen
Gebildes vom Substrat an der vorgesehenen Sollbruchstelle das Substrat
mit dem Rest der porösen Schicht erneut als Substrat zur Aufbringung
eines weiteren schichtartigen Gebildes verwendet werden.
Das Verfahren läßt sich nach Anspruch 16 besonders günstig dadurch
weiterbilden, daß auf die dem Substrat abgewandten Oberfläche des
schichtartigen Gebildes vor oder nach der Trennung des schichtartigen
Gebildes vom Substrat eine weitere poröse Schicht erzeugt wird und hier
auf ein weiteres schichtartiges Gebilde aufgebracht wird, wobei das Ver
fahren gegebenenfalls mehrfach wiederholt wird, wodurch eine Vielzahl
von schichtartigen Gebilden, insbesondere strukturierten schichtartigen
Gebilden übereinander entstehen, die jeweils vom benachbarten schicht
artigen Gebilde durch eine eine Sollbruchstelle bildende poröse Schicht
getrennt sind, wobei nach Erzeugung einer solchen mehrfachen Struktur
die einzelnen schichtartigen Gebilde durch die Erzeugung einer mechani
schen Spannung innerhalb oder an einer Grenzfläche der jeweiligen porö
sen Schicht voneinander getrennt werden.
Durch die Erzeugung der soeben beschriebenen, mehrfachen Struktur
wird eine sehr rationelle Herstellung der einzelnen schichtartigen Gebilde
erreicht, die dann eine nach der anderen von der mehrfachen Struktur
abgetrennt werden können, was am besten nach Anspruch 18 erfolgt, d. h.
daß vor der Trennung der einzelnen schichtartigen Gebilde von der mehr
fachen Struktur sie jeweils mit einer Trägerschicht versehen oder an ei
nem Träger befestigt werden, genauso, als wenn ein einziges schichtarti
ges Gebilde auf dem Substrat ausgebildet wird, wie oben näher beschrie
ben.
Auch bei dieser Verfahrensvariante können gegebenenfalls weitere Struk
turen durch Epitaxie-Verfahren auf die freien Oberflächen der so gebilde
ten schichtartigen Gebilde aufgewachsen werden.
Eine Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch
aus, daß man auf oder aus einem ersten Substrat eine poröse Schicht
ggf. mit einer strukturierten, freien Oberfläche erzeugt oder anbringt, die
beispielsweise mehrere, parallel zueinander angeordnete Rillen aufweist,
daß man ein zweites Substrat auf die freie, ggf. strukturierte Oberfläche
der porösen Materialschicht anbringt und das zweite Substrat anschlie
ßend vom ersten Substrat unter Anwendung der porösen Schicht als Soll
bruchstelle durch die Erzeugung einer mechanischen Spannung derart
abtrennt, daß eine Schicht oder Abschnitte der porösen Materialschicht
auf dem zweiten Substrat haften bleibt bzw. bleiben, wodurch das zweite
Substrat für Epitaxie-Verfahren verwendbar ist.
Besonders günstig ist es, wenn man nach der Trennung des zweiten
Substrats vom ersten Substrat die Reste der porösen Schicht vom ersten
Substrat entfernt, eine neue poröse Schicht auf dem Substrat erzeugt und
das Verfahren nach Anspruch 20 wiederholt, wobei dieses Verfahren
mehrmals wiederholbar ist, um ausgehend von einem ersten Substrat eine
Vielzahl von zweiten Substraten zu erzeugen.
Dadurch, daß Abschnitte der porösen Materialschicht auf jedem zweiten
Substrat haften bleiben, können beliebige schichtartige Gebilde auf diese
Substrate mittels Epitaxie-Verfahren aufgewachsen werden. Da die Aus
richtung der Kristallstruktur in jedem Abschnitt der porösen Material
schicht gleich ist, weisen die durch Epitaxie-Verfahren auf den zweiten
Substraten aufgewachsenen Strukturen ebenfalls eine monokristalline
Struktur auf, so daß man von einem teuren Substrat ausgehend auf
preisgünstige Weise mehrere Substrate für Epitaxie-Verfahren erzeugen
kann.
Es bestehen verschiedene Möglichkeiten, das zweite Substrat auf dem er
sten Substrat anzubringen. Eine Möglichkeit liegt darin, ein Klebemittel zu
verwenden - eine andere Möglichkeit wäre, eine Metallschicht auf die po
röse Oberfläche des ersten Substrats abzuscheiden und diese Metall
schicht dann mit einem Trägermaterial auf andere Weise zu verbinden.
Auch kann ein Trägermaterial mittels eines Diffusionslötverfahrens mit
der porösen Schicht des ersten Substrats verbunden werden. Wesentlich
ist lediglich, daß nach der Entfernung des zweiten Substrats, Abschnitte
des porösen Materials des ersten Substrats an der Oberfläche des zweiten
Substrats verteilt vorliegen.
Eine weitere interessante Möglichkeit der Herstellung von Substratmateri
al mit einer porösen Oberflächenschicht ist Anspruch 24 zu entnehmen.
Es bestehen verschiedene Möglichkeiten zur Erzeugung der mechanischen
Spannung innerhalb der porösen Schicht, die zur Trennung des schicht
artigen Gebildes oder eines Teils davon vom Substrat führt. Diese Mög
lichkeiten sind im Anspruch 26 angegeben.
Die durch das Verfahren erzeugten Substrate sind Zwischenprodukte, die
für sich wertvoll sind, und sie sind in den Ansprüchen 28-37 genauer
angegeben.
Eine weitere in der Praxis interessante Variante der Erfindung ist dem An
spruch 27 zu entnehmen.
Das Verfahren der Erfindung wird insbesondere zur Herstellung von
hochwertigen Solarzellen verwendet, die für sich im Anspruch 38 bean
sprucht sind. Eine weitere mögliche Anwendung ist ein Strahlungsdetek
tor der im Anspruch 41 beansprucht wird.
Bevorzugte Varianten des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteran
sprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend näher erläutert anhand von Ausfüh
rungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, welche zeigen:
Fig. 1A bis 1F eine Reihenfolge von Skizzen zur Erläuterung einer ersten
Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Herstellungs
verfahren,
Fig. 2 eine Elektronenmikroskopaufnahme eines schichtartigen Ge
bildes, entsprechend der Fig. 1B ohne Trägerschicht,
Fig. 3 eine elektronenmikroskopische Aufnahme der Oberseite des
Substrats nach der Entfernung des schichtartigen Gebildes
nach Fig. 2, jedoch vor der Durchführung des Reinigungs
schrittes,
Fig. 4 eine elektronenmikroskopische Aufnahme des schichtartigen
Gebildes der Fig. 1 von einem anderen Blickwinkel, um die
Qualität der Unterseite des schichtartigen Gebildes zu doku
mentieren,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer möglichen, mehrfachen
Struktur, welche mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
erzeugt werden kann,
Fig. 6A bis 6C schematische Darstellungen einer Variante des erfindungsge
mäßen Verfahrens,
Fig. 7 eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 8 ein schematischer Querschnitt durch eine nach dem erfin
dungsgemäßen Verfahren hergestellte Solarzelle,
Fig. 9 eine Draufsicht auf die Struktur der Fig. 8 in der Ebene IX-IX,
Fig. 10 ein schematischer Querschnitt durch einen Strahlungsdetek
tor,
Fig. 11 eine Darstellung des Detektors der Fig. 10 in freier Richtung
XI gesehen
Fig. 12A bis D eine schematische Darstellung ähnlich der Fig. 6, jedoch
mit Abwandlungen,
Fig. 13A bis H Skizzen zur Erläuterung der Herstellung von einer Halbleiter
schicht, die in bestimmten Bereichen monokristallin, in ande
ren amorph ist,
Fig. 14 Röntgenbeugungsspektra der Si-"Waffel" der Fig. 2 und des
monokristallinen Substrats,
Fig. 15 transiente Mikrowellen-Reflektivität ΔR der Wf = 5.8 µm
dicken Si-"Waffel" der Fig. 2 nach optischer Anregung mit einem
20 ns Laserimpuls,
Fig. 16 gemessene hemisphärische Reflektivität der eingekapselten
Waffelstruktur,
Fig. 17 die theoretische Energieumwandlungseffizienz (durchgehende
Linien) und ideale Zelldicke (gestrichelte Linien) für Solarzel
len mit der Waffelstruktur der Fig. 2,
Fig. 18, 19 eine schematische Darstellung ähnlich den Fig. 8 und 9,
jedoch mit einer abgewandelten Ausführungsform und
Fig. 20 die Serienverschaltung von Solarzellen im Modul.
Fig. 1A zeigt ein Siliziumsubstrat 10, beispielsweise aus p-Si, wobei ein
n-Si Substrat ebenfalls in Frage käme. Die eine Oberfläche des Si-
Substrats 10 weist eine Strukturierung 12 auf, die man als eine Matrix
von pyramidenförmigen Vertiefungen 14 betrachten kann, deren Grund
flächen unmittelbar nebeneinander plaziert sind, so daß die obere Begren
zung der Oberfläche einem quadratischen Gitter sehr ähnlich ist.
Das Substrat 10 wird anschließend in an sich bekannter Weise behandelt,
um eine poröse Siliziumschicht 18 zu erzeugen, und die obere Seite der
porösen Si-Schicht 18 hat die gleiche Form wie die strukturierte Oberflä
che des Si-Substrats 10. Die Grenzfläche zwischen der porösen Silizium
schicht 18 und dem Substrat weist die gleiche Form auf.
Das Substrat 10 wird nunmehr beschichtet mittels eines Epitaxie-
Verfahrens, und auf diese Weise entsteht zunächst eine Schicht 22 von
epitaktischem Silizium auf der Oberfläche der porösen Schicht 18. Es
kann im Prinzip jedes der bekannten Epitaxie-Verfahren für die Ausbil
dung dieser Schicht 22 verwendet werden, d. h. unter anderem Gaspha
sen-Epitaxie (CVD), ionenassistierte Epitaxie, plasmaunterstützte Epita
xie, Flüssigphasen-Epitaxie, Molekularstrahl-Epitaxie (MBE).
Aus Fig. 1C geht hervor, daß die freie Oberfläche der Schicht 22 eben
falls die gleiche Form wie die strukturierte Oberfläche 12 des Silizium
substrats nach Fig. 1A und der porösen Siliziumschicht 18 nach Fig.
1B aufweisen kann. Die Grenzfläche zwischen der Schicht 22 und der po
rösen Schicht 18 hat ebenfalls die gleiche Form. Dies trifft vor allem zu,
wenn die poröse Schicht 18 dünn ist. In dieser Figur ist die Schichtdicke
mit w angegeben.
Weiterhin weist die Schicht 22 die gleiche Kristallorientierung auf wie das
Substrat 10 und die aus dem Substrat 10 gebildete poröse Schicht 18. Sie
besteht außerdem aus monokristallinem Silizium.
In einem weiteren Schritt, der hier nicht extra gezeigt wird, wird eine Git
terelektrode 24 auf die Schicht 22 aufgebracht, und zwar so, daß das
Material der Gitterelektrode 24 sich lediglich entlang einiger der das Gitter
16 bildenden Linien erstreckt. Danach wird die durch die Schicht 22 und
das Gitter 24 gebildete Schichtstruktur mit einer Glasschicht 26 versehen.
Diese Glasschicht 26 kann durch das sogenannte Sol-Gel-Verfahren her
gestellt werden, das beispielsweise in der Veröffentlichung "Sol-gel
coatings for light trapping in crystalline thin film silicon solar cells" von R.
Brendel, A. Gier, M. Mennig, H. Schmidt und J.H. Werner verfaßt und auf
der "International Conference on Coatings on Glass ICCG" vom
27.-31. 10. 1996 in Saarbrücken, Deutschland, verteilt wurde. Danach wird
eine mechanische Spannung in der porösen Schicht erzeugt, beispielswei
se dadurch, daß man die Glasabdeckscheibe 26 vom Substrat 10
"abschält", wie in der Fig. 1E dargestellt, und es erfolgt auf diese Weise
eine Trennung des schichtartigen Gebildes, in diesem Beispiel bestehend
aus der epitaktischen Si-Schicht 22, der Gitterelektrode 24 und der
Glasabdeckung 26, von der porösen Schicht 18. Dabei erfolgt die Tren
nung in vorteilhafter Weise an der Grenzfläche zwischen der porösen
Schicht 18 und der epitaktischen Schicht 22, wobei diese Grenzfläche so
zusagen als Sollbruchstelle funktioniert, da hier die mechanische Haftung
am leichtesten zu überwinden ist. Danach wird entsprechend der Fig. 1F
das schichtartige Gebilde 28 auf eine Metallplatte 30 gemäß Fig. 1F ge
bracht und bildet auf diese Weise eine Solarzelle. Die Metallplatte 30 sorgt
einerseits für die Kontaktgabe zu den pyramidenartigen Spitzen 32 der
monokristallinen Si-Schicht 22 und dient andererseits als Reflektor, damit
Licht, das noch nicht im Silizium absorbiert ist, wieder durch die Schicht
22 hindurchgeführt wird, so daß eine nochmalige Absorptionsmöglichkeit
geschaffen wird.
Man merkt, daß das Gitter 24 filigran ist und somit keinen nennenswerten
Leistungsverlust durch Reflexion des einfallenden Lichtes 34 erzeugt.
Die Konstruktion einer derartigen Photozelle wird später anhand der Fig.
8 und 9 näher erläutert.
Als Nachweis für die Qualität des Verfahrens wird zunächst auf die Fig.
2, 3 und 4 verwiesen. Jedes dieser Bilder zeigt eine Elektronenmikro
skopaufnahme, und zwar in Fig. 2 von der Oberseite einer epitaktischen
Si-Schicht 22, wie in Fig. 1 dargestellt, in Fig. 3 von der nach der Ent
fernung der epitaktischen Si-Schicht 22 gebildeten freien Oberfläche der
porösen Schicht 18, und Fig. 4 ist eine weitere Aufnahme der epitakti
schen Schicht 22, jedoch von einer anderen Perspektive, aus der auch die
einwandfreie Profilierung der Grenzfläche zur porösen Schicht 18 hervor
geht.
In der Aufnahme gemäß Fig. 3 sieht man die Oberfläche des Substrats
18 nach der Abtrennung der epitaktischen Schicht 22, jedoch vor der Rei
nigung der freien Oberfläche von den Resten der porösen Schicht 18. Nach
der Reinigung, die mittels Ätzen und/oder einer Ultraschallbehandlung
stattfinden kann, präsentiert sich die freie Oberfläche des Substrats 10 in
der gleichen sauberen Form, wie sie für die Erzeugung der porösen
Schicht 18 und das Aufwachsen der epitaktischen Siliziumschicht 22
vorlag. Somit kann das Substrat 10 mit einer neuen porösen Schicht 18
versehen und wiederverwendet werden für das Aufwachsen von weiteren
schichtartigen Gebilden bzw. Halbleiterschichten, genauso wie die Schicht
22 der Fig. 1C.
Dies ist somit eine erste Möglichkeit, das Substrat 10 mehrfach zu ver
wenden.
Die Fig. 5 zeigt in schematischer Form eine Variante des erfindungsge
mäßen Verfahrens, bei der eine Mehrfachstruktur erzeugt wird.
Im Beispiel der Fig. 5 liegt ebenfalls ein Substrat 10 als p- oder n-Si vor
und auch hier befindet sich eine strukturierte poröse Schicht 18 oberhalb
des Substrats 10. Die Strukturierung der zunächst freien Oberfläche 19
der porösen Schicht 18 entspricht beispielsweise genau der Profilierung in
der entsprechenden Grenzfläche in der Ausführungsform nach Fig. 1.
Das heißt, das Bezugszeichen 19 stellt die oberste Grenzfläche der porö
sen Schicht 18 dar (mit anderen Worten die dem Substrat 10 abgewand
ten Grenzfläche der porösen Schicht 18).
Es werden jetzt durch ein epitaktisches Verfahren, zwei aufeinanderfol
gende Schichten aus n-Si und p-Si, d. h. die Schichten 22A und 22B, auf
dem Substrat 10 aufgewachsen, d. h. auf der strukturierten Oberfläche der
porösen Schicht 18. Nach der Erzeugung der zwei Schichten 22A und
22B, reicht die freie Oberfläche der p-Si-Schicht 22B zunächst bis zu der
Höhe 40 und weist die gleiche Profilierung auf wie die Grenzfläche 19. Da
nach wird die Schicht 22B behandelt, um sie im oberen Bereich in eine
weitere poröse Schicht 18 A umzuwandeln, welche beispielsweise in ihrer
Gestalt der porösen Schicht 18 der Fig. 1 entspricht. Das Verfahren wird
nunmehr mehrfach wiederholt, wodurch weitere Schichten 22A', 22B',
22A'', 22B'', 22A''', 22B''' usw. entstehen, und es wird jedesmal die freie
Oberfläche der oberen Schicht 22B (B', B'', B''' usw.) behandelt, um eine
poröse Si-Schicht 18A', 18A'', 18A''' zu erzeugen.
Die mehrfache Struktur der Fig. 5 kann dann zerlegt werden, in dem
man die einzelnen schichtartigen Gebilde 22A, 22B (in der Reihefolge
(22A'''', 22B''''), (22A''', 22B'''), . . ., (22A, 22B)), von der mehrfachen Struktur
trennt.
Zur Erweiterung dieser Trennung kann jeweils ein Träger mit der freien
Oberfläche des zunächst zu trennenden Schichtpaares verbunden werden,
oder die Trennung kann beispielsweise durch thermische Gradienten er
folgen und nach Reinigung der Oberflächen der Schichtpaare diese dann
nach Belieben mit Elektroden versehen werden.
Es fällt auf, daß in diesem Beispiel die Schichtpaare 22A, 22B usw. einen
n-/p-Übergang bilden. Nach der Anbringung von etwaig erforderlichen
Elektroden können die einen Oberflächen der Schichtpaare dann mit ei
nem Trägermaterial verbunden werden, beispielsweise mit einer Glas
schicht versehen werden, wie in der Fig. 1 vorgesehen. Es besteht nun
auch die Möglichkeit, die so behandelten Schichtpaare umzudrehen und
weitere Strukturen durch epitaktische Verfahren auf die dann freie Ober
fläche der jeweils unteren Schicht 22A (22A', 22A'' usw.) aufzubringen.
Unter Umständen kann das Substrat 10 mit der strukturierten porösen
Schicht 18 wieder verwendet werden.
An dieser Stelle soll betont werden, daß die Strukturierung der freien
Oberfläche der porösen Si-Schicht keineswegs auf die bislang erörterte
umgekehrte Pyramidenform beschränkt ist. In der Tat können die ver
schiedensten Strukturierungen gewählt werden, je nach Belieben.
Dies wird zum Beispiel auch bei der Ausführung der Fig. 6 zum Aus
druck gebracht. Fig. 6A zeigt nämlich wiederum das Si-Substrat 10 mit
einer porösen Si-Schicht 18. In diesem Falle weist die poröse Schicht 18
eine rillenartige Profilierung 50 auf, bestehend aus nebeneinander ange
ordneten Längsrillen 52, welche jeweils voneinander durch Stege 54 des
porösen Siliziummaterials getrennt sind. Diese Rillen 52 bzw. die entspre
chenden Stege können nach einem beliebigen Verfahren hergestellt wer
den, beispielsweise auch durch mechanisches Fräsen oder durch stellen
weises Zerquetschen der porösen Schicht 18 mit einem Prägewerkzeug
oder einer profilierten Walze.
Es wird nunmehr in der Fig. 6A schematisch dargestellt ein Klebstoff 56
auf der Oberfläche der porösen Schicht aufgebracht. Dieser Klebstoff 56
dient der Anbringung eines zweiten Substrats 58, das aus einem beliebi
gen Material bestehen kann, auf dem ersten Substrat 10, so daß sich die
fertige Struktur gemäß Fig. 6B ergibt. Wird nun ein mechanisches
Trennverfahren durchgeführt, läßt sich das zweite Substrat 58 mit der
Klebstoffschicht 56 und den Abschnitten 54A der Stege 54 vom ersten
Substrat 10 und den Stegresten 54B trennen, wie in Fig. 6C gezeigt.
Aufgrund des Herstellungsverfahrens weist die poröse Schicht 18 die glei
che Kristallorientierung auf wie das Substrat 10 und diese Kristallorientie
rung ist dementsprechend auch in den Stegen 54 enthalten. Darüber hin
aus ist diese Kristallorientierung in allen Stegen 54 die gleiche und dies
gilt auch für die Abschnitte 54A, die am zweiten Substrat 58 befestigt
sind. Das Substrat 58 mit den Abschnitten 54A kann nunmehr verwendet
werden, um mittels Epitaxie-Verfahren weitere Strukturen auf die die Ab
schnitte 54A aufweisende freie Oberfläche aufzuwachsen. Hierdurch ent
steht wieder ein monokristallines Halbleitermaterial auf dem Substrat 58
bzw. monokristallines Si auf den Stegen 54A.
Das erste Substrat 10 kann nunmehr wiederverwendet werden, indem der
Rest der porösen Schicht 18 vollständig entfernt und das Verfahren ge
mäß Fig. 6 wiederholt wird. Das Wiederholen des Verfahrens kann
mehrfach erfolgen.
Die Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens, ebenfalls in einer schematischen Darstellung.
Hier wird ein Zylinder aus Einkristall-Silizium kontinuierlich behandelt,
um eine poröse Si-Oberfläche zu erzeugen. Zu diesem Zweck wird das
untere Segment der zylindrischen Stange 60 in ein HF-Bad getaucht und
es wird zwischen einer Gitterelektrode 62 und der zylindrischen Stange 60
eine Spannung erzeugt, welche zu einem Stromfluß führt, der in Kombi
nation mit dem HF-Bad für die Erzeugung der porösen Si-
Oberflächenschicht sorgt.
Während der Drehung der zylindrischen Stange 60 wird flexibles
Substratmaterial auf die freiliegende Oberfläche der porösen Si-Schicht
aufgebracht, beispielsweise aufgesprüht mit anschließendem Aushärten,
und benützt, um die poröse Si-Schicht von der Oberfläche der zylindri
schen Stange 60 abzuschälen. Da die poröse Si-Schicht 18 ursprünglich
gekrümmt war, nunmehr aber durch das Abziehen mittels des Substrats
10 geradlinig verläuft, weist sie eine permanente Verspannung auf, welche
für die Erzeugung von manchen Bauelementen ausgenutzt werden kann.
Diese Variante hat den Vorteil, daß man ein streifenartiges Gebilde er
zeugt, d. h. ein streifenartiges Substrat 10 mit einer streifenartigen porö
sen Schicht 18, welche für die verschiedensten Zwecke verwendet werden
kann.
Beispielsweise kann die poröse Schicht 18 strukturiert werden und dann
zur Durchführung eines bisher erläuterten Verfahrens verwendet werden,
d. h. es wird zunächst auf der freien Oberfläche der porösen Si-Schicht 18,
gegebenenfalls nach deren Strukturierung, eine Halbleiterschicht durch
ein Epitaxie-Verfahren erzeugt, wobei die entsprechende Halbleiterschicht
oder Schichten wiederum aus Einkristall-Material bestehen.
Wird ein flexibles Substrat später wieder zu einer Röhre gelegt und dann
epitaxiert, so entsteht eine einkristalline Si-Röhre. Diese könnte als Silan
zuleitung für Epitaxiereaktoren von Bedeutung sein, da ein Si-Rohr me
chanisch sehr stabil ist und keine Fremdatome enthält.
Die verschiedenen Verfahren, die angewendet werden, werden nunmehr
näher erläutert.
- A. Verfahren zur Strukturierung des Substratwafers mit invertierten
Pyramiden:
- a) Oxidation (1% Trans LC) des (100) orientierten und polierten Si- Wafers bei 1000°C für 45 min. Es entsteht eine 100 nm dicke SiO2 Schicht.
- b) Photolack aufschleudern und mit netzartiger Maske photolithogra phisch belichten. Aufgrund der Maskengeometrie steht der Photo lack nach der Entwicklung nur noch auf ca. 2 µm breiten Stegen, zwischen den Stegen sind 11 × 11 µm2 freie Flächen.
- c) Das Oxid wird in ca. 2 min mit gepufferter HF entfernt. Der Photolack wird entfernt.
- d) RCA 1 und RCA 2 Reinigung, mit HF-Dip abschließen.
- e) Die invertierten Pyramiden werden in 8%-iger KOH-Lösung bei einer Temperatur von 80°C in 10 min. geätzt. Nach dem Ätzvorgang wird die Probe in Reinstwasser gespült und getrocknet. Oxidstege, soweit noch vorhanden, werden entfernt. Bei dieser anisotropen Ätztechnik entstehen Kristallflächen der Orientierung (111). Die freien Bindun gen an der (111)-Oberfläche lassen sich stabil mit Wasserstoff ab sättigen, so daß die Entstehung eines SiO2 an der Oberfläche sicher vermieden wird. Damit kommen für die nachfolgenden Epitaxie schritte auch solche Verfahren und Reaktoren in Frage, die ein thermisches Abheizen des Oxides nicht zulassen.
- f) Alternative Verfahren:
- f1) Zufällig angeordnete Pyramiden durch anisotropes Ätzen in KOH (keine Photolithographie)
- f2) Mechanisches Schleifen mit speziell geformten Sägeblättern (typische Strukturgröße 100 µm)
- f3) In der Tiefe profiliertes poröses Silizium durch ungleichmäßige Beleuchtung (n-Typ Si) herstellen, daß dann wieder entfernt wird
- f4) Der Ausgangswafer kann multikristallines Si, z. B. blockgegos senes Material sein.
- B. Verfahren zur Herstellung der porösen Schicht an der Oberfläche
des strukturierten Wafers:
- a) Die Wafer sind B-dotiert mit einer Akzeptorkonzentration zwischen 5 × 1018 cm⁻3 und 2 × 1019 cm⁻3. RCA 1 und RCA 2. Entfernen des Restoxides mit HF.
- b) Die Ätzvorrichtung entspricht der in Patent 0 536 788 A1 Fig. 2b offengelegten. Das poröse Silizium wird durch anodisches Ätzen in HF : H2O : Ethanol = 1 : 1 : 2 bei Raumtemperatur hergestellt. Die struk turierte Substratseite weist zur Kathode. Die Porösität der Schicht wird durch die Stromdichte geregelt, typische Stromdichten betra gen 1 bis 100 mA/cm2.
- c) Wir stellen eine ca. 150 nm dicke 1. poröse Schicht niederer Porösi tät (ca. 35%) her, gefolgt von einer ca. 10 µm dicken 2. porösen Schicht höherer Porosität (50%).
- d) Die Siliziumscheibe mit strukturierter und poröser Oberfläche wird bei 400°C für 30 min. in trockener O2-Atmosphäre oxidiert und un ter Inertgas (N2) bis zur Epitaxie gelagert.
- C. Das Epitaxie-Verfahren der ionenassistierten Deposition:
Dieses Verfahren ist ausführlich im Aufsatz "Crystalline thin film silicon solar cells by ion-assisted deposition" von S. Oelting, D. Mar tini, D. Bonnet, beschrieben. Die Proben, von denen SEM-Bilder laut Fig. 2 bis 4 gemacht wurden, wurden wie folgt epitaxiert:- a) RCA 1 und RCA 2 Reinigung mit HF-Dip (30 s in 5%-iger HF, an schließend in deionisiertem Wasser spülen)
- b) Einschleusen in den Reaktor und bei 400°C-500°C ausgasen las sen.
- c) Zur Entfernung des Restoxides 10 min. auf 850°C heizen.
- d) Es wurden 10 µm dicke (parallel zur makroskopischen Flächennor male des Substratwafers gemessen) Si-Schichten mit Ga- Dotierungen von 5 × 1017 cm⁻3 gewachsen. Die Temperatur des Ga- Tiegels ist 670°C, die Substrattemperatur beträgt 700°C. Die Ab scheiderate ist 4 µm/h. Die Beschichtung erfolgt im Hochvakuum (< 10⁻7 mbar). Schichten mit Dotierfolgen, insbesondere eines wäh rend des Epitaxie erzeugten pn-Überganges wurden ebenfalls erfolg reich abgelöst.
- e) Alternative Epitaxie-Verfahren:
- e1) Flüssigphasenepitaxie (LPE). Interessant, weil LPE bei Tempe raturen unter 850°C möglich ist.
- e2) Festphasenkristallisation (SPC) von amorphen Si (a-Si). Inter essant, weil Depositionsanlagen für großflächige a-Si-Deposition Stand der Technik. Nachteil, SPC ist langsam (5 . . . 10 h für das Re kristallisieren).
- e3) Gasphasenepitaxie (CVD), wie in Patenten von Canon. Nach teil. CVD erfordert Abscheidetemperaturen < 900°C, bei denen das poröse Material zusammensintert. Das mechanische Trennen wird schwer oder unmöglich.
- e4) Plasmaunterstützte Gasphasenepitaxie (LPCVD). Interessant, weil bei niedrigen Temperaturen möglich.
- e5) Heißdrahtepitaxie, weil höhere Abscheideräten (< 10 Ang ström/S) möglich bei niedriger Temperatur (< 600°C).
- e6) Laserkristallisation von amorphem Si, weil schnell und niedri ge Temperaturbelastung des Substrates und des porösen Si.
- D. Verfahren zum Ablösen:
- a) Die 10 µm dicke epitaktische Schicht auf dem porösen Si auf dem Substratwafer wird bei einer Temperatur von 125° auf eine Heiz platte gelegt. Die Epi-Schicht nach oben.
- b) Auf die erwärmte Epi-Schicht wird Glykolphtalate gelegt, auf dieses wiederum ein 2 cm × 2 cm = 4 cm2 großes Deckglas. Dieses trans parente Polymer erweicht, zerfließt unter dem Gewicht der Glasplatte und führt so nach 10 min. zu einem völligen Ausschluß von Luft im Bereich zwischen Epi-Schicht und Glas. Nach Erkalten ist das Glas mit der strukturierten Epi-Schicht verbunden.
- b1) Verwendung anderer Kleber als Glykolphtalat, beispielsweise in der Photovoltaik übliche Kunststoffe.
- b2) Verwendung anderer mechanischer Träger als Glas, beispiels weise Kunststoffolien. Solche flexiblen Träger können die Tatsache nutzen, daß auch eine dünne strukturierte Epi-Schicht sehr flexibel ist (flexible Solarzellen).
- b3) Verwenden von Sol-Gel-Gläsern, die auf die Epi-Schicht ge gossen werden und dann härten. Einzelheiten zu Sol-Gel-Techniken sind im Abschnitt "Experimentelles" des Aufsatzes "Sol-gel coatings for light trapping in crystalline thin films", der anläßlich der "International Conference on Coatings on Glass", welche in Saar brücken, Deutschland, vom 27.-31.10.1996 stattfand, beschrieben.
- b4) Anodisches Bonden der strukturierten Epi-Schicht auf Glas oder "direct wafer bonding" der Epi-Schicht auf Si.
- c) Das Glas mit der Epi-Schicht wird nun einfach abgehoben. Die po
röse Schicht wird teils in der Mitte gebrochen, teils bleibt sie am
Substrat und teils an der Epi-Schicht hängen. Zweiminütige Ultra
schallbehandlung entfernt alle porösen Si-Reste. Die Epi-Schicht
haftet fest auf dem Glas. Zum Abheben des Glases mit Epi-Schicht
vom Substrat ist weniger mechanische Kraft erforderlich, wenn vor
dem Abheben Ultraschallbehandlung durchgeführt wird.
Alternative Verfahren zum mechanischen Trennen: - c1) Schockartiges Erhitzen (z. B.) der Epi-Schicht mit einem Licht puls, erzeugt einen großen Temperaturgradienten in der porösen Schicht, welcher zum Bruch der porösen Schicht führt.
- c2) Einfüllen einer Flüssigkeit oder eines Gases in die Hohlräume der porösen Schicht. Die Flüssigkeit oder das Gas wird zur Ausdeh nung gebracht und sprengt so die Epi-Schicht ab.
- c3) Großer mechanischer Druck auf die Epi-Oberfläche.
- c4) Resonante Strahlungseinkopplung in die poröse Schicht, die als Wellenleiter fungiert und so die Strahlung am porösen Material konzentriert.
Es werden nunmehr einige Halbleiterbauelemente beschrieben, die sich
mittels der vorliegenden Erfindung realisieren lassen.
Die Fig. 8 und 9 zeigen zunächst eine Photozelle - hier in Form einer
Solarzelle - und besteht im Kern aus einem schichtartigen Gebilde 22, das
aus einer Schicht n-Typ Si besteht und die gleiche Form aufweist wie die
Schicht 22 der Fig. 1.
Auf der unteren Seite des schichtartigen Gebildes 22 befindet sich die
Aluminiumplatte oder Folie 30, die in Berührung mit den pyramidenför
migen Spitzen 32 des schichtartigen Gebildes 22 ist. Durch eine Wärme
behandlung diffundieren Al-Atome in die Spitzen des schichtartigen Ge
bildes 22 hinein, was durch das Bezugszeichen 70 gezeigt ist, und erzeu
gen dort anstelle n-Typ Si p-Typ Si, d. h. es wird auf diese Weise der p-n-
Übergang geschaffen, der für eine Photozelle erforderlich ist.
Alternativ hierzu könnte beispielsweise das schichtartige Gebilde 22 ent
sprechend Fig. 5 aus einer ersten Schicht 22A aus n-Typ Si und aus einer
zweiten Schicht 22B aus p-Typ Si bestehen, was durch die gestrichelte
Grenzfläche 22C angedeutet ist. Die Ausbildung des unteren Reflektors,
der zugleich eine Elektrode bildet, bleibt die gleiche wie bisher beschrie
ben.
Oberhalb des schichtartigen Gebildes 22 befindet sich die Gitterelektrode
24, die in diesem Beispiel die Fingerform aufweist, die aus Fig. 9 ersicht
lich ist.
In der praktischen Ausführung sind die Felder etwas anders als in Fig. 9
dargestellt. Jeder Finger 25 der Gitterelektrode hat eine Breite von etwa
20 µ, d. h. in etwa das Doppelte der Breitenabmessung der einzelnen Py
ramiden des schichtartigen Gebildes 22. Weiterhin sind Gitterfinger 25
nicht, wie gezeigt, bei jeder fünfter Gitterlinie vorhanden, sondern es liegt
eine viel größere Anzahl von unbedeckten Gitterzellen dazwischen, bei
spielsweise 1000.
Es ist auch durchaus möglich, die Gitterelektrode 25 aus einem transpa
renten Material zu erzeugen, beispielsweise Indiumzinnoxid. Die Gittere
lektrode 25 kann auch vollflächig auf der Unterseite der Platte 26 oder auf
der Oberseite des schichtartigen Gebildes 22 aufgebracht werden.
Das Verfahren zur Anbringung der Glasplatte erfolgt wie später beschrie
ben wird.
Für Solarzellenanwendungen ist die Strukturierung in der Si-Schicht
wichtig, denn nur so kann viel Sonnenlicht in einer dünnen Schicht ab
sorbiert werden. Im Unterschied zu bekannten Verfahren (direkte Si-
Abscheidung auf flachen oder texturierten Gläsern) ist bei dem hier vorge
stellten Verfahren sowohl die Vorder- als auch die Rückseite frei zugäng
lich.
Komplizierte Kontaktierschemate (wie z. B. in der Veröffentlichung Appl.
Phys. Letters, Band 70, Heft Nr. 3 vom 20.1.97, Seiten 390 bis 392 be
schrieben) sind nicht erforderlich. Besonders einfach wird die Solarzellen
herstellung, wenn man den p-n-Übergang schon während der Epitaxie
herstellt, d. h. mit den Schichten 22A und 22B und dann das schichtartige
Gebilde, d. h. die Waffel, einfach zwischen einem Metallspiegel (z. B. des
oben beschriebenen Aluminiumbleches 30) und einem transparenten Lei
ter (z. B. Inidumzinnoxid oder Zinkoxid) klemmt. Es sind dann überhaupt
keine Aufdämpfungen von Kontaktfingern mehr erforderlich. Die mechani
sche Pressung reicht aus.
Die Wiederverwendbarkeit des strukturierten Substratwafers ist ein wich
tiger Aspekt für die Solarzellenanwendungen. Es dürfte möglich sein, die
Dicke der porösen Schicht 18 vom bisher benutzen experimentellen Wert
von 10 µm auf kleiner als 1 µm zu senken. Je kleiner die poröse Schicht
gemacht werden kann, desto häufiger kann der Substratwafer wiederver
wendet werden.
Die Fig. 18 und 19 zeigen eine schematische Darstellung ähnlich den Fig.
8, 9 - jedoch in einer abgewandelten Ausführungsform. Hier wird die
Strukturierung des schichtartigen Gebildes etwas anders vorgenommen,
so daß bei der oberen Schicht 22A ausgewählte Pyramidenspitzen 22D
nach oben weisen, d. h. sie reichen höher als die sonstigen Pyramidenspit
zen. Diese Ausführung illustriert, wie durch geschickte Wahl der Struktu
rierung des Substrats die Häufigkeit der Kontaktgabe zu dem schichtarti
gen Gebilde unabhängig von der Gitterperiode P kontrolliert werden kann.
Die Fig. 20 zeigt, wie verschiedene Solarzellen, beispielsweise nach den
Fig. 8 und 9, in Serie geschaltet werden können, um ein Modul zu bilden.
Wie gezeigt werden hier Federn 80 verwendet, um die oberen und unteren
Elektroden oder Leiter elektrisch miteinander zu verbinden. Zwischen den
Punkten A und B kann die dreifache Spannung einer Solarzelle abgegrif
fen werden.
Die Fig. 10 und 11 zeigen in schematischer Form eine mögliche Ausbil
dung eines Strahlungsdetektors. Eine strukturierte Si-Epi-Schicht 22 auf
einem Glassubstrat 10 gebondet erzeugt viele, in sich geschlossene Kam
mern 72, die mit einer festen Gasmenge gefüllt sind. Die so gebildeten
Kammern sind mit einer oberen Glasplatte 26 geschlossen. Trifft Strah
lung durch das Glas in die jeweiligen Kammern 72, erwärmt sich das Gas,
dehnt sich aus und verbiegt die durch das schichtartige Gebilde 22 gebil
dete Membran. Diese Dehnung kann mit Piezoelementen 74 detektiert
werden. Wenn unterschiedliche Bereiche des Detektors für unterschiedli
che Wellenlängen der zu detektierenden Strahlung verwendet werden sol
len, so können beispielsweise in der oberen Glasplatte 26 Filter vorgese
hen werden, die nur die jeweils zu detektierende Strahlung durchlassen.
In den Fig. 10 und 11 sind lediglich vier Kammern 72 gezeigt. In der Pra
xis werden es mehr sein.
Das Gebilde der Fig. 10 und 11 kann auch als Drucksensor verwendet
werden. Eine strukturierte Si-Epi-Schicht, auf Glas gebondet, zeigt viele in
sich abgeschlossene Kammern, die mit einer festen Gasmenge gefüllt sind.
Ändert sich der Außendruck (Luftdruck oder mechanischer Druck), so
verbiegen sich die Kammerwände. Solch eine Verbiegung kann auf jede
Kammer einzeln mit einem Piezoelement detektiert werden.
Eine weitere mögliche Anwendung von schichtartigen, strukturierten Ge
bilden liegt in der Schaffung von besonderen Spiegeln (Mikrospiegeln mit
besonderen Eigenschaften), die durch eine besondere Strukturierung der
reflektierenden Oberfläche des schichtartigen Gebildes erzeugt werden
kann.
Die Fig. 12A bis D zeigen eine Struktur ähnlich der der Fig. 6, ohne jedoch
eine besondere Profilierung der porösen Schicht vorzunehmen.
Konkret ist in den Fig. 12A bis D ein Verfahren zur Herstellung eines
Substrates, auf das mittels Epitaxie eine einkristalline Halbleiterschicht
aufgebracht werden kann.
Als erster Schritt wird ein Substrat 10 aus einem Halbleitermaterial, vor
zugsweise Silizium, behandelt, um eine poröse Schicht 18 in Plattenform
mit planaren Grenzflächen zu erzeugen.
Das Klebemittel 56 - evtl. bereits mit Träger 58 - wird dann auf die poröse
Schicht gebracht, so daß das Klebemittel die poröse Siliziumschicht 18
zumindest teilweise durchsetzt. Danach erfolgt die mechanische Trennung
des Klebemittels vom Substrat. Handelt es sich bei dem Klebemittel um
eine ausreichend mechanisch feste Verbindung, kann auf einen Träger
verzichtet werden. Das heißt, das Klebemittel selbst bildet den Träger. Das
Klebemittel kann aber eventuell mit dem Träger 58 verstärkt werden.
Die Trennung des Klebemittels, eventuell mit Träger, vom Substrat 10 er
folgt so, daß die durch die Trennung gebildete Oberfläche mit porösem
Halbleitermaterial der erwünschten Orientierung durchsetzt ist. Das Kle
bemittel mit dieser porösen Materialbelegung und evtl. mit einem Träger 58
auf dem der porösen Material abgewandten Seite bildet dann ein Substrat
für die Durchführung von späteren Epitaxie-Verfahren.
Das Substrat 10, das üblicherweise Reste von porösem Material aufweisen
wird, wird zunächst gereinigt, um diese Reste zu entfernen. Es wird dann
eine neue poröse Schicht gebildet, so daß das Substrat 10 weiterverwen
det werden kann.
Die Fig. 13A bis H zeigen ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter
schicht, die in bestimmten Bereichen monokristallin, in anderen Berei
chen amorph ist.
Gemäß Fig. 13A liegt zunächst ein flaches Substrat vor, das aus monokri
stallinen oder polykristallinen Halbleitermaterial bestehen kann, bei
spielsweise Si.
Die Fig. 13B zeigt in sehr schematischer Form, daß die eine Oberfläche
des Substrats durch die Einbringung von Rillen oder Löchern oder eines
erwünschten Musters durch Schleifen oder Ätzen strukturiert wird, und
zwar mit einer Strukturtiefe h.
Nach Fig. 13C wird in an sich bekannter Weise eine poröse Schicht 18 der
Dicke WPS ≧ h erzeugt, z. B. durch anodisches Ätzen in HF.
Danach wird ein Klebstoff, z. B. Sol-Gel-Glas, auf die strukturierte Oberflä
che des Substrats aufgebracht und dringt ganz oder teilweise in die poröse
Schicht ein. Es bildet sich eine vom Klebstoff durchdrängte, poröse
Schicht 18.
Danach erfolgt gemäß Fig. 13D die mechanische Trennung des Klebstoffes
vom Substrat, wobei ein Teil der porösen Schicht 18 durchtränkt mit
Klebstoff 56 am Klebstoff haftet. Das Substrat 10 kann nach einer geeig
neten Oberflächenbehandlung (Entfernung der Reste der porösen Schicht
und ggf. Neustrukturierung) weiter benutzt werden.
Das zweite Substrat, bestehend aus dem Klebstoff (evtl. mit Träger) und
mit Klebstoff durchdrängtes, poröses Arbeitsmaterial, wird behandelt, bei
spielsweise poliert, um ein schichtartiges Gebilde zu schaffen, das in
manchen Bereichen poröses Material enthält, und zwar in einer wohldefi
nierten Kristallorientierung, in anderen Bereichen aber kein poröses Mate
rial aufweist.
Danach erfolgt gemäß Fig. 13E ein ganzflächiges Abschieden einer amor
phen Schicht 76 auf die im Schritt 13F geschaffene Oberfläche 78.
Danach wird gemäß Fig. 13H beispielsweise eine Wärmebehandlung
durchgeführt, so daß eine Festphasenkristallisation des amorphen Mate
rials dort stattfindet, wo das im Klebstoff eingebettete poröse Material Nu
kleationskeime wohldefinierte Orientierung vorgibt. Dort, wo keine poröse
Schicht eingelagert ist, bleibt das Material amorph. Die entsprechenden
Stellen sind Stellen, wo gemäß Fig. 13B Vertiefungen 14 bei der Struktu
rierung des Substrats 10 ausgebildet wurden. Die Struktur gemäß Fig.
13H bildet nun den Ausgangspunkt für die Herstellung eines Produkts wie
einen Flachfeldbildschirm. Es ist nämlich möglich, das Produkt der Fig.
13H so zu strukturieren, daß in den amorphen Bereichen Lumineszenz
erzeugt wird, während in den monokristallinen Bereichen Ansteuertransi
storen ausgebildet werden, die den Lumineszenzzustand im amorphen Be
reich ansteuern.
Eine weitere interessante erfindungsgemäße Möglichkeit liegt darin, zu
nächst ein Substrat oberflächennah porös zu machen so wie vorher be
schrieben, wobei in Abweichung von der bisherigen Beschreibung, ein Teil
der porösen Schicht in eine einkristalline nichtporöse Schicht umgewan
delt wird und zwar durch schnelles Aufschmelzen und anschließendes Er
starren, anstatt eine kristalline Si-Schicht mittels Epitaxie auf die poröse
Schicht aufzubringen. Das heißt, eine oberste Lage der Hohlräume auf
weisenden oder porösen Schicht wird zumindest stellenweise aufge
schmolzen und wieder zum Erstarren gebracht.
Dies kann auch als eine Art Epitaxie auf porösem Untergrund verstanden
werden, nur kommt das Material für die Epitaxie aus der porösen Schicht
selbst. Nach der Erzeugung der einkristallinen nichtporösen Schicht
durch Aufschmelzen und nachfolgendem Erstarren der porösen Schicht
kann die erstarrte Lage entweder sofort vom Substrat getrennt werden
oder es kann ein schichtartiges Gebilde auf die erstarrte Lage aufgewach
sen und die erstarrte Lage anschließend vom Substrat getrennt werden.
Wie bisher erfolgt die Trennung unter Anwendung der Hohlräume aufwei
senden oder porösen Schicht als Sollbruchstelle durch die Erzeugung ei
ner mechanischen Spannung innerhalb der Hohlräume aufweisenden oder
porösen Schicht oder an einer Grenzfläche der Hohlräume aufweisenden
oder porösen Schicht.
Das Aufschmelzen erfolgt vorzugsweise durch Bestrahlung mit einem La
serlichtpuls aus einem Excimer- oder Kupferdampflaser. Dies kann bei
spielsweise nach dem Verfahren erfolgen, wie in der Veröffentlichung
"Ultra-large grain growth of Si films on glassy substrate" von Ishihara und
M. Matsumura in Electroncis Letters, 26. Oktober 1995, Heft 31, Nr. 22,
Seiten 1956 bis 1957 beschrieben. Im Unterschied zu dem in dieser Ver
öffentlichung beschriebenen Verfahren soll hier poröses Si in einkristalli
nes Si transformiert werden. Ein kurzer Lichtpuls ist im Vergleich zu einer
Dauerbestrahlung, was ebenfalls möglich wäre, von Vorteil, weil man so
allein den oberflächennahen Bereich aufschmelzen kann und tieferliegen
des poröses Material nicht verändert. Ein technisches Problem könnte
darin bestehen, daß die auftretenden thermischen Gradienten zu einem
Abplatzen der kristallinen Schicht führen. Entweder kann dies durch ge
eignete Konditionierung des porösen Si vermieden werden oder man
könnte die Schichtherstellung und das Ablösen in einem Schritt durch
führen, was erfindungsgemäß möglich ist.
Alternativ zur Laserbehandlung kommt noch das Zonenziehen als Metho
de zum schnellen Aufheizen in Frage. Hierbei wird die poröse Schicht un
ter einem linienförmig gebündelten Elektronenstrahl oder Lichtstrahl hin
durchgeführt, so daß eine flächige kristalline Schicht entsteht. Ein ent
sprechendes Verfahren geht aus der Veröffentlichung mit der Bezeichnung
"A new fabrication method for multicrystalline silicon layers on graphite
substrates suited for low-cost thin film solar cells" in Solar Energy Materi
als and Solar Cells 41/42 (1996), Seite 119-126 von M. Pauli, T. Reindl,
W. Krühler, F. Homberg und J. Müller, hervor, wobei diese Aufsatz von
Elsevier Science B.V. veröffentlicht wurde.
Die Erfindung wird nunmehr von einem anderen Standpunkt beschrieben.
Im folgenden wird der Prozeß des perforierten Siliziums (Ψ-Prozeß) zur
Herstellung von ultradünnen Siliziumschichten mit effizientem Lichtein
fang erläutert. Hierfür wird auf der porösen Oberfläche eines strukturier
ten monokristallinen Siliziumsubstrats eine Siliziumschicht epitaktisch
aufgewachsen. Mechanische Spannung bricht die poröse Schicht und
trennt dadurch die epitaktische Schicht von dem Substrat. Gemäß Rönt
gen-Beugungs-Analyse ist das Wf = 5,8 µm dicke Siliziumschicht monokri
stallin. Messungen des Reflexionsvermögens und Strahlverfolgungs-
Simulationen sagen einen maximalen Kurzschlußstrom von
jsc* = 36,5 mA/cm2 für Schichten in der Form einer Waffel voraus, wenn
sie an Glas befestigt sind. Transport-Simulationen sagen eine Effizienz η =
16 bis 19% für eine Filmdicke von Wf = 2 bis 3 µm voraus.
Dünnschicht-Solarzellen aus kristallinem Silizium sind aus der Literatur
z. B. [1] bekannt. Diese und nachfolgend genannte Druckschriften sind
innerhalb eckiger Klammern numeriert und zum Zwecke der erleichterten
Übersicht am Ende der Beschreibung in einer Liste aufgeführt. Dünnfilm-
Solarzellen aus kristallinem Silizium stellen im wesentlichen drei Anforde
rungen: (i) das Wachsen einer kristallinen Siliziumschicht von hoher Qua
lität und großer Korngröße auf einem billigen Substrat, (ii) die Verwirkli
chung eines Lichteinfang-Schemas zur Kompensation der intrinsisch
schwachen Absorption des nahen Infrarot in kristallinem Silizium, und (iii)
eine wirkungsvolle Passivierung der Korngrenzen und Oberflächen.
Eine strukturierte, monokristalline Siliziumschicht auf einem Floatglas
würde zur Erfüllung aller drei Anforderungen beitragen: (i) Monokristalli
nes Material kann eine hohe Volumenqualität besitzen, und Floatglas ist
ein billiges Substrat. (ii) Innovative Schichtstrukturen [2-4], wie beispiels
weise die pyramidenförmige Schichtstruktur [4], erlauben das wirkungs
volle Einfangen von Licht. (iii) Der monokristalline Aufbau verhindert
Korngrenzen-Rekombination und ermöglicht eine wirkungsvolle Oberflä
chen-Passivierung bei niedrigen Temperaturen [5]. Eine derartige Her
stellung von dünnen und strukturierten monokristallinen Siliziumschich
ten wurde in der Literatur bislang nicht aufgezeigt.
Im folgenden wird der neuartige Prozeß des perforierten Siliziums zur Her
stellung von strukturierten monokristallinen dünnen Schichten auf Float
glas erläutert. Dabei wird das Lichteinfang-Verhalten derartiger Schichten
experimentell untersucht und die mögliche Effizienz der neuartigen
Schichtstruktur wird theoretisch analysiert.
Die Epitaxie auf porösem Silizium wurde für die Herstellung von dünnen
monokristallinen Siliziumschichten auf isolierenden Substraten eingehend
untersucht [6]. In diesem Prozeß wächst eine epitaktische Schicht durch
ein CVD-Verfahren bei Temperaturen T < 1000°C auf einem ebenen,
monokristallinen Siliziumwafer mit einer porösen Oberfläche. Die epitakti
sche Schicht wird dann durch Waferbonden auf einen Isolator gebracht.
Mechanisches Schleifen entfernt danach den Substratwafer. Anschließen
des chemisches Ätzen der übriggebliebenen porösen Schicht vervollstän
digt den Prozeß. Das Fehlen von Lichteinfang-Eigenschaften, der Bonding-
Prozeß und das Verbrauchen des Substrat-Wafers verhindern aus Kosten
gründen die Anwendung dieser Technik auf die Photovoltaik.
Im Gegensatz hierzu läßt sich der im folgenden vorgestellte Prozeß auf die
Photovoltaik anwenden, da der Prozeß das Lichteinfangen erleichtert,
Bondingprozesse vermeidet und den Substratwafer nicht aufbraucht. Fig.
1A bis F verdeutlichen Schritt für Schritt den Prozeß, der eine struktu
rierte monokristalline Siliziumschicht auf Glas produziert:
- a) Ein monokristalliner Siliziumsubstratwafer erhält eine Oberflächen struktur durch jegliche Art von Ätzen oder mechanischem Schleifen. Da bei sind Strukturen möglich, die noch viel komplexer sind als die umge kehrten regulären Pyramiden der Periodizität p in Fig. 1A.
- b) Die Oberfläche des Substrats wird in eine poröse Siliziumschicht (porous Si-layer, PSL) der Dicke WPS umgewandelt. Die Orientierung des Silizium in der PSL gibt die Information über die Substratorientierung weiter.
- c) Anschließend wird Silizium auf die PSL epitaktisch aufgewachsen. Eine Epitaxietechnik von geringer Temperatur ist von Vorteil, da die Oberflä chenbeweglichkeit der Siliziumatome an der inneren Oberfläche der PSL bei Temperaturen oberhalb von 850°C zu einem Sinterprozeß führt [7].
Zu diesem Zeitpunkt ist die Außenfläche der epitaktischen Schicht frei
zugänglich. Jeder Prozeß, der bei Temperaturen unterhalb von ungefähr
850°C arbeitet, kann verwendet werden, um den Emitter der Zelle zu bil
den. Sowohl ein epitaktischer Emitter als auch ein Inversionsschicht- oder
ein Heteroübergang-Emitter sind möglich. Für die Oberflächenpassivie
rung und die Gitterbildung sollten innovative Techniken verwendet wer
den, die beispielsweise in [5, 8, 9] beschrieben sind.
- d) Ein darüber liegendes Substrat (beispielsweise Glas) wird mit einem transparenten Klebstoff an der Vorderfläche befestigt. Die Temperaturbe ständigkeit des darüber liegenden Substrats und des Klebstoffes bestim men die maximale Prozeßtemperatur aller nachfolgenden Prozeßschritte.
- e) Die im Vergleich zu dem Substrat-Silizium geringe mechanische Stärke der PSL wird ausgenutzt, um die Zelle vom Substrat zu trennen. Eine Viel zahl von Vorgehensweisen ist möglich: Schock-Erhitzen, Auffüllen der Lö cher mit Flüssigkeiten oder Gasen, die zum Expandieren gebracht werden, Verspannen der PSL durch Druck- oder Zugspannung, oder Ultraschall behandlung. In all diesen Fällen fungiert die PSL wie eine Perforation im Silizium (Psi), daher der Name Ψ.
- f) Die Rückseite der Zelle ist zugänglich für Oberflächenpassivierung und die Bildung eines Reflektors. Ein abgesetzter Reflektor kann auch dazu dienen, Punktkontakte zu bilden, die einer geringen Rekombination der Minoritäts-Ladungsträger zuträglich sind.
Der freie Zugang auf die Rück- und Vorderfläche ist ein intrinsischer Vor
teil des Ψ-Prozesses über Prozesse, die Silizium direkt auf einem isolieren
den Substrat ablagern.
Die Bildung der PSL verbraucht eine Dicke WPS/Cos (α) des Substratwa
fers, der so strukturiert ist, daß die Kristallflächen in einem Winkel α zu
der makroskopischen Zellenoberfläche stehen. Nach dem Entfernen des
gesamten übriggebliebenen porösen Siliziums behält das Substrat die ur
sprüngliche Oberflächen-Morphologie (Fig. 1A) bei, solange WPS/ p « 1.
Andernfalls werden die Kanten und Spitzen abgerundet mit einem Krüm
mungsradius WPS, wie in Fig. 1E dargestellt. Somit kann das Substrat für
ausreichend kleine Verhältnisse WPS/p mehrmals wiederverwendet wer
den, bis eine neue Strukturierung des Substratwafers notwendig wird.
Ein monokristalliner Siliziumwafer des p⁺-Typs, zu 1019/cm⁻3 mit Bor do
tiert, in (100)-Richtung orientiert und von vier Zoll Durchmesser, erhält
durch Photolithographie und anisotropes Ätzen mit KOH eine Struktur
von umgekehrten Pyramiden mit der Periodizität p = 13 µm. Anodisches
Ätzen in verdünntem HF erzeugt eine WPS = 6 µm dicke poröse Silizium
schicht in einem Zeitraum von ungefähr 2 Minuten. Vor der Epitaxie wird
die Probe für 10 min. auf ca. 850°C erhitzt, um das natürlich vorkom
mende Oxid von der PSL-Oberfläche zu entfernen. Eine epitaktische
Ga-dotierte Siliziumschicht der Dicke WPS = 5,8 µm wird durch Ion-Assisted-
Deposition-Technik (IAD) [10] bei 700°C aufgewachsen. Die Wachstums
rate beträgt 4 µm/h auf ebenen Oberflächen. Transparentes Poly-(Ethylen-
Phtalat) befestigt Glasflächen der Größe 2 × 2 cm2 an der epitaktischen
Schicht. Eine Ultraschall-Behandlung von etwa 2 min. destabilisiert die
PLS-Schicht und erleichtert das mechanische Entfernen der epitaktischen
Schicht ohne chemisches Ätzen. Es ist auch möglich, die epitaktische
Schicht und das Substrat ohne die Behandlung mit Ultraschall voneinan
der zu trennen.
Fig. 2 und 4 zeigen Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen einer freiste
henden Silizium-Waffelstruktur, die mit dem γ-Prozeß hergestellt wurde.
Außer der Ultraschall-Behandlung wurde vor den Rasterelektronenmikro
skop-Untersuchungen keine weitere Reinigung vorgenommen. Die per
spektivische Draufsicht der Fig. 2 zeigt reguläre umgekehrte Pyramiden,
die Nachbildungen der ursprünglichen Oberflächenstruktur des
Substratwafers sind. Fig. 4 zeigt in schräger Ansicht den Querschnitt der
Waffelstruktur. Die Pyramidenspitzen zeigen nach unten. Es sind keine
Risse zu sehen. Die Schichtdicke senkrecht zu den pyramidenförmigen
Kristallflächen beträgt Wf = 5,8 µm. Die Oberseite weist in den Fig. 2
und 4 nicht sichtbare Vertiefungen auf, deren Tiefe und Durchmesser je
weils weniger als 0,1 µm betragen, wodurch eine Art Mikrorauhigkeit ge
geben ist. Diese Vertiefungen hängen mit der IAD-Technik zusammen, da
sie auch bei flachen epitaktischen Schichten auftreten, die auf nicht
strukturiertem Substratsilizium wachsen.
Hall-Messungen an einer Schicht, die auf einem nicht-strukturierten
monokristallinem Substrat von hohem spezifischen Widerstand abgelagert
wurde, ergeben eine Konzentration des elektrisch aktiven Dotierungsstof
fes Ga von 2 × 1017 cm⁻3 und eine Lochbeweglichkeit von 186 cm2/Vs.
Fig. 14 zeigt das CuKα -Röntgen-Beugungsspektrum der Silizium-Waffel auf
Glas im Vergleich zu dem Spektrum des monokristallinen Silizium
substrats. Die Intensität ist in logarithmischem Maßstab dargestellt. Alle
Peaks treten an denselben Winkeln auf. Somit ist die Siliziumwaffel
struktur monokristallin und weist dieselbe Orientierung auf wie der
Substratwafer. Nur der große (400) Peak stammt vom Silizium. Alle ande
ren Peaks sind mehr als 2 Größenordnungen geringer und sind Artefakte
des Röntgengerätes. Die höhere Hintergrundsintensität der epitaktischen
Schicht ist durch das amorphe Glassubstrat verursacht. Folglich ermög
licht die IAD-Technik [10] das epitaktische Aufwachsen auf poröse
Substrate.
Die Lebensdauer der Substrat-Minoritätsladungsträger ist einer der kriti
schen Materialparameter einer Solarzelle. Die Oberfläche muß gut passi
viert sein, um die Substrat-Lebensdauer zu messen. Daher wird eine frei
stehende Silizium-Waffel auf beiden Seiten bei 1000°C oxidiert. Die Ober
flächen werden mit einer Korona-Entladungskammer [11] geladen, um die
Minoritätladungsträger von den Rekombinationszentren an der Oberfläche
zurückzustoßen.
Fig. 15 zeigt den Verlauf des Mikrowellen-Reflexionsvermögens nach An
regung mit einem optischen Puls von 20 ns. Die Probe wird um eine
Viertel Mikrowellen- Wellenlänge über einen Metallreflektor angeordnet,
um optimale Empfindlichkeit zu erreichen [12]. Der Abfall ist nicht streng
mono-exponentiell. Er läßt jedoch die Lebensdauer auf τ = 0,27 µs ±
0,08 µs schätzen. Der langsame Abfall für Zeiten t < 0,6 µs wird durch
Entweichen (de-trapping) von Ladungsträgern in flachen Niveaus verur
sacht. Die Elektronen-Beweglichkeit wurde nicht gemessen. Jedoch wur
de in Anbetracht der gemessenen Lochbeweglichkeit µ = 186 cm2/Vs als
untere Grenze für die Elektronen-Beweglichkeit eine Minoritätsladungs
träger-Diffusionslänge L < 11 µm berechnet, die größer ist als die Film
dicke Wf = 5,8 µm.
Für Dünnfilm-Zellen ist der Lichteinfang wesentlich. Leider kann das opti
sche Verhalten der verklebten Waffelstruktur, die wie in Fig. 1F schema
tisch gezeigt hinter der Probe mit einem Al-Spiegel versehen ist, nicht ge
messen werden, ohne die Probe zu kontaktieren. Daher wird das Kurz
schlußstrom-Potential der Probe abgeschätzt aus einem Vergleich mit ei
nem gemessenen hemisphärischen Reflexionsvermögen und einer Strahl
verfolgungs-Simulation mit dem Programm SUNRAYS [13]. Es hat sich
gezeigt, daß der abgesetzte Reflektor die optischen Verluste in dem Al we
sentlich vermindert [2].
Fig. 16 zeigt das gemessene (durchgezogene Linie) und das berechnete
(Kreise) hemisphärische Reflexionsvermögen. Die Strahlverfolgungs-
Simulation reproduziert näherungsweise die Messung ohne Anpassung
der optischen Parameter. Kleine Abweichungen zwischen der Abmessung
und der Simulation werden qualitativ durch die Mikrorauhigkeit der py
ramidenförmigen Kristallflächen erklärt, die in der Simulation nicht be
rücksichtigt wurde [2]. SUNRAYS errechnet einen maximalen Kurzschluß
strom jsc* = 36,5 mA/cm2 ± 0,5 mA/cm2 aus der simulierten Absorption
(Dreiecke) für die Wf = 5,8 µm dicke Waffel mit einer Strukturperiodizität
p = 13 µm bei Bestrahlung mit einem AM 1,5G Spektrum von 1000 W/m2.
Die Fehlerbalken resultieren aus der Statistik der Monte-Carlo-
Simulation.
Die mögliche Effizienz kristalliner Siliziumschichten mit der in den Fig. 2
und 4 gezeigten Form wird durch theoretische Modellierung untersucht.
Das optische Modell verwendet Strahlverfolgung durch SUNRAYS, wie vor
stehend beschrieben. Die Rate der Minoritätsladungsträger-Erzeugung
wird in der Siliziumschicht räumlich homogen gesetzt und aus jsc* und
dem Zellenvolumen berechnet. Zusätzlich zum optischen Modell ist ein
Modell für den Elektronentransport erforderlich. Die komplexe, dreidi
mensionale Ladungsträger-Diffusion in der Siliziumwaffel wird durch ei
nen rein eindimensionalen Transport senkrecht zu den pyramidenförmi
gen Kristallflächen angenähert. Die Effizienz der Zelle hängt von der Mino
ritätsladungsträger-Diffusionslänge L und der Oberflächenrekombinati
onsgeschwindigkeit (surface recombination velocity, SRV) S ab. Es ist sehr
wichtig, die Zelldicke Wf zu optimieren, um die mögliche Effizienz für feste
L und S richtig einzuschätzen [14]. Daher variiert die Simulation die
Filmdicke W für eine optimale Zelleneffizienz. Es wird eine Silizium-Zelle
angenommen mit einem Emitter, der zu 1019 cm⁻3 P-dotiert und 0,5 µm
dick ist, und mit einer Basis, die zu 1018 cm⁻3 B-dotiert ist. Bei dicken
W < 1 µm sind die Basis und der Emitter von gleicher Dicke. Die Diffusi
onslänge L und die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit S werden
für die Basis und den Emitter gleichgesetzt, um die Anzahl der freien Pa
rameter zu verringern. Die Rekombination in der Raumladungszone ist in
[15] erklärt. Die Beweglichkeitswerte und Parameter der Bandlückenver
engung von c-Silizium sind der Druckschrift [14] entnommen.
Fig. 17 zeigt die Effizienz (durchgezogene Linie) bei optimaler Zellendicke
(gestrichelte Linie) für einen weiten Bereich der Parameter S und L. Bei
einer Diffusionslänge L = 11 µm wird in Abhängigkeit von der Oberflä
chenrekombinationsgeschwindigkeit S eine Energieumwandlungs-Effizienz
von 16 bis 19% bei einer optimalen Zellendicke von 2 bis 3 µm berechnet
(Punkte). Eine Effizienz von 16%, entsprechend einer SRV S = 104 cm/s,
wäre ein großer Erfolg für eine 2 µm dünne kristalline Siliziumsolarzelle
auf Glas. Die Ablagerung einer Wf = 2 µm dünnen Schicht braucht
50 min. bei der derzeit angewandten IAD-Technik.
Der neuartige Prozeß des perforierten Siliziums (Ψ-Prozeß) wurde erläu
tert. Die Epitaxie auf einem strukturierten, monokristallinem Silizium
substrat und die mechanische Trennung der epitaktischen Schicht vom
Substrat ergeben ultradünne, monokristalline strukturierte Silizium
schichten auf jedem Typ von Glas. Messungen des Reflexionsvermögens
zeigen eine optische Absorption, die einer maximalen Kurzschlußstrom
dichte jsc* = 36,5 mA/cm2 entspricht. Theoretisch ist die Materialqualität
ausreichend für eine Effizienz von 16 bis 19% bei einer optimalen Zellen
dicke, die von Wf = 2 bis 3 µm reicht.
Weitere Möglichkeiten des w-Prozesses liegen in einer geringen Dicke
WPS < 1 µm der porösen Schicht, um den Materialverbrauch zu verringern
und eine oftmalige Wiederverwendbarkeit des Substratwafers zu ermögli
chen. Eine weitere Erhöhung der Ablagerungsrate ist ebenfalls möglich.
Ultradünne Schichen von 100 cm2 Größe können problemlos produziert
werden.
[1] J.H. Werner, R. Bergmann, und R. Brendel, in
"Festkörperprobleme/Advances in Solid State Physics", Vol. 34, her
ausgegeben von R. Helbig (Vieweg, Braunschweig, 1994), Seite 115
[2] R. Brendel, in "Proc. 13th
[2] R. Brendel, in "Proc. 13th
European Photovoltaic Solar Energy
Conf.", Her. W. Freiesleben, W. Palz, H.A. Ossenbrink, und P. Helm,
(Stephens, Bedford, 1995), Seite 436
[3] D. Thorp, P. Campbell und S.R. Wenham, "Progress in Photovoltaics 4", 205 (1996)
[4] R. Brendel, R.B. Bergmann, P. Lölgen, M. Wolf und J.H. Werner, "Appl. Phys. Lett. 70", 390 (1997)
[5] T. Lauinger, J. Schmid, A.G. Aberle und R. Hezel, "Appl. Phys. Lett. 68", 1232 (1996)
[6] N. Sato, K. Sakguchi, K. Yamagata, Y. Fujiyama und T. Yonchara, "J. Elecrochem. Soc. 142", 3116 (1995)
[7] C. Oules, A. Halimaoui, J.L. Regolini, R. Herino, A. Perio, D. Bensa hel und G. Bomchil, "Materials Science and EngineeringB4", 435 (1989)
[8] R. Hezel, in "Proc. 24th
[3] D. Thorp, P. Campbell und S.R. Wenham, "Progress in Photovoltaics 4", 205 (1996)
[4] R. Brendel, R.B. Bergmann, P. Lölgen, M. Wolf und J.H. Werner, "Appl. Phys. Lett. 70", 390 (1997)
[5] T. Lauinger, J. Schmid, A.G. Aberle und R. Hezel, "Appl. Phys. Lett. 68", 1232 (1996)
[6] N. Sato, K. Sakguchi, K. Yamagata, Y. Fujiyama und T. Yonchara, "J. Elecrochem. Soc. 142", 3116 (1995)
[7] C. Oules, A. Halimaoui, J.L. Regolini, R. Herino, A. Perio, D. Bensa hel und G. Bomchil, "Materials Science and EngineeringB4", 435 (1989)
[8] R. Hezel, in "Proc. 24th
IEEE Photovoltaic Specialists conf.", (IEEE,
New York, 1995), Seite 1466
[9] G. Willeke und P. Fath, "Appl. Phys. Lett. 64", 1274 (1994)
[10] S. Oelting, D. Martini und D. Bonnet, in "Proc. 12th
[9] G. Willeke und P. Fath, "Appl. Phys. Lett. 64", 1274 (1994)
[10] S. Oelting, D. Martini und D. Bonnet, in "Proc. 12th
European Pho
tovoltaic Solar Energy Conf.", herausgegeben von R. Hill, W. Palz
und P. Helm, (H.S. Stephens, Bedford, 1994), Seite 1815
[11] M. Schöfthaler und R. Brendel, in "Proc. Ist World Conf. Photovoltaic Energy Conversion, (IEEE, New York, 1994), Seite 1509
[12] M. Schöfthaler und R. Brendel, "J. Appl. Phys. 77", 3162 (1995)
[13] R. Brendel, "Progress in Photovoltaics 3", 25 (1995)
[14] M.J. Stocks, A. Cuevas und A.W. Blakers, "Progress in Photovoltaics 4", 35 (1996)
[15] S.C. Choo, "Solid-St. Electron 39", 308 (1996), Eq. 3
[11] M. Schöfthaler und R. Brendel, in "Proc. Ist World Conf. Photovoltaic Energy Conversion, (IEEE, New York, 1994), Seite 1509
[12] M. Schöfthaler und R. Brendel, "J. Appl. Phys. 77", 3162 (1995)
[13] R. Brendel, "Progress in Photovoltaics 3", 25 (1995)
[14] M.J. Stocks, A. Cuevas und A.W. Blakers, "Progress in Photovoltaics 4", 35 (1996)
[15] S.C. Choo, "Solid-St. Electron 39", 308 (1996), Eq. 3
Claims (41)
1. Verfahren zur Herstellung von schichtartigen Gebilden, bei dem auf
oder aus einem, beispielsweise aus monokristallinem p-Typ oder
n-Typ Si bestehenden Substrat eine Hohlräume aufweisende, vor
zugsweise poröse Materialschicht erzeugt wird und daraufhin das
schichtartige Gebilde oder ein Teil davon auf die Hohlräume aufwei
sende oder poröse Materialschicht aufgebracht wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß das schichtartige Gebilde oder ein Teil davon unter Anwendung
der Hohlräume aufweisenden oder porösen Schicht als Sollbruch
stelle durch die Erzeugung einer mechanischen Spannung inner
halb der Hohlräume aufweisenden oder porösen Schicht oder an ei
ner Grenzfläche der Hohlräume aufweisenden oder porösen Schicht
vom Substrat getrennt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberfläche der porösen Schicht, auf welche das schichtarti
ge Gebilde oder ein Teil davon aufgebracht wird, plan ausgebildet
wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberfläche des Substrats vor der Erzeugung der porösen
Schicht strukturiert wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberfläche der porösen Schicht strukturiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberfläche des Substrats durch eines oder mehrere der
nachfolgenden Verfahren strukturiert wird:
- a) durch ein photolithographisches Verfahren,
- b) durch eine Ätzbehandlung, z. B. durch eine Behandlung von n- oder p-Silizium mit KOH zur Erzeugung von zufälligen Py ramiden an der Oberfläche des Substrates,
- c) durch ein chemisches Verfahren,
- d) durch mechanisches Fräsen.
- e) durch Laserbehandlung.
6. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberfläche der porösen Schicht durch eines oder mehrere
der nachfolgenden Verfahren strukturiert wird:
- a) durch ein photolithographisches Verfahren,
- b) durch eine Ätzbehandlung, z. B. durch eine Behandlung von n- oder p-Silizium mit KOH zur Erzeugung von zufälligen Py ramiden an der Oberfläche des Substrates,
- c) durch ein chemisches Verfahren,
- d) durch mechanisches Fräsen,
- e) durch Laserbehandlung,
- f) durch mechanisches Prägen.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das schichtartige Gebilde zumindest teilweise durch ein Epita
xie-Verfahren (Homoepitaxie oder Heteroepitaxie) auf die poröse
Oberfläche aufgebracht wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß durch das Epitaxie-Verfahren mindestens eine zum schichtarti
gen Gebilde gehörende Halbleiterschicht auf die Oberfläche der po
rösen Schicht aufgebracht wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das schichtartige Gebilde zumindest teilweise durch die Ab
scheidung einer Metallschicht, beispielsweise in Form einer Alumi
niumfolie oder eines Aluminiumbleches, welche bzw. welches durch
Erwärmung und Oberflächendiffusion an das benachbarte Material
des schichtartigen Gebildes angebracht wird, ausgebildet wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schritt der Ausbildung des schichtartigen Gebildes die An
bringung eines Dielektrikums bspw. in Form einer transparenten
oder lichtdurchlässigen Fensterschicht, z. B. durch das Sol-Gel-
Verfahren oder mittels eines Klebstoffs, umfaßt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Trägerschicht vorgesehen wird, welche entweder mit dem
schichtartigen Gebilde in Verbindung gebracht wird, bspw. durch
Verklebung, durch Waferbonden oder durch ein Diffusionslötverfah
ren, oder als Teil des schichtartigen Gebildes ausgebildet wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß nach der Trennung des schichtartigen Gebildes vom Substrat
eine weitere Struktur auf der die Sollbruchstelle bildenden, gegebe
nenfalls strukturierten Oberfläche des schichtartigen Gebildes er
zeugt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß vor der Erzeugung der weiteren Struktur, die durch die Soll
bruchstelle gebildete Oberfläche gereinigt und/oder teilweise abge
tragen und/oder neu strukturiert oder porös gemacht wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß nach der Trennung des schichtartigen Gebildes vom Substrat
an der vorgesehenen Sollbruchstelle das Substrat mit oder ohne
dem Rest der porösen Schicht erneut als Substrat zur Aufbringung
eines schichtartigen Gebildes verwendet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei erneuter Verwendung eines Substrats mit einer struktu
rierten porösen Schicht, d. h. einer nicht planparallelen Plattenform
aufweisenden porösen Schicht, diese einem beispielsweise durch Ät
zen oder durch ein Ultraschallreinigungsverfahren durchgeführten
Reinigungsschritt unterzogen wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf die dem Substrat abgewandten Oberfläche des schichtarti
gen Gebildes vor oder nach der Trennung des schichtartigen Gebil
des vom Substrat eine weitere poröse Schicht erzeugt wird und
hierauf ein weiteres schichtartiges Gebilde aufgebracht wird, wobei
das Verfahren gegebenenfalls mehrfach wiederholt wird, wodurch
eine Vielzahl von schichtartigen Gebilden, insbesondere struktu
rierten schichtartigen Gebilden übereinander entstehen, die jeweils
vom benachbarten schichtartigen Gebilde durch eine, eine Soll
bruchstelle bildende poröse Schicht getrennt sind, wobei nach Er
zeugung einer solchen mehrfachen Struktur die einzelnen schicht
artigen Gebilde durch die Erzeugung einer mechanischen Spannung
innerhalb oder an einer Grenzfläche der jeweiligen porösen Schicht
voneinander getrennt werden.
17. Verfahren nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß nach der Trennung der einzelnen schichtartigen Gebilde und
gegebenenfalls nach der Entfernung von Resten der porösen
Schicht, weitere Strukturen auf der einen und/oder anderen freien
Oberfläche der jeweiligen schichtartigen Gebilde erzeugt werden.
18. Verfahren nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß vor der Trennung der einzelnen schichtartigen Gebilde von der
mehrfachen Struktur diese jeweils mit einer Trägerschicht versehen
oder an einem Träger befestigt werden.
19. Verfahren nach Anspruch 16, 17 oder 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf den ursprünglich dem Substrat zugewandten Oberflächen
der so gebildeten schichtartigen Gebilde jeweils weitere Strukturen
durch Epitaxie-Verfahren, aufgewachsen werden.
20. Verfahren zur Herstellung eines Substrats für die Halbleiter-
Epitaxie,
dadurch gekennzeichnet,
daß man auf oder aus einem ersten Substrat eine Hohlräume auf
weisende oder poröse Schicht gegebenenfalls mit einer strukturier
ten freien Oberfläche erzeugt oder anbringt, welche beispielsweise
parallel zueinander angeordneten Rillen aufweist, daß man ein
zweites Substrat auf die freie, gegebenenfalls strukturierte Oberflä
che der porösen Materialschicht anbringt und das zweite Substrat
anschließend vom ersten Substrat unter Anwendung der porösen
Schicht als Sollbruchstelle durch die Erzeugung einer mechani
schen Spannung derart abtrennt, daß eine Schicht oder Abschnitte
der porösen Materialschicht auf dem zweiten Substrat haften bleibt
bzw. bleiben, wodurch das zweite Substrat für Epitaxie-Verfahren
verwendbar ist.
21. Verfahren nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß nach der Trennung des zweiten Substrats vom ersten Substrat
die Rest der porösen Schicht vom ersten Substrat entfernt, eine
neue poröse Schicht auf dem ersten Substrat erzeugt und das Ver
fahren nach Anspruch 20 wiederholt wird, wobei dieses Verfahren
mehrmals wiederholbar sein kann, um ausgehend von einem ersten
Substrat eine Vielzahl von zweiten Substraten zu erzeugen.
22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Anbringung des zweiten Substrats auf das erste Substrat
mittels eines Klebemittels erfolgt.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22,
dadurch gekennzeichnet,
daß nach der Abtrennung des zweiten Substrats vom ersten
Substrat die freie, mit Abschnitten des porösen Materials abge
deckte Oberfläche des zweiten Substrats mit einer Schicht aus
amorphem Silizium bedeckt wird und durch eine anschließende
Wärmebehandlung das amorphe Silizium an Stellen, wo es die Ab
schnitte überdeckt, in monokristallines Silizium umgewandelt wird,
so daß ein erwünschtes Muster aus amorphem Silizium und mono
kristallinem Silizium auf dem zweiten Substrat vorliegt, beispiels
weise zur Erzeugung eines Flachbildschirms.
24. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine aus einem Einkristall-Halbleitermaterial, bspw. p- oder
n-Si, bestehende zylindrische Stange an ihrer Oberfläche kontinuier
lich behandelt wird, um eine poröse Oberflächenschicht zu erzeu
gen, z. B. indem die Mantelfläche der Stange während einer Rotation
um die Zylinderachse in ein HF-Bad eingetaucht wird und ein elek
trischer Spannungsabfall mit entsprechendem Stromfluß von der
Stange zu einer im HF-Bad angeordneten Elektrode erzeugt wird,
während die erzeugte poröse Oberflächenschicht kontinuierlich von
der Stange, bspw. durch eine auf die Oberfläche kontinuierlich auf
gebrachte Trägerschicht, abgezogen wird, und daß das schichtartige
Gebilde anschließend auf die Oberflächenschicht, insbesondere die
der Trägerschicht gegenüberliegende freie Oberfläche der abgezoge
nen Oberflächenschicht, aufgewachsen wird.
25. Verfahren nach Anspruch 24,
dadurch gekennzeichnet,
daß die abgezogene Schicht in eine Rohrform gebracht wird und an
schließend durch ein Epitaxie-Verfahren in ein monokristallines
Rohr umgewandelt wird.
26. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Erzeugung der innerhalb der porösen Schicht wirkenden
mechanischen Spannung, die zur Trennung des schichtartigen Ge
bildes oder eines Teils davon vom Substrat führt, durch eines der
nachfolgenden Verfahren erzeugt wird:
- a) durch Abheben des schichtartigen Gebildes vom Substrat,
- b) durch eine Ultraschallbehandlung,
- c) durch Erzeugung starker thermischer Gradienten, beispiels weise durch Stromfluß durch die poröse Schicht oder Be leuchtung von einer Seite, oder
- d) durch Ausdehnung oder Zustandsänderung (von der Flüssig phase zur Dampfphase, von der Flüssigphase zur Festphase, bspw. durch Einführen von Wasser) von einem in die Poren der porösen Schicht eingefüllten Fluid (Gas oder Flüssigkeit) bzw. Lösungsmittel.
27. Verfahren zur Herstellung von schichtartigen Gebilden, bei dem auf
oder aus einem, beispielsweise aus monokristallinem p-Typ oder
n-Typ Si bestehenden Substrat eine Hohlräume aufweisende, vor
zugsweise poröse Materialschicht erzeugt wird
dadurch gekennzeichnet,
daß eine oberste Lage der Hohlräume aufweisenden oder porösen
Schicht zumindest stellenweise aufgeschmolzen wird, beispielsweise
mittels eines Laserstrahls, eines Elektronenstrahls oder eines fokus
sierten Lichtstrahls und danach zur Erzeugung einer einkristallinen
nichtporösen Schicht zum Erstarren gebracht wird und die erstarrte
Lage ggf. nach dem aufwachsen eines schichtartigen Gebildes dar
auf unter Anwendung der Hohlräume aufweisenden oder porösen
Schicht als Sollbruchstelle durch die Erzeugung einer mechani
schen Spannung innerhalb der Hohlräume aufweisenden oder porö
sen Schicht oder an einer Grenzfläche der Hohlräume aufweisenden
oder porösen Schicht vom Substrat getrennt wird.
28. Substrat, insbesondere aus einkristallinem Halbleitermaterial und
mit einer porösen Materialschicht auf der Oberfläche des Substrats,
dadurch gekennzeichnet,
daß die freie Oberfläche der porösen Materialschicht eine Struktu
rierung aufweist.
29. Substrat nach Anspruch 28 in Kombination mit einem auf die
Oberfläche der porösen Schicht durch ein Epitaxie-Verfahren
(Homoepitaxie-oder Heteroepitaxie-Verfahren) aufgewachsenen
schichtartigen Gebilde.
30. Substrat nach Anspruch 28 in Kombination mit einem auf der
strukturierten Oberfläche der porösen Schicht haftenden zweiten
Substrat.
31. Substrat nach Anspruch 30,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Haftung zwischen dem zweiten Substrat und der porösen
Schicht durch einen Klebstoff, durch ein Bond-Verfahren oder
durch ein Diffusionslötverfahren oder durch ein Epitaxie-Verfahren
realisiert ist.
32. Substrat aus einem beliebigen Feststoff mit an mindestens der einen
Oberfläche des Substrats haftenden Abschnitten eines porösen ein
kristallinen Halbleitermaterials, wobei die Kristallausrichtung in je
dem Abschnitt zumindest im wesentlichen gleich ist.
33. Substrat nach Anspruch 32,
dadurch gekennzeichnet,
daß darauf eine Schicht aus amorphem Silizium aufgebracht ist,
das ggf. an Stellen wo es die Abschnitte abdeckt, die aus porösem
einkristallinem Halbleitermaterial bestehen in einkristallines Mate
rial umgewandelt ist, wobei das Substrat vorzugsweise in einem
Flachfeldbildschirm Verwendung findet.
34. Substrat nach Anspruch 29,
dadurch gekennzeichnet,
daß die dem Substrat abgewandte Oberfläche des schichtartigen
Gebildes aus einkristallinem Halbleitermaterial besteht mit der glei
chen Strukturierung wie die vorher freie Oberfläche der porösen
Schicht des Substrats, wobei diese Strukturierung auch entfallen
kann, d. h. es kann sich um eine planare Oberfläche handeln, und
daß sie ebenfalls als poröse Schicht realisiert ist mit einem weiteren,
auf dieser porösen strukturierten Schicht angeordneten schichtarti
gen Gebilde, das vorzugsweise dem ersten schichtartigen Gebilde
gleicht, wobei diese Struktur sich beliebig oft wiederholt.
35. Substrat bestehend aus einem Streifen eines flexiblen Feststoffes
mit einem Streifen aus einem porösen einkristallinen Halbleiterma
terial auf einer Oberfläche des streifenartigen Substrats.
36. Substrat nach Anspruch 35,
dadurch gekennzeichnet,
daß die poröse Schicht verspannt ist.
37. Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche 28-35,
dadurch gekennzeichnet,
daß die poröse Schicht oder die porösen Schichten und mindestens
ein Teil des schichtartigen Gebildes aus n-Si oder p-Si besteht bzw.
bestehen oder aus einem beliebigen Halbleitermaterial oder aus ei
nem beliebigen Verbindungshalbleiter, bspw. InP.
38. Photozelle bestehend aus einer transparenten Platte, vorzugsweise
aus Glas, darunter ein schichtartiges Gebilde, insbesondere aus Si
mit mindestens einer strukturierte Lichtfallen aufweisenden Ober
fläche, einem p-n Übergang sowie Kontakte zum p-Typ und n-Typ Si
und einem Reflektor,
dadurch gekennzeichnet,
daß es sich bei dem Si um monokristallines Si handelt, daß zwi
schen der transparenten Platte und dem Si des einen Leistungstyps
(p-Typ oder n-Typ) eine Elektrode vorgesehen ist, vorzugsweise eine
Gitterelektrode, insbesondere eine transparente Elektrode, und daß
das Si des jeweils anderen Leitungstyps auf der der transparenten
Platte abgewandten Seite des Si des erstgenannten Leitungstyps
und auf dem Reflektor angeordnet ist.
39. Photozelle nach Anspruch 38,
dadurch gekennzeichnet,
daß das schichtartige Gebilde aus einer Schicht p-Si und einer
Schicht n-Si besteht, wobei die n-Si Schicht unterhalb der transpa
renten Platte und oberhalb der p-Si Schicht angeordnet ist.
40. Photozelle nach Anspruch 38,
dadurch gekennzeichnet,
daß das schichtartige Gebilde aus einer n-Si Schicht besteht, daß
der Reflektor aus Aluminium besteht und durch Diffusion in die
n-Si Schicht diese in p-Si umwandelt.
41. Strahlungsdetektor, bestehend aus einem Substrat mit mehreren, in
diesem Substrat angeordneten Vertiefungen, einer Schicht eines
Halbleitermaterials, die über dem Substrat angeordnet ist und die
Vertiefungen auskleidet und überdeckt, einer transparenten Platte,
die die Vertiefungen abdeckt sowie Piezosensoren, die die aufgrund
des Lichteinfalls auftretende Verbiegung der durch die Schicht des
Halbleitermaterials gebildeten Membran erfassen, wobei die einzel
nen Vertiefungen für jeweilige Strahlungswellenlängen auslegbar
sind, beispielsweise durch in die transparente Platte integrierte oder
auf dieser aufgebrachte Filter.
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