DE2659392A1 - Halbleiterbauelement mit pn-uebergang und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Halbleiterbauelement mit pn-uebergang und verfahren zu seiner herstellung

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Description

KLAUS D. KIRSCHNER DR. WOLFGANG DOST
DIPL.-PHYSIKER , DIPL.-CHEMIKER
D-8OOO MÜNCHEN 2
BAVARIARING 38 Ourref.r.nce: Κ ö<9 K/HO
Datum: 29· Dezember 1976
Futaba Denshi Kogyo Kabushiki Kaisha
Mobara-ehi, Chiba-ken
Japan
Halbleiterbauelement mit pn-übergang und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit pn-übergang zur Verwendung in einer aus Dünnschichten aufgebauten Sonnenbatterie oder dergleichen und ein Verfäaren zu seiner Herstellung.
Bisher hat man Halbleiterbauelemente mit einem pn-übergang, die sich zur Verwendung in einer Sonnenbatterie oder der- ·. gleichen eignen, dadurch hergestellt, daß man Einkristallstücke, beispielsweise aus Silicium, geläppt oder poliert hat, und es war daher schwierig, eine Dünnschicht mit einer Dicke in der Größenordnung von Mikron zu erzeugen. Selbst wenn man solch eine Dünnschicht nach einigen Schwierigkeiten herstellen kann, ist die Materialmenge, die schließlich ausgenutzt wird, nur bestenfalls einige Prozent des Ausgangsmaterials. Man hat es auch für unmöglich gehalten, eine kristalline Dünnschicht mit hoher Qualität durch herkömmli-
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ehe Aufdampf- oder Spattermethoden zu erzeugen.
Andererseits besteht ein wachsendes Bedürfnis für ein Halbleiterbauelement zur Verwendung in einer Sonnenbatterie oder dergleichen, welches als dünne Schicht vorliegt, ein leichtes Gewicht hat, einfach zu handhaben ist und ein Element mit einem pn-Übergang hoher Qualität aufweist, welches fest mit dem Substrat und den Anschlußelektroden verbunden ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement mit einem pn-übergang hoher Qualität zu schaffen und ein Verfahren zur Herstellung solch eines Halbleiterbauelementes anzugeben, wobei die oben erwähnten Erfordernisse erfüllt werden.
Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement mit pn-übergang hat in laminatartiger Anordnung ein Substrat, eine Substratelektrode, die wenigstens auf einem Teil des Substrats ausgebildet ist und aus einer Metall-Dünnschicht besteht, eine pn-Übergangs-Halbleiterschicht, die auf dem Substrat mit der Substratelektrode angebracht ist, wobei die Metalldünnschicht der Substratelektrode so ausgebildet ist, daß ein ohmscher Kontakt mit der pn-Übergangs-Halbleiterschicht hergestellt wird, und eine obere Anschlußelektrode, die wenigstens auf einem Teil der Oberfläche der Halbleiterschicht aufgebracht ist und aus einer Metalldünnschicht besteht, so daß ein ohmscher Kontakt mit der Halbleiterschicht hergestellt werden kann. Wenigstens der n-(oder p-)Halbleiter.der pn-Übergang-Halbleiterschicht, der sich in Kontakt mit der Substratelektrode befindet, ist auf der Substratelektrode durch das sogenannte Ionen-Plattierverfahren aufgebracht, bei dem das Halbleitermaterial verdampft wird, der Dampf mit Elektronen beschossen wird, um wenigstens einen Teil des Dampfes zu ionisieren, und der ionisierte Dampf durch ein elektrisches EeId beschleunigt wird, so daß er auf die Oberfläche der Substratelektrode auftrifft. Der p-(oder n-)Halbleiter der pn-Übergangs-Halbleiterschicht, der sich in Kontakt mit der oberen Anschlußelektrode befin-
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det, wird dadurch hergestellt, daß man die zur Herstellung des p-(oder n-)Halbleiters erforderlichen Fremdatome in einer Ionisierungsvorrichtung zur Erzeugung von Fremd ionen (impurity ions) ionisiert und die Fremdionen beschleunigt, indem man ihnen eine kinetische Energie erteilt, um sie in den Oberflächenbereich der Schicht aus dem n-(oder p-)Halblei~ ter einzuführen, der auf der Oberfläche der Substratelektrode aufgebracht ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 einen schematischen Schnitt durch ein Beispiel eines Halbleiterbauelements mit pn-übergang gemäß der Erfindung, wobei die wesentlichen Teile dargestellt sind;
Figur 2 einen schematischen Schnitt durch eine Ionen-Plattiervorrichtung, die dazu verwendet wird, das Ionen-Plattierverfahren im Hochvakuum durchzuführen, das ein Beispiel für das Ionen-Plattierverfahren ist, welches bei einer Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements mit pn-übergang verwendet wird; Figur 3 einen schematischen Schnitt durch eine Ionen-Beschußvorrichtung, um Ionen in den Halbleiter einzuführen, wie es bei einer Stufe des Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements durchgeführt wird; und
Figur 4 einen schematischen Schnitt durch eine Aufdampfeinrichtung, um das Agglomerat-Aufdampfverfahren durchzuführen, welches ein anderes Beispiel für das Ionen-Plattierverfahren ist, welches bei einer Stufe des Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements angewendet wird.
Zunächst wird das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement mit pn-übergang anhand von Figur 1 beschrieben, die ein Beispiel solch eines Halbleiterbauelementes zeigt. Das Substrat 1
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kann aus einer organischen Schicht, beispielsweise aus einem Poly im id,- einem Polyester (Mylar) oder dergleichen, oder aus einer anorganischen Schicht, beispielsweise aus Glas oder dergleichen, oder aus einer Metallschicht, beispielsweise Aluminium, Kupfer, Nickel oder dergleichen, bestehen. Eine Substratelektrode 2 ist wenigstens auf einem Teil der Oberfläche des Substrates 1 ausgebildet. Die Substratelektrode besteht aus einer Metalldünnschicht, die wie ein laminat auf dem Substrat 1 aufgebracht ist. Die Metalldünnschicht ist so hergestellt, daß ein ohmscher Kontakt mit dem Halbleiter erzeugt wird, der danach als Schicht darauf aufgebracht wird. Wenigstens eine pn-Übergangs-Halbleiterschicht 5 wird auf der Oberfläche der Substratelektrode 2 ausgebildet. Die Halbleiterschicht 5 besteht aus einer auf der Seite der Substratelektrode liegenden Halbleiterdünnschicht 3 aus einem p-(oder n-)Halbleiter, die auf der Substratelektrode 2 aufgebracht ist, und einer auf der Seit« der oberen Anschlußelektrode liegenden Halbleiterdünnschicht 4- aus einem n-(oder p-)Halbleiter, die auf der Halbleiterdünnschicht 3 in der Art eines laminates aufgebracht ist. Wenigstens auf einem Teil der Oberfläche der Halbleiterschicht 5 ist eine obere Anschlußelektrode 6 vorgesehen, die von einer Metalldünnschicht gebildet wird, so daß ein ohmscher Kontakt mit der Halbleiterdünnschicht 4- hergestellt wird, die an die obere Anschlußelektrode 6 angrenzt. Eine Antireflexionsschicht 7 ist auf einem Teil der Oberfläche der Halbleiterschicht 5 angebracht, auf dem die obere Anschlußelektrode 6 nicht ausgebildet ist.
Die auf der Seite des Substrates liegende Halbleiterdünnschicht 3, die einen Bestandteil der pn-Übergangshalbleiterschicht 5 bildet, wird durch ein Ionen-Plattierungsverfahren hergestellt, bei dem das Material der Halbleiterdünnschicht 3 in einem Vakuumbereich verdampft wird, das verdampfte Material mit Elektronen beschossen wird, um wenigstens einen Teil des verdampften Materials zu ionisieren, und bei dem das verdampfte und ionisierte Material in einem elektrischen Feld beschleunigt wird, so daß es auf die Oberfläche des
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Substrates 1, auf dem die Substratelektrode 2 angeordnet ist, auftrifft und dort eine Schicht bildet. Die bei der oberen Anschlußelektrode liegende Halbleiterdünnschicht 4, die den anderen Teil des pn-Übergangshalbleiters bildet, wird in dem oberen Bereich der auf der Seite der Substratelektrode liegenden Halbleiterschicht 3 durch das sogenannte Ionen-Implantat ions verfahren hergestellt, bei dem in einer Ionenquelle Fremdatome, die der Halbleiterdünnschicht 3 eine leitfähigkeit von dem Typ erteilen können, der dem bisher vorhandenen leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist, verdampft und ionisiert werden, und bei dem die verdampften und ionisierten Fremdatome in einem starken elektrischen Feld beschleunigt werden, so daß sie auf die Oberfläche der Halbleiterdünnschicht 3 auftreffen und dadurch in die Halbleiterschicht 3 eingeführt oder implantiert werden.
Wenn die Halbleiterdünnschicht n-Silicium ist, wird die Halbleiterdünnschicht 4 unter Verwendung des Ionen-Implantationsverfahrens dadurch hergestellt, daß Bor oder dergleichen in die Halbleiterdünnschicht 3 implantiert wird. Wenn die Halbleiterdünnschicht 3 p-Silicium ist, wird Phosphor oder dergleichen in derselben Weise implantiert, um die Halbleiterdünnschicht 4 zu bilden. Um eine kristalline Schicht hoher Qualität zu erzeugen, ist es erwünscht, die Halbleiterdünnschicht 3 mit einer Dicke von 2 jam bis 10 /um und die Halbleiterdünnschicht 4 mit einer Dicke von 0,2^m bis zu einigen Mikron auszubilden. Geeignete Wärmebehandlungen während oder nach dem Ionenplattierungsverfahren und nach dem Ionen-Implantationsverfahren können das Kristallwachstum und die Adhäsion zwischen den Schichten günstig beeinflussen.
Die Substratelektrode 2 und die obere Anschlußelektrode 6 sind, wie oben erwähnt wurde, aus Metallfolien gebildet, die einen ohmschen Kontakt mit den danebenliegenden Halbleitern herstellen können. Solche Metallfolien bestehen
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vorzugsweise aus Aluninium, Indium oder dergleichen, wenn der angrenzende Halbleiter p-Silicium ist, und Antimon oder dergleichen oder seine Legierungen, wenn der angrenzende Halbleiter n-Silicium ist.
Das Substrat 1, das für das oben beschriebene pn-Übergangs-Halbleiterbauelement verwendet wird, kann aus einer organischen Folie oder aus einer flexiblen, organischen Dünnschicht aus Polyimid, Polyester (Mylar) oder dergleichen, oder aus einer anorganischen Folie, aus Glas, Keramik oder dergleichen, oder aus einer Metallfolie bestehen. Je nach dem Verwendungszweck des pn-Übergangshalbleiterelements kann ein leichtes Material aus den erwähnten Beispielen ausgewählt werden.
Wie oben erwähnt wurde, wird die auf der Seite der Substratelektrode liegende Halbleiterdünnschicht 3 der pn-Übergangs-Halbleiterschicht 5 mit dem Ionenplattierungsverfahren auf dem Substrat 1 abgeschieden und ausgebildet. Bei diesem Verfahren wird die Beschichtungsoberfläche während der Abscheidung wie beim Spattern durch das Auftreffen der Ionen gereinigt, so daß die Halbleiterdünnschicht 3, die auf dem Substrat 1 aufgebracht wird, sehr stark wird und eine sehr hohe Haftung an der Unterlage hat. Ferner wird die auf der Seite der oberen Anschlußelektrode liegende Halbleiterdünnschicht 4 durch das Ionen-Implantationsverfahren hergestellt, so daß der Übergang (pn-übergang oder Junction) sehr scharf definiert und in seiner Konzentration gut unter Kontrolle ist. Daher hat der Übergang eine extrem gute Qualität. Diese Eigenschaften machen das in Schichten aufgebaute Halbleiterelement gemäß der Erfindung besonders geeignet für die Verwendung in einer Sonnenbatterie.
In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel kann das pn-Übergangshalble it erelement flexibel ausgebildet werden, wenn das Substrat 1 aus einer flexiblen Schicht oder Folie besteht. Das flexible Element kann zum Zwecke der Lagerung
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zu einer kleinen Größe zusammengefaltet oder aufgerollt werden. Daher kann es einfach gehandhabt, gespeichert und transportiert werden.
Wie bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel kann auch ein Halbleiterbauelement mit mehreren Übergängen dadurch hergestellt werden, daß man eine im wesentlichen transparente Elektrode und mehrere in der Art eines Laminates aufgebrachte Halbleiterschichten vorsieht. Ferner ist es möglich, eine pn-Übergangs-Sonnenbatterie herzustellen, die das licht von der Seite des Substrates 1 her empfängt, indem man das Substrat 1 transparent macht und die Substratelektrode 2 entweder transparent macht oder sie nur auf einem Teil des Substrates 1 als Schicht aufbringt.
Die Antireflexionschicht 7 wird auf der Oberfläche des pn-Übergangs-Halbleiterbauelementes angebracht, um von außen darauf einfallendes Licht effektiv zu absorbieren. Die Schicht kann durch das bei der Erfindung verwendete Ionen-Platt ierungs verfahren oder durch andere geeignete Verfahren aufgebracht werden. Anstelle einer separaten Antireflexionsschicht kann auch die obere Anschlußelektrode 6 so ausgebildet werden, daß sie zusätzlich die Funktion der Antireflexionsschicht übernimmt.
Als nächstes wird das Verfahren im einzelnen beschrieben, nach dem das erfindungsgemäße pn-Übergangshalbleiterbauelement hergestellt wird. Dieses Verfahren umfaßt einen Verfahrensschritt zur Herstellung der Substratelektrode, bei dem wenigstens ein Teil des Substrates 1 mit der Substratelektrode 2 beschichtet wird, die aus einer Metalldünnschicht besteht, die einen ohmschen Kontakt mit dem Halbleiter herstellen kann, der danach als Schicht darauf aufgetragen wird. Das Verfahren weist einen weiteren Verfahrensschritt auf, um die pn-Übergangs-Halbleiterschicht herzustellen, wobei die Oberfläche der Substratelektrode mit der pn-Übergangs-Halbleiterschicht 5 zu beschichten,
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und schließlich einen weiteren Verfahrensschritt, um die obere Anschlußelektrode auszubilden, wobei wenigstens ein Teil der Oberfläche der pn-Übergangs-Halbleiterschicht 5 mit der oberen Anschlußelektrode 6 beschichtet wird, die aus einer Metalldünnschicht besteht, die einen ohmschen Kontakt mit der Halbleiterschicht 5 herstellen kann. Der Verfahrensschritt, bei dem die pn-Übergangs-Halbleiterschicht hergestellt wird, hat einen Teilverfahrensschritt, bei dem die n-(oder p-)Halbleiterdünnschicht auf der Substratelektrode 2 durch das Ionenplattierungsverfahren hergestellt wird, bei dem das Material der Halbleiterdünnschicht verdampft, das verdampfte Material mit Elektronen beschossen, um wenigstens einen Teil des verdampften Materials zu ionisieren, und das verdampfte und ionisierte Material in einem elektrischen Feld beschleunigt wird, um es auf die Oberfläche der Substratelektrode auftreffen zu lassen, so daß die Halbleiterschicht darauf ausgebildet wird. Bei dem anderen Teilschritt zur Herstellung einer oberen Halbleiterschicht in der p-(oder n-)Halbleiterschicht, wobei die obere Halbleiterschicht einen pn-übergang zusammen mit der p-(oder n-)Halbleiterschicht bildet, wird das Ionen-Implantationsverfahren angewendet. Dabei wird eine Substanz, die aus den Fremdelementen, die einen Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt zu dem Leitfähigkeitstyp der genannten Halbleiterschicht erzeugen können, durch Aufheizen oder dergleichen verdampft. Statt der Elemente können auch Verbindungen, beispielsweise Chloride und Bromide, verdampft werden. Nach Verdampfung werden in einer Ionenquelle mit Hochfrequenzentladung, bei der ein hochfrequentes elektrisches Feld zur Verdampfung der Substanz angewendet wird, Ionen der Substanz erzeugt. Die Ionen der verdampften Substanz werden dadurch beschleunigt, daß man ihnen in einem elektrischen Beschleunigungsfeld kinetische Energie erteilt. Gegebenenfalls kann man die Fremdionen von den Fremdatomen durch eine Massentrennungseinrichtung abtrennen. Dann läßt man die Ionen der Fremdatome auf die n-(oder p-)Halbleiterschicht aufschlagen, wobei die Ionen in die Schicht eingeführt oder implantiert werden. Gegebenenfalls kann man
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einen weiteren Schritt vorsehen, um die Antireflexionsschicht 7 auf einem Teil der Oberfläche der Halbleiterschicht 5 auszubilden, wo die Anschlußelektrode 6 nicht ausgebildet wird.
Als nächstes wird ein Beispiel des bei der Erfindung verwendeten Ionen-Plattierungsverfahrens, nämlich das Ionenplattierungsverfahren im Hochvakuum anhand von Figur 2 beschrieben, die schematisch eine "Vorrichtung zur Durchführung des IonenplattierungsVerfahrens im Hochvakuum zeigt.
In Figur 2 ist eine Glocke 3 mit einer Öffnung 9 am Boden gezeigt, die mit dem Evakuierungssystem verbunden ist. Die Glocke 3 wird durch die Öffnung 9 evakuiert und bei einem Vakuum von 10 Torr oder einem noch geringeren Druck gehalten. Ein Schiffchen 10 ist in der Glocke 8 angeordnet und enthält die Verdampfungssubstanz 11 (die in diesem Fall dem Material der oben genannten Halbleiterdünnschicht 3 entspricht). Wenn das Schiffchen elektrisch geheizt wird, wird die Verdampfungssubstanz 11 verdampft. Ein Heizdraht 12 zum Emittieren von Thermionen für die Ionisation ist in der Glocke 8 angeordnet und gibt, wenn er unter Strom gesetzt wird, Thermionen ab, so daß ein elektrischer Strom 14 von dem Heizdraht 12 zu einer Anode 13 fließt, die ebenfalls in der Glocke 3 angeordnet ist. Wenn die verdampften Atome der Verdampfungssubstanz 11 den elektrischen Strom 14 durchfliegen, wird wenigstens ein Teil derselben durch Elektronenbeschuß ionisiert. Die auf diese Weise erzeugten Ionen werden durch ein elektrisches Feld beschleunigt, das zwischen dem Heizdraht 12, einer Abschirmung 15, die um den Heizdraht 12 herum angeordnet ist, und einem Substrat 16 vorhanden ist (welches dem oben genannten Substrat 1 mit der darauf befindlichen Substratelektrode 2 entspricht). Auf diese Weise erhalten die Ionen eine große kinetische Energie und schlagen auf die Oberfläche des Substrates auf. In diesem Fall erreichen auch nicht-ionisierte, neutrale Atome das Substrat 16, da sie in dem Ionenstrom mitgerissen werden. Daher werden sowohl Ionen als auch neu-
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trale Atome auf der Oberfläche des Substrates 16 abgeschieden, so daß eine kristalline Schicht (entsprechend der Halbleiterdünnschicht 3) darauf abgeschieden wird.
Als nächstes wird im einzelnen das Ionen-Implantationsverfahren, welches bei der Erfindung verwendet wird, anhand von Figur 3 beschrieben, die eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens darstellt. Das Material 17, welches aus den Elementen und/oder Verbindungen davon besteht, die implantiert werden sollen (und das der Substanz, die Fremdatome enthält, entspricht, die die Halbleiterdünnschicht 4 bilden kann), wird in eine Verdampfungskammer 13 eingelegt. Die Verdampfungskammer 13 wird durch eine geeignete Einrichtung aufgeheizt, um das Material 17 zu verdampfen. Die verdampften Atome des Materials 17 werden in eine Ionisierungskammer 19 überführt, wo die Atome unter dem Einfluß eines äußeren, hochfrequenten, elektrischen Feldes, das durch eine die Kammer 19 umgebende Spule 20 erzeugt wird, und eine elektrische Entladung, die durch Elektroden 4-0 in der Kammer 19 erzeugt wird, ionisiert werden. Die auf diese Weise erzeugten Ionen 31 werden aus der Kammer 19 durch eine Beschleunigungselektrode 21 abgezogen, in der die Elektroden 31 beschleunigt werden und der Elektronenstrom konvergent gemacht wird. Dann werden die Ionen 31 in eine Massentrennungseinrichtung 22 eingeführt, wo die nutzbaren Ionen 23 von den Ionen 31 abgetrennt werden. Dann werden die nutzbaren Ionen 23 in die Ionenimplantationskammer 24 eingebracht, wo die Ionen 23 auf die obere Schicht der Halbleiterdünnschicht 3 auf der Substatelektrode 2 aufschlagen, die auf dem Substrat ausgebildet ist, das an dem Boden der Kammer 24- liegt. Dadurch wird die Halbleiterdünnschicht 4 hergestellt, auf der die obere Anschlußelektrode 6 angebracht werden soll. Eine Ablenkeinrichtung 41 kann gegebenenfalls in der Nähe des Ausgangs der Massentrennungseinrichtung 22 vorgesehen sein. Die Ablenkeinrichtung 41 erzeugt ein Magnetfeld, um zu bewirken, daß die Ionen 23 einen größeren Bereich der Oberfläche der Halbleiterdtinn-
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schicht 3 gleichmäßig überstreichen oder daß der Ionenstrom divergent gemacht wird, so daß die Ionen 23 ordnungsgemäß auf die obere Schicht der Halbleiterdünnschicht 3 auftreffen und in diese eingeführt werden.
Bei dem oben beschriebenen Beispiel wird in der Ionen-Implantat ionsvorrichtung eine Hochfrequenzentladungs-Ionenquelle verwendet, bei der die Entladung in Luft ausgenutzt wird. Die Art der Ionenquelle ist jedoch nicht auf diesen Typ beschränkt. Es kann auch eine Ionenquelle mit Elektronenbeschuß, mit oszillierenden Elektronen, eine Plasmaionenquelle, eine Ionenquelle mit Oberflächenionisation oder dergleichen verwendet werden. Bei dem beschriebenen Beispiel besitzt die Ionenimplantationsvorrichtung auch eine Massentrennungseinrichtung 22. Es ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, solch eine Ionentrennungseinrichtung vorzusehen, wenn die Ionen der Fremdelemente (impurities), die in der Ionenquelle erzeugt und von dieser abgezogen werden, einen hohen Grad an Reinheit haben.
Als nächstes wird das Aufdampfverfahren aus dem Agglomerationenstrahl (im folgenden Agglomerataufdampfverfahren genannt) beschrieben, welches ein Beispiel für das Ionen-Platt ierungsverfahren ist. Die Beschreibung erfolgt anhand von Figur 4-, die einen . schema tischen Schnitt durch eine Einrichtung zur Durchführung des Agglomerataufdampfverfahrens zeigt. In Figur 4 ist ein geschlossenes Schiffchen 25 mit wenigstens einer Injektionsdüse 26 gezeigt. Das Schiffchen 25 enthält Materialien 27 einer Substanz, die verdampft werden soll (und die den Materialien der Halbleiterdünnschicht 3 entsprechen, die auf der Substratelektrode 2 abgeschieden werden soll). Das Schiffchen 25 wird durch geeignete Beheizung, beispielsweise Widerstandsheizung oder Elektronenbeschuß (wie dargestellt), auf eine hohe Temperatur aufgeheizt, um die Materialien 27 zucErzeugung eines Dampfes .28 zu verdampfen, der einen Dampfdruck von etwa 10 · bis zu einigen Torr hat. Der Dampf 28 wird durch die Düse 26 in einen Vakuumbereich 29 abgesprüht, in dem ein Vakuum herrscht, des-
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sen Druck 1/100 oder weniger als der Dampfdruck des Dampfs 23 in dem Schiffchen 25 und zusätzlich etwa 10""2 Torr oder weniger beträgt. Daher werden massive Atomgruppen, die als Agglomerate 30 bezeichnet werden, durch den Überkühlungseffekt erzeugt, der durch die adiabatische Expansion des Dampfes 23 bewirkt wird. Jedes Agglomerat besteht gewöhnlich aus etwa 100 bis 200 Atomen. Wenn eines der Atome des Agglomerats 30 ionisiert wird, wird das Agglomerat 30 zu einem Ionenagglomerat 31. Ein Heizdraht 32 ist als Quelle für Thermionen vorgesehen. Wenn der Heizdraht 32 unter Strom steht und Elektronen abgibt, treffen diese auf die Agglomerate 30 auf, so daß Ionenagglomerate 31 gebildet werden. Die Ionenagglomerate 31 bewegen sieh zusammen mit den neutralen Agglomeraten 30 vorwärts, wobei sie in Richtung auf das Substrat 34 fliegen (welches dem Substrat 1 mit der darauf befindlichen Substratelektrode 2 entspricht). Dabei werden sie unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes beschleunigt, welches durch eine Beschleunigungs-Spannungsquelle erzeugt wird, die mit dem Substrat 34 oder einem in der Nähe befindlichen Bauteil verbunden ist. Auf diese Weise wird bewirkt, daß die Agglomerate 30 und die Ionenagglomerate 31 auf die Oberfläche 36 des Substrates 34 aufschlagen, wobei eine Dünnschicht 37 darauf ausgebildet wird (die der Halbleiterdünnschicht 3 auf der Substratelektrode 2 entspricht, die auf dem Substrat 1 ausgebildet ist). In diesem Pail wird die Oberfläche 36 des Substrates 24 jederzeit rein gehalten, da sie durch die Spatter-Wirkung gereinigt wird, die dauernd vorhanden ist, da die Ionenagglomerate 31 dauernd auf diese Oberfläche auftreffen. Dadurch wird eine Dünnschicht mit sehr hoher Haftung auf dem Substrat 34 unter sehr hohen Reinheitsbedingungen aufgebracht. Da das Verhältnis von Ladung zu Masse e/m sehr klein ist, kann man darüber hinaus durch dieses Verfahren eine Abscheidung von Dünnschichten hoher Qualität und ausgezeichneter Haftung und Reinheit auf verschiedenen isolierenden Substanzen, beispielsweise organischen Schichten, erzielen, was bei den herkömmlichen Verfahren nahezu unmöglich war.
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Bei dem oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem das Ionen-Plattierungsverfahren, beispielsweise das Ionenplattierungsverfahren unter Hochvakuum oder das Agglomerataufdampfverfahren verwendet wird, können die Arbeitsbedingungen, beispielsweise die Substrattemperatur, die Intensität de3 für die Ioneni3ation erforderlichen Elektronen3troms und die Ionenbeschleunigungsspannung, je nach dem Substratmaterial, dem Oberflächenzustand und dem Material jeder aufzudampfenden Schicht geeignet gewählt werden, so daß die Qualität, die Stärke, die Haftung und dergleichen Eigenschaften jeder Aufdampfschicht optimiert werden können.
Bei dem beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes mit pn-übergang gemäß der Erfindung kann das beschriebene Ionenplattierungsverfahren, beispielsweise das Ionenplattierungsverfahren unter Hochvakuum oder das Agglomerataufdampfverfahren, bei wenigstens einem der Schritte zur Herstellung der Substratelektrode und der oberen Anschlußelektrode außer bei dem beschriebenen Verfahrensschritt zur Herstellung der Halbleiterdünnschicht verwendet werden. Auf diese Weise kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren das Halbleiterbauelement mit pn-übergang mit noch besserer Qualität und einem guten Wirkungsgrad hergestellt werden, welches die Erfordernisse in bezug auf die Schichtdicken erfüllt und sich für die Verwendung in einer Sonnenbatterie eignet.
Erfindungsgemäß kann auch ein Halbleiterbauelement mit mehreren Übergängen, welches mehrere pn-Übergangshalbleiterschichten 5 aufweist, dadurch hergestellt werden, daß man die oben beschriebenen Verfahrensschritte wiederholt durchführt.
Wie bereits erwähnt wurde, sind die wesentlichen Erfordernisse für das Halbleiterbauelement mit pn-übergang und sein Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung die Herstellung einer Halbleiterdünnschicht, die durch das Ionen-Plattierungsverfahren, beispielsweise das Ionen-Plattierungsverfahren
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im Hochvakuum oder das Agglomerataufdampfverfahren, und die Herstellung einer oberen Anschlußelektrode, die mit dem Ionen-Implantationsverfahren erfolgt. Folglich sind Struktur und Herstellungsverfahren des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements in hohem Maße für die Herstellung einer Sonnenbatterie geeignet.
Verschiedene Aspekte und Vorteile der Erfindung können wie folgt zusammengefaßt werden:
(1) Bei dem Ionen-Plattierungsverfahren, beispielsweise dem Agglomerataufdampfverfahren oder dem Ionen-Plattierungsverfahren im Hochvakuum, wird die Aufdampfung unter solchen Bedingungen durchgeführt, bei denen auf der zu bedampfenden Oberfläche ein Reinigungseffekt durch die Spatter-Wirkung der Ionen oder Ionenagglomerate erreicht wird. Daher wird eine Dünnschicht mit ausgezeichneter Festigkeit und Haftung nicht nur auf einem Substrat erzeugt, das aus Glas oder dergleichen besteht, sondern auch auf einem organischen Substrat aus Polyimid, Polyester (Mylar) oder dergleichen, welches als Folie vorliegt und flexibel ist. Daher hat das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement einen erheblich größeren Anwendungsbereich.
(2) Die Dicke der auf der Seite der Substratelektrode liegenden Halbleiterschicht oder der auf der Seite der oberen Anschlußelektrode liegenden Halbleiterschicht, die auf dem Substrat aufgedampft werden sollen, kann durch entsprechende Einstellung der Arbeitsbedingungen des Ionenplattierungsverfahrens und des IonenimplantationsVerfahrens kontrolliert werden. Daher kann der Teil der Halbleiterschicht zwischen seiner Oberfläche und der pn-Übergangsschicht in seiner Dicke herabgesetzt werden, so daß das erzeugte Halbleiterbauelement in einer großen Bandbreite für die einfallenden Lichtstrahlen empfindlich sein kann.
(3) Um mit den bisher üblichen Verfahren einen pn-übergang herzustellen, werden Fremdatome thermisch in den Halbleiter
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von dessen Oberfläche her eindiffundiert. Daher ergibt sich ein Diffusionsbereich mit hoher Konzentration in der Nähe der Oberfläche. Da die Rekombination der Löcher und der Elektronen häufig in diesem Bereich stattfindet, können geladene Teilchen, die durch die Bestrahlung erzeugt werden, nicht effektiv abgeführt werden. Demgegenüber kann bei der Erfindung die Konzentration der Verunreinigungen (Fremdatome) während der Abscheidung gesteuert werden, und es kann zusätzlich eine sehr scharf definierte Übergangsschicht erzeugt werden. Folglich ist das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement in bezug auf den erwähnten Nachteil früherer Ausführungen erheblich, verbessert.
(4) Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein Halbleiterbauelement mit mehreren Übergängen dadurch hergestellt werden, daß man eine Vielzahl von pn-Übergangs-Halbleiterschichten in der Art eines Laminates herstellt. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement in seinem Wirkungsgrad erheblich verbessert werden.
(5) Bei der Erfindung ist das Halbleitermaterial, welches verwendet werden kann, nicht auf SiIcium beschränkt. Andere Halbleiterelemente oder Halbleiterverbindungen, beispielsweise GaP, GaAs, InP und CdTe können selbstverständlich auch verwendet werden. Wenn eine Schicht aus einer Halbleiterverbindung hergestellt werden soll, ist es nicht notwendig, das Halbleitermaterial selbst in das geschlossene Schiffchen zu legen. Mit anderen Worten können die einzelnen Bestandteile der Halbleiterverbindung in der geeigneten Mischung in das Schiffchen eingebracht werden. Dies ist ein wesentlicher Vorteil der Erfindung.
(6) Erfindungsgemäß kann ein flexibles Halbleiterbauelement mit pn-übergang hergestellt werden, was bisher nahezu unmöglich war. Dies geschieht durch. Abscheidung einer Halbleiterdünnschicht mit außerordentlich hoher Festigkeit und Qualität auf einer flexiblen, organischen Schicht. Mit solch einem
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Halbleiterbauelement kann man eine Materialersparnis und eine Gewichtsreduzierung aufgrund seiner verminderten Dicke erzielen. Da das Bauelement klein und flexibel ist, kann es ferner in eine kompakte Form gefaltet oder gerollt werden, was sich bei Lagerung, Handhabung und Transport günstig auswirkt. Das Bauelement nimmt auch nicht in seiner Qualität ab, selbst wenn es gefaltet oder aufgerollt wird.
(7) Erfindungsgemäß wird die obere Halbleiterschicht, die neben der oberen Anschlußelektrode liegt, durch das Ionen-Implantat ions verfahren hergestellt, bei dem nur die nutzbaren Elektronen zur Abscheidung ausgewählt werden, so daß 3ich eine Schicht mit sehr hoher Qualität ergibt. Das Halbleiterbauelement mit pn-übergang kann daher eine solche Struktur haben, die für die Verwendung in einer Sonnenbatterie in hohem Maß erwünscht i3t. Das Halbleiterbauelement kann auch effizient hergestellt werden.
Abschließend können einige Gesichtspunkte des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes wie folgt zusammengefaßt werden. Es wird ein Halbleiterbauelement mit pn-übergang geschaffen, welches ein Substrat, eine Substratelektrode, die als Schicht auf dem Substrat aufgebracht ist, eine pn-Übergangs-Halbleiterschicht, die auf dem mit der Substratelekt-rode versehenen Substrat als Schicht aufgebracht ist, und eine obere Anschlußelektrode, die als Schicht auf der pn-Übergangs-Halbleiterschicht aufgebracht ist, aufweist, wobei die pn-Übergangs-Halbleiterschicht durch Aufbringen einer n-(oder p-)Halbleiterschicht auf dem tn.it der Substratelektrode versehenen Substrat durch das Ionen-Plattierungsverfahren und durch Herstellen einer p-(oder n-)Halbleiterschicht in dem oberen Oberflächenbereich der n-(oder p-)Halbleiterschicht durch das Ionen-Implantationsverfahren hergestellt wird.
Patentansprüche 709832/0629 1?/

Claims (4)

Patentansprüche
1.. J Halbleiterbauelement mit pn-übergang, welches in der Art ""eines Laminates aufgebaut ist, gekennze ichnet durch ein Substrat , eine Substratelektrode, die wenigstens auf einem Teil der Oberfläche des Substrates als Schicht aufgebracht ist, wenigstens eine pn-Übergangs-Halbleiterschicht, die auf dem mit der Substratelektrode versehenen Substrat aufgebracht ist, wobei die Substratelektrode aus einer metallischen Dünnschicht besteht, die einen ohmschen Kontakt mit der pn-Übergangs-Halbleiterschicht herstellen kann, und durch eine obere Anschlußelektrode, die auf wenigstens einem Teil der Oberfläche der pn-Übergangshalbleiterschicht als Schicht aufgebracht ist und aus einer metallischen Dünnschicht besteht, die einen ohmschen Kontakt mit der pn-Übergangshalbleiterschicht herstellen kann, wobei die pn-Übergangshalbleiterschicht eine n-(oder p-)Halbleiterschicht, die auf der Seite der Substratelektrode liegt und eine durch das Ionen-Plattierungsverfahren erzeugte Zusammensetzung und Struktur aufweist, bei dem die Materialien der n-(oder p-) Halbleiterschicht in einem Vakuumbereich verdampft werden, um einen Dampf aus den Materialien zu erzeugen, der Dampf mit Elektronen beschossen wird, um wenigstens einen Teil des Dampfes zu ionisieren, und der ionisierte Dampf in einem elektrischen Feld beschleunigt wird, um ihn auf das mit der Substratelektrode versehene Substrat auftreffen zu lassen, und eine p-(oder n-)Halbleiterschicht aufweist, die auf der Seite der oberen Anschlußelektrode liegt und eine durch das Ionen-Implantationsverfahren erzeugte Zusammensetzung und Struktur aufweist, bei dem Fremdelemente, die eine Halbleiterschicht mit einem Leitfähigkeitstyp, der dem leitfähigkeitstyp der n-(oder p-)Halbleiterschicht entgegengesetzt ist, erzeugen kann, ionisiert werden und die ionisierten Eremdelemente in einem elektrischen Feld beschleunigt werden, um diese in die obere Schicht der n-(oder p-)Halbleiterschicht einzuführen.
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2. "Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes mit pn-übergang, dadurch, gekennzeichnet, daß eine Substratelektrode auf wenigstens einem Teüder Oberfläche eines Substrates ausgebildet wird, das wenigstens eine pn-Übergangs-Halbleiterschicht auf dem mit der Substratelektrode versehenen Substrat ausgebildet wird, wobei die Substratelektrode aus einer metallischen Dünnschicht besteht, die einen ohmschen Kontakt mit der pn-Übergangs-Halbleiterschicht herstellen kann, und daß eine obere Anschlußelektrode auf wenigstens einem Teil der Oberfläche der pn-Übergangs-Halbleiterschicht ausgebildet wird, wobei die obere Anschlußelektrode aus einer metallischen Dünnschicht besteht, die einen ohmschen Kontakt mit der pn-Übergangs-Halbleiterschicht herstellen kann, daß die Herstellung der pn-Übergangs-Halbleiterschicht dadurch erfolgt, daß eine n-(oder p-)Halbleiterschicht auf dem mit der Substratelektrode versehenen Substrat durch das Ionen-Pia ttierungsverfahren hergestellt wird, bei dem die Materialien der n-(oder p-)Halbleiterschicht in einem Vakuumbereich verdampft werden, um einen Dampf aus den Materialien zu bilden, der Dampf mit Elektronen beschossen wird, um wenigstens einen Teil desselben zu ionisieren, und der ionisierte Dampf in einem elektrischen Feld beschleunigt wird, um ihn auf das mit der Substratelektrode versehene Substrat auftreffen zu lassen, und daß eine Halbleiterschicht mit einem Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt zu dem Leitfähigkeitstyp der n-(oder p-)-Halbleiterschicht in dem oberen Oberflächenbereich der n-(oder p-)Halbleiterschicht durch das Ionen-Implantationsverfahren erzeugt wird, bei dem durch eine Ionenquelle Fremdatome, die eine Halbleiterschicht mit einem Leitfähigkeits-J;yp entgegengesetzt zu dem Leitfähigkeitstyp der n-(oder p-)-Halbleiterschicht erzeugen können, ionisiert werden und die Fremdionen beschleunigt werden, indem man ihnen eine kinetische Energie erteilt, um sie in die n-(oder p-)Halbleiterschicht einzuführen.
3. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementee mit pn-übergang, dadurch gekennzeichnet, daß eine Substrat-
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elektrode auf wenigstens einem Teil der Oberfläche eines Substrates ausgebildet wird, das wenigstens eine pn-Übergangs-Halbleiterschicht auf dem mit der Substratelektrode versehenen Substrat ausgebildet wird, wobei die Substratelektrode aus einer metallischen Dünnschicht besteht, die einen ohmschen Kontakt mit der pn-Übergangs-Halbleiterschicht herstellen kann, und daß eine obere Anschlußelektrode auf wenigstens einem Teil der Oberfläche der pn-Übergangs-Halbleiterschicht ausgebildet wird, wobei die obere Anschlußelektrode aus einer metallischen Dünnschicht besteht, die einen ohmschen Kontakt mit der pn-Übergangs-Halbleiterschicht herstellen kann, daß die pn-Übergangs-Halbleiterschicht dadurch hergestellt wird, daß eine n-(oder p-)Halbleiterschicht auf dem mit der Substratelektrode versehenen Substrat durch das Agglomerataufdampfverfahren aufgebracht wird, bei dem die Materialien der n-(oder p-)Halbleiterschicht verdampft werden, die verdampften Materialien in einen Vakuumbereich mit einem Druck
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von 10 Torr oder weniger eingesprüht werden, um Agglomerate zu bilden, die Agglomerate mit Elektronen beschossen werden, um wenigstens einen Teil derselben zu ionisieren, und die ionisierten Agglomerate in einem elektrischen Feld beschleunigt werden, um sie auf das mit der Substratelektrode versehene Substrat auftreffen zu lassen, und daß eine Halbleiterschicht mit einem Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt zu dem Leitfähigkeitstyp der n-(oder p-)Halbleiterschicht in dem oberen Oberflächenbereich der n-(oder p-)Halbleiterschicht durch das Ionen-Implantationsverfahren erzeugt wird, bei dem durch eine Ionenquelle Premdatome, die eine Halbleiterschicht mit einem Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt zu dem Leitfähigkeitstyp der n-(oder p-)Halbleiterschicht erzeugen können, ionisiert werden, und bei dem die Fremdionen dadurch beschleunigt werden, daß man ihnen eine kinetische Energie erteilt, um sie in die n-(oder p-)Halbleiterschicht einzuführen.
4. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes mit pn-übergang, dadurch gekennzeichnet, daß eine Substrat-
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elektrode auf wenigstens einem Teil der Oberfläche eines Substrates ausgebildet wird, das wenigstens eine pn-Übergangs-Halbleiterschicht auf dem mit der Substratelektrode versehenen Substrat ausgebildet wird, wobei die Substratelektrode aus einer metallischen Dünnschicht besteht, die einen ohmschen Kontakt mit der pn-Übergangs-IIalbleiterschicht herstellen kann, und daß eine obere Anschlußelektrode auf wenigstens einem Teil der Oberfläche der pn-Übergangs-Halbleiterschicht hergestellt wird, wobei die obere Anschlußelektrode aus einer metallischen Dünnschicht besteht, die einen ohmschen Kontakt mit der pn-Übergangs-Halbleiterschicht herstellen kann, und daß die pn-Übergangs-Halbleiterschicht dadurch hergestellt wird, daß eine n-(oder p-)Halbleiterschicht auf dem mit der Substratelektrode versehenen Substrat durch das Ionen-Plattierungsverfahren hergestellt wird, bei dem die Materialien der n-(oder p-)Halbleiterschicht in einem Vakuumbereich verdampft werden, um einen Dampf aus den Materialien zu bilden, der Dampf mit Elektronen beschossen wird, um wenigstens einen Teil desselben zu ionisieren, und bei dem der ionisierte Dampf in einem elektrischen Feld beschleunigt wird, um ihn auf das mit der Substratelektrode versehene Substrat auftreffen zu lassen, und eine Halbleiterschicht mit einem Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt zu dem Leitfähigkeitstyp der n-(oder p-)Halbleiterschicht in dem oberen Oberflächenbereich der n-(oder p-)Halbleiterschicht durch das Ionen-Implantationsverfahren hergestellt wird, bei dem durch einen Ionenquelle Fremdatome, die eine Halbleiterschicht mit einem Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt zu dem Leitfähigkeitstyp der n-(oder p-)Halbleiterschicht erzeugen können, ionisiert werden, und bei dem die Fremd ionen beschleunigt werden, indem man ihnen eine kinetische Energie erteilt, um sie in die n-(oder p-)Halbleiterschicht einzuführen, und daß wenigstens einer der Verfahrensschritte, durch die die Substratelektrode und die obere Anschlußelektrode hergestellt werden, nach dem Ionen-Plattierungsverfahren durchgeführt werden, bei dem die aufzudampfenden Materialien in einem Vakuumbereich verdampft werden, um einen Dampf aus den Materialien zu biücfen, der Dampf mit Elektronen beschossen wird, um wenigstens einen
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Teil des Dampfes zu ionisieren, und bei dem der ionisierte Dampf in einem elektrischen PeId beschleunigt wird, um ihn auf eine Aufdampfoberfläche auftreffen zu lassen.
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