DE2939348A1 - Silicium-halbleiteranordnung - Google Patents

Silicium-halbleiteranordnung

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Silicium-Halbleiteranordnung nach dem Gattungsbegriff des Anspruches 1.
In der US-PS 4 112 135 wird ein Verfahren zur Tauchbeschichtung von keramischen Körpern mit geschmolzenem Silicium beschrieben, um große Flächen dünner Schichten von polykristallinen» Silicium mit großer Korngröße für die Verwendung als Solarzellenfelder zu bilden. Bei diesem Verfahren wird die mit Silicium zu beschichtende Fläche auf dem keramischen Substrat zunächst karbonisiert, da andernfalls das geschmolzene Silicium den keramischen Körper nicht benetzt. Wenn elektrisch isolierende keramische Substratkörper dieser Art mit Silicium durch ein Eintauchverfahren beschichtet werden, so kann ein elektrischer Kontakt in üblicher Weise nur mit der Oberfläche der Siliciumschicht hergestellt werden. Wenn die Siliciumbeschichtung benutzt wird, um Anordnungen mit zwei Schichten herzustellen, wie beispielsweise Solarzellen, so ist die Grund- oder Zwischenschicht für einen elektrischen Kontakt nicht zugängig, es sei denn, es wird ein Teil der Oberfläche weggeschnitten oder weggeätzt, um durch diese Schicht die Zwischenschicht zu erreichen und einen elektrischen Kontakt anzubringen. Um den internen Serienwiderstand der Solarzelle auf ein Minimum zu reduzieren, muß ein guter Kontakt mit dieser Zwischenschicht hergestellt werden, ohne daß dies durch die Oberfläche der Solarzelle geschieht, wodurch der wirksame Bereich, auf den die Sonnenstrahlung auftrifft, vermindert würde.
In der DE-OS 28 23 973 wurde vorgeschlagen, Schlitze oder kleine Löcher in dem keramischen Substrat vorzusehen, so daß bei einer Beschichtung der einen Seite des keramischen Substrates mit geschmolzenem Silicium dieses die Schlitze bzw. Löcher überbrückt und in diese hineinwächst, wodurch elektrische Kontaktstellen mit der Siliciumschicht auf der unbeschichteten Seite des Substrates hergestellt werden können.
Ausgehend von den eingangs erwähnten Halbleiteranordnungen ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese in ihrem
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Wirkungsgrad noch weiter zu verbessern. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch chemische Dampfablagerung eine epitaxiale Siliciumschicht auf der auf dem keramischen Substrat befindlichen, stark dotierten Siliciumschicht gezogen. Die stark dotierte Siliciumschicht auf dem keramischen Substrat besitzt einen sehr geringen Schichtwiderstand, wodurch eine rückwärtige bessere Kontaktschicht gebildet wird. Die epitaxial gezogene Siliciumschicht mit hohem Widerstand wird sodann benutzt, um Solarzellen herzustellen. Bei diesem neuen Aufbau kann die stark dotierte Siliciumschicht sehr viel dünner {*a^1Q um! als die bei dem eingangs erwähnten Tauchverfahren hergestellte Schicht sein, die dort vorzugsweise 70-1OOum betrug. Die stark dotierte Siliciumschicht bildet den geforderten polykristallinen Siliciumfilm mit großer Korngröße wie im bekannten Fall. Die stark dotierte Siliciumschicht bildet ebenfalls ein rückwärtiges Oberflächenfeld für Solarzellen, die in der leicht dotierten Epitaxialschicht gebildet werden. Das rückwärtige Oberflächenfeld dient der Verbesserung der ümwandlungsleistung der Solarzellen.
Anhand eines in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles sei die Erfindung im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung;
Fig. 2 eine rückwärtige Ansicht des keramischen Substrates, wobei das gemäß Fig. 1 beschichtete Substrat Schlitze aufweist; und
Fig. 3 eine Schnittansicht durch einen Teil der Anordnung gemäß Fig. 2.
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Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch verschiedene Schichten der erfindungsgemäßen Struktur, bei der eine epitaxiale Siliciumschicht auf einer auf einem keramischen Körper aufgebrachten Siliciumschicht angeordnet ist. Ein Blättchen aus keramischem Substrat 10, wie beispielsweise Mullit (3Al2O '2SiO ) weist eine Kohlebeschichtung 11 auf der Oberfläche und darauf eine kristalline Siliciumschicht auf. Unter kristallinem Silicium wird polykristallines Silicium mit großer Korngröße oder einzelkristallines Silicium verstanden. Eine große Korngröße hinsichtlich der kristallinen Struktur bedeutet, daß diese wesentlich größer als die Dicke der Schicht ist. Das polykristalline Silicium, wie es beispielsweise für Solarzellen verwendet wird, besitzt beispielsweise eine Korngröße von 1,5 mm. Da keramische Körper beim Eintauchen oder anderweitigem Inkontaktbringen mit geschmolzenem Silicium von diesem nicht benetzt werden, wird als erster Schritt eine Karbonisierung der Oberfläche des keramischen Körpers vorgenommen, um die Keramikoberfläche durch geschmolzenes Silicium benetzbar zu machen, so daß die im Eintauchverfahren hergestellte Schicht 12 erzeugt wird. Eine epitaxiale Schicht aus Silicium 13 wird sodann auf der Schicht 12 gezogen und die neue epitaxiale Schicht 13 wird sodann benutzt, um Solarzellen herzustellen. Unter einer epitaxialen Schichtbildung wird das Wachstum einer Siliciumschicht auf einem bestehenden Siliciumsubstrat verstanden, wobei dies in einer solchen Weise geschieht, daß die kristalline Struktur des Siliciumsubstrats im wesentlichen nachgebildet wird. Ein allgemeiner Vorteil liegt darin, daß eine Epitaxialschicht eine höhere Reinheit als das Siliciumsubstrat aufweisen kann. Der Verunreinigungspegel kann ebenfalls leicht während der Ablagerung gesteuert werden, um ein eingebautes Feld zu schaffen, das die Minoritätsträger-Diffusionslänge in der Basisregion verbessert. Die grundlegenden Verfahren und Anwendungen der epitaxialen Schichtbildung in Siliciumtechnik können dem Buch "Fundamentals of Silicon Integrated Device Technology" Band 1, von R. M. Burger und R.P. Donovan, Verlag Prentice-Hall, New Jersey (1967) entnommen werden.
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Die verbesserte erfindungsgemäße Struktur weist eine Reihe von Vorteilen auf. Es kann eine höhere Solarzellenleistung mit minimalen Kosten erzielt werden, indem ein Silicium-Solarzellenmaterial hoher Reinheit und großer Korngröße zusammen mit einem rückwärtigen Oberflächenfeld in einer auf einem billigen Substrat befindlichen Siliciumschicht erzeugt wird. Die eingangs beschriebene Struktur wies verschiedene Beschränkungen auf, die z.B. darin bestanden, daß Verunreinigungen des keramischen Substrates die Siliciumschicht verschmutzen und daß das isolierende keramische Substrat den elektrischen Kontakt mit der Basisschicht einer Solarzelle erschwert. Die neue Struktur gemäß Fig. 1 weist demgegenüber mehrere nachstehend beschriebene Vorteile auf.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine leitfähige Zwischenschicht mittels der Siliciumschicht 12 erzeugt, die stark dotiert ist. Die stark dotierte Siliciumschicht 12 weist einen sehr geringen Schichtwiderstand auf, der zu einem geringen Serienwiderstand einer Solarzelle führt. Beispielsweise beträgt bei einer Schicht von 1Oum und einem mit Boratomen dotierten Material von 10~ Q.-cm der Schichtwiderstand 0,ΐΏ/π (0,1 Ohm pro Flächeneinheit). Dies bedeutet, daß Zellen mit einem geschlitzten Substrat, wie dieses in Fig. 2 dargestellt ist, verwendet werden können, wobei der Schlitzabstand 1 cm oder mehr beträgt. Die Anforderungen an das geschlitzte Substrat werden somit auf ein Minimum reduziert. Die Dicke der Siliciumschicht 12 kann mit ungefähr 10μίη angegeben werden, wobei jedoch diese Dicke gewünschtenfalls variieren kann. Diese Schicht ist jedoch viel dünner als in den eingangs erwähnten Anwendungsfällen.
Die Tatsache, daß eine dünne Siliciumschicht verwendet werden Jsann {10pm im Gegensatz zu 1öüpm im bekannten Fall) bedeutet, daß die Wachstumsgeschwindigkeit ν bei der Schichtbildung beträchtlich erhöht werden kann. Es hat sich herausgestellt, daß bei einer Erhöhung von ν die Zeit t abnimmt, wobei das Produkt v2t ungefähr konstant bleibt. Dies bedeutet, daß die Wachstumsgeschwindigkeit um das Dreifache gesteigert werden kann. Hier-
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durch wird die Bildung der Siliciumschicht wirtschaftlicher und die Verfahrenskosten bei der chemischen Dampfablagerung werden beträchtlich nach günstigen Werten verschoben.
Ein geschlitztes Substrat ist in Fig. 2 dargestellt. Ein im wesentlichen ähnliches Substrat wurde in näheren Einzelheiten in der bereits erwähnten DE-OS 28 23 973 beschrieben. Gemäß Fig. 2 ist die Rückseite, d. h. die unbeschichtete Seite des Substrates 10 ersichtlich. In dem keramischen Substrat sind •eine Reihe von Schlitzen 14 gebildet. Wie im Falle der Anordnung gemäß Fig. 1 ist das Substrat auf der anderen Seite karbonisiert und das karbonisierte Substrat wird in geschmolzenes Silicium eingetaucht. Wenn das Substrat aus der Siliciumschmelze herausgezogen wird und sich hierbei die polykristalline Siliciumschicht 12 großer Korngröße auf dem karbonisierten Teil des keramischen Substrates bildet, so überbrückt das Silicium die Schlitze und hat das Bestreben, in die Schlitze 14 von der beschichteten Seite in Richtung auf die unbeschichtete Seite hineinzuwachsen. Ein elektrischer Kontakt kann sodann mit dem Silicium in den Schlitzen mittels einer metallischen Plattierung 15 hergestellt werden, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist und wodurch die erforderliche Verbindung mit der Basisschicht hergestellt wird.
Ein weiterer Vorteil der neuen Struktur liegt darin, daß weniger unerwünschte Unreinheiten in der Epitaxialschicht gegenüber der auf dem Substrat aufgebrachten Siliciumschicht vorliegen. In erster Linie ist die Epitaxialschicht nur leicht dotiert, um die Minoritätsträger-Diffusionslänge auf ein Maximum zu bringen, ohne den Serienwiderstand der Zelle zu erhöhen. In zweiter Linie arbeitet die Siliciumschicht 12 als eine Diffusionsbarriere zwischen dem keramischen Substrat 10 und der aktiven Basis der Solarzelle. Da die epitaxiale Schicht 10 mit einer geringeren Temperatur (1000 - 11000C) als die Siliciumschicht 12 auf dem Substrat (1410 - 14 500C) gezogen wird, ergibt sich eine sehr viel geringere Diffusion von Verunreinigungen aus dem Substrat in die expitaxiale Schicht. Drittens tritt bei der chemischen
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Dampfablagerung hinsichtlich der epitaxialen Schichtbildung kein Dotierungsmittel in die Schmelze selbst ein. Schließlich können die Gasquellen, die für die chemische Dampfablagerung verwendet werden, reiner als das polykristalline Ausgangsmaterial bei der Schichtbildung auf dem keramischen Substrat gehalten werden. Das Verunreinigungsprofil kann während des epitaxialen Wachstums vorgegeben werden. Dies macht die Verwendung eines eingebauten Feldes möglich, wodurch die wirksame Diffusionslänge verbessert werden kann. Fig. 1 zeigt eine epitaxiale Schicht 13 mit einer Dicke in dem Bereich von 20-100pm. Diese Dicke kann in der gewünschten Weise gesteuert werden. Ein weiterer Vorteil der neuen Struktur liegt darin, daß die auf dem Substrat gebildete Siliciumschicht vom Typ P unter der epitaxialen Schicht vom Typ P einen rückwärtigen übergang P-P bildet, der zu einem rückwärtigen Oberflächenfeld (BSF = Back Surface Field) führt, wodurch die Minoritätsträgerrekombination an der rückwärtigen Oberfläche vermindert wird und das Kontaktpotential und somit die Zellen-Leerlaufspannung ansteigt.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Halbleiteranordnung weisen die einzelnen Schichten folgende Stärke auf:
Keramikschicht 10 Karbonschicht 11
Silicixcnschicht 12 (stark dotiert)
Siliciumschicht 13 (epitaxial)
1 000 100 um
1 -10 um
5-1G UTn
20- um
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Claims (5)

  1. HONEYWELL INC. USA 2939348 7 5. Sfip- 197* Honeywell Plaza 1007762 Ge Minneapolis, Minn.,
    Silicium-Halbleiteranordnung
    Patentansprüche:
    Λ Silicium-Halbleiteranordnung, gekennzeichnet durch
    ein keramisches Substrat (10);
    eine erste kristalline Siliciumschicht (12) großer Korngröße, die auf dem keramischen Substrat durch Kontakt mit geschmolzenem Silicium gezogen wird; und
    eine weitere kristalline Siliciumschicht (13) großer Korngröße, die epitaxial auf der ersten Siliciumschicht gezogen wird.
  2. 2. Silicium-Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein normalerweise durch geschmolzenes Silicium nicht benetzbares keramisches Substrat (10) und durch eine Karbonschicht (11) wenigstens auf Teilen der Oberfläche des keramischen Substrates (10), um dieses durch geschmolzenes Silicium benetzbar zu machen.
  3. 3. Silicium-Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Siliciumschicht (12) gegenüber der weiteren Siliciumschicht (13) stärker dotiert ist, einen geringeren Widerstand aufweist und eine leitende Zwischenschicht unter der epitaxialen Siliciumschicht (13V bildet.
    030016/0766
  4. 4. Silicium-Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das keramische Substrat (10) Durchbrüche (14) aufweist, die die Vorderseite des Substrats mit der Rückseite verbinden.
  5. 030016/0766
DE19792939348 1978-09-29 1979-09-28 Silicium-halbleiteranordnung Withdrawn DE2939348A1 (de)

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