DE4419080A1 - Silizium-Dünnschicht auf Glassubstrat - Google Patents

Silizium-Dünnschicht auf Glassubstrat

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Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleitereinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Eine Anwendung der Photovoltaik in größerem Umfang setzt voraus, daß Photozellen, insbesondere Solarzellen, einerseits einen hohen Wirkungsgrad hinsichtlich der Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie erzielen und andererseits bei niedrigen Herstellungskosten gefertigt werden können. Um die Herstellungskosten niedrig zu halten, kann z. B. das als Photoleiter zu verwendende Halbleitermaterial aus Gründen der Materialersparnis in Form einer dünnen Schicht auf einem Trägermaterial (Substrat) abgeschieden werden. Für die Anwendung sehr aussichtsreich erscheinen nach wie vor Dünnschicht-Silizium-Solarzellen unter Verwendung von amorphem oder polykristallinem Silizium.
Bei Verwendung von amorphem Silizium kommt man aufgrund der hohen Absorption von Licht mit mehr als 1,6 eV-Photonen­ energie mit Schichtdicken im µm-Bereich aus, während bei polykristallinem Silizium aufgrund der niedrigen Absorption von Licht im sichtbaren Spektralbereich infolge der in­ direkten Bandstruktur Schichtdicken in der Größenordnung von 20-50 µm gewählt werden müssen. Polykristallines Silizium weist dagegen im Vergleich zu amorphem, wasserstoffdotiertem Silizium (lichtinduzierte Degradation; Stäbler-Wronski- Effekt) keinerlei Degradationserscheinungen auf.
Als weitere Maßnahme, um die Herstellungskosten niedrig zu halten, muß ein möglichst billiges Substrat gewählt werden. Bezüglich der Verwendung von polykristallinem Silizium als photovoltaisch aktive Schicht konzentrieren sich die meisten Forschungsanstrengungen zur Zeit darauf, die Silizium-Schich­ ten auf hochtemperaturbeständigen Substraten, wie Graphit und Keramiken abzuscheiden. Eine ebenfalls sehr preiswerte und attraktive Variante ist die Abscheidung auf Glassub­ straten. Hierbei muß die Prozeßtemperatur im allgemeinen auf maximal 600°C beschränkt werden. Für die Fertigung einer Solarzelle wird gewöhnlich zunächst auf dem Glassubstrat eine elektrisch leitfähige Schicht abgeschieden werden. Diese kann z. B. eine dünne, lichtdurchlässige Schicht sein, so daß das Substrat als Vorderseite der Solarzelle verwendet werden kann. Bei der Abscheidung der Silizium-Schicht direkt auf dem Glassubstrat wurden im Stand der Technik vor allem die Lösungszüchtung und die Festphasenkristallisation unter­ sucht. Beide Verfahren sind jedoch mit Nachteilen behaftet. Bei der Si-Abscheidung aus metallischen Lösungen kristal­ lisiert Silizium zwar mit Korngrößen von über 100 µm; die so gewonnenen Schichten waren aber wegen dem Vorhandensein von metallischen Einschlüssen oder einer ungeeigneten Ober­ flächenmorphologie bis heute nicht zur Herstellung von Bauelementen geeignet. Si-Schichten, die mittels Fest­ phasenkristallisation auf Glas hergestellt wurden, sind im allgemeinen geschlossen und hinreichend planar zur Her­ stellung von Diodenstrukturen, haben aber nur Korngrößen von maximal 5 µm.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Halbleitereinrichtung, die ein preiswertes Substrat, dessen Temperaturbeständigkeit deutlich unter 1000°C liegt, und eine darauf aufgebrachte Schicht eines Halbleitermaterials enthält, die Qualität des Halbleitermaterials zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeich­ nete und im folgenden näher erläuterte Erfindung gelöst.
Die Erfindung gibt eine Halbleitereinrichtung und ein Verfahren zu ihrer Herstellung an, bei dem zunächst auf einem preiswerten Substrat eine Zwischenschicht abgeschieden wird. Das Material dieser Zwischenschicht wird nun derart gewählt, daß die Zwischenschicht als Nukleationsschicht für die auf ihr abzuscheidende Halbleiterschicht dienen kann. Dies wird dadurch erreicht, daß das Material der Nukleations­ schicht an das Material der Halbleiterschicht gitterangepaßt ist. Auf die Nukleationsschicht wird dann heteroepitaktisch die Halbleiterschicht abgeschieden. Die Gitteranpassung kann derart gewählt werden, daß die Gitterkonstanten von Zwischen­ schicht und Halbleiterschicht im wesentlichen übereinstimmen. Sie kann aber auch derart gewählt werden, daß die Gitter­ konstanten beider Schichten in einem bestimmten ganzzahligen Verhältnis zueinander stehen. Das Material der Nukleations­ schicht kann ein Isolator, ein Halbleiter oder ein Metall sein, wobei sowohl Elementmaterialien als auch Verbindungen aus zwei oder mehr Elementen verwendet werden können. In dem Fall, daß die Zwischenschicht elektrisch leitfähig ist, kann sie in vorteilhafter Weise zusätzlich als Elektrode für ein elektronisches Bauelement verwendet werden.
Im folgenden wird die Erfindung am Beispiel von Dünnschicht- Solarzellen, die ein besonders vorteilhaftes, jedoch keines­ wegs ausschließliches Anwendungsgebiet der Erfindung darstellen, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei werden noch weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung zur Sprache kommen. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische, geschnittene Prinzipdarstellung einer Silizium-Dünnschicht-Solarzelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 eine Darstellung des Verlaufs der elektronischen Bänder in einer Silizium-Dünnschicht-Solarzelle gemäß Fig. 1.
Die in Fig. 1 dargestellte Silizium-Dünnschicht-Solarzelle enthält ein Glassubstrat 1, bei dem vorliegenden Ausführungs­ beispiel aus Floatglas oder Normalglas, auf dem zunächst eine an Silizium gitterangepaßte Zwischen- oder Nukleations­ schicht 2 abgeschieden wird. In einer besonders vorteil­ haften Ausführungsform enthält die Nukleationsschicht 2 ein gitterangepaßtes Silizid, wie z. B. FeSi₂ in der Modifikation des β-FeSi₂. In diesem Fall dient die Schicht 2 sowohl als Nukleationsschicht für das darauf aufzuwachsende Halbleiter­ material Silizium, als auch als Elektrode für ein zu fertigendes Bauelement infolge der elektrischen Leitfähigkeit von β-FeSi₂. Das Silizid kann bei niedrigen Temperaturen (<600°C, vorzugsweise ca. 500°) abgeschieden werden und bildet bei geeigneter Temperung spontan relativ große Körner. Es können jedoch auch andere an Silizium gitter­ angepaßte Nukleationsschichten, wie z. B. NiSi₂, CoSi₂, CaSi₂, ErSi₂, GdSi₂, YSi₂ oder andere gitterangepaßte Silizide verwendet werden. Bei Verwendung von β-FeSi₂ wird eine polykristalline Schicht mit einer Dicke von ca. 0,5 µm abgeschieden, die bei Si-reicher Abscheidung eine Korngröße von maximal 30 µm aufweist. Die β-FeSi₂-Schicht kann in bekannter Weise durch Silizierung einer Eisenschicht, einer eisenenthaltenden Schicht oder einer Edelstahlunterlage als Substrat erzeugt werden. Die Silizidschicht kann aber auch dadurch erzeugt werden, daß Silizium und das entsprechende Metall co-verdampft werden und sich gemeinsam auf dem Substrat niederschlagen, wobei vorteilhafterweise noch ein anschließender Temper-Prozeß bei ca. 500°C durchgeführt wird. Auch Aufsputtern der Silizidschicht ist denkbar.
Anstatt eines Silizides kann aber auch ein an das verwendete Halbleitermaterial gitterangepaßtes Metall verwendet werden. Bei Verwendung von Silizium als Halbleiter kommen hierfür z. B. als Elementmetalle z. B. Silber, Aluminium, Blei oder Ytterbium in Frage. Bei Silizium sind jedoch auch Verbindungen wie TiAl₃, NbAl₃ oder Zr₄Al₃ denkbar.
Die Zwischenschicht kann aber auch ein Isolator, z. B. ein Oxid wie Zirkonoxid in seinen verschiedenen Modifikationen, oder auch ein Nitrid sein.
Die Gitteranpassung kann derart gewählt sein, daß die Gitterkonstanten der Zwischenschicht 2 und der Halbleiter­ schicht 3 im wesentlichen übereinstimmen wie im Fall von β-FeSi₂ auf Si. Die Gitteranpassung kann aber auch in der Weise bestehen, daß die Gitterkonstanten zueinander in einem ganzzahligen Verhältnis stehen. Auch dieses ermöglicht das Aufwachsen des Halbleitermaterials. Dieser Fall ist z. B. gegeben bei Silizium auf Aluminium oder Silber, wobei die Gitterkonstanten im Verhältnis 4 : 3 zueinander stehen.
Zur Herstellung der eigentlichen Silizium-Solarzellen­ struktur wird dann zunächst eine als Back-Surface-Feld dienende, stark p-dotierte (p⁺)-Silizium-Schicht 3a epitaktisch auf dem β-FeSi₂ abgeschieden. Diese Abscheidung kann z. B. durch Flüssigphasenepitaxie aus einer Gallium­ lösung bei einer Temperatur von ca. 450° durchgeführt werden. Es sind jedoch auch andere Niedertemperatur-Ab­ scheidungsverfahren denkbar, wie z. B. (plasmaunterstützte) CVD (Chemical Vapor Deposition) oder ionenstrahlassistierte oder ionengestützte Abscheidungen bei Temperaturen von 200 bis 600°. Auf die p⁺-Silizium-Schicht wird dann homo­ epitaktisch die photovoltaisch aktive p-dotierte Si-Schicht 3b mit einer Dicke von vorzugsweise 20-50 µm abgeschieden. Diese Abscheidung kann ebenfalls durch Flüssigphasenepitaxie, z. B. aus einer Zinklösung oder aus anderen ge­ eigneten Lösungsmitteln erfolgen. Es können aber auch die für die Abscheidung der p⁺-Schicht weiter oben beschriebenen Verfahren für die Abscheidung der Schicht 3b angewandt werden. Auf die Silizium-Schicht 3b wird dann eine n⁺-Si-Schicht 3c aufgebracht, was ebenfalls durch Flüssig­ phasenepitaxie oder eines der anderen genannten Verfahren erfolgen kann.
In Fig. 2 ist der sich aus dem Aufbau der Fig. 1 ergebende Verlauf der Energiebänder und die Lage des Fermi-Niveaus EF schematisch dargestellt. Der Vorteil der Verwendung einer Back-Surface-Schicht liegt darin, daß Minoritätsträger in der nur leicht dotierten p-Schicht 3b verbleiben, so daß die Rekombinationswahrscheinlichkeit an der Rückseite der Solar­ zellenstruktur herabgesetzt wird. Diesem Zweck entsprechend kann die Solarzellenstruktur auch in der Reihenfolge n⁺, n, p⁺ auf der Zwischenschicht 2 abgeschieden werden.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Herstellung von Solarzellenstrukturen und die Verwendung von Glas als Substratmaterial relativ niedriger Temperaturfestigkeit (wesentlich unter 1000°C, z. B. unter 800°C oder unter 600°C) beschränkt, sondern eignet sich ebenso für die Herstellung anderer elektronischer Bauelemente wie Photo­ dioden, Transistoren etc. Ein weiteres attraktives Anwendungsgebiet ist auch die Herstellung von Steuer­ elementen, wie Dünnfilmtransistoren, für Flachbildschirme. Als Halbleitermaterial kann mit Vorteil auch eine Silizium-Germanium-Legierung, insbesondere GeSi, verwendet werden.

Claims (19)

1. Halbleitereinrichtung mit einem Substrat (1), welches eine kristalline Halbleiterschicht (3) trägt, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht (3) auf einer auf einem Substrat (1) aufgebrachten Zwischenschicht (2) aufgebracht ist, wobei die Zwischenschicht (2) und die Halbleiterschicht (3) derart kristallographisch orientiert sind, daß ihre Gitterkonstanten im wesentlichen überein­ stimmen oder im wesentlichen in einem ganzzahligen Verhältnis zueinander stehen.
2. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zwischenschicht (2) ein Silizid enthält.
3. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Silizid eisenhaltig ist.
4. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zwischenschicht (2) FeSi₂ enthält.
5. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zwischenschicht (2) β-FeSi₂ enthält.
6. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zwischenschicht (2) CoSi₂, NiSi₂, CaSi₂, ErSi₂, GdSi₂ oder YSi₂ enthält.
7. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zwischenschicht (2) ein Metall als Element oder Verbindung enthält.
8. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Metall Ag, Al, Pb und/oder Sb ist.
9. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Metall TiAl₃, NbAl₃ oder Zr₄AlR3 ist.
10. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zwischenschicht ein Oxid oder ein Nitrid enthält.
11. Halbleitereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Glas besteht.
12. Halbleitereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht aus Silizium oder einer Silizium-Germanium-Legierung, insbesondere GeSi, besteht.
13. Verwendung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 für eine Solarzelle.
14. Verwendung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 für einen Flachbildschirm.
15. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung, welche ein Substrat (1) und eine von dem Substrat getragene kristalline Halbleiterschicht (3) aufweist, dadurch gekenn­ zeichnet,
daß in einem ersten Verfahrensschritt auf das Substrat (1) eine Zwischenschicht (2) aufgebracht wird,
und daß in einem zweiten Verfahrens schritt auf die Zwischenschicht (2) die Halbleiterschicht (3) aufgebracht wird, wobei die Gitterkonstanten der Zwischenschicht (2) und der Halbleiterschicht (3) im wesentlichen übereinstimmen oder im wesentlichen in einem ganzzahligen Verhältnis zueinander stehen.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (2) ein Silizid enthält, und daß die Zwischenschicht (2) im ersten Verfahrensschritt durch Silizierung einer metallischen Schicht oder durch Co-Ver­ dampfen des entsprechenden Metalls und Silizium oder durch Sputtern erzeugt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Fe, Co, Ni, Ca und/oder Gd ist.
18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht (3) im zweiten Verfahrensschritt durch Flüssigphasen- oder Gasphasenepitaxie aufgebracht wird.
19. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht (3) im zweiten Verfahrensschritt durch ionenstrahlassistierte oder ionengestützte Abscheidung gebildet wird.
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