EP3571729A1 - Verfahren zur herstellung eines organischen halbleiterbauteils und organisches halbleiterbauteil - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines organischen halbleiterbauteils und organisches halbleiterbauteil

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EP3571729A1
EP3571729A1 EP18701311.5A EP18701311A EP3571729A1 EP 3571729 A1 EP3571729 A1 EP 3571729A1 EP 18701311 A EP18701311 A EP 18701311A EP 3571729 A1 EP3571729 A1 EP 3571729A1
Authority
EP
European Patent Office
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active layer
plated
holes
lower electrode
laser radiation
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18701311.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Pavel Schilinsky
Michael Wagner
Sebastian Meier
Ralph Pätzold
Andreas DISTLER
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Asca & Co Kg GmbH
Original Assignee
Opvius GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Opvius GmbH filed Critical Opvius GmbH
Publication of EP3571729A1 publication Critical patent/EP3571729A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K71/00—Manufacture or treatment specially adapted for the organic devices covered by this subclass
    • H10K71/10—Deposition of organic active material
    • H10K71/16—Deposition of organic active material using physical vapour deposition [PVD], e.g. vacuum deposition or sputtering
    • H10K71/162—Deposition of organic active material using physical vapour deposition [PVD], e.g. vacuum deposition or sputtering using laser ablation
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
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    • H10K30/80—Constructional details
    • H10K30/81—Electrodes
    • H—ELECTRICITY
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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a semiconductor component and to a semiconductor component produced by such a method.
  • the semiconductor component is in particular an organic photovoltaic element, in short OPV element.
  • Such a semiconductor device is used for example for generating electrical energy by means of sunlight.
  • the semiconductor component to an active layer of a semiconductor material, in which free carriers are generated by absorption of sunlight.
  • the active layer is typically disposed as a thin layer between an upper electrode and a lower electrode.
  • the electrodes are also each formed as a thin layer. This results in a multi-layer structure, which may also have further layers.
  • the active layer is often additionally arranged between so-called barrier layers. In the following, therefore, such a or similar combination is summarized and simplified referred to as the active layer.
  • the available current and the voltage provided by the semiconductor device are dependent, among other things, on the structure of the semiconductor device.
  • the amperage generated by a semiconductor device is essentially defined by the area covered by the semiconductor material;
  • the voltage is essentially defined by the band gap of the semiconductor material and, accordingly, material-dependent. Therefore, in order to achieve a certain voltage, a semiconductor device often has a plurality of cells, wel are connected in series with each other.
  • the upper and lower electrodes are then usually divided into mutually insulated upper and lower sub-electrodes. To produce a series connection, the upper part electrode of a first cell is then usually connected in an electrically conductive manner to the lower part electrode of a second cell.
  • the layers lying between the electrodes and in particular the active layer have a number of interruptions, in which a suitable conductive material is arranged, by means of which the partial electrodes are electrically conductively connected.
  • a via is formed between two cells, which extends from a lower part electrode to an upper part electrode through the intermediate active layer.
  • the use of a laser is possible for forming interruptions of the active layer.
  • the active layer is applied to the lower electrode and then segmented by laser radiation, i. divided into subareas, which later each form a cell of the OPV element.
  • the upper electrode is applied, wherein material at the same time penetrates into the generated interruptions and contacted the lower electrode.
  • the selection of the operating parameters of the laser such as wavelength and power, is particularly critical and in particular also material-dependent. Namely, the operating parameters have to be selected such that only the active layer is selectively processed and the lower electrode remains intact. Therefore, this method is not very flexible in the production of different semiconductor devices. Variations in the layer thickness have a direct detrimental effect on the semiconductor device produced.
  • WO 2012 072271 A1 a method is described in which first the active layer of an OPV element is segmented by means of laser radiation into individual cells and then vias are formed in order to realize a series connection of the various cells.
  • Through-connection is likewise formed by means of laser radiation. While segmentation requires ablation of material, this should be done in the Forming the via just be avoided.
  • the intensity of the laser is chosen to be correspondingly low.
  • a modification of the material for example, this is melted or solidified.
  • the invention has for its object to provide an improved method for producing a semiconductor device.
  • the production of a via is to be simplified.
  • a corresponding semiconductor device should be specified.
  • the method is carried out for producing a semiconductor component, in particular an organic photovoltaic element, in short OPV element.
  • An OPV element is particularly suitable for the production by means of the specified method.
  • a semiconductor component designed as an OPV element is assumed. The description applies mutatis mutandis to any semiconductor devices, for example for the production of a thin film solar cell, a dye cell, DSSC ("dye sensitized solar cell"), a perovskite solar cell, an organic electronic component, e.g.
  • the semiconductor component has a lower electrode, an upper electrode and an active layer and is therefore altogether in particular in the manner of a diode. built.
  • a via is formed for the electrically conductive connection of the two electrodes through the active layer. This is arranged correspondingly within the active layer.
  • Via leads from one of the electrodes through the active layer to the other electrode.
  • the via makes an electrically conductive connection between the electrodes.
  • the via is also referred to as "interconnect”.
  • the lower electrode is preferably made of a transparent, conductive oxide, in short TCO ("transparent conductive oxide") .
  • the lower electrode is applied in particular to a substrate, the substrate serving in particular for improved handling and being comparatively thick in comparison to the electrodes and the active layer, for example by three orders of magnitude thicker, usually in the range between 10 and 10.
  • the upper electrode is preferably made of silver
  • the upper electrode is printed, for example, as a grid on the active layer
  • the active layer preferably consists of an organic semiconductor material can be multi-layered and, for example, have additional barrier layers.
  • the via is formed by means of laser ablation.
  • a workpiece is generally exposed to laser radiation, the laser radiation having such a high intensity that material ablates from the workpiece, ie is removed.
  • the via is now formed by the laser beam is applied to the lower electrode and thereby material of the lower electrode is raised.
  • By "thrown up” is also understood as “ablated”.
  • Other synonyms in the context of this application are in particular “whirled up”, “blasted off”, “detached”, as a result of which an ablation of material of the lower electrode ensues.
  • This material more precisely the material which has been thrown up or ablated, forms the through-hole Laser ablation thus produces a deposition, deposition or debris of material which deposits at the laser ablation site.
  • the deposit forms a structure which extends from the lower electrode extends, namely in particular upwards and in the direction of possibly later applied upper electrode.
  • the via has a characteristic structure.
  • the material spreads only in the immediate vicinity of the bullet point and solidifies there again.
  • the material forms a less spatially spread structure than an ablation.
  • the ablated material is in particular dissolved out of the lower electrode and separated therefrom, and thereby restructured and rearranged considerably more extensively.
  • the resulting structure of the via is characterized in particular by an increased range, in particular viewed in a direction perpendicular to the lower electrode.
  • the preparation is preferably carried out in a roll-to-roll process, which is particularly simple, efficient and cost-effective, and enables particularly high quantities.
  • a central idea of the invention is, in particular, to carry out an ablation by means of laser radiation on the lower electrode, ie to bring about explicitly a destruction of the lower electrode, in order to form a plated-through hole in a particularly simple manner.
  • Such ablation and destruction of the lower electrode is conventionally considered disadvantageous and therefore avoided as far as possible.
  • the operating parameters of the laser especially the intensity of the laser radiation or its penetration depth, are selected such that only material is removed from the active layer and the lower electrode, however, as possible spared. For different materials Rialia and / or layer thicknesses is then necessarily a correspondingly expensive adaptation of the operating parameters required.
  • the material thrown up is in particular dissolved out of the lower electrode, that is to say initially separated from the remaining material of the lower electrode.
  • the material thrown up regularly collects as a launch around the bullet point.
  • the material thrown up partially deposits again on the lower electrode, but in addition advantageously also on other layers around the injection site, especially on the active layer. The deposit then serves as
  • a particular advantage of the invention is in particular that under changed conditions with respect to material and layer thickness no adjustment of the operating parameters of the laser must be made.
  • the penetration depth of the laser radiation is only of secondary importance. Rather, the operating parameters are chosen in particular such that in each relevant case the intensity is sufficient to cause an ablation of material of the lower electrode.
  • an upper limit results in particular from the requirement to avoid destruction or perforation of the substrate below the lower electrode. This results in particular in an upper limit of 1 mJ for the pulse energy of the laser radiation or an energy density of about 1 to 5MJ / m 2 .
  • these values are not achieved with the lasers typically used.
  • laser radiation of a Q-switched (i.e., Q-switched) laser is used.
  • the pulse duration ie the time width of a single laser pulse, is typically several nanoseconds.
  • the pulse energy i. the energy per laser pulse is typically several ⁇ .
  • a suitable pulse repetition rate of the laser radiation is between 5 and 100 kHz.
  • a suitable average output power of the laser radiation is between 3 and 10W.
  • a suitable pulse energy of the laser radiation is between 50 and 300 ⁇ .
  • a suitable pulse width of the laser radiation is between 3 and 30 ns, wherein the pulse width is measured as a full half width.
  • a suitable peak power of the laser radiation is between 5 and 50 kW.
  • a suitable wavelength of the laser radiation is 1064 nm, other wavelengths are also conceivable and suitable, in particular depending on the type of laser used concretely.
  • the abovementioned values for the stated operating parameters lead in particular, and especially in combination, to a reliable ablation.
  • a particular advantage of the invention is, in particular, that the abovementioned operating parameters can be chosen independently of one another insofar as ablation should be achieved in the overall result. Due to the preferably oversized selected operating parameters, in particular pulse energy or peak power, individual operating parameters, e.g. the wavelength, advantageously vary without the overall result, i. the production of a via by ablation to influence.
  • the requirements for the laser are particularly low, for example, no specific beam geometry is necessary, so that particularly inexpensive laser, such as diode lasers, are used and preferably also used.
  • the requirements for the substrate are lower because its color, thickness and composition need not be selected with respect to the laser radiation.
  • Another particular advantage of the invention is in particular that the strength of leakage currents in the semiconductor device is significantly reduced.
  • creepage currents in a semiconductor component are smaller by about one order of magnitude than in a conventional method, in which only the active layer is patterned by means of laser radiation and the lower electrode is left as intact as possible. Due to the reduced creepage currents, the semiconductor device is also particularly robust in operation at high voltage.
  • Another particular advantage of the invention is in particular that the production process has a particularly high reproducibility, as has been shown in particular in experiments.
  • semiconductor components having the same or at least very similar properties are repeatedly produced. Variations such as the leakage current, the dielectric strength or the fill factor are particularly low.
  • the high reproducibility results in particular from the fact that the manufacturing process, more precisely the formation of the via by laser radiation, is largely independent of the operating parameters of the laser and the properties of the materials, in particular local variations such as the layer thickness.
  • Another particular advantage of the invention is in particular that the manufacturing method is applicable to semi-finished products with unstructured active layer. The concrete design with regard to cell size and number of cells and the interconnection of the cells with each other will be determined later.
  • the semifinished product is a multilayer system comprising a lower electrode and an active layer, usually additionally on a substrate.
  • the vias and the upper electrode are then formed individually. Expediently, this also takes place structuring of the active layer and in particular also of the lower electrode.
  • the application of the active layer is then advantageously decoupled from the formation of the upper electrode.
  • the via is formed by the material forming a crater-shaped deposit around a bullet point of the laser radiation.
  • the feedthrough is thus crater-like or tower-like and then particularly stable.
  • the laser radiation impinges on the lower electrode, namely at the injection site, and raises material which is forced outwardly from the center of the injection site and then there, i. at the edge of the bullet point, deposited.
  • the deposit takes place in a ring around the point of injection, so that the material thrown up forms a kind of crater.
  • This has a height which expediently corresponds at least to the thickness of the active layer, so that contact with the upper electrode is ensured.
  • the via is formed before the upper electrode is formed.
  • the laser radiation is thus applied before the upper electrode is applied. This ensures that the upper electrode does not obscure the point of impact and that the upper electrode is still not damaged.
  • the active layer is broken by means of the laser radiation.
  • a separate opening of the active layer in particular for the purpose of forming an interruption for the via, eliminates in an advantageous manner.
  • the same laser radiation is used, on the one hand, to ablate the active layer in the region of the subsequent via, ie to ablate it, and, on the other hand, to form the via.
  • the active layer is broken through and a hole is formed in it, in which the ablated material of the lower electrode accumulates or deposits.
  • the production of the via is thus significantly simplified. In particular, no previous fabrication of the active layer is necessary, because this is exactly removed at the correct location when forming the via.
  • the injection site in the active layer forms the above-mentioned hole, which is specifically a through hole.
  • the hole is circumferentially bounded by the active layer, more specifically bordered by the material of the active layer.
  • the active layer then forms a wall which circumscribes the hole and which is then coated due to the ablation with raised material of the lower electrode. The hole is thus, so to speak, coated from the inside with the material of the lower electrode.
  • the active layer becomes continuous, i. formed flat before the via is formed.
  • Consistent is meant in particular “uninterrupted”.
  • the active layer can be applied in a particularly simple and effective application method and in this way produce a semifinished product which is designed further only during the formation of the through-connection.
  • structured application means that the active layer is applied not as a continuous layer but as a plurality of partial areas separated from one another by means of at least one interruption.
  • the active Layer is segmented.
  • the production of a virtually arbitrarily shaped semiconductor device is then carried out in a simple manner, starting from a simple semifinished product, in particular with a continuous active layer.
  • the exact subdivision of the active layer into individual cells takes place together with the formation of the vias. These then limit the individual cells accordingly. In other words, when the via is formed, segmentation of the active layer is also automatically performed.
  • the via is punctiform formed by the laser radiation is applied only pointwise.
  • the series resistance of the semiconductor device is particularly low, which in turn improves the efficiency of the semiconductor device during operation.
  • a particularly high geometric fill factor is achieved, i. the ratio of the area of the plated-through holes to the remaining surface of the semiconductor device is particularly low.
  • the destruction of the lower electrode is thus not just a large area, but only locally.
  • a pulsed laser is used for punctiform formation of the via, in which the laser radiation consists of a series of successive laser pulses.
  • the laser radiation consists of a series of successive laser pulses.
  • a single via is then preferably generated by a single laser pulse.
  • Punctiform it is meant, in particular, that the laser radiation is applied pointwise so that several points of penetration occur, which are spatially separated from each other, whereas the formation of a continuous line is avoided.
  • the points of penetration are preferably "circular", but other geometries are conceivable and also possible basically suitable.
  • the laser radiation generates in the active layer and in the lower electrode each have a hole whose diameter is usually in the micrometer range, ie between 1 ⁇ and ⁇ ⁇ .
  • the diameter of the plated through hole is determined in particular by the beam diameter of the laser radiation and corresponds approximately to this.
  • the via has a diameter in the range of 5 ⁇ to 150 ⁇ .
  • Such dimensioning is significantly less than the dimensions of conventional vias, e.g. is about 200 ⁇ , and therefore leads to an improved geometric filling factor, i. less dead space and more usable area, and as a result, higher performance of the semiconductor device.
  • a plurality of plated-through holes are formed without overlapping in a longitudinal direction along an imaginary line.
  • the use of multiple plated-through holes leads, on the one hand, in principle to a larger conductive cross-section and thus to an improved current conduction between the two electrodes.
  • a suitable segmentation of at least the active layer can also be realized by a plurality of suitably arranged plated-through holes, in which case the multiple plated-through holes along the imaginary line form a boundary between two adjacent, but separate, and thus different cells.
  • the plurality of vias are formed in the longitudinal direction uniformly at a longitudinal distance of at most 1 mm.
  • a lower limit for the longitudinal spacing automatically results in the case of an overlap-free arrangement through the diameter of a single plated through hole.
  • a longitudinal distance below 1 mm advantageously ensures adequate separation of the active layer and at the same time a suitable line cross-section for current conduction.
  • a plurality of groups of plated-through holes are formed in the longitudinal direction, in which, starting from a respective one of the plated-through holes, at least one further through-hole is formed transversely, preferably perpendicularly to the longitudinal direction.
  • the plated-through holes of a group are preferably arranged on a straight line transversely, in particular perpendicular to the longitudinal direction, ie strung together.
  • ense is meant, in particular, that two adjacent plated-through holes have a distance from each other of at most the simple diameter of a plated-through hole.
  • a group has at least 2 and at most 5 plated-through holes, a design with exactly two plated-through holes being particularly preferred, since experiments have shown in that the power gain from one to two plated-through holes is particularly great and further plated-through holes cause only a smaller increase.
  • the vias of a respective group will be formed without overlap.
  • an overlapping arrangement of the plated-through holes within a group is fundamentally suitable.
  • An overlap-free arrangement leads to a lower series resistance.
  • the plated-through holes of a respective group are arranged without overlapping and at a transverse distance from one another, which is smaller than a longitudinal spacing of the groups in the longitudinal direction.
  • a semiconductor device manufactured according to the described method differs from other semiconductor devices in particular in that the lower electrode is intentionally locally damaged or destroyed in order to remove material from the electrode or to break it out and form a via with this material. Accordingly, therefore, material is carried out or blasted out of the lower electrode, ie, ablated, and this material forms a plated through hole.
  • the plated-through hole therefore consists in particular of the same material as the lower electrode and not just of the same material as the upper, usually subsequently applied electrode.
  • the concrete geometry of the via depends in each case on the concrete materials, their quantity, ie the thickness of the individual layers, and the intensity of the laser radiation. However, the specific geometry is initially of secondary importance for the functionality, because what is more important is that the special production reliably produces a through-connection directly from the material of the lower electrode.
  • FIGS. 4a-4d show an arrangement variant for plated-through holes
  • FIGS. 5a-5b each show test results in connection with the arrangement variants from FIGS. 4a-4d.
  • FIG. 1 schematically and partially shows a semiconductor component 2.
  • This is an OPV element in the present case.
  • the semiconductor device 2 has an upper electrode 4 and a lower electrode 6. Between the electrodes 4, 6, an active layer 8 is arranged, which here has an organic semiconductor material and is used for energy generation by absorption of light.
  • the electrodes 4, 6 and the active layer 8 are applied to a flexible substrate 9 here and form with this a multilayer system.
  • the substrate 9 is made of PET, the lower electrode 6 from
  • ITO Indium tin oxide
  • the active layer 8 is again a multilayer system, not shown here, consisting of a barrier layer HBL, organic semiconductor material P3HT: ZZ83: PCBM and another barrier layer HIL.
  • a plurality of plated-through holes 10 are arranged. These extend starting from the lower electrode 6 through the active layer 8 to the upper electrode 4.
  • the plated-through holes 10 were formed in a special manufacturing process in which laser radiation L is used to ablate material from the lower electrode 6, in the present case ITO, and out this form a respective through-hole 10.
  • the laser radiation L is guided from above, ie through the active layer 8, onto the lower electrode 6. This results in a bullet point 12, at which material is thrown, which subsequently deposits around the bullet point 12 around again and a crater-shaped deposit 14, also referred to as a warp forms.
  • the upper electrode 4 is in this case only after the formation of the
  • FIG. 2 schematically shows a semiconductor component 2 in a plan view from above.
  • the upper electrode 4 is not shown. Visible is the active layer 8; the underlying lower electrode 6 and the substrate 9 are not visible.
  • clearly visible are several plated-through holes 10, which are recognizable as holes in the active layer 10 and the lower electrode 6.
  • the plated-through holes 10 of a respective group 16 are arranged side by side and overlapping.
  • Several groups 16 are arranged one behind the other in the longitudinal direction R. It is between consecutive groups 16 a longitudinal distance A is formed, which is approximately 215 ⁇ in Fig.2. This corresponds approximately to the width B of a respective group 16, which is about 265 ⁇ here.
  • the diameter D of a single plated through hole 10 is about 50 ⁇ here.
  • the processing by means of the laser radiation L is effected in a pointwise manner, that is to say in the form of a laser. punctiform, whereby corresponding bullet holes are generated, from which then the shown, approximately circular vias 10 result.
  • a pulsed laser is used in the present case, which generates correspondingly pulsed laser radiation L, with a single pulse then having sufficient energy to bring about ablation of the lower electrode 4.
  • each of the plated-through holes 10 has been produced by a respective pulse. This also corresponds to the preferred method of preparation. Alternatively, however, a training by means of multiple pulses is possible, which then hit accordingly at the same bullet point. It is particularly important that an ablation of the lower electrode 4 takes place.
  • FIGS. 3a to 3e respectively show test results relating to various parameters of a semiconductor component 2 according to the invention in comparison with a conventionally produced semiconductor component 2.
  • a respective graph on the left shows the result for a conventional semiconductor component 2 in which the active layer 8 is continuous by means of laser radiation L. ie has been consistently removed along a line and then the resulting space when applying the upper electrode 6 was filled with conductive material just that upper electrode 6.
  • FIG. 3 a shows the semiconductor component 2 according to the invention has a higher efficiency 18, ie, generates more energy with the same illumination, ie, converts photons. This results in particular due to a higher electrical fill factor 20, as is apparent from Fig.3b.
  • FIG. 3 c shows the voltage 22 generated by the respective semiconductor component 2 with the same illumination and
  • FIG. 3 d shows the current 24.
  • FIG. 3 e shows the leakage current 26 on the left axis for the two upper results. at an applied voltage of -5V and on the right axis for the two lower results the injection current 28 ("injection") at an applied voltage of + 10V.
  • FIGS. 4a to 4d show preferred arrangement variants for the plated-through holes 10 schematically.
  • the variants of FIGS. 4 a, b and c show groups 16 of five, three or two plated-through holes 10.
  • the plated-through holes 10 are not grouped.
  • the plated-through holes 10 are arranged along an imaginary line L1 in the longitudinal direction R, wherein in the variants with groups 16 there are correspondingly several lines L1 which run parallel to one another, so that the plated-through holes 10 of a respective group 16 transversely, in this case even perpendicular to the lines L1 are arranged side by side.
  • the plated-through holes 10 are arranged generally free of overlap.
  • an overlapping arrangement is also suitable, as shown in the variants of FIGS. 4a and b.
  • the distance between two adjacent lines L1 is 50 ⁇ , whereas in FIG. 4c 100 ⁇ .
  • the diameter of the plated-through holes 10 is slightly less than 100 ⁇ .
  • FIG. 5a, b test results for the arrangement variants shown in FIGS. 4a to 4d are listed.
  • 5a shows the efficiency 18 of a respective semiconductor component 2
  • FIG. 5b shows the respectively measured injection current 28 at an applied voltage of + 13V.
  • the results for an arrangement according to FIG. 4a are shown on the far left, then for a 4b, then for an arrangement according to Fig.4c and finally rightmost for an arrangement according to Fig.4d.

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Abstract

Es wird ein Verfahren angegeben, zur Herstellung eines Halbleiterbauteils (2), insbesondere eines organischen Photovoltaikelements, welches eine untere Elektrode (6), eine obere Elektrode (4) und eine aktive Schicht (8) aufweist, wobei zur elektrisch leitenden Verbindung der beiden Elektroden (4, 6) durch die aktive Schicht (8) hindurch eine Durchkontaktierung (10) mittels Laserablation ausgebildet wird, indem die untere Elektrode (6) mit Laserstrahlung (L) beaufschlagt wird und dadurch Material der unteren Elektrode (6) aufgeworfen wird, sodass das Material die Durchkontaktierung (10) ausbildet. Weiterhin wird ein entsprechendes Halbleiterbauteil (2) angegeben.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung eines organischen Halbleiterbauteils und organisches Halbleiterbauteil
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils sowie ein nach einem solchen Verfahren hergestelltes Halbleiterbauteil. Bei dem Halbleiterbauteil handelt es sich insbesondere um ein organisches Photovoltaikelement, kurz OPV-Element.
Ein solches Halbleiterbauteil wird beispielsweise zur Erzeugung elektrischer Energie mittels Sonnenlicht verwendet. Dazu weist das Halbleiterbauteil eine aktive Schicht aus einem Halbleitermaterial auf, in welchem durch Absorption von Sonnenlicht freie Ladungsträger generiert werden. Die aktive Schicht ist typischerweise als dünne Schicht zwischen einer oberen Elektrode und einer unteren Elektrode angeordnet. Die Elektroden sind jeweils ebenfalls als dünne Schicht ausgebildet. Dadurch ergibt sich ein Mehrschichtaufbau, der auch noch weitere Schichten aufweisen kann. Beispielsweise ist die aktive Schicht häufig zusätzlich zwischen sogenannten Sperrschichten angeordnet. Im Folgenden wird daher auch eine solche oder ähnliche Kombination zusammenfassend und vereinfachend als aktive Schicht bezeichnet.
Die verfügbare Stromstärke und die von dem Halbleiterbauteil zur Verfügung gestellte Spannung sind unter Anderem von dem Aufbau des Halbleiterbauteils abhängig. Die von einem Halbleiterbauteil generierte Stromstärke ist im Wesentlichen durch die von dem Halbleitermaterial abgedeckte Fläche definiert; dagegen ist die Spannung im Wesentlichen durch die Bandlücke des Halbleitermaterials definiert und dementsprechend materialabhängig. Um nun eine bestimmte Spannung zu erzielen weist ein Halbleiterbauteil daher häufig mehrere Zellen auf, wel- che seriell miteinander verschaltet sind. Die obere und die untere Elektrode sind dann üblicherweise in jeweils voneinander isolierte obere und untere Teilelektroden unterteilt. Zur Herstellung einer Reihenschaltung wird dann üblicherweise die obere Teilelektrode einer ersten Zelle mit der unteren Teilelektrode einer zweiten Zelle elektrisch leitend verbunden. Dazu weisen die zwischen den Elektroden liegenden Schichten und insbesondere die aktive Schicht eine Anzahl von Unterbrechungen auf, in denen ein geeignetes leitendes Material angeordnet wird, mittels dessen die Teilelektroden elektrisch leitend verbunden werden. Auf diese Weise wird zwischen zwei Zellen eine Durchkontaktierung ausgebildet, die von einer unteren Teilelektrode zu einer oberen Teilelektrode durch die dazwischenliegende aktive Schicht hindurch reicht.
Zur Ausbildung von Unterbrechungen der aktiven Schicht ist grundsätzlich die Verwendung eines Lasers möglich. In einem beispielhaften Verfahren wird die aktive Schicht auf die untere Elektrode aufgetragen und anschließend mittels Laserstrahlung segmentiert, d.h. in Teilbereiche unterteilt, welche später jeweils eine Zelle des OPV-Elements bilden. Anschließend wird die obere Elektrode aufgebracht, wobei Material zugleich in die erzeugten Unterbrechungen eindringt und die untere Elektrode kontaktiert. Bei der Segmentierung der aktiven Schicht ist die Auswahl der Betriebsparameter des Lasers, wie beispielsweise Wellenlänge und Leistung, besonders kritisch und insbesondere auch materialabhängig. Die Betriebsparameter müssen nämlich derart gewählt werden, dass gezielt lediglich die aktive Schicht bearbeitet wird und die untere Elektrode unversehrt bleibt. Daher ist diese Methode wenig flexibel bei der Herstellung unterschiedlicher Halbleiterbauteile. Variationen in der Schichtdicke wirken sich direkt nachteilig auf das hergestellte Halbleiterbauteil aus.
In der WO 2012 072271 A1 wird ein Verfahren beschrieben, bei welchem zunächst die aktive Schicht eines OPV-Elements mittels Laserstrahlung in einzelne Zellen segmentiert wird und anschließend Durchkontaktierungen ausgebildet werden, um eine Reihenschaltung der diversen Zellen zu realisieren. Die
Durchkontaktierung wird ebenfalls mittels Laserstrahlung ausgebildet. Während bei der Segmentierung eine Ablation von Material gefordert wird, soll dies bei der Bildung der Durchkontaktierung gerade vermieden werden. Entsprechend niedrig wird die Intensität des Lasers gewählt. Bei der Bildung der Durchkontaktierung erfolgt eine Modifikation des Materials, z.B. wird dieses geschmolzen oder verfestigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils anzugeben. Dabei soll insbesondere die Herstellung einer Durchkontaktierung vereinfacht werden. Weiterhin soll ein entsprechendes Halbleiterbauteil angegeben werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Halbleiterbauteil mit den Merkmalen gemäß Anspruch 15. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Verfahren sinngemäß auch für das Halbleiterbauteil.
Das Verfahren wird zur Herstellung eines Halbleiterbauteils durchgeführt, insbesondere eines organischen Photovoltaikelements, kurz OPV-Element. Ein OPV- Element eignet sich besonders zur Herstellung mittels des angegebenen Verfahrens. Im Folgenden wird daher ohne Beschränkung der Allgemeinheit von einem als OPV-Element ausgebildeten Halbleiterbauteil ausgegangen. Die Beschreibung gilt dabei sinngemäß für jegliche Halbleiterbauelemente, beispielsweise zur Herstellung einer Dünnschichtsolarzelle, einer Farbstoffzelle, kurz DSSC ("dye sensitized solar cell"), einer Perovskit-Solarzelle, eines organischen Elektronikbauteils, z.B. eines organischen Photovoltaikelements, kurz OPV-Element, einer organischen Leuchtdiode, kurz OLED, eines organischen Feldeffekttransistor, kurz OFET, eines organischen Dünnschichttransistor, kurz OTFT, eines organischen Photodetektors, kurz OPD, einer organischen Solarzelle, kurz OSC, einer Laserdiode, einer Schottky Diode, eines Photoleiters („photoconductor"), eines Photodetektors oder eines thermoelektrischen Bauteils.
Das Halbleiterbauteil weist eine untere Elektrode, eine obere Elektrode und eine aktive Schicht auf und ist somit insgesamt insbesondere nach Art einer Diode auf- gebaut. Zur elektrisch leitenden Verbindung der beiden Elektroden durch die aktive Schicht hindurch wird eine Durchkontaktierung ausgebildet. Diese ist entsprechend innerhalb der aktiven Schicht angeordnet. Mit anderen Worten: die
Durchkontaktierung führt von der einen der Elektroden durch die aktive Schicht hindurch zur anderen Elektrode. Die Durchkontaktierung stellt eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Elektroden her. Die Durchkontaktierung wird auch als„interconnect" bezeichnet.
Die untere Elektrode besteht vorzugsweise aus einem transparenten, leitenden Oxid, kurz TCO („transparent conductive oxide"). Die untere Elektrode ist insbesondere auf ein Substrat aufgebracht. Das Substrat dient insbesondere der verbesserten Handhabung und ist vergleichsweise dick im Vergleich zu den Elektroden und der aktiven Schicht, z.B. um drei Größenordnungen dicker, üblicherweise im Bereich zwischen 10 und Ι ΟΟμιη. Die obere Elektrode besteht vorzugsweise aus Silber. Die obere Elektrode ist beispielsweise als Gitter auf die aktive Schicht aufgedruckt. Die aktive Schicht besteht vorzugsweise aus einem organischen Halbleitermaterial. Dieses kann mehrschichtig ausgebildet sein und z.B. zusätzliche Sperrschichten aufweisen.
Die Durchkontaktierung wird mittels Laserablation ausgebildet. Bei einer Laserab- lation wird allgemein ein Werkstück mit Laserstrahlung beaufschlagt, wobei die Laserstrahlung eine derart hohe Intensität aufweist, dass Material vom Werkstück ablatiert, d.h. abgetragen wird. Die Durchkontaktierung wird nun ausgebildet, indem die untere Elektrode mit Laserstrahlung beaufschlagt wird und dadurch Material der unteren Elektrode aufgeworfen wird. Unter„aufgeworfen" wird auch „ablatiert" verstanden. Andere Synonyme im Rahmen dieser Anmeldung sind insbesondere„aufgewirbelt",„abgesprengt",„abgelöst". Im Ergebnis erfolgt eine Abla- tion von Material der unteren Elektrode. Dieses Material, genauer gesagt das aufgeworfene oder ablatierte Material, bildet die Durchkontaktierung aus. Die Laserablation erzeugt demnach eine Aufwerfung, eine Ablagerung oder einen Rückstand („debris") an Material, welcher sich am Ort der Laserablation ablagert. Die Ablagerung bildet eine Struktur, welche sich ausgehend von der unteren Elektrode hinweg erstreckt, nämlich insbesondere nach oben und in Richtung der unter Umständen erst später aufgebrachten oberen Elektrode.
Zur Ausbildung der Durchkontaktierung erfolgt demnach vorliegend gerade nicht ein bloßes Aufschmelzen der unteren Elektrode. Vielmehr wird bei der Ablation das Material gleichsam abgesprengt und dabei umgelagert und eben nicht bloß aufgeschmolzen, um anschließend wieder zu erstarren. Das in dieser Anmeldung beschriebene Verfahren mit einer Ablation steht somit im Gegensatz zum einleitend beschriebenen Konzept des Aufschmelzens. Dies ist insbesondere auch dadurch erkennbar, dass die Durchkontaktierung eine charakteristische Struktur aufweist. Bei einem Aufschmelzen breitet sich das Material lediglich in unmittelbarer Nachbarschaft der Einschussstelle aus und erstarrt dort auch wieder. Das Material bildet insbesondere eine im Vergleich zu einer Ablation räumlich weniger ausgebreitete Struktur. Dagegen wird bei einer Ablation das ablatierte Material insbesondere aus der unteren Elektrode herausgelöst und von dieser abgetrennt und dadurch deutlich umfangreicher umstrukturiert und umgelagert. Die resultierende Struktur der Durchkontaktierung zeichnet sich insbesondere durch eine erhöhte Reichweite aus, insbesondere in einer Richtung senkrecht zur unteren Elektrode betrachtet.
Die Herstellung erfolgt vorzugsweise in einem Rollendruckverfahren („roll-to-roll"), welches besonders einfach, effizient und kostengünstig ist sowie besonders hohe Stückzahlen ermöglicht.
Ein Kerngedanke der Erfindung besteht insbesondere darin, mittels Laserstrahlung auf der unteren Elektrode eine Ablation durchzuführen, d.h. explizit eine Zerstörung der unteren Elektrode herbeizuführen, um auf besonders einfache Weise eine Durchkontaktierung auszubilden. Eine solche Ablation und Zerstörung der unteren Elektrode wird herkömmlicherweise als nachteilig angesehen und daher möglichst vermieden. Üblicherweise werden daher die Betriebsparameter des Lasers, vor Allem die Intensität der Laserstrahlung oder deren Eindringtiefe, derart gewählt, dass lediglich Material aus der aktiven Schicht abgetragen wird und die untere Elektrode dagegen möglichst verschont bleibt. Bei unterschiedlichen Mate- rialien und/oder Schichtdicken ist dann zwingend eine entsprechend aufwendige Anpassung der Betriebsparameter erforderlich. Dies ist vorliegend nicht der Fall, denn ein Übermaß an Intensität ist gerade gewollt, um eine Ablation der unteren Elektrode zu erzielen, denn insbesondere nur dadurch wird auch geeignetes Material, nämlich leitendes Material, zur Ausbildung der Durchkontaktierung freigesetzt. Eine separate Zuführung von Material für die Durchkontaktierung ist vorteilhaft nicht notwendig und erfolgt zweckmäßigerweise auch nicht.
Mit anderen Worten: vorliegend wurde erkannt, dass bei der bewussten Zerstörung der unteren Elektrode Material freigesetzt wird, welches dann eine Ablagerung, welche in die aktive Schicht hineinreicht und welche vorteilhaft als eine Durchkontaktierung verwendbar ist und daher auch als solche verwendet wird. Die Laserstrahlung trifft an einer Einschussstelle auf die untere Elektrode, wodurch Material aufgeworfen wird. Dabei wird das aufgeworfene Material insbesondere aus der unteren Elektrode herausgelöst, also vom restlichen Material der unteren Elektrode zunächst getrennt. Das aufgeworfene Material sammelt sich regelmäßig als eine Aufwerfung um die Einschussstelle herum. Insbesondere lagert sich das aufgeworfene Material teilweise wieder an der unteren Elektrode ab, zusätzlich aber vorteilhafterweise auch an anderen Schichten um die Einschussstelle herum, besonders an der aktiven Schicht. Die Ablagerung dient dann als
Durchkontaktierung.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, dass bei veränderten Bedingungen hinsichtlich Material und Schichtdicke keine Anpassung der Betriebsparameter des Lasers erfolgen muss. Insbesondere ist die Eindringtiefe der Laserstrahlung nur noch von untergeordneter Bedeutung. Die Betriebsparameter werden vielmehr insbesondere derart gewählt, dass in jedem relevanten Fall die Intensität ausreicht, eine Ablation von Material der unteren Elektrode herbeizuführen. Eine Obergrenze gibt es für die Intensität zunächst nicht. Dadurch ist eine einzelne Einstellung vorteilhaft in mehreren verschiedenen Situationen geeignet. Eine Obergrenze ergibt sich jedoch insbesondere durch die Anforderung, eine Zerstörung oder eine Durchlöcherung des Substrats unterhalb der unteren Elektrode zu vermeiden. Dadurch ergibt sich insbesondere eine Obergrenze von 1 mJ für die Pulsenergie der Laserstrahlung oder eine Energiedichte von etwa 1 bis 5MJ/m2. Diese Werte werden mit den typischerweise verwendeten Lasern jedoch nicht erreicht.
Vorzugsweise wird Laserstrahlung eines Q-switched (d.h. gütegeschalteten) Lasers verwendet. Bei solchen Lasern beträgt die Pulsdauer, also die zeitliche Breite eines einzelnen Laserpulses, typischerweise mehrere Nanosekunden. Die Pulsenergie, d.h. die Energie pro Laserpuls, beträgt typischerweise mehrere μϋ. Vorliegend beträgt eine geeignete Pulswiderholrate der Laserstrahlung zwischen 5 und 100 kHz. Eine geeignete mittlere Ausgangsleistung der Laserstrahlung beträgt zwischen 3 und 10W. Eine geeignete Pulsenergie der Laserstrahlung beträgt zwischen 50 und 300 μϋ. Eine geeignete Pulsbreite der Laserstrahlung beträgt zwischen 3 und 30 ns, wobei die Pulsbreite als volle Halbwertsbreite gemessen ist. Eine geeignete Spitzenleistung der Laserstrahlung beträgt zwischen 5 und 50 kW. Eine geeignete Wellenlänge der Laserstrahlung beträgt 1064 nm, andere Wellenlängen sind insbesondere je nach konkret verwendetem Lasertyp auch denkbar und geeignet. Die vorgenannten Werte für die genannten Betriebsparameter führen insbesondere allein und besonders in Kombination zu einer zuverlässigen Ab- lation. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht insbesondere auch darin, dass die vorgenannten Betriebsparameter insofern voneinander unabhängig gewählt werden können, als dass im Gesamtergebnis eine Ablation erzielt werden soll. Aufgrund der vorzugsweise überdimensioniert ausgewählten Betriebsparameter, insbesondere Pulsenergie oder Spitzenleistung, lassen sich einzelne Betriebsparameter, z.B. die Wellenlänge, vorteilhaft variieren ohne das Gesamtergebnis, d.h. die Herstellung einer Durchkontaktierung mittels Ablation, zu beeinflussen.
Zudem sind die Anforderungen an den Laser besonders gering, beispielsweise ist keine bestimmte Strahlgeometrie notwendig, sodass auch besonders kostengünstige Laser, z.B. Diodenlaser, verwendbar sind und vorzugsweise auch verwendet werden. Im Übrigen sind auch die Anforderungen an das Substrat geringer, denn dessen Farbe, Dicke und Zusammensetzung muss nicht mit Rücksicht auf die Laserstrahlung ausgewählt werden. Im Ergebnis ist die Herstellung des Halbleiterbauteils deutlich vereinfacht. Ein weiterer besonderer Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, dass die Stärke von Kriechströmen im Halbleiterbauteil deutlich verringert ist. Versuche haben insbesondere ergeben, dass Kriechströme in einem Halbleiterbauteil nach dem beschriebenen Herstellungsverfahren um etwa eine Größenordnung geringer sind, als bei einem herkömmlichen Verfahren, bei welchem mittels Laserstrahlung lediglich die aktive Schicht strukturiert und die untere Elektrode möglichst unversehrt belassen wird. Durch die verringerten Kriechströme ist das Halbleiterbauteil auch besonders robust im Betrieb bei hoher Spannung. So haben Versuche insbesondere gezeigt, dass erfindungsgemäße Halbleiterbauteile erst bei einem Vierfachen der Leerlaufspannung durchbrennen, während dies bei herkömmlichen Halbleiterbauteilen bereits bei einem Dreifachen der Leerlaufspannung der Fall ist. Unter„hoch" wird insbesondere eine Spannung im Bereich von 100 bis 1000V verstanden, welche sich insbesondere durch eine entsprechende Verschaltung mehrerer Hableiterbauteile ergibt. Bei einer solchen Verschaltung werden regelmäßig mehrere Halbleiterbauteile mit Bypass-Dioden vor einem Durchbrennen geschützt. Ein verringerter Kriechstrom und eine höhere Spannungstolerant führen dann vorteilhaft dazu, dass in einer Installation mit mehreren Halbleiterbauteilen weniger Bypass-Dioden verwendet werden müssen als herkömmlicherweise.
Ein weiterer besonderer Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, dass das Herstellungsverfahren eine besonders hohe Reproduzierbarkeit aufweist, wie sich insbesondere in Versuchen gezeigt hat. Mit anderen Worten: mittels des Herstellungsverfahrens werden wiederholt Halbleiterbauteile mit gleichen oder zumindest sehr ähnlichen Eigenschaften hergestellt. Variationen z.B. des Kriechstroms, der Spannungsfestigkeit oder des Füllfaktors sind besonders gering. Die hohe Reproduzierbarkeit ergibt sich insbesondere daraus, dass der Herstellungsprozess, genauer die Ausbildung der Durchkontaktierung mittels Laserstrahlung, weitestgehend unabhängig ist von den Betriebsparametern des Lasers und den Eigenschaften der Materialien, insbesondere von lokalen Schwankungen z.B. der Schichtdicke. Ein weiterer besonderer Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, dass das Herstellungsverfahren auf Halbzeuge mit unstrukturierter aktiver Schicht anwendbar ist. Die konkrete Ausgestaltung hinsichtlich Zellengröße und Zellenanzahl und die Verschaltung der Zellen untereinander werden erst nachträglich festgelegt. Dadurch braucht für eine Vielzahl an Varianten des Halbleiterbauteils lediglich ein Halbzeug vorgehalten werden. Das Halbzeug ist insbesondere ein Mehrschichtsystem aus einer unteren Elektrode und einer aktiven Schicht, üblicherweise zusätzlich auf einem Substrat. Die Durchkontaktierungen und die obere Elektrode werden dann individuell ausgebildet. Zweckmäßigerweise erfolgt hierbei auch eine Strukturierung der aktiven Schicht und insbesondere auch der unteren Elektrode. Das Auftragen der aktiven Schicht ist dann vorteilhaft entkoppelt von der Ausbildung der oberen Elektrode.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Durchkontaktierung ausgebildet, indem das Material eine kraterförmige Ablagerung um eine Einschussstelle der Laserstrahlung herum bildet. Die Durchkontaktierung ist somit kraterartig oder turmartig ausgebildet und dann besonders stabil. Die Laserstrahlung trifft auf die untere Elektrode, nämlich an der Einschussstelle, und wirft Material auf, welches vom Zentrum der Einschussstelle aus nach außen gedrückt wird und sich dann dort, d.h. am Rand der Einschussstelle, ablagert. Die Ablagerung erfolgt in etwa ringförmig um die Einschussstelle herum, sodass das aufgeworfene Material eine Art Krater bildet. Dieser weist eine Höhe auf, welche zweckmäßigerweise wenigstens der Dicke der aktiven Schicht entspricht, sodass ein Kontakt mit der oberen Elektrode sichergestellt ist.
Bevorzugterweise wird die Durchkontaktierung ausgebildet, bevor die obere Elektrode ausgebildet wird. Die Laserstrahlung wird demnach appliziert, bevor die obere Elektrode aufgetragen wird. Dadurch ist sichergestellt, dass die obere Elektrode die Einschussstelle nicht verdeckt und dass weiterhin die obere Elektrode nicht beschädigt wird.
Zweckmäßigerweise wird jedoch die aktive Schicht mittels der Laserstrahlung durchbrochen. Eine separate Durchbrechung der aktiven Schicht, insbesondere zwecks Ausbildung einer Unterbrechung für die Durchkontaktierung, entfällt auf vorteilhafte Weise. Dieselbe Laserstrahlung wird einerseits verwendet, um die aktive Schicht im Bereich der späteren Durchkontaktierung abzutragen, d.h. zu ablatieren, und andererseits, um die Durchkontaktierung auszubilden. Dabei wird im Ergebnis insbesondere die aktive Schicht durchbrochen und in dieser ein Loch ausgebildet, in welchem sich das ablatierte Material der unteren Elektrode ansammelt oder niederschlägt. Das Herstellen der Durchkontaktierung ist somit deutlich vereinfacht. Insbesondere ist keine vorausgehende Konfektionierung der aktiven Schicht notwendig, denn diese wird beim Ausbilden der Durchkontaktierung exakt an der richtigen Stelle abgetragen.
Insbesondere bildet die Einschussstelle in der aktiven Schicht das oben genannte Loch, welches speziell ein Durchgangsloch ist. Das Loch ist umlaufend von der aktiven Schicht berandet, genauer gesagt von dem Material der aktiven Schicht umrandet. Die aktive Schicht bildet dann eine Wandung, welche das Loch umläuft und welche dann aufgrund der Ablation mit aufgeworfenem Material der unteren Elektrode beschichtet ist. Das Loch ist somit sozusagen von innen mit dem Material der unteren Elektrode beschichtet.
In einer geeigneten Ausgestaltung wird die aktive Schicht durchgängig, d.h. flächig ausgebildet, bevor die Durchkontaktierung ausgebildet wird. Unter„durchgängig" wird insbesondere„unterbrechungsfrei" verstanden. Dadurch lässt sich die aktive Schicht in einem besonders einfachen und effektiven Auftragsverfahren aufbringen und auf diese Weise ein Halbzeug herstellen, welches erst bei der Ausbildung der Durchkontaktierung weiter gestaltet wird. Ein im Vergleich dazu aufwendigeres, strukturiertes Auftragen wird vermieden. Dabei wird unter„strukturiertem" Auftragen verstanden, dass die aktive Schicht nicht als durchgängige Schicht aufgetragen wird, sondern als eine Mehrzahl von voneinander mittels zumindest einer Unterbrechung getrennten Teilbereichen. Die Unterbrechung dient in diesem Fall üblicherweise zur Vorbereitung der Ausbildung der Durchkontaktierung.
Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei welcher mehrere
Durchkontaktierung ausgebildet werden und dadurch zugleich auch die aktive Schicht segmentiert wird. Die Herstellung eines nahezu beliebig gestalteten Halbleiterbauteils erfolgt dann auf einfache Weise ausgehend von einem einfachen Halbzeug mit insbesondere durchgängiger aktiver Schicht. Die genaue Unterteilung der aktiven Schicht in einzelne Zellen erfolgt gemeinsam mit der Ausbildung der Durchkontaktierungen. Diese begrenzen dann entsprechend die einzelnen Zellen. Mit anderen Worten: beim Ausbilden der Durchkontaktierung erfolgt automatisch auch eine Segmentierung der aktiven Schicht.
Zur endgültigen Ausbildung der Zellen ist jedoch zusätzlich üblicherweise eine Zertrennung der unteren Elektrode erforderlich, welche durch die Ausbildung der Durchkontaktierung insbesondere nicht geeignet zerteilt wird. Selbst bei einer durchgängigen, linienartigen Ausbildung der Durchkontaktierung sind üblicherweise beide Seiten der Durchkontaktierung mit der oberen Elektrode verbunden. Eine gleichzeitige Segmentierung des gesamten Halbleiterbauteils wird jedoch in einer Ausgestaltung insbesondere dadurch erzielt, dass die obere Elektrode im Bereich des Strahldurchmessers der Laserstrahlung ausgerichtet ist.
Bevorzugterweise wird die Durchkontaktierung punktförmig ausgebildet, indem die Laserstrahlung lediglich punktweise appliziert wird. Dadurch ist sichergestellt, dass der Reihenwiderstand des Halbleiterbauteils besonders gering ist, wodurch wiederum die Effizienz des Halbleiterbauteils im Betrieb verbessert ist. Zudem wird ein besonders hoher geometrischer Füllfaktor erzielt, d.h. das Verhältnis der Fläche der Durchkontaktierungen zu der übrigen Fläche des Halbleiterbauteils ist besonders gering. Dies führt zumindest bei einem OPV-Element im Ergebnis zu einer erhöhten Leistung pro Fläche. Die Zerstörung der unteren Elektrode erfolgt also gerade nicht großflächig, sondern lediglich lokal.
Zweckmäßigerweise wird zur punktförmigen Ausbildung der Durchkontaktierung ein gepulster Laser verwendet, bei welchem die Laserstrahlung aus einer Reihe aufeinanderfolgender Laserpulse besteht. Durch Auswahl einer geeignet hohen Pulsenergie wird dann eine einzelne Durchkontaktierung vorzugsweise durch einen einzigen Laserpuls erzeugt. Unter„punktförmig" wird insbesondere verstanden, dass die Laserstrahlung punktweise appliziert wird, sodass mehrere Einschussstellen entstehen, welche räumlich voneinander getrennt sind. Die Bildung einer durchgehenden Linie wird dagegen vermieden. Die Einschussstellen sind vorzugsweise„kreisförmig", andere Geometrien sind jedoch denkbar und ebenfalls grundsätzlich geeignet. Die Laserstrahlung erzeugt in der aktiven Schicht sowie in der unteren Elektrode jeweils ein Loch, dessen Durchmesser üblicherweise im Mikrometerbereich liegt, d.h. zwischen 1 μιη und Ι ΟΟΟμιτι. Der Durchmesser der Durchkontaktierung wird insbesondere durch den Strahldurchmesser der Laserstrahlung bestimmt und entspricht diesem ungefähr.
Vorzugsweise weist die Durchkontaktierung einen Durchmesser im Bereich von 5μιτι bis 150μιτι auf. Eine solche Dimensionierung ist deutlich geringer als die Abmessungen herkömmlicher Durchkontaktierungen, welche z.B. etwa 200μιτι betragen, und führt daher zu einem verbesserten geometrischen Füllfaktor, d.h. weniger Totraum und mehr nutzbarer Fläche, und im Ergebnis zu einer höheren Leistung des Halbleiterbauteils.
In einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung werden mehrere Durchkontaktierungen in einer Längsrichtung entlang einer gedachten Linie überlappungsfrei ausgebildet. Die Verwendung mehrerer Durchkontaktierungen führt zum Einen grundsätzlich zu einem größeren leitenden Querschnitt und somit zu einer verbesserten Stromführung zwischen den beiden Elektroden. Zum Anderen lässt sich durch mehrere geeignet angeordnete Durchkontaktierungen auch eine geeignete Segmentierung zumindest der aktiven Schicht realisieren, wobei dann die mehreren Durchkontaktierungen entlang der gedachten Linie eine Begrenzung zwischen zwei benachbarten, jedoch voneinander getrennten Bereichen, mithin unterschiedlicher Zellen bilden. Grundsätzlich ist zwar auch eine langestreckte
Durchkontaktierung denkbar, indem die Laserstrahlung entlang einer Linie appliziert wird, um eine entsprechend linienförmige Durchkontaktierung auszubilden und insbesondere auch die aktive Schicht durchgehend zu unterbrechen. Eine lediglich wiederholt lokale und vorzugsweise punktweise, d.h. punktförmige Unterbrechung der aktiven Schicht ist jedoch zur Ausbildung von geeigneten Durchkontaktierungen völlig ausreichend. Die Verwendung mehrerer Durchkontaktierungen hat dann insbesondere den Vorteil, dass weniger Material der aktiven Schicht sowie der unteren Elektrode zerstört wird, als mit einer durchgängigen, unterbrechungsfreien Durchkontaktierung. Die überlappungsfreie Anordnung verhindert vorteilhaft, dass mehrere Durchkontaktierungen aufgrund räumlicher Nähe sozusagen miteinander verschmelzen. Dadurch ist gewährleistet, dass eine einzelne Durchkontaktierung eine eigene Wandung ausbildet und ein Maximum an leitfähigem Material aufweist, wodurch insbesondere ein maximaler Leitungsquerschnitt zwischen den Elektroden realisiert ist und somit vorteilhaft auch ein höherer geometrischer Füllfaktor realisiert ist. Im Gegenzug dazu würden bei zu enger Anordnung die Durchkon-taktierungen nicht jeweils separate Wandungen ausbilden, sondern eine zusammenhängende Wandung, mit entsprechend reduziertem Leitungsquerschnitt.
Vorzugsweise werden die mehreren Durchkontaktierungen in Längsrichtung gleichmäßig in einem Längsabstand von höchstens 1 mm ausgebildet. Eine Untergrenze für den Längsabstand ergibt im Falle einer überlappungsfreien Anordnung automatisch durch den Durchmesser einer einzelnen Durchkontaktierung. Ein Längsabstand unterhalb von 1 mm gewährleistet vorteilhaft eine ausreichende Trennung der aktiven Schicht und zugleich einen geeigneten Leitungsquerschnitt zur Stromführung.
In einer geeigneten Ausgestaltung werden in Längsrichtung mehrere Gruppen von Durchkontaktierungen ausgebildet, indem ausgehend von einer jeweiligen der Durchkontaktierungen quer, vorzugsweise senkrecht zur Längsrichtung jeweils zumindest eine weitere Durchkontaktierung ausgebildet wird. Versuche haben gezeigt, dass mit einem OPV-Element, welches Gruppen von je wenigstens zwei Durchkontaktierungen aufweist, eine höhere Leistung erzeugbar ist, als mit lediglich einzelnen Durchkontaktierungen. Daher werden zweckmäßigerweise nicht lediglich mehrere einzelne Durchkontaktierungen ausgebildet, sondern mehrere Gruppen von Durchkontaktierungen. Mit anderen Worten: es werden Durchkontaktierungen entlang mehrerer gedachter Linien - wie oben erwähnt - ausgebildet, wobei diese gedachten Linien dicht beieinander liegen und parallel zueinander sind. Die Durchkontaktierungen einer Gruppe sind vorzugsweise auf einer Geraden quer, insbesondere senkrecht zur Längsrichtung angeordnet, d.h. aneinandergereiht. Unter„dicht" wird insbesondere verstanden, dass zwei benachbarte Durchkontaktierungen einen Abstand zueinander von höchstens dem einfachen Durchmesser einer Durchkontaktierung aufweisen. Vorzugsweise weist eine Gruppe wenigstens 2 und höchstens 5 Durchkontaktierungen auf. Dabei ist eine Ausgestaltung mit genau zwei Durchkontaktierungen besonders bevorzugt, da Versuche zeigten, dass der Leistungsgewinn von einer zu zwei Durchkontaktierungen besonders groß ist und weitere Durchkontaktierungen lediglich eine geringere Steigerung bewirken.
Geeigneterweise werden die Durchkontaktierungen einer jeweiligen Gruppe überlappungsfrei ausgebildet werden. Eine überlappende Anordnung der Durchkontaktierungen innerhalb einer Gruppe ist zwar grundsätzlich geeignet. Eine überlappungsfreie Anordnung führt jedoch zu einem geringeren Reihenwiderstand.
Zweckmäßigerweise werden die Durchkontaktierungen einer jeweiligen Gruppe überlappungsfrei und in einem Querabstand zueinander angeordnet, welcher geringer ist als ein Längsabstand der Gruppen in Längsrichtung.
Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Halbleiterbauteil, welches nach einem Verfahren in einer der vorgenannten Ausgestaltungen hergestellt ist. Ein Halbleiterbauteil, welches nach dem beschriebenen Verfahren hergestellt wurde unterscheidet sich von anderen Halbleiterbauteilen insbesondere dadurch, dass die untere Elektrode lokal absichtlich beschädigt oder zerstört ist, um Material aus der Elektrode herauszutragen oder herauszusprengen und mit diesem Material eine Durchkontaktierung zu bilden. Entsprechend ist also Material aus der unteren Elektrode herausgetragen oder herausgesprengt, d.h. ablatiert, und dieses Material bildet eine Durchkontaktierung. Die Durchkontaktierung besteht daher insbesondere aus dem gleichen Material wie die untere Elektrode und gerade nicht aus dem gleichen Material wie die obere, üblicherweise nachträglich aufgetragene Elektrode. Die konkrete Geometrie der Durchkontaktierung hängt dabei im Einzelfall von den konkreten Materialien, deren Menge, d.h. der Dicke der einzelnen Schichten, sowie der Intensität der Laserstrahlung ab. Die konkrete Geometrie ist aber für die Funktionalität zunächst von untergeordneter Bedeutung, denn wichtiger ist vielmehr, dass durch die spezielle Herstellung zuverlässig eine Durchkontaktierung direkt aus dem Material der unteren Elektrode erzeugt wird.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig.1 ein Halbleiterbauteil in einer Schnittansicht,
Fig.2 ein Halbleiterbauteil in einer Draufsicht,
Fig.3a-3e diverse Versuchsergebnisse,
Fig.4a-4d jeweils eine Anordnungsvariante für Durchkontaktierungen, und Fig.5a-5b jeweils Versuchsergebnisse im Zusammenhang mit den Anordnungsvarianten aus Fig.4a-4d.
In Fig.1 ist schematisch und ausschnittsweise ein Halbleiterbauteil 2 dargestellt. Dieses ist vorliegend ein OPV-Element. Das Halbleiterbauteil 2 weist eine obere Elektrode 4 und eine untere Elektrode 6 auf. Zwischen den Elektroden 4, 6 ist eine aktive Schicht 8 angeordnet, welche hier ein organisches Halbleitermaterial aufweist und zur Energieerzeugung durch Absorption von Licht dient. Die Elektroden 4, 6 und die aktive Schicht 8 sind auf ein hier flexibles Substrat 9 aufgebracht und bilden mit diesem ein Mehrschichtsystem. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Substrat 9 aus PET gefertigt, die untere Elektrode 6 aus
Indiumzinnoxid (ITO) und die obere Elektrode 4 aus Silber. Die aktive Schicht 8 ist wiederum ein Mehrschichtsystem, vorliegend nicht dargestellt, bestehend aus einer Sperrschicht HBL, organischem Halbleitermaterial P3HT:ZZ83:PCBM und einer weiteren Sperrschicht HIL.
Um die beiden Elektroden 4, 6 elektrisch leitend miteinander zu verbinden sind mehrere Durchkontaktierungen 10 angeordnet. Diese erstrecken sich ausgehend von der unteren Elektrode 6 durch die aktive Schicht 8 hindurch bis zur oberen Elektrode 4. Die Durchkontaktierungen 10 wurden im Rahmen eines speziellen Herstellungsverfahrens ausgebildet, bei welchem Laserstrahlung L verwendet wird, um Material der unteren Elektrode 6, vorliegend also ITO, zu ablatieren und aus diesem eine jeweilige Durchkontaktierung 10 auszubilden. Dabei wird die Laserstrahlung L von oben, d.h. durch die aktive Schicht 8 hindurch, auf die untere Elektrode 6 geführt. Dadurch ergibt sich eine Einschussstelle 12, an welcher Material aufgeworfen wird, welches sich nachfolgend um die Einschussstelle 12 herum wieder ablagert und eine kraterförmige Ablagerung 14, auch als Aufwerfung bezeichnet, bildet. Bei dem Herstellungsverfahren wird daher für die Durchkontaktierungen 10 kein separates Material zugeführt, sondern Material der unteren Elektrode 6 verwendet. Zudem sind auch die Betriebsparameter des Lasers, welcher die Laserstrahlung L bereitstellt, unkritisch und lediglich derart gewählt, dass eine Ablation der unteren Elektrode 6 erfolgt. Bei herkömmlichen Herstellungsverfahren wird dies jedoch gerade vermieden und es muss eine genaue Einstellung der Betriebsparameter erfolgen, welche zwar eine Ablation der aktiven Schicht 8 bewirkt, jedoch keine Beschädigung der unteren Elektrode 6. Letzteres ist vorliegend aber gewollt und insbesondere auch notwendig zur Erzeugung der
Durchkontaktierung 10.
Die obere Elektrode 4 wird vorliegend erst nach dem Ausbilden der
Durchkontaktierungen 10 aufgebracht und ist entsprechend nicht der Laserstrahlung L ausgesetzt.
In Fig.2 ist schematisch ein Halbleiterbauteil 2 in einer Draufsicht von oben gezeigt. Die obere Elektrode 4 ist nicht dargestellt. Sichtbar ist die aktive Schicht 8; die darunter angeordnete untere Elektrode 6 sowie das Substrat 9 sind nicht sichtbar. Deutlich sichtbar sind dagegen mehrere Durchkontaktierungen 10, welche als Löcher in der aktiven Schicht 10 und der unteren Elektrode 6 erkennbar sind. Dabei sind zunächst jeweils mehrere, hier fünf Durchkontaktierungen 10 in einer Gruppe 16 angeordnet. Die Durchkontaktierungen 10 einer jeweiligen Gruppe 16 sind dabei nebeneinander und überlappend angeordnet. Mehrere Gruppen 16 sind in Längsrichtung R hintereinander angeordnet. Dabei ist zwischen aufeinanderfolgenden Gruppen 16 ein Längsabstand A ausgebildet, welcher in Fig.2 etwa 215μιη beträgt. Dies entspricht in etwa auch der Breite B einer jeweiligen Gruppe 16, welche hier etwa 265μιη beträgt. Der Durchmesser D einer einzelnen Durchkontaktierung 10 beträgt hier etwa 50μιτι.
Wie in Fig.1 und 2 deutlich erkennbar ist, erfolgt die Bearbeitung mittels der Laserstrahlung L punktweise, d.h. punktförmig, wodurch entsprechende Einschusslöcher erzeugt werden, aus welchen dann die gezeigten, in etwa kreisförmigen Durchkontaktierungen 10 resultieren. Zur Bereitstellung der Laserstrahlung L wird vorliegend ein gepulster Laser verwendet, welcher entsprechend gepulste Laserstrahlung L erzeugt, wobei ein einzelner Puls dann hinreichend Energie aufweist, um eine Ablation der unteren Elektrode 4 herbeizuführen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist jede der Durchkontaktierungen 10 durch jeweils einen Puls hergestellt worden. Dies entspricht auch der bevorzugten Herstellungsweise. Alternativ ist aber auch eine Ausbildung mittels mehrerer Pulse möglich, welche dann entsprechend an derselben Einschussstelle auftreffen. Wesentlich ist insbesondere, dass eine Ablation der unteren Elektrode 4 erfolgt.
Die Fig.3a bis 3e zeigen jeweils Versuchsergebnisse bezüglich verschiedener Parameter eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils 2 im Vergleich zu einem auf herkömmliche Weise hergestellten Halbleiterbauteil 2. Ein jeweiliger Graph zeigt links das Ergebnis für ein herkömmliches Halbleiterbauteil 2, bei welchem die aktive Schicht 8 mittels Laserstrahlung L kontinuierlich, d.h. durchgängig entlang einer Linie abgetragen worden ist und dann der dadurch entstandene Freiraum beim Auftragen der oberen Elektrode 6 mit leitendem Material ebenjener oberen Elektrode 6 gefüllt wurde. Jeweils auf der rechten Seite ist das Ergebnis für ein erfindungsgemäß hergestelltes Halbleiterbauteil 2 mit punktweisen
Durchkontaktierungen 10 gezeigt.
Aus Fig.3a geht hervor, dass das erfindungsgemäße Halbleiterbauteil 2 eine höhere Effizienz 18 aufweist, d.h. bei gleicher Beleuchtung mehr Energie erzeugt, also Photonen umwandelt. Dies ergibt sich insbesondere aufgrund eines höheren elektrischen Füllfaktors 20, wie sich aus Fig.3b ergibt. Fig.3c zeigt die von dem jeweiligen Halbleiterbauteil 2 erzeugte Spannung 22 bei gleicher Beleuchtung und Fig.3d zeigt den Strom 24. Fig.3e zeigt auf der linken Achse für die beiden oberen Ergebnisse den Kriechstrom 26 („leakage"), d.h. Sperrstrom, bei einer angelegten Spannung von -5V und auf der rechten Achse fü die beiden unteren Ergebnisse den Injektionsstrom 28 („injection") bei einer angelegten Spannung von +10V.
In den Fig.4a bis 4d sind bevorzugte Anordnungsvarianten für die Durchkontaktier ungen 10 schematisch dargestellt. Die Varianten der Fig.4a, b und c zeigen dabei Gruppen 16 von fünf, drei bzw. zwei Durchkontaktierungen 10. In der Variante der Fig.4d sind die Durchkontaktierungen 10 nicht gruppiert. Allgemein sind die Durchkontaktierungen 10 in Längsrichtung R entlang einer gedachten Linie L1 angeordnet, wobei bei den Varianten mit Gruppen 16 entsprechend mehrere Linien L1 vorliegen, welche parallel zueinander verlaufen, sodass die Durchkontaktierungen 10 einer jeweiligen Gruppe 16 quer, hier sogar senkrecht zu den Linien L1 nebeneinander angeordnet sind. In Längsrichtung R sind die Durchkontaktierungen 10 allgemein überlappungsfrei angeordnet. Innerhalb einer Gruppe 16 ist jedoch auch eine überlappende Anordnung geeignet, wie in den Varianten der Fig.4a und b gezeigt. In den Varianten der Fig.4a und 4b beträgt der Abstand zwischen zwei benachbarten Linien L1 50μιη, in Fig.4c dagegen 100μιτι. Der Durchmesser der Durchkontaktierungen 10 beträgt etwas weniger als 100μιτι.
Weitere, nicht gezeigte Varianten sind denkbar und geeignet. Besonders geeignet sind sämtliche Ausgestaltungen, bei welchen die Durchkontaktierungen 10 jeweils punktweise ausgebildet sind und in Längsrichtung R überlappungsfrei angeordnet sind.
In Fig.5a, b sind Versuchsergebnisse zu den in den Fig.4a bis 4d gezeigten Anordnungsvarianten aufgeführt. Dabei zeigt Fig.5a die Effizienz 18 eines jeweiligen Halbleiterbauteils 2 und Fig.5b den jeweils gemessenen Injektionsstrom 28 bei einer angelegten Spannung von +13V. In dem jeweiligen Graphen sind ganz links die Ergebnisse für eine Anordnung nach Fig.4a dargestellt, dann für eine An- Ordnung nach Fig.4b, dann für eine Anordnung nach Fig.4c und schließlich ganz rechts für eine Anordnung nach Fig.4d.
Aus Fig.5a wird deutlich, dass die Ausbildung von Gruppen 16 mit mehreren Durchkontaktierungen 10 zu besseren Ergebnissen führt, als die einfache Ausbildung einzelner Durchkontaktierungen 10 gemäß Fig.4d. Aus Fig.5b wird deutlich, dass die Anordnung gemäß Fig.4b mit drei überlappenden Durchkontaktierungen 10 pro Gruppe 16 zu einem geringeren Injektionsstrom 28 und somit einem höheren Reihenwiderstand führt als bei der Anordnung gemäß Fig.4c mit zwei nicht überlappenden Durchkontaktierungen 10 pro Gruppe 16. Dies zeigt, dass eine überlappungsfreie Anordnung zu einem höheren Leitungsquerschnitt führt, da mehr aufgeworfenes Material erzeugt wird, als im überlappenden Fall.
Bezugszeichenliste
2 Halbleiterbauteil
4 obere Elektrode
6 untere Elektrode
8 aktive Schicht
9 Substrat
10 Durchkontaktierung 12 Einschussstelle
14 Ablagerung
16 Gruppe
18 Effizienz
20 Füllfaktor
22 Spannung
24 Strom
26 Kriechstrom
28 Injektionsstrom
Längsabstand Breite
Durchmesser
Laserstrahlung
Längsrichtung

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils (2), insbesondere eines organischen Photovoltaikelements, welches eine untere Elektrode (6), eine obere Elektrode (4) und eine aktive Schicht (8) aufweist, wobei zur elektrisch leitenden Verbindung der beiden Elektroden (4, 6) durch die aktive Schicht (8) hindurch eine Durchkontaktierung (10) mittels Laserablation ausgebildet wird, indem die untere Elektrode (6) mit Laserstrahlung (L) beaufschlagt wird und dadurch Material der unteren Elektrode (6) aufgeworfen wird, sodass das Material die Durchkontaktierung (10) ausbildet.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Durchkontaktierung (10) ausgebildet wird, indem das Material eine kraterförmige Ablagerung (14) um eine Einschussstelle (12) der Laserstrahlung (L) herum bildet.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Durchkontaktierung (10) ausgebildet wird, bevor die obere Elektrode (4) ausgebildet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die aktive Schicht (8) mittels der Laserstrahlung (L) durchbrochen wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die aktive Schicht (8) durchgängig ausgebildet wird, bevor die
Durchkontaktierung (10) ausgebildet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere Durchkontaktierung (10) ausgebildet werden und dadurch zugleich auch die aktive Schicht (8) segmentiert wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass dieses ein Rollendruckverfahren ist, bei welchem die Elektroden (4, 6) und die aktive Schicht (8) jeweils aufgedruckt werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Durchkontaktierung (10) punktförmig ausgebildet wird, indem die Laserstrahlung (L) lediglich punktweise appliziert wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Durchkontaktierung (10) einen Durchmesser (D) im Bereich von 5μιτι bis 150μιτι aufweist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere Durchkontaktierungen (10) in einer Längsrichtung (R) entlang einer gedachten Linie (L1 ) überlappungsfrei ausgebildet werden.
1 1 . Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
dass die mehreren Durchkontaktierungen (10) in Längsrichtung (R) gleichmäßig in einem Längsabstand (A) von höchstens 1 mm ausgebildet werden.
12. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Längsrichtung (R) mehrere Gruppen (16) von Durchkontaktierungen (10) ausgebildet werden, indem ausgehend von einer jeweiligen der Durchkontaktierungen (10) quer, vorzugsweise senkrecht zur Längsrichtung (R) jeweils zumindest eine weitere Durchkontaktierung (10) ausgebildet wird.
13. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Durchkontaktierungen (10) einer jeweiligen Gruppe (16) überlappungsfrei ausgebildet werden.
14. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Durchkontaktierungen (10) einer jeweiligen Gruppe (16) in einem Querabstand zueinander angeordnet werden, welcher geringer ist als ein Längsabstand (A) der Gruppen (16) in Längsrichtung (R).
15. Halbleiterbauteil (2), insbesondere organisches Photovoltaikelement, welches nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.
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