DE4412297A1 - Halbleiterelement mit passivierter Oberfläche und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Halbleiterelement mit passivierter Oberfläche und Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterelement mit
passivierter Oberfläche nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1
und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Die Lebensdauer freier Ladungsträger, wie Elektronen und
Löcher in Halbleitern ist eine wichtige Größe für die
Materialcharakterisierung und für potentielle Anwendungen,
wie die Herstellung von Bauelementen. Bei einkristallinem
Halbleitermaterial wird die Lebensdauer von Elektronen und
Löchern durch Band-Band-Rekombination, Auger-Rekombination
und Rekombination über Störstellen bestimmt. Sie liegt bei
direkten Halbleitern größenordnungsmäßig im ns-Bereich, bei
Halbleitern mit indirekter Bandlücke im µs-Bereich. Bei der
Materialcharakterisierung ist man bestrebt, die Lebensdauer
möglichst eindeutig zu bestimmen und mit anderen Material
größen wie Ladungsträgerkonzentration, Störstellenkon
zentration oder Bandabstand etc., in Beziehung zu setzen. In
Bezug auf potentielle Anwendungen, also die Herstellung von
Halbleiterbauelementen kommt es zumeist darauf an, die
Rekombination nach Möglichkeit zu vermeiden, also die
Lebensdauer freier Ladungsträger zu erhöhen, um die Eigen
schaften eines Bauelements, z. B. den Wirkungsgrad einer
Solarzelle zu steigern. Bei Solarzellen und Photodioden
stellt die Rekombination optisch generierter Ladungsträger,
ob direkt (Band-Band) oder über Rekombinationszentren einen
Verlustfaktor dar, der den Wirkungsgrad des Bauelements
erniedrigt.
In bestimmten Fällen, z. B. bei Hochfrequenzbauelementen,
besteht andererseits das Bestreben, die Rekombination zu
erhöhen. Wünschenswert sind deshalb insbesondere Verfahren,
die es gestatten, Lebensdauern von Ladungsträgern einzu
stellen, z. B. dadurch, daß die Rekombination an der Ober
fläche kontrolliert und reversibel modifiziert wird.
Im Volumen des Halbleitermaterials ("bulk") ist je nach
Material die Rekombinationszeit der Ladungsträger durch die
strahlende Band-Band-Rekombination oder die Auger-Rekom
bination nach oben begrenzt. Mit zunehmender Konzentration
an Störstellen nimmt die Rekombination über die als Re
kombinationszentren wirkenden Störstellen zu. An der
Oberfläche selbst treten unabgesättigte Bindungen ("dangling
bonds") auf. Bei einem Halbleiterelement mit freiliegender
Oberfläche ist daher die Rekombinations-Lebensdauer in einer
oberflächennahen Schicht erheblich niedriger als im Volumen
und erreicht ein Minimum direkt an der Oberfläche.
Neben der bei Bauelementen wie Solarzellen abnehmenden
Energieausbeute ist dies bei Lebensdauermessungen auch
deshalb von Nachteil, da der gemessene zeitliche Abfall
einer instantan, z. B. durch laseroptische kurzzeitige
Anregung erzeugten Ladungsträgerkonzentration nicht nur die
Volumenlebensdauer, sondern auch die Oberflächenlebensdauer
enthält und die jeweils interessierende Lebensdauer wenn
überhaupt dann nur durch aufwendige Anpassungsprogramme
ermittelt werden kann.
Um diesem Problem zu begegnen, wird im Stand der Technik
meist eine Oberflächenpassivierung durchgeführt. Dies kann
z. B. dadurch geschehen, daß auf die Halbleiteroberfläche
thermisch eine Oxidschicht aufgebracht wird, wie Silicium
dioxid (SiO₂) auf Silicium. Hierbei gilt jedoch, daß im
allgemeinen die Qualität der Oberflächenpassivierung bei
höheren Prozeßtemperaturen des thermischen Aufwachsens
zunimmt. Die Verwendung hoher Temperaturen ist jedoch bei
der Prozessierung von vielen Halbleiterbauelementen uner
wünscht. Ein anderes Verfahren ist die Wasserstoffpassi
vierung, bei der die an der Oberfläche liegenden elektroni
schen Defekte durch Aufbringen von Wasserstoff abgesättigt
werden. Dieses Verfahren findet z. B. in der Solarzellen
forschung breite Anwendung. Der Nachteil dieses Verfahrens
ist, daß die Probe einer Flußsäure-(HF)Behandlung ausgesetzt
wird, die zum einen sehr gefährlich und zum anderen nicht
dauerhaft ist, da der Wasserstoff nur eine begrenzte Zeit an
der Probenoberfläche haften bleibt.
Die genannten Verfahren haben darüber hinaus weitere
Nachteile. Das Aufbringen einer thermischen Oxidschicht ist
nur bei solchen Halbleitermaterialien möglich, die ein
natürliches Oxid bilden, wie Silizium, nicht jedoch z. B.
GaAs. Auch das Verfahren der Wasserstoffpassivierung eignet
sich nicht bei allen Halbleitermaterialien. Zudem sind die
genannten Verfahren auch nur in Bezug auf die in einer sehr
dünnen, oberflächennahen Randschicht liegenden Defekte
wirksam, während etwas tiefer im Material liegende Defekte
meist unbeeinflußt bleiben. Durch die genannten Verfahren
kann die Oberflächenrekombination somit nur unzureichend und
unter unverhältnismäßig großem prozeßtechnischem Aufwand
vermindert werden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ver
fahren zur Herstellung eines Halbleiterelements anzugeben,
bei dem die Oberflächenrekombination wirkungsvoller als bei
den bekannten Verfahren unterdrückt wird und durch das die
zu bearbeitende Probe möglichst wenig beeinträchtigt wird.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des
Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den
Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wählt im Gegensatz zum Stand der Technik nicht
den bisweilen aufwendigen und zumeist nicht sehr effektiven
Weg einer strukturellen Veränderung der im oberflächennahen
Bereich liegenden Defekte des Halbleiterelements. Gemäß der
Erfindung können diese Defekte im Prinzip unverändert
bleiben. Verhindert wird jedoch, daß im Halbleiter frei
bewegliche Ladungsträger (Elektronen oder Löcher) in die
defektreiche, oberflächennahe Zone eindringen und dort bei
den als Rekombinationszentren wirkenden Defekten rekombi
nieren. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß auf
der Oberfläche des Halbleiterelements eine Isolatorschicht
abgeschieden wird und auf dieser dann elektrische Ladungen
aufgebracht werden. Durch diese Maßnahmen wird die Dichte
der Ladungsträger (wahlweise Elektronen oder Löcher) an den
Orten einer hohen Zustandsdichte an Trap- oder Rekombi
nationszentren verringert.
In Fig. 1 ist die Wirkungsweise der Erfindung anhand eines
bevorzugten Ausführungsbeispiels schematisch dargestellt.
Wie in Fig. 1A dargestellt ist, wird zunächst auf einer
Halbleiterprobe 1, z. B. aus Silicium (Si) ein Oxid 2, in
diesem Fall also Siliciumdioxid (SiO₂) abgeschieden. Die
Abscheidung kann bei niedriger Temperatur durchgeführt
werden. Dabei kann in Kauf genommen werden, daß an der
Grenzfläche Si/SiO₂ eine höhere Dichte an Grenzflächen
zuständen entsteht, als sie bei einer Prozeßführung mit
hoher Temperatur erwartet werden würde. Es kann auch, ins
besondere bei einem Halbleitermaterial, das kein natürliches
Oxid bildet, wie GaAs, ein anderes Isolatormaterial (z. B.
Glas, Photolack oder Kunststoffe) aufgebracht werden. Dies
kann zum Beispiel auch dadurch geschehen, daß der Isolator
nicht in einem Wachstumsprozeß auf die Halbleiteroberfläche
aufgebracht wird, sondern zunächst davon gesondert her
gestellt wird, mit elektrischen Ladungen beaufschlagt wird
und erst dann auf die Oberfläche des Halbleiters aufgebracht
wird. Auf der Isolatorschicht 2 werden dann elektrische
Ladungen 3, z. B. Elektronen, aufgebracht. Wie Fig. 1B
schematisch zeigt, werden durch die negativen Ladungsträger
das Leitungs- und Valenzband des Halbleiters nach oben
gebogen. Dadurch entsteht ein elektrisches Feld im Inneren
des Halbleiterelements, durch das im Leitungsband befind
liche Elektronen aus dem oberflächennahen Bereich in das
Innere der Probe gezogen werden. Die Oberflächenzone verarmt
je nach dem Vorzeichen der elektrischen Ladungen und der
Bandverbiegung an einem bestimmten Typ von Ladungsträgern.
Im vorliegenden Fall sind dies die Elektronen als Minori
tätsträger in p-leitendem Si.
Die in Fig. 1B eingezeichneten Pfeile deuten schematisch an,
wie durch Lichtabsorption Elektronen vom Valenzband in das
Leitungsband angeregt werden, wobei der Einfachheit halber
nur die Absorption nahe der Bandkanten dargestellt ist. Je
nach der wellenlängenabhängigen Eindringtiefe des Lichts
werden die Ladungsträger bei frontalem Lichteinfall teilweise
in der bandverbogenen Oberflächenschicht des Halbleiters
erzeugt. Diese Ladungsträger driften dann unter dem Einfluß
des elektrischen Feldes sehr schnell in Bereiche fern der
Oberfläche des Halbleiters, in denen die Dichte an Re
kombinationszentren niedrig ist. Teilweise werden die
Ladungsträger auch in tiefer liegenden Bereichen des Halb
leiters mit nichtverbogener Bandstruktur generiert. Die
Bandverbiegung hindert diese Ladungsträger von vornherein
daran, in oberflächennahe Bereiche zu diffundieren. Bei
Lebensdauermessungen wird somit im wesentlichen nur noch die
Ladungsträgerlebensdauer des Volumenhalbleiters gemessen.
Die Oberflächenrekombination wird durch dieses Verfahren
wirkungsvoll unterdrückt, ohne daß die oberflächennahen
Defekte selbst strukturell verändert werden müssen. Die
Oxidschicht 2 kann daher auch bei niedrigen Temperaturen
aufgewachsen werden. Auch können andere Passivierschichten
(z. B. Nitride) als Oxide eingesetzt werden.
Wie Experimente gezeigt haben, können die Ladungsträger sehr
wirkungsvoll durch eine Koronaentladung aufgebracht werden.
Bei derartigen Koronaentladungen wird eine auf negativem
oder positivem Potential liegende Spitze in einem Abstand zu
der Oberfläche der Probe positioniert, so daß geladene
Luftmoleküle auf die Oxidoberfläche aufgesprüht werden.
Hierbei ist zum Beispiel auch vorstellbar, daß andere
Elemente oder Verbindungen in ionisierter Form auf die
Isolatoroberfläche aufgebracht werden, wenn das Verfahren in
der Atmosphäre einer gewünschten Spezies durchgeführt wird.
Bei den Experimenten wurden p-leitende Si-Wafer mit einer
Dicke von 280 µm und einem spezifischen Widerstand von etwa
1 Ω cm verwendet, auf die ein thermisches Oxid in einem
Temperaturbereich um 1000° aufgebracht wurde. Dieses Oxid
wurde jedoch anschließend nicht weiter optimiert hinsicht
lich der Qualität der Grenzfläche Si/SiO₂. Jedoch konnten
durch negative wie positive Aufladung der Isolatorschicht
mit Hilfe der Koronaentladung elektrische Felder von mehr
als 1 MV/cm in der Nähe der Oberflächenzone des Halbleiters
erzeugt werden. Die gemessene effektive Ladungsträgerlebens
dauer (Anregungswellenlänge 1,046 µm) stieg dabei von 17 µs
(mit auf beiden Seiten des Wafers ungeladenen Oberflächen)
auf 833 µs (mit auf beiden Seiten geladenen Oberflächen).
Der letztgenannte Wert stellt wahrscheinlich in guter
Näherung die Volumenlebensdauer von Ladungsträgern in der
verwendeten Probe dar.
Es können also auch positive Ladungen aufgebracht werden,
wobei die elektronischen Bänder sich dann natürlich in
umgekehrter Richtung verbiegen.
Für Lebensdauermessungen kann das beschriebene Verfahren
dafür verwendet werden, bei einer beliebigen Halbleiter
materialprobe zunächst die Volumenlebensdauer sehr genau zu
bestimmen und dann bei ein und derselben Probe mit Hilfe der
bekannten Volumenlebensdauer die Oberflächenlebensdauer der
Ladungsträger an einer auf der Probe abgeschiedenen Metall-
oder Isolatorschicht zu bestimmen. Hierfür wird der Wafer
zunächst beidseitig mit einer Isolator- oder Oxidschicht
versehen, auf die dann, wie schon beschrieben, elektrische
Ladungen aufgebracht werden. Dann wird eine Lebensdauer
messung durchgeführt, die im wesentlichen die Volumenlebens
dauer liefert. Soll nun beispielsweise die Oberflächen
lebensdauer an einer der schon vorhandenen Oxidschichten
gemessen werden, so müssen lediglich die dort vorhandenen
elektrischen Ladungen wieder entfernt werden, worauf eine
neue Lebensdauermessung durchgeführt wird. Diese Messung
liefert dann eine effektive Lebensdauer, aus der über die
bekannte Volumenlebensdauer verhältnismäßig einfach die
Oberflächenlebensdauer an der betreffenden Oxidschicht
bestimmt werden kann. Wenn hingegen die Rekombinationseigen
schaften an einer gänzlich neuen, noch aufzubringenden
Schicht ermittelt werden sollen, so muß auf einer Seite der
Probe die Oxidschicht abgeätzt werden, worauf anstelle der
Oxidschicht je nach Wahl beispielsweise eine Metallschicht
oder eine andere Isolatorschicht aufgebracht wird. Wenn nun
wieder eine Lebensdauermessung durchgeführt wird, kann aus
der effektiven Lebensdauer und der bekannten Volumenlebens
dauer, wie schon oben beschrieben, auch die Oberflächen
lebensdauer an der neu aufgebrachten Schicht relativ einfach
ermittelt werden.
Für Lebensdauermessungen ist das bis hierhin beschriebene
Verfahren also bereits jetzt voll einsetzbar. Bei Anwendun
gen auf dem Bereich Solarzellen muß noch dafür gesorgt
werden, daß die aufgesprühten Ladungen auch für längere Zeit
an der Oberfläche des Oxids haften bleiben. Dies kann zum
Beispiel durch Aufbringen einer zusätzlichen Deckschicht 4,
wie in Fig. 1A dargestellt, gewährleistet werden. Die Deck
schicht 4 kann z. B. thermisch aufgewachsen werden. Sie kann
auch aus einer Isolatorplatte bestehen, die auf die Iso
latorschicht 2 aufgebracht wird und mit ihr z. B. durch
Bonden verbunden wird. Die Deckschicht 4 kann aber zum
Beispiel auch eine Kunststoff-Folie sein. Weiterhin kann die
Deckschicht 4 auch aus einem Material mit großer Bandlücke
bestehen, wie SiC oder Diamant.
Das beschriebene Verfahren ist jedoch nicht nur für Solar
zellen wichtig, sondern allgemein für alle Bauelemente,
deren Funktion durch Einstellung der Oberflächenrekombi
nation verbessert werden kann, z. B. Photodioden oder Hoch
frequenzbauelemente.
Ein entscheidender Vorteil des Verfahrens ist, daß die Halb
leiterprobe bei der Passivierung mechanisch nicht beein
trächtigt wird und die Oberflächenrekombination zugleich
wirkungsvoll unterdrückt wird.
Claims (15)
1. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements (1)
mit passivierter Oberfläche gekennzeichnet durch die
Verfahrensschritte
- a) Aufbringen einer Schicht (2) aus einem elektrischen Isolator auf die Oberfläche des Halbleiterelements (1);
- b) Aufbringen von elektrischen Ladungen (3) auf die Ober fläche der Isolatorschicht (2).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
durch das Aufbringen der elektrischen Ladungen (3) im
Verfahrensschritt b in einer oberflächennahen Zone des
Halbleiterelements eine Verbiegung des Leitungs- und des
Valenzbandes des Halbleiters bewirkt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im
Verfahrensschritt b die elektrischen Ladungen durch eine
Koronaentladung aufgebracht werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die elektrischen Ladungen (3) ionisierte Gasmoleküle sind.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Isolatorschicht (2) ein Oxid des Halbleitermaterials
ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet,
daß das Halbleitermaterial Silicium und die Isolatorschicht
(2) Siliciumdioxid ist.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
das Oxid im Verfahrensschritt a) in einem Temperaturbereich
0° bis 1200°C aufgewachsen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Isolatorschicht (2) aus Glas besteht.
9. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen
weiteren Verfahrensschritt (c), in dem auf die Isolator
schicht (2) und auf die auf ihrer Oberfläche befindlichen
elektrischen Ladungen (3) eine Deckschicht (4) aufgebracht
wird.
10. Halbleiterelement (1) mit einer im wesentlichen ebenen
Oberfläche und einer auf die Oberfläche aufgebrachten
Schicht (2) aus einem elektrischen Isolator, gekennzeichnet
durch auf die Oberfläche der Isolatorschicht (2) aufgebrach
te elektrische Ladungen (3).
11. Halbleiterelement nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch
eine auf die Isolatorschicht und die elektrischen Ladungen
(3) aufgebrachte Deckschicht (4).
12. Halbleiterelement nach Anspruch 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß der elektrische Isolator das Oxid des
Halbleitermaterials ist.
13. Halbleiterelement nach Anspruch 10 oder 12, dadurch
gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Silicium und der
elektrische Isolator Siliciumdioxid ist.
14. Verwendung eines Halbleiterelements nach einem der
vorhergehenden Ansprüche als elektronisches Bauelement.
15. Verwendung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
das elektronische Bauelement eine Solarzelle ist.
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