DE4205733A1

DE4205733A1 - Halbleitereinrichtung

Info

Publication number: DE4205733A1
Application number: DE4205733A
Authority: DE
Inventors: Seiji Ochi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1991-05-17
Filing date: 1992-02-25
Publication date: 1992-11-19
Anticipated expiration: 2012-02-26
Also published as: US5248347A; JPH04342172A; JP2703673B2; DE4205733C2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiter einrichtung, bei der die Spannung, die durch eine Oberflä chenelektrode auf eine Halbleiterschicht unterhalb der Ober flächenelektrode ausgeübt wird, verringert ist.

Fig. 12 ist eine Darstellung des Aufbaus einer herkömmlichen GaAs-Solarzelle auf einem Si-Substrat, wobei Fig. 12(a) eine Draufsicht, Fig. 12(b) eine Querschnittsdarstellung längs der Linie XIIb-XIIb der Fig. 12(a) und Fig. 12(c) eine Quer schnittsdarstellung längs der Linie XIIc-XIIc der Fig. 12(a) ist. In diesen Figuren bezeichnet das Bezugszeichen 4 ein n-Si-Substrat. Eine n-GaAs-Schicht 3 ist auf dem Substrat 4 angeordnet, und eine p-GaAs-Schicht 2 ist auf der n-GaAs- Schicht 3 angeordnet. Eine Rückseitenelektrode 5 ist auf der rückseitigen Oberfläche des Substrats 1, und eine Oberflä chenelektrode 1 ist auf der p-GaAs-Schicht 2 angeordnet. Die Oberflächenelektrode 1 weist eine Mehrzahl von Fingerab schnitten 6 und einen gemeinsamen Bus-Teil 7 auf. Die Finger elektroden 6 haben jeweils eine Breite w und sind zueinander parallel mit einem Abstand d angeordnet.

Nachfolgend wird die Funktionsweise beschrieben.

Sonnenlicht, welches auf die Oberfläche der Solarzelle fällt, wird durch die GaAs-Schicht absorbiert und erzeugt Ladungs träger. Diese Ladungsträger erzeugen infolge der Wirkungs weise eines p-n-Überganges, der in der GaAs-Schicht gebildet ist, eine photoelektromotorische Kraft und werden durch Metallelektroden, die auf der oberen Oberfläche und der rück seitigen Oberfläche der Solarzelle angeordnet sind, als Foto strom abgeführt.

Im folgenden wird der auf der Oberfläche der Solarzelle ge bildeten Metallelektrode Aufmerksamkeit geschenkt. Diese Metallelektrode sammelt die in der p-GaAs-Schicht erzeugten Photo-Ladungsträger von der gesamten Oberfläche der Solar zelle und führt sie zu dem Punkt, von dem aus sie abgeleitet werden. Genauer gesagt, sammelt bei der in Fig. 12 gezeigten Solarzelle mit kammförmigem Elektrodenaufbau jeder Finger abschnitt 6 einen Strom von der p-GaAs-Schicht 2 und leitet den Strom zur Basis des Kammes. Der Bus-Teil 7 leitet den Strom von jedem Fingerabschnitt 6 an eine Stelle. Dieser Bus- Teil 7 dient auch als Anschluß, an dem ein Leiter zur Ver bindung der Solarzelle mit externen Schaltungen angeordnet ist.

Da Metall das Licht reflektiert, ohne es durchzulassen, ver ringert die Metallelektrode auf der Oberfläche der Einrich tung den Betrag des in die GaAs-Schicht eindringenden Lichts.

Dementsprechend ist beim Entwurf der Musterkonfiguration und Dicke der Oberflächenelektrode eine Optimierung erforderlich, die den folgenden Einschränkungen gerecht wird:

1) Der elektrische Widerstand ist zu verringern, um die Verluste infolge des Spannungsabfalls, der durch den durch die Elektrode fließenden Strom bewirkt wird, zu senken.
2) Der elektrische Widerstand zwischen dem Halbleiter und dem Metall ist zu verringern. Mit anderen Worten ist das Kontaktgebiet des Halbleiters mit dem Metall zu vergrößern.
3) Um die sich durch die GaAs-Schicht bewegenden Ladungs träger effizient zu sammeln, ist der Abstand zwischen benach barten Elektrodenfingern zu optimieren.
4) Um eine Verringerung der Effizienz infolge der Re flexion des einfallenden Lichts zu verringern, ist die Elek trodenfläche so klein wie möglich zu machen.

Als Beispiel für einen Elektrodenaufbau, der für eine Ga-As- auf-Si-Solarzelle mit einer Fläche von 2 cm×2 cm entspre chend dem in Fig. 12 gezeigten Elektrodenmuster optimiert ist, ist ein Aufbau anzusehen, bei dem die Breite w der Fin gerelektrode 20 µm, der Abstand d zwischen den Fingerelek troden 1 mm und die Elektrodendicke 4 µm beträgt. In diesem Falle wird als Elektrodenmetall Kupfer verwendet.

Bei der herkömmlichen, oben beschriebenen GaAs-Solarzelle auf einem Si-Substrat erlegt das Elektrodenmetall der GaAs- Schicht unterhalb der Elektrode eine thermische Spannung auf, die hauptsächlich durch die Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Oberflächenelektrode, der GaAs-Schicht und dem Si-Substrat bewirkt wird. Diese Spannung verursacht Brüche (Risse) in der GaAs-Schicht und eine Verschlechterung der Kristallqualität, was zu einer Ver ringerung der Stromausbeute bzw. Effizienz führt. Außerdem bewirkt die Spannung eine Verformung des Elementes.

Die GaAs-auf-Si-Solarzelle mit hoher Effizienz und geringem Gewicht ist potentiell für Anwendungen als Solarzelle in der Raumfahrt, z. B. bei der Ausrüstung von Satelliten, geeignet. Beim Raumfahrt-Einsatz variiert die Umgebungstemperatur jedoch sehr stark, und es ist davon auszugehen, daß die Solarzelle einem thermischen Zyklus im Bereich von 60°C bis -150°C ausgesetzt sein wird. Unter diesen Bedingungen sind die obenerwähnten Probleme, die sich durch die thermischen Spannungen ergeben, um so ernster. Bei Prüfungen in einem thermischen Belastungszyklus im Bereich von +150°C bis -190°C wurde gefunden, daß die obenerwähnte Verringerung der Effizienz und die Verformung der Solarzelle infolge der durch die Temperaturänderung erzeugten thermischen Spannungen so groß sind, daß sie Probleme für den praktischen Gebrauch der Solarzelle darstellen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Solarzelle bereitzustellen, bei der Verformungen infolge der durch die Elektrode ausgeübten thermischen Spannungen begrenzt sind und die Bildung von Brüchen infolge der Verformung des Ele ments ausgeschlossen ist. Eine Verschlechterung der Eigen schaften der die Solarzelle bildenden Halbleiterkristalle bzw. -schichten infolge der thermischen Spannungen ist eben falls durch eine Verringerung des Betrags dieser Spannungen zu begrenzen.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist in einer Halb leitereinrichtung mit einer auf einem Halbleiterkristall gebildeten Metallelektrode die Metallelektrode elektrisch mit der Kristalloberfläche verbundene Abschnitte und elek trisch von der Kristalloberfläche getrennte Abschnitte sowie eine Konfiguration auf, die eine leichte Verformung der Gesamtkonfiguration des Elektrodenmetalls erlaubt. Die ent sprechenden Abschnitte sind abwechselnd auf der Oberfläche es Halbleiterkristalls angeordnet. Dadurch wird die durch das Elektrodenmetall ausgeübte Spannung durch die Deforma tion der Elektrodenmetallabschnitte, die von der Kristall oberfläche getrennt sind, aufgenommen, wodurch eine Verfor mung des gesamten Elements verhindert wird.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung weist bei einer Halbleitereinrichtung mit einer auf einem Halbleiterkristall gebildeten Metallelektrode die Metallelektrode ein direkt auf der Halbleiterkristalloberfläche gebildetes Dünnschicht metall, ein Elektrodenmetall mit großem Querschnitt und einen Metallteil mit gegenüber dem Dünnschichtmetallteil geringerer Breite, welcher den Dünnschichtmetallteil mit dem Elektroden metallteil elektrisch verbindet, auf. Damit wird, wenn es zwischen dem Halbleiterteil und dem Metallelektrodenteil des Bauelements infolge einer Änderung der Temperatur einen Unterschied in der Deformation gibt, die Verwindung bzw. Deformation durch den dünnen Metallteil aufgenommen, der den Dünnschichtmetallteil mit dem Elektrodenmetallteil verbin det, wodurch die von der Metallelektrode auf den Halbleiter ausgeübte Spannung verringert werden kann.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Erläuterung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1(a) bis 1(d) eine Draufsicht und Querschnittsdarstel lungen, die eine GaAs-Solarzelle auf einem Si-Substrat als Halbleitereinrich tung nach einer ersten Ausführungsform zeigen;

Fig. 2(a) bis 2(c) perspektivische Querschnittsdarstellun gen, die ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung der oberen Elektrode der Solarzelle nach Fig. 1 zeigen;

Fig. 3 eine perspektivische Querschnittsdar stellung eines weiteren Beispiels für ein im Schritt nach Fig. 2(a) verwen detes Resistmuster;

Fig. 4(a) bis 4(e) perspektivische Querschnittsdarstellun gen, die ein weiteres Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung einer oberen Elektrode der Solarzelle nach Fig. 1 zeigen;

Fig. 5(a) und 5(b) Querschnittsdarstellungen, die die Kon figuration eines Elements nach der er sten Ausführungsform bzw. eines her kömmlichen Elements im Vergleich zuein ander zeigen, wenn diese abgekühlt wer den;

Fig. 6(a) und 6(b) Querschnittsdarstellungen, die die Ver teilung der Spannungen, die im Elektro denmetall und der Halbleiterschicht herrschen, im Vergleich zwischen der ersten Ausführungsform und einer her kömmlichen Solarzelle zeigen;

Fig. 7(a) bis 7(c) eine Draufsicht, eine Querschnittsdar stellung und eine perspektivische Dar stellung einer GaAs-Solarzelle auf einem Si-Substrat als Halbleitereinrichtung entsprechend einer zweiten Ausführungs form;

Fig. 8(a) bis 8(g) Querschnittsdarstellungen eines Bei spiels für ein Verfahren zur Herstellung der oberen Elektrode der Solarzelle nach Fig. 7;

Fig. 9(a) bis 9(c) Darstellungen, die eine Abwandlung der GaAs-Solarzelle auf einem Si-Substrat nach Fig. 7 zeigen;

Fig. 10(a) bis 10(c) Darstellungen, die eine weitere Abwand lung der GaAs-Solarzelle auf einem Si- Substrat nach Fig. 7 zeigen;

Fig. 11(a) und 11(b) Draufsichten, die die Konfiguration der Oberflächenelektrode einer Solarzelle sowie eine Versetzungs-Verteilung zei gen, und

Fig. 12(a) bis 12(c) eine Draufsicht und Querschnittsdarstel lungen, die den Aufbau einer herkömmli chen GaAs-Solarzelle auf einem Si- Substrat zeigen.

Fig. 1(a) ist eine Draufsicht einer GaAs-auf-Si-Solarzelle als Halbleitereinrichtung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und die Fig. 1(b) bis 1(d) sind Quer schnittsdarstellungen längs der Linien Ib-Ib, Ic-Ic bzw. Id-Id nach Fig. 1(a). In diesen Figuren bezeichnet das Be zugszeichen 4 ein n-Si-Substrat. Auf dem Substrat 4 ist eine n-GaAs-Schicht 3 angeordnet. Auf der n-GaAs-Schicht 3 ist eine p-GaAs-Schicht 2 angeordnet. Auf der rückseitigen Ober fläche des Substrates 1 ist eine Rückseitenelektrode 5 und auf der p-GaAs-Schicht 2 eine Oberflächenelektrode 1 angeord net. Die Oberflächenelektrode 1 weist eine Mehrzahl von Fingerabteilen 6 und einen gemeinsamen Busteil 7 auf. Die Fingerelektroden 6, die jeweils eine Breite w haben, sind parallel zueinander mit einem Abstand d angeordnet. Das Bezugszeichen 11 bezeichnet Abschnitte der Oberflächenelek trode 1, die physisch und elektrisch mit der Halbleiter schicht 2 verbunden sind, und das Bezugszeichen 12 bezeichnet Abschnitte der Oberflächenelektrode 1, die physisch und elektrisch von der Halbleiterschicht 2 getrennt sind.

Die Funktionsweise der ersten Ausführungsform wird im folgen den im Vergleich zu einer herkömmlichen Einrichtung beschrie ben. Die Fig. 5(a) und 5(b) sind schematische Darstellun gen, die jeweils den Querschnitt von Solarzellen bei Raum temperatur und in einem auf die Temperatur des flüssigen Stickstoffs abgekühlten Zustand zeigen, wobei dem Einfluß der Oberflächenelektrode besondere Aufmerksamkeit geschenkt wird. Fig. 5(a) zeigt die erste Ausführungsform der Erfin dung, und Fig. 5(b) zeigt eine herkömmliche Einrichtung. Die Fig. 6(a) und 6(b) sind schematische Darstellungen, die die an der Halbleiterschicht 2 und der oberen Elektrode 1 anliegenden Spannungen zeigen, wenn das Element entsprechend Fig. 5 abgekühlt ist, wobei Fig. 6(a) eine herkömmliche Ein richtung und Fig. 6(b) die erste Ausführungsform der Erfin dung zeigt.

In dem Fall, daß die Oberflächenelektrode eine Kupferelek trode ist, ist in der Nähe der Raumtemperatur deren thermi scher Ausdehnungskoeffizient 20×10^-6/K, während der ther mische Ausdehnungskoeffizient der GaAs-Schicht unterhalb der Elektrode 5,7×10^-6/K ist, d. h. weniger als ein Drittel dessen der Oberflächenelektrode. Daher verzieht bzw. ver windet sich, wenn das Element mit dem herkömmlichen, flachen Elektrodenaufbau von Raumtemperatur ausgehend abgekühlt wird, dieses sich, da die Elektrode sich stärker zusammenzieht als die Halbleiterschicht, wie in Fig. 5(b) gezeigt.

Dies wird unter dem Gesichtspunkt der Spannungen beschrie ben. Es wird dabei angenommen, daß auf dem GaAs-Substrat 2 eine Ag-Elektrode 1 gebildet sei. In dem Falle, daß die Ag- Elektrode 1, wie in Fig. 6(a) gezeigt, auf die gesamte Ober fläche des Substrates 2 aufgebracht ist, neigt das Ag dazu, sich stärker als das GaAs zusammenzuziehen, wenn das Element von Raumtemperatur aus abgekühlt wird, wodurch sich im Ag eine Zugspannung ausbildet, d. h. ein Zustand, in dem das Ag durch das GaAs, das einen geringeren Deformationsbetrag auf weist, gezogen wird. Auf der anderen Seite wird, da das GaAs unterhalb der Elektrode durch die Deformation des Ag mit zusammengezogen wird, auf das GaAs eine Druckspannung aus geübt. Diese Druckspannung verringert sich mit wachsendem Abstand von der Elektrode in Richtung zum inneren des Sub strates hin und wird an der rückseitigen Oberfläche des Sub strates eine Zugspannung. Im Ergebnis dieser Spannungsver teilung in Richtung der Substratdicke verformt sich das Ele ment - von der Seite der Elektrode aus gesehen - in eine konkave Gestalt.

Bei einem Element mit einem Elektrodenaufbau entsprechend der ersten Ausführungsform wird ein Teil der in der Metall elektrode infolge einer Änderung der Temperatur erzeugten Spannung dadurch eliminiert, daß sich die Abschnitte 16 des von der Halbleiterschicht getrennten Elektrodenteils 12 in longitudinaler Richtung der Elektrode verformen, wie in Fig. 6(b) gezeigt. Dadurch wird auf die Halbleiterschicht unter halb des Abschnittes 12, der von der Elektrode getrennt ist, keine Spannung ausgeübt. Durch alternierende Anordnung von Gebieten, in denen keine Spannung ausgeübt wird, kann die auf die Halbleiterschicht insgesamt ausgeübte Spannung verringert und eine Verformung des Elements verhindert wer den. Dementsprechend ist, wenn das Element nach der ersten Ausführungsform, welches bei Raumtemperatur eben ist, abge kühlt wird, der Betrag der Deformation nur klein - wie in Fig. 5(a) gezeigt. Wenn das Verhältnis der Länge der Ab schnitte 12, die von der Halbleiteroberfläche getrennt sind, zur gesamten Länge der Elektrode erhöht wird, wird der Effekt der Verhinderung einer Elementverformung verbessert. Im Falle einer herkömmlichen Solarzelle wird die Obergrenze dieses Verhältnisses (der Länge der im Fingerteil der Elektrode ent haltenen Abschnitte 12 zu deren Gesamtlänge) durch den zu nehmenden Kontaktwiderstand zwischen dem Halbleiter und dem Metall begrenzt. Das Verhältnis kann etwa 70% betragen, ohne daß die Elementcharakteristiken verschlechtert werden, und dies genügt zur Verhinderung einer Verformung des Elements. Außerdem können durch diesen Effekt Brüche, die durch die Spannung und Verformung des Elements erzeugt werden, bei einer GaAs-auf-Si-Solarzelle verhindert werden.

Im folgenden wird der Herstellungsprozeß beschrieben. Die Fig. 2(a) bis 2(c) sind perspektivische Querschnittsdar stellungen, wie ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstel lung der Überflächenelektrode einer Solarzelle nach Fig. 1 zeigen. In diesen Figuren bezeichnen die gleichen Bezugszei chen wie in Fig. 1 die gleichen oder einander entsprechende Teile. Die Bezugszeichen 42 und 43 bezeichnen Resiste, und das Bezugszeichen 44 bezeichnet eine Ag-Schicht, welche eine Oberflächenelektrode wird.

Nach aufeinanderfolgender Bildung einer n-GaAs-Schicht 3 und einer p-GaAs-Schicnt 2 auf dem n-Si-Substrat 4 wird auf der p-GaAs-Schicht 2, wie in Fig. 2(a) gezeigt, ein Resistmuster 42 gebildet. Genauer gesagt, wird der Resist 42 auf Gebieten aufgebracht, die den Abschnitten 12 der Oberflächenelektrode 1 entsprechen, welche physisch und elektrisch von der Halbleiterschicht 2 nach Fig. 1 getrennt sind. Die Dicke der Resistschicht 42 beträgt etwa 1 µm. Dann wird, wie in Fig. 2(b) gezeigt, ein Resistmuster 43 auf einem anderen Gebiet als dem, auf dem die Oberflächenelektrode gebildet wird, aus gebildet. Diese Resistschicht 43 ist relativ dick, etwa 5 µm. Dann wird Ag mit einer Dicke von etwa 4 µm auf den Wafer, auf dem auf die oben beschriebene Weise die Resist muster gebildet wurden, aufgedampft. Wenn auf eine solche Weise ein Aufdampfen ausgeführt wird, bedeckt die Ag-Elek trode vollständig den Resist 42 mit etwa 1 µm Dicke, während sie an den Kantenabschnitten des Resists 43, der eine Dicke von etwa 5 µm aufweist, gebrochen bzw. unterbrochen ist. Wenn in diesem Zustand die Resiste 42 und 43 entfernt werden, wird die Ag-Schicht auf dem Resist 43 von etwa 5 µm Dicke zusammen mit dem Resist 43 entfernt, was zu dem in Fig. 2(c) gezeigten Oberflächenelektrodenmuster führt. Hierbei ist, obwohl unter halb der Fingerelektrode - wie in Fig. 2(c) zu erkennen - der Resist 42 verblieben ist, der bei der ersten Ausführungs form der Erfindung erzielte Effekt nicht zunichte gemacht, da der Resist durch eine Spannung leicht deformierbar ist. Zudem kann der Resist 42 durch entsprechend gründliches Aus führen seiner Entfernung vollständig entfernt werden.

Obgleich beim oben beschriebenen Herstellungsverfahren das Muster des Resists 42 mit etwa 1 µm Dicke verteilt angeordnet ist, wie in Fig. 2(a) gezeigt, kann statt dessen auch ein Muster mit Öffnungen in Gebieten gebildet werden, in denen die Elektrode 1 physisch und elektrisch mit der Halbleiter schicht 2 verbunden sein soll, wie in Fig. 3 gezeigt.

Die Fig. 4(a) bis 4(e) sind perspektivische Querschnitts darstellungen, die ein weiteres Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung der oberen Elektrode der Solarzelle nach Fig. 1 zeigen. In Fig. 4 bezeichnen die gleichen Bezugszei chen wie in Fig. 2 die gleichen oder entsprechende Teile. Das Bezugszeichen 45 bezeichnet eine als Unterfütterungs schicht dienende Ag-Schicht, das Bezugszeichen 51 bezeichnet einen Resist, und das Bezugszeichen 46 bezeichnet eine Über zugsschicht.

Eine n-GaAs-Schicht 3 und eine p-GaAs-Schicht 2 werden auf einanderfolgend auf dem n-Si-Substrat 4 gebildet. Dann wird, wie in Fig. 4(a) gezeigt, ein Resistmuster 42 mit Öffnungen in Gebieten, in denen die Oberflächenelektrode 1 physisch und elektrisch mit der Halbleiterschicht 2 verbunden ist, gebildet. Die Dicke des Resists 42 ist 2 bis 3 µm. Dann wird, wie in Fig. 4(b) gezeigt, auf dem Wafer, auf dem ein solches Resistmuster gebildet wurde, durch Sputtern eine Ag-Unter fütterungsschicht 45 mit etwa 0,5 µm Dicke gebildet. Da das Sputtern im Vergleich zum Aufdampfen zu einer überlegenen Stufenbedeckung führt, kann die Unterfütterungsschicht 45 ohne irgendwelche Brüche in den Kantenabschnitten des Resists ausgebildet werden. Dann wird, wie in Fig. 4(c) gezeigt, auf dem anderen Gebiet als dem, in dem die Oberflächenelektrode gebildet wird, ein Resistmuster 51 ausgebildet. Dieses Resistmuster 51 wird als Maske in einem Überzugs- bzw. Ver goldungsschritt verwendet. Danach wird zur Ausbildung der Ag-Überzugsschicht 46 von etwa 4 µm Dicke auf der im Öff nungsbereich des Resistmusters 51 freiliegenden Unterfütte rungsschicht 45, wie in Fig. 4(d) gezeigt, ein elektrolyti sches Überziehen ausgeführt. Dann wird der Resist 51 ent fernt, und die Ag-Unterfütterungsschicht 45 wird durch Ionen abtrag entfernt. Durch den Ionenabtrag wird auch die Dicke der Ag-Überzugsschicht 46 als Elektrode verringert. Die Dicke der Ag-Elektrode nach dem Ionenabtrag ist jedoch etwa 4 µm und wirft keinerlei Probleme für die Funktionsweise der Solarzelle auf. Außerdem kann die erwähnte Abnahme der Schichtdicke durch Aufbringen eines Resistmusters zur Verhin derung des Ionenabtrags am Elektrodenmuster verhindert wer den. Danach wird der zuerst gebildete Resist 42 entfernt, was zu dem in Fig. 4(e) gezeigten Oberflächenelektrodenmuster führt. Obgleich auch hier der Resist 42 unterhalb der Finger elektrode verbleibt, wie in Fig. 4(e) gezeigt, wird der Effekt der ersten Ausführungsform nicht zunichte gemacht, da der Resist durch eine Spannung leicht zu verformen ist. Außerdem kann der Resist 42 durch einen gezielten Entfer nungsvorgang auch vollständig entfernt werden.

Im folgenden wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Fig. 7(a) ist eine Draufsicht, die eine GaAs- auf-Si-Solarzelle als Halbleitereinrichtung entsprechend der zweiten Ausführungsform zeigt, und Fig. 7(b) ist eine Quer schnittsdarstellung längs der Linie VIIb-VIIb in Fig. 7(a). In diesen Figuren bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 entsprechende Teile. Bei der zweiten Ausführungs form weist die Oberflächenelektrode 1 einen Dünnschichtab schnitt 15, der physisch und elektrisch mit der Halbleiter schicht verbunden ist, einen Stromleitungsabschnitt 13 und einen Abschnitt 14, der den Dünnschichtabschnitt 15 mit dem Stromleitungsabschnitt 13 verbindet, auf. Fig. 7(c) ist eine perspektivische Darstellung, die einen Teil der Oberflächen elektrode 1 zeigt.

Im folgenden wird die Wirkung dieser zweiten Ausführungsform beschrieben. In dem Falle, daß eine bandförmige Metall schicht auf einer Halbleiterschicht gebildet wird, steigt die durch das Metall auf die Halbleiterschicht ausgeübte Spannung an den Kanten der Elektrode an. Wie in J. Appl. Phys., 50(7), S. 4567 bis 4579 beschrieben, ist der Betrag der auf eine Halbleiterschicht ausgeübten Spannung propor tional zum Produkt aus dem Betrag der Spannung im Elektroden metall σ und der Metalldicke d, d. h. σ×d. In der genannten Literaturstelle ist ein Fall beschrieben, bei dem ein band- bzw. streifenförmiger Schichtabschnitt entfernt wird. Dies ist zu dem Fall äquivalent, daß eine streifenförmige Schicht aufgebracht wird. Der Betrag der Spannung σ hängt von der Art bzw. dem Verfahren der Herstellung der Metallelektrode ab. Im Falle der Veränderung der Temperatur des Elements hängt der Betrag der Spannung von der Differenz der thermi schen Ausdehnungskoeffizienten oder der Differenz der Härte des miteinander verbundenen Metalls und Halbleiters ab. Fig. 11 zeigt den Fall, daß die durch die Elektrode ausgeübte Spannung sich an der Kante der Elektrode konzentriert und diese Spannung die Kristalleigenschaften der Halbleiter schicht verschlechtert. Fig. 11 zeigt eine GaAs-Solarzelle mit dem gleichen Elektrodenaufbau wie dem einer herkömmlichen Einrichtung nach Fig. 12, bei der infolge der Spannungen Kristalldefekte erzeugt werden. Fig. 11(a) ist eine Drauf sicht, die einen Teil der Solarzelle einschließlich einer Elektrode zeigt, und Fig. 11(b) ist eine Draufsicht, die die Verteilung von Versetzungen entsprechenden Ätzgruben nach einem KOH-(Kaliumhydroxid)-Ätzen, welches nach Entfernung der Elektrode nach Fig. 11(a) ausgeführt wurde. In diesen Figuren bezeichnet das Bezugszeichen 2 einen GaAs-Kristall, Bezugszeichen 1 bezeichnet eine auf der Kristalloberfläche gebildete Elektrode, und Bezugszeichen 30 bezeichnet Ätz gruben, die jeweils entsprechend Versetzungen gebildet sind. Anhand der Verteilung der Ätzgruben, wie sie in Fig. 11(b) gezeigt ist, ist festzustellen, daß an der Kante der Elek trode viele Versetzungen erzeugt werden. Wenn im Kristall Versetzungen entstehen und die Qualität des Kristalls ver schlechtert wird, steigt der Leckstrom an, was letztlich zu einer Verringerung der Umwandlungs- bzw. Stromerzeugungs effizienz führt.

Bei der Anordnung nach Fig. 11 wird die durch Aufdampfen ge bildete Elektrode zur Bildung eines Ohmschen Kontakts mit dem GaAs für 15 Minuten einem Tempern bei 400°C ausgesetzt.

Während des Temperns wird durch die Elektrode auf die GaAs-Schicht eine thermische Spannung ausgeübt, und in der GaAs-Schicht bilden sich an der Kante der Elektrode Verset zungen. Aus Fig. 11 ist zu ersehen, daß es wichtig ist, die Spannungen an der Kante der Elektrode zu verringern, um eine Verschlechterung der Kristallqualität zu verhindern.

Um die durch die Elektrode (insbesondere durch die Kante der Elektrode) ausgeübten thermischen Spannungen zu verringern, bietet es sich an, die Elektrodendicke d sehr stark zu ver ringern, da der Betrag der Spannung proportional zu dieser Dicke d ist.

Bei der zweiten Ausführungsform ist der Abschnitt 15, der elektrisch mit dem Halbleiter verbunden ist, wie in Fig. 7(b) gezeigt, sehr dünn. Damit kann auch dann, wenn die Temperatur des Elementes sich ändert, die an der Kante der Elektrode entstehende thermische Spannung durch das Vorhandensein einer extrem dünnen Elektrode weitgehend verringert werden. Dieser Abschnitt 15 hat eine solche Fläche, daß eine Verringerung der Stromausbeute infolge des Kontaktwiderstands zwischen dem Metall und dem Halbleiter weitgehend ausgeschlossen ist. Der in der GaAs-Schicht erzeugte Photostrom kann durch den Abschnitt 15 aufgenommen werden. Dieser Photostrom wird durch den Einschnürungsabschnitt 14 in den Stromleitungsabschnitt 13 großen Querschnitts eingeleitet und fließt durch den Fingerabschnitt 6 zum Bus-Teil 7. Wenn sich die Temperatur des Elementes ändert und damit infolge der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Abschnitt 13 und der Schicht 2 eine Deformation mit einem zwischen dem Stromleitungsabschnitt 13 und der GaAs-Schicht 2 unterschied lichen Betrag entsteht, wird der Unterschied der Deformatio nen durch den Einschnürungsabschnitt 14 aufgenommen, da der Abschnitt 14 gegenüber mechanischer Deformation einen hohen Freiheitsgrad aufweist, d. h. sich in Längsrichtung des Fingers leicht verformt, wenn auf ihn eine Spannung einwirkt. Mit dem in Fig. 7 gezeigten Elektrodenaufbau wird dementspre chend eine Elektrode, die die durch die Elektrode auf die Halbleiterschicht ausgeübten Spannungen auf einen minimalen Wert verringert, die einen kleinen Halbleiter-Metall-Kontakt widerstand aufweist und die in Längsrichtung des Fingers einen geringen elektrischen Widerstand aufweist, realisiert. In der Halbleiterschicht unterhalb der Elektrode bilden sich dadurch keine Versetzungen, so daß die Qualität des Kristalls nicht verschlechtert wird. Außerdem kann ein Verziehen bzw. Verwerfen des Elements, das durch Temperaturänderungen ent steht, unterdrückt werden.

Im folgenden wird das Herstellungsverfahren entsprechend der zweiten Ausführungsform beschrieben. Die Fig. 8(a) bis 8(g) sind Querschnittsdarstellungen von Prozeßschritten zur Herstellung der Elektrode für die in Fig. 7 gezeigte Solar zelle. In Fig. 8 bezeichnet das Bezugszeichen 21 ein Solar zellensubstrat, auf dem eine photovoltaisch wirksame Schicht gebildet wird. Die Bezugszeichen 22a bis 22c bezeichnen Resistmuster, die Bezugszeichen 23a und 23b bezeichnen Metallschichten, und das Bezugszeichen 24 bezeichnet eine Metall-Überzugsschicht.

Wie in Fig. 8(a) gezeigt, wird auf dem Substrat 21 ein Resistmuster 22a gebildet. Dann wird, wie in Fig. 8(b) ge zeigt, durch Aufdampfen unter Nutzung des Resistmusters 22a als Maske eine Metallschicht 23a von etwa 0,1 µm Dicke ge bildet. Danach wird der Resist 22a entfernt, wodurch den Abschnitten 15 in Fig. 7 entsprechende Metallelektroden 23a gebildet werden, die elektrisch mit der Halbleiterschicht verbunden sind. Dann wird, wie in Fig. 8(d) gezeigt, ein Resistmuster 22b mit streifenförmigen Öffnungen, in denen die Elektroden-Metallschichten 23a freigelegt sind, gebildet. Dann wird, wie in Fig. 8(e) gezeigt, durch Aufdampfen auf der gesamten Oberfläche des Wafers eine elektrisch mit der Elektroden-Metallschicht 23a verbundene Metallschicht 23b gebildet. Dann wird auf der Metallschicht 23b ein Resistmu ster 22c mit dem gleichen Öffnungsmuster wie das Resist muster 22a gebildet, und dann wird unter Nutzung der Metall schicht 23b als Unterfütterungsschicht ein elektrolytisches Überziehen ausgeführt, was zu einer Metall-Überzugsschicht 24 mit etwa 4 µm Dicke führt, wie in Fig. 8(f) gezeigt. Danach wird das Resistmuster 22c entfernt, und auch die frei gelegte Metallschicht 23b wird - etwa durch Ionenabtrag - entfernt. Weiterhin wird das Resistmuster 22b entfernt, was schließlich zu der in Fig. 8(g) gezeigten Konfiguration der oberen Elektrode führt.

Bei der auf diese Weise erhaltenen Elektrode beträgt die Dicke der Elektroden-Metallschicht, die dem Abschnitt 15, der elektrisch mit der Halbleiterschicht verbunden ist, ent spricht, etwa 0,1 µm, d. h. etwa 1/40 des Wertes bei einem herkömmlichen Aufbau. Damit kann die Spannung an der Kante der Elektrode auf 1/40 des Wertes bei einer herkömmlichen Einrichtung verringert werden.

Obgleich bei der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform der Abschnitt 14, der den Stromleitungsabschnitt 13 elek trisch mit dem elektrisch mit der Halbleiterschicht verbun denen Abschnitt 15 verbindet, kontinuierlich angeordnet ist, kann dieser Abschnitt - wie in Fig. 9 gezeigt - auch mit Unterbrechungen bzw. periodisch ausgebildet sein. Außerdem ist, wenn der Elektrodenaufbau der ersten Ausführungsform mit dem der zweiten Ausführungsform kombiniert wird - wie in Fig. 10 gezeigt - ein synergistischer Effekt der beiden Ausführungsformen zu erwarten.

Obgleich bei den oben beschriebenen Ausführungsformen bei spielhaft eine GaAs-auf-Si-Solarzelle beschrieben wurde, kann die Erfindung auf Solarzellen aus anderen Materialien ange wendet werden. Weiterhin kann die Erfindung auf optische Ein richtungen, wie Photodioden, Laser o. a. oder andere Halb leitereinrichtungen, wie gewöhnliche oder hochintegrierte IC, LSI mit den oben beschriebenen Effekten angewendet werden.

Wie aus der vorangehenden Beschreibung deutlich wird, weist erfindungsgemäß eine auf einem Halbleiterkristall ausge bildete Elektrode Abschnitte, die elektrisch mit der Kri stalloberfläche verbunden sind, und Abschnitte, die elek trisch von der Kristalloberfläche getrennt sind, auf, wobei die Abschnitte eine Konfiguration aufweisen, die eine leichte Verformung der gesamten Elektrodenanordnung ermöglicht. Ins besondere sind die Abschnitte abwechselnd auf der Oberfläche des Halbleiterkristalls angeordnet. Dadurch können die durch die Elektrode auf die Halbleiterschicht unterhalb der Elek trode ausgeübten Spannungen verringert und Deformationen des Halbleiterelements infolge der thermischen Spannungen ver hindert werden, was wiederum eine Verschlechterung der Ele mentcharakteristiken unterbindet.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung weist eine auf einem Halbleiterkristall gebildete Metallelektrode einen direkt auf der Halbleiterkristall-Oberfläche gebildeten Dünnschicht teil, einen Elektrodenmetallteil mit großem Querschnitt und einen diese beiden Teile elektrisch verbindenden Metallteil mit geringerer Breite als der Dünnschichtteil auf. Die Dicke des Teils der Elektrode, der direkt in Kontakt mit dem Halb leiter steht, ist dabei extrem verringert. Dadurch können die durch die Elektrodenkante auf den Halbleiter ausgeübten Spannungen verringert und Verschlechterungen der Kristall eigenschaften verhindert werden, was wiederum eine Ver schlechterung der Elementeigenschaften verhindert.

Claims

1. Halbleitereinrichtung mit einer auf einem Halbleiter kristall gebildeten Metallelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallelektrode aufweist:
Abschnitte, die elektrisch mit der Kristalloberfläche ver bunden sind und
Abschnitte, die elektrisch von der Kristalloberfläche ge trennt sind und eine Konfiguration aufweisen, die eine leichte Deformation des gesamten Aufbaus der Metallelektrode ermöglicht, wobei die unterschiedlichen Abschnitte abwechselnd auf der Oberfläche des Halbleiterkristalls angeordnet sind.

2. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1 mit
einem Halbleitersubstrat (4) eines ersten Leitungstyps,
einer Halbleiterkristallschicht (3) des ersten Leitungstyps
und einer Halbleiterkristallschicht (2) eines zweiten Lei tungstyps, die auf dem Substrat (4) angeordnet sind,
einer auf der Halbleiterkristallschicht des zweiten Lei tungstyps (2) angeordneten, eine Mehrzahl von Fingerabschnit ten (6) und einen Bus-Teil (7) aufweisenden kammförmigen Oberflächenelektrode, und
einer auf der rückseitigen Oberfläche des Halbleitersubstrats (4) des ersten Leitungstyps angeordneten Rückseitenelektrode (5), wobei der Fingerabschnitt (6) der Oberflächenelektrode (1) aufweist:
Abschnitte (11), die elektrisch mit der Kristalloberfläche (2) verbunden sind, und
Abschnitte (12), die elektrisch von der Kristalloberfläche (2) getrennt sind und eine Konfiguration aufweisen, die eine leichte Deformation des Gesamtaufbaus der Metallelektrode (1) erlaubt, wobei diese Abschnitte abwechselnd auf der Ober fläche der Halbleiterkristallschicht des zweiten Leitungstyps (2) in Längsrichtung des Fingerabschnittes (6) angeordnet sind.

3. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (4) des ersten Leitungstyps ein n-Si-Substrat ist, daß die Halb leiterkristallschicht (3) des ersten Leitungstyps eine n-GaAs-Schicht ist und daß die Halbleiterkristallschicht (2) des zweiten Leitungstyps eine p-GaAs-Schicht ist.

4. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die kammförmige Oberflächenelek trode (1) Kupfer aufweist.

5. Halbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtlänge der von der Kristalloberfläche getrennten Abschnitte (12), die eine solche Konfiguration aufweisen, daß eine leichte Verformung des Gesamtaufbaus der Metallelektrode ermöglicht wird, etwa 70% der Gesamtlänge des Fingers (6) beträgt.

6. Halbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Halbleiterkristallschicht (2) einfallendes Licht in Elektrizität umgewandelt wird und die durch diese Umwandlung erzeugten Ladungsträger einer bestimmten Polarität über die Fingerabschnitte (6) und den Bus-Teil (7) abgeführt werden.

7. Halbleitereinrichtung mit einer auf einem Halbleiter kristall ausgebildeten Metallelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallelektrode aufweist:
eine direkt auf der Oberfläche des Halbleiterkristalls ange ordnete dünne Metallschicht (15),
einen Elektroden-Metallabschnitt (13) mit großem Querschnitt und
einen Metallabschnitt (14), der den Dünnschichtabschnitt (15)
mit dem Elektrodenabschnitt (13) verbindet und eine geringere Breite als der Dünnschichtabschnitt (15) aufweist.

8. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 7 mit
einem Halbleitersubstrat (4) eines ersten Leitungstyps,
einer Halbleiterkristallschicht (3) des ersten Leitungstyps
und einer Halbleiterkristallschicht (2) eines zweiten Lei tungstyps, die auf dem Substrat (4) angeordnet sind,
einer eine Mehrzahl von Fingerabschnitten (6) und einen Bus- Teil (7) aufweisenden, auf der Halbleiterkristallschicht (2) des zweiten Leitungstyps angeordneten kammförmigen Oberflä chenelektrode (1),
einer auf der rückseitigen Oberfläche des Halbleitersubstrats (4) des ersten Leitungstyps angeordneten Rückseitenelektrode (5), wobei der Fingerabschnitt (6) der Oberflächenelektrode (1) aufweist:
einen direkt auf der Oberfläche des Halbleiterkristalls (2) angeordneten Dünnschichtabschnitt (15),
einen Elektrodenabschnitt (13) mit großem Querschnitt und
einen Metallabschnitt (14), der elektrisch den Dünnschicht abschnitt (15) mit dem Elektrodenabschnitt (13) verbindet und eine geringere Breite als der Dünnschichtabschnitt (15) aufweist.

9. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Halbleiterkristallschicht (2) einfallendes Licht in Elektrizität umgewandelt wird und die durch diese Umwandlung erzeugten Ladungsträger einer be stimmten Polarität über die Fingerabschnitte (6) und den Bus- Teil (7) abgeführt werden.

10. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünnschichtabschnitt (15) Ladungsträger aus der Halbleiterkristalloberfläche sammelt, der Metallabschnitt (14) die gesammelten Ladungsträger in den Elektrodenabschnitt (13) überträgt und der Elektroden abschnitt (13) die Ladungsträger in den Bus-Teil (7) leitet.

11. Halbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (4) des ersten Leitungstyps ein n-Si-Substrat ist, daß die Halblei terkristallschicht (3) des ersten Leitungstyps eine n-GaAs- Schicht ist und daß die Halbleiterkristallschicht (2) des zweiten Leitungstyps eine p-GaAs-Schicht ist.

12. Halbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die kammförmige Oberflächenelek trode (1) Kupfer aufweist.

13. Halbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Dünnschichtab schnitts (15) etwa 0,1 µm beträgt.

14. Halbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallabschnitt (14) in Längsrichtung des Fingerabschnitts (6) periodisch angeordnet ist.

15. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenabschnitt (13) eine Konfiguration aufweist, die in einem Bereich, in dem der Metallabschnitt (14) nicht vorhanden ist, leicht verformbar ist.