DE3917936C2 - Lichtelektrisches Halbleiterbauelement - Google Patents

Lichtelektrisches Halbleiterbauelement

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Description

Die Erfindung betrifft ein lichtelektrisches Halbleiterelement, im folgenden kurz als Element bezeichnet, das zum Umwandeln von Licht in elektrische Energie, also typischerweise als Solarzelle verwendet wird. Ein lichtelektrisches Element gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus US 4,547,622 bekannt. In einer Ausführungsform gemäß der genannten US-Patentschrift sind alle Schichten unterhalb einer BSF-Schicht entfernt, und es ist auf die freigelegte Rückseite dieser Schicht ein gut reflektierender Film aufgebracht. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß nicht nur Ladungsträger mit Hilfe der BSF-Schicht mit großem Energiebandabstand zum pn-Übergang hin reflekiert werden, sondern daß auch noch nicht absorbiertes Licht reflektiert wird, so daß erneut die Möglichkeit besteht, dies in den Schichten zu absorbieren, die den pn-Übergang bilden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein lichtelektrisches Element anzugeben, das einfach herzustellen ist, aber mit dem sich dennoch ein sehr hoher Wirkungsgrad erzielen läßt.
Das erfindungsgemäße lichtelektrische Element ist durch die Merkmale von Anspruch 1 gegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
Das erfindungsgemäße lichtelektrische Element zeichnet sich durch eine Halbleiter-Schichtanordnung über dem Substrat und unter den zwei Übergangsschichten aus, die auf optimale Reflexion von Licht einer vorgegebenen Wellenlänge ausgebildet ist.
Besonders hohes Reflexionsvermögen ergibt sich dann, wenn die reflektierende Schichtanordnung durch eine Übergitterschichtanordnung gebildet ist, die abwechselnd Schichten unterschiedlicher Brechungsindizes aufweist.
Es ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße lichtelektrische Element erheblich einfacher herstellbar ist als die bekannte Ausführungsform, bei der das gesamte Substrat abzutragen ist, um auf die Rückseite der freigelegten BSF-Schicht einen Metallfilm aufbringen zu können. Hoher Wirkungsgrad ergibt sich, da eine BSF-Schicht vorhanden ist und eine gezielt als optimal reflektierende Schicht ausgebildete Schichtanordnung, vorhanden ist. Es ist zu beachten, daß an jedem Übergang zwischen Schichten unterschiedlicher Brechungsindizes Lichtreflexion auftritt, daß also grundsätzlich in jedem lichtelektrischen Element derartige Reflexion vorhanden ist.
Im folgenden ist die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird, beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 den Querschnitt einer GaAs-Solarzelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 2(a) den Querschnitt einer GaAs-Solarzelle gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
Fig. 2(b) eine Teilvergrößerung des in Fig. 2(a) strichpunktiert umkreisten Bereichs;
Fig. 3 ein Energiebandlücken-Diagramm des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1;
Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Reflexion an einer Trennschichtoberfläche;
Fig. 5 ein Diagramm zur Erläuterung der Reflexion an einer Einzelschicht; und
Fig. 6 ein Diagramm zur Erläuterung der Reflexion an einer Mehrlagenschicht.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird das erste Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Es wird zunächst der Herstellungsprozeß angegeben.
Zuerst wird eine Lichtreflexionsschicht 9 mittels des MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)-Verfahrens, des MBE(Molecular Beam Epitaxy)-Verfahrens oder eines Dampfphasenepitaxie-Verfahrens (Vapor Phase Epitaxy, VPE) auf einem N-leitenden GaAs-Substrat 1 ausgebildet. Die Lichtreflexionsschicht 9 kann aus einem AlxGa1-xAs-System, einem GaAsyP1-y-System oder einem InxGa1-xAs-System bestehen. Auf der Lichtreflexionsschicht 9 wird eine aus einem N-leitenden AlGaAs bestehende BSF-Schicht 2 mit einem gegenüber den nachfolgenden aktiven Halbleiterschichten größeren Bandabstand mit einer Schichtstärke von etwa 0,1 μm mittels des MOCVD-Verfahrens oder MBE-Verfahrens aufgetragen. Anschließend wird auf der BSF-Schicht 2 eine N-leitende GaAs-Schicht 3, die eine Dotierungsdichte von etwa 2×10¹⁷ cm-3 aufweist, mit einer Schichtstärke von etwa 1,5 bis 2,5 μm aufgetragen. Eine P-leitende GaAs-Schicht 4 mit einer Dotierungsdichte von etwa 5×10¹⁸ cm-3 wird auf der N-leitenden Schicht 3 mit einer Schichtstärke von etwa 0,3 bis 0,5 μm aufgetragen und darauf wird eine P-leitende AlxGa1-xAs-Schicht (x=0,85) mit einer Schichtstärke von etwa 50 nm als Fensterschicht 5 aufgetragen. Darauffolgend wird eine Antireflexionsschicht 6, die aus Si₃N₄ oder Ta₂O₅ mit einem Brechungsindex von 1,9 bis 2,0, auf der Fensterschicht 5 mit einer Stärke von 70 bis 75 nm mittels eines chemischen Aufdampfungsverfahrens (Chemical Vapor Deposition, CVD) oder eines Aufsprühverfahrens hergestellt. Als nächstes wird mittels eines Ätzverfahrens ein Kontaktloch in der AR-Schicht 6 und in der Fensterschicht 5 erzeugt. In diesem Kontaktloch wird auf der P-leitenden Schicht 4 eine P-Seite-Elektrode 7 und auf der rückwärtigen Oberfläche des N-leitenden Substrats 1 eine N-Seite-Elektrode 8 jeweils mit einem Aufdampfungs- oder Aufsprühverfahren hergestellt. Die BSF-Schicht 2 ist in der Nähe der Oberfläche des P/N-Übergangs angeordnet, um einen ausreichenden BSF-Effekt zu erzielen, selbst wenn die Diffusionslänge aufgrund von Bestrahlung ein wenig verschlechtert ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist die BSF-Schicht 2 an einer Stelle angeordnet, die etwa der halben Länge des effektiven Lichtabsorptionsweges von der Oberfläche des Elements entspricht (etwa 2 bis 3 μm von der Oberfläche). Die Schichtdicke der Fensterschicht 5 ist auf etwa 500 Å oder weniger festgesetzt, um Lichtabsorption zu verhindern.
Im folgenden wird die Wirkungsweise beschrieben.
In Fig. 3 ist ein Energiebanddiagramm dargestellt zur Erläuterung der Wirkungsweise der Solarzelle gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Das Bezugszeichen 13 kennzeichnet Elektronen, während das Bezugszeichen 14 auf Löcher bzw. Defektelektronen hinweist. Die in der P-leitenden Schicht 4 erzeugten Elektronen 13 bewegen sich in Richtung der N-leitenden Schicht 3, die für Elektronen 13 energetisch stabil ist, während die in der N-leitenden Schicht 3 erzeugten Defektelektronen 14 sich in Richtung der P-leitenden Schicht 4 bewegen, die für Defektelektronen 14 energetisch stabil ist, und zwar jeweils aufgrund von Thermodiffusion. Auf diese Weise erreichen Elektronen und Defektelektronen den P/N-Übergang, wodurch an der Verarmungs- bzw. Sperrschicht ein Strom erzeugt wird. In diesem Ausführungsbeispiel wird, da die BSF-Schicht 2 an einer Stelle angeordnet ist, die der halben Länge des effektiven Lichtabsorptionsweges von der Oberfläche des Elements entspricht, und die Lichtreflexionsschicht 9 unter der BSF-Schicht 2 angeordnet ist, Licht im Langwellenbereich, das einen geringen Lichtabsorptionskoeffizient aufweist, zur BSF-Schicht 2 übertragen, ohne daß Ladungsträger in der photoelektrischen Konversions- bzw. Umwandlungsschicht erzeugt werden, die durch die P-leitende Schicht 4 und die N-leitende Schicht 3 gebildet ist. Dieses Licht wird von der Lichtreflexionsschicht 9 wieder in die photoelektrische Umwandlungsschicht reflektiert, und das Licht durchdringt wiederum die halbe Länge der effektiven Lichtabsorptionsweges, um wieder an die Oberfläche des Elements zu gelangen. Dadurch durchdringt aufgestrahltes Licht eine Distanz, die gleich dem effektiven Lichtabsorptionsweg ist. Das bedeutet, daß nahezu die gleiche Menge von Ladungsträgern in der photoelektrischen Umwandlungsschicht erzeugt werden können, wie wenn die BSF-Schicht 2 in einer tieferen Position als der effektive Lichtabsorptionsweg angeordnet wäre. Die Fensterschicht 5 verhindert an der Oberfläche des Elements das Rekombinieren und den Verlust von Defektelektronen und Elektronen.
Mit einer derartigen Anordnung kann Licht im Langwellenbereich, das nur an einer tiefen Stelle unterhalb der Oberfläche des Elements aufgrund des geringen Lichtabsorptionskoeffizienten Ladungsträger erzeugen würde, in der photoelektrischen Umwandlungsschicht effektiv umgewandelt werden. Des weiteren können Ladungsträger, da die BSF-Schicht 2 mit dem BSF-Effekt näher an der Oberfläche des P/N-Übergangs angeordnet ist, in ausreichender Menge die Oberfläche des P/N-Übergangs erreichen.
Im folgenden wird der Herstellungsprozeß der Lichtreflexionsschicht 9 beschrieben.
Wie oben aufgeführt, hat der Lichtabsorptionskoeffizient eine derartige Wellenlängenabhängigkeit, daß er sich mit größer werdender Wellenlänge verringert. Das bedeutet, daß Licht mit größerer Wellenlänge schlechter absorbiert wird. Daher wird die Lichtreflexionsschicht 9 bevorzugt so ausgebildet, daß sie effektiv Licht mit längerer Wellenlänge reflektiert.
Im folgenden wird der Reflexionsgrad bzw. das Reflexionsvermögen von einem dünnen Film bzw. einer dünnen Schicht detailliert beschrieben.
Der Reflexionsgrad einer dünnen Schicht kann mit der folgenden Formel ausgedrückt werden. Aus Vereinfachungsgründen wird angenommen, daß keine Lichtabsorption durch ein Medium oder durch die dünne Schicht vorhanden ist und daß das Licht nur vertikal aufgestrahlt wird.
  • 1. Reflexion an der Trennschicht ("1"→"0"):
    im in Fig. 4 dargestellten Fall und unter der Annahme, daß der Brechungsindex der "0"-Schicht n₀ und derjenige der "1"-Schicht n₁ ist, gilt Amplitudenreflexionsgrad: Amplitudendurchlässigkeit: und folglichEnergiereflexionsgrad: Energieübertragungsvermögen:
  • 2. Reflexion durch eine dünne Einzelschicht:
    Gemäß Fig. 5 und unter der Annahme, daß der Brechungsindex der "0"-Schicht n₀, derjenige der "1"-Schicht n₁ und derjenige der "2"-Schicht n₂ ist.
    • i) "0"-Schicht→"1"-Schicht Amplitudenreflexionsgrad: Amplitudenübertragungsvermögen:
    • ii) "1"-Schicht→"2"-Schicht Amplitudenreflexionsgrad: Amplitudenübertragungsvermögen:
  • Angenommen der Vektor des elektrischen Feldes in Richtung von der "0"-Schicht zur "1"-Schicht in der "0"-Schicht sei E₀⁺ und derjenige an der "1"-Schicht reflektierte in der "0"-Schicht sei E₀-, und d₁: Schichtdicke der Einzelschicht. Dies ist eine grundlegende Formel zur Berechnung des Reflexionsgrads von Mehrlagenschichten. Daraus ergibt sich,Amplitudenreflexionsgrad: Energiereflexionsgrad:
  • Unter der Annahme, daß die Einzelschicht 1 mit einer Stärke hergestellt ist, die ¼ der Wellenlänge entspricht, wobei das Produkt n₁·d₁ von Brechungsindex n₁ und Schichtdicke d₁ einem Viertel der Wellenlänge des reflektierten Lichts entspricht, so gilt
  • 3. Reflexion an mehrlagigen Schichten:
    Mit Bezug auf Fig. 6, und folglich, Falls p=2 (zweilagige Schicht), Unter der Annahme, daß die "1"-Schicht und die "2"-Schicht die Stärke von ¼ der Wellenlänge aufweisen, mitA₁ = n₁², A₂ = n₂B₁ = n₀n₂²,B₁ = n₀n₂, B₂ = A₁n₃ = n₁²n₃Daraus ergibt sich:Energiereflexionsgrad und mit n₀ = n₃:
Das heißt, je höher das Verhältnis des Brechungsindex nRL der Lichtreflexionsschicht 9 zum Brechungsindex der BSF-Schicht 2 und je größer die Verhältnisse der Brechungsindizes des N-leitenden Substrats 1 oder der N-leitenden Schicht 3 zur Lichtreflexionsschicht 9 sind, um so größer ist der Reflexionsgrad, wodurch sich ein höherer Lichtstrom ergibt.
Im oben dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist die BSF-Schicht 2 an einer Position angeordnet, die etwa der halben Distanz des effektiven Lichtabsorptionsweges von der Oberfläche des Elements entspricht, und die Lichtreflexionsschicht 9 ist unterhalb der BSF-Schicht 2 angeordnet. Es können daher Ladungsträger, die aufgrund der von der Bestrahlung reduzierten Diffusionslänge nicht die Oberfläche des P/N-Übergangs erreichen können, und diejenigen Ladungsträger, die aufgrund des Lichts mit großer Wellenlänge, das durch die BSF-Schicht 2 übertragen wird, erzeugt werden, in ausreichender Weise gesammelt werden, wodurch sich durch das verbesserte Rückstrahlvermögen ein Lichterzeugungselement mit einem erhöhten Wirkungsgrad ergibt.
In Fig. 2(a) ist der Querschnitt einer GaAs-Solarzelle gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und in Fig. 2(b) eine Teilvergrößerung des in Fig. 2(a) mit einer strichpunktierten Linie umkreisten Bereichs dargestellt. In diesen Figuren geben die mit Fig. 1 gleichen Bezugszahlen auch die gleichen Elemente an. Als Lichtreflexionsschicht 9 wird eine Übergitter-Schicht verwendet, die erhalten wird durch Laminieren von ersten Reflexionsschichten 10a bis 10d im Wechsel mit zweiten Reflexionsschichten 11a bis 11d. Die ersten Reflexionsschichten 10a bis 10d bestehen aus AlxGa1-xAs(x=0,6) mit einer Schichtstärke von 100 nm und die zweiten Reflexionsschichten 11a bis 11d bestehen aus GaAs ebenfalls mit 10 nm Schichtdicke. Diese Schichten werden alternierend etwa 20mal aufgetragen.
Die Berechung des Reflexionsgrads dieser Lichtreflexionsschichten 9 aus einer Übergitter-Schicht wird im folgenden beschrieben. Der Brechungsindex der ersten Reflexionsschichten 10a bis 10b sei nA und derjenige der zweiten Reflexionsschicht 11a bis 11d sei nB. Ferner sei angenommen, daß diese Reflexionsschichten jeweils als λ/4-Schichten (nAdA=nBdB=λ/4) hergestellt sind. Daraus folgt
n₁ = n₃ = . . . . . . . . . = n₂p - 1 = nA
n₂ = n₄ = . . . . . . . . . = n₂p = nB
r₂ = r₄ = . . . . . . . . . = r₂p
r₃ = r₅ = . . . . . . . . . = r₂p - 1
und anschließend
mit
A₂p = n₂pB₂p - 1
= n₂pn₂pA₂p - 2
= n₂p²n₂p - 2B₂p - 3 . . .
= n₂p² . . . n₄²n₂²n₀
B₂p = A₂p - 1n₂p + 1
= B₂p - 2n₂p - 1n₂p + 1
= A₂p - 3n²₂p - 1n₂p + 1 . . .
= n₁²n₃² . . . n²₂p - 1n₂p + 1
und demgemäß
A₂p = n₀(nA)²p
B₂p = (nB)²pn₂p + 1
mit dem Amplitudenreflexionsgrad
und dem
Energiereflexionsgrad
R0,2p + 1 = |r0,2p + 1|²
Dabei ist, falls n₀=n₂p + 1
und demgemäß
Wenn die Übergitter-Schicht (Lichtreflexionsschicht 9) als λ/4-Schicht hergestellt ist, ergibt sich aus Formel (3), mit größer werdendem Verhältnis (Differenz zwischen) von nA und nB und mit steigender Schichtanzahl p, daß sich der Energiereflexionsgrad R0,2p + 1 der Übergitter-Schicht dem Wert 1 annähert. Das heißt, je größer das Verhältnis des Brechungsindex nRL ₁ der ersten Reflexionsschichten 10a bis 10d zum Brechungsindex nRL ₂ der zweiten Reflexionsschichten 11a bis 11d und je größer die Verhältnisse der Brechungsindizes des N-leitenden Substrats 1 oder der N-leitenden Schicht 3 zur Lichtreflexionsschicht 9 sind und des weiteren die Anzahl der Übergitter-Schichten steigt, um so höher ist der Reflexionsfaktor, was sich in einem Anstieg des Lichtstroms zeigt.
Im oben beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich zu den Effekten des ersten Ausführungsbeispiels der Reflexionsgrad der Lichtreflexionsschicht 9 erhöht und dadurch das Sammlungsvermögen für Ladungsträger erhöht.

Claims (5)

1. Lichtelektrisches Halbleiterbandelement mit
  • - einem unteren inaktiven Halbleitersubstrat (1);
  • - einer Rückseitenfeld-Schicht (BSF-Schicht 2);
  • - zwei aktiven Halbleiterschichten (3, 4) von jeweils entgegengesetztem Leitungstyp zum Erzeugen eines P/N-Übergangs; und
  • - Elektroden (7, 8) zum Kontaktieren des Substrats und der oberen der beiden aktiven Halbleiterschichten;
    gekennzeichnet durch
  • - eine auf das Halbleitersubstrat (1) epitaktisch aufgewachsene Halbleiterschicht (9), die unter der Rückseitenfeld-Schicht (2) liegt und auf optimale Reflexion elektromagnetischer Strahlung vorgegebener Wellenlänge im Wellenlängenbereich von Licht ausgebildet ist.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Halbleiterschicht (9) durch eine einzelen λ/4-Schicht gebildet ist, wobei λ die Wellenlänge desjenigen Lichts ist, das optimal reflektiert werden soll.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Halbleiterschicht (9) durch eine Übergitterschichtanordnung (10a, 11a, 10b, 11b, 10c, 11c, 10d, 11d) gebildet ist, die abwechselnd Schichten unterschiedlicher Brechungsindizes aufweist.
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß erste Schichten (10a-10d) der Übergitterschichtanordnung aus AlxGa1-xAs und zweite Schichten (11a-11d) aus GaAs bestehen.
5. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die reflektierende Halbleiterschicht (9) in einer Tiefe entfernt von der Oberfläche des Halbleiterbauelements befindet, die in etwa der Hälfte der Absorptionslänge von Licht in den Schichten über der reflektierenden Schicht (9) entspricht.
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