DE4205733A1 - Halbleitereinrichtung - Google Patents
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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 (15)
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.
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.
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.
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.
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.
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