JP2011501421A - 半導体コンポーネント - Google Patents

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Abstract

半導体コンポーネントは支持体を具備し、支持体の一面では少なくとも１つの半導体層が多結晶で構成されている。多結晶半導体層は結晶化シードを含んでいる。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体コンポーネントに関する。
電子装置の需要が増加するにしたがって、半導体コンポーネントの需要も増加する。これらは集積回路又は単一のコンポーネント部品が製造される基本的なコンポーネントまたはウェハと、光から電流を得るための太陽電池を含んでいる。
製造において、半導体材料の結晶層は今日まで基板上で例えばエピタクシにより成長される。この製造方法は時間がかかり、一般に真空下で実行される必要がある。
これからスタートして、本発明のタスクは優れたコンポーネントを製造することであり、多結晶の半導体層は産業上、より簡単な方法で製造されることができる。
さらに、本発明のタスクは本発明のコンポーネントの適切な製造方法を生成することである。
本発明によれば、このタスクは請求項１の特徴を有するコンポーネントにより解決される。このタスクはさらに請求項１８記載の方法により解決される。
コンポーネントは表面を有する基板を具備している。半導体材料の多結晶層は表面の少なくとも一部に設けられる。多結晶層は複数の拡散分布された結晶核を含んでいる。これによって、拡散して分布された結晶核が多結晶層の電気特性に影響せずに急速な結晶化が実現される。
基板は好ましくは８００℃から９００℃の範囲の温度で空間的に安定である材料からなることができる。全体的に施された被覆が完全に結晶化されるまでこの温度範囲内の結晶化は結晶核の近辺で迅速に進行するので、この温度範囲は有効である。結晶核が均一な方法で全ての与えられた質量で拡散分配されるので、このプロセスは比較的高速である。半導体ドナーは熱的に分解し、半導体材籠を原子的に解放するので、この温度はさらに有効である。
優秀なコンポーネントにより、半導体層の適用は真空下で行われる必要はなく、むしろ保護ガス環境が十分である。
基板の適切な材料はステンレス鋼（ニッケル・クロム鋼）、ガラスまたは炭素或いは類似の材料であってもよい。
基板は板状または薄膜型であってもよい。これはまた織物シート材料から形成されるかまたは線形の形状を有してもよい。
基板の材料にしたがって、基板と多結晶半導体材料の第１の層との間に拡散バリア層を構成することが適切である。この目的で、モリブデンは材料の１選択肢である。
多結晶半導体層の基材は半導体材料のドナーとして適切である物質、例えばシリコンの半導体層が関係されるときは液体または気体のシランであり、層が多結晶ゲルマニウムであるときはゲルマンである。
多結晶半導体層は付随的に対応するドーピング原子によりｐ導電型またはｎ導電型であるようにさらに実現されることができる。
結晶核は多結晶半導体層の主構成要素と同じ材料からなることができ、したがって例えばシリコン層の場合にはシリコン、または所望の材料に対するシード結晶として作用する別の材料からなる。ゲルマニウムもここでは１つの選択肢である。
コンポーネントは相互に積層された多結晶半導体材料の幾つかの層を含むこともできる。大きい表面の半導体コンポーネント、例えば太陽電池として適している対応するサイズのフォトダイオードはこの方法で生成されることができる。半導体層は同じ手順にしたがって次々に与えられ、したがって同じナノ構造を有する。
この場合、１つの層はｐ型であるようにドープされ、他方の層はｎ型であるようにドープされ、それによって必要とされるｐ−ｎ接合を生成する。
基板と反対側の面であり基板から最も遠い半導体層の表面では、コンポーネントには本質的に導電性でありそれぞれ金属的に導電性である層が設けられる。
太陽電池としてのコンポーネントの応用では、例えばフォトダイオード／光電素子の形態で基板が両側を被覆されることが適切である。使用において一方の面が直射太陽光を受けるとき、他方の面は環境から拡散光を受け、したがって全体として効率は増加される。
結晶核の厚さは粒子サイズに応じて、半導体層のｍｍ３当り１００乃至１０００００粒子程度である。
本発明のさらに別の特徴によれば、前述のタスクは本発明のコンポーネントを生成する方法の提案に存在する。
その方法は結晶核から構成され基板に与えられるエアロゾル又は懸濁液と、液体の形態の流体或いはガスを提供する。所望の半導体材料は流体内で化学的に結合される。基板上にエアロゾルまたはエマルジョンを提供した後、形成された層は多結晶層を生成するように熱処理される。このプロセス期間中、半導体材料を含んでいる化学物質は結晶の形態で結晶核周辺に堆積されることができるように原子の形態で半導体材料を解放させる。
結晶化のために原子としてシリコン／ゲルマニウムを解放することができるそれぞれシランとゲルマニウムは気体又は液体の形態による流体として適切である。
結晶核は１００ｎｍと１００００ｎｍの間、好ましくは５００ｎｍと２０００ｎｍの間、さらに好ましくは７００ｎｍと１４００ｎｍの間のサイズを有することができる。
必要とされる結晶化温度で十分に寸法的に安定である任意の材料が基板の材料として考えられる。適切な材料の例はステンレス鋼（ニッケル・クロム鋼）、ガラスまたは炭素或いは類似の材料である。
基板は平板状または線形型であるか、織物繊維、編物またはニットウェアのような織物シート繊維であってもよい。不織布さえも可能である。
前述の方法は、複数の重ねられた層を生成するために数回行われてもよい。この場合、ドーピング材をエアロゾルまたは流体に付加してｐ型またはｎ型の半導体層を生成することが可能である。
結晶核を生成するために、基体材料は対応してボールミルにより微細に研磨されることができる。
さらに、本発明の開発形態は付随的に従属請求項の主題である。
以下の図面の説明は本発明を理解するための特徴を説明している。当業者は通常のように、記載されておらずこの特徴においては図面の説明に付加している詳細をさらに得るであろう。多数の変形が可能であることが理解されよう。当業者は経験的に所定の情報に基づいて正確な寸法の決定を容易に行うことができる。
本発明の主題の１実施形態は図面に示されている。
ただ１つの単一の半導体層を有する本発明のコンポーネントの構造の断面図である。 基板の両面に２つのフォトダイオード構造を有する本発明のコンポーネントを示す図である。 織物シート材料から作られた基板の１例を示す図である。 高度に簡略化された方法で本発明のコンポーネントを得るための本発明の方法を実行する装置の配置図である。
図１は高度に簡略化された表示で本発明の半導体コンポーネントの断面を示している。半導体コンポーネント１は条帯形状でありしたがって無限長の基板２を具備している。基板２は十分な温度安定性を有する金属導電材料、例えばニッケル・クロム鋼からなることができる。条帯形状の基板２は平行に延在し相互に隔てられている２つの平面３と４により規定されている。平面４上では、例えばモリブデン層の形態の（厚さ約２００ｎｍの）拡散バリア層５が設けられる。モリブデン層は基板２への電気的接触を阻止しないように導電性である。
薄い半導体層６はモリブデン層５上に設けられる。半導体層６は（厚さ約３０μｍ乃至１００μｍの）多結晶シリコン７からなり、結晶核８は拡散および均一な分布で埋設されている。結晶核８は設けられるシリコンを提供し、これは、例えばシランのようなシリコンドナーから原子的に解放され、多結晶の形態で結晶核８の周辺で結晶化する。
拡散分布される結晶核により、結晶化が開始する多数の表面が存在するので、結晶化プロセスは比較的高速度で進行する。
結晶核８は半導体層自体と同じ基材からなり、その後の半導体特性に影響しない。
製造方法を図５を基づいて以下さらに説明する。
ステンレス鋼の基板の代わりに、炭素膜、ガラスまたは十分な温度安定性の別の薄膜の基板も使用されることができる。導電性ではない薄膜が使用されるならば、金属導電層が拡散バリア層５と基板２との間に挿入されることができる。厚さ約５００ｎｍを有するこの金属導電層は任意の既知の方法によって基板２上に生成されることができる。金属層の適用は本発明の主題ではないので、ここでは詳細な説明は必要ではない。拡散について関心がないならば、拡散バリア層もまた省略されることができる。
図２は日光から電流を生成するために使用するような多層の平面フォトダイオード／光電素子の形態の多層半導体コンポーネントを示している。全体として10で参照される半導体コンポーネントはニッケル・クロム鋼からなる条帯形状の基板２を具備している。面４上では、モリブデン層５が前述したように拡散バリア層として設けられる。さらに拡散バリア層11が反対側の平面３上に設けられる。基板２と反対側の面する拡散バリア層５の平面上で、例えばｎ型にドープされる第１の半導体層12が設けられ、そこには結晶核８が含まれている。同様に複数の均一に分布された結晶核８を含んでいるｐ型の半導体層13がｎ型の半導体層12に与えられる。
基板２と反対側の半導体層13の面上で、薄い金属層14が設けられ、これは２つの層12と13で形成されるフォトダイオードの電極の機能を有する。
図２で下面上には、拡散バリア層11上に位置するｎ型の半導体層15とｐ型の半導体層16からなる類似の構造が設けられる。下方の終端部は下面のフォトダイオードの電極として作用する金属導電層17を形成する。２つのフォトダイオードの他方の電極は基板２により接合して形成される。
このドーピングにより、半導体コンポーネント10の陽極は層13により形成され、陰極は一方の面上では層12により形成され、他方の面上で陽極は層16により形成され、陰極は層15により形成される。したがって光により照射されるとき、電圧源の正極は陽極に形成され、負極は層８、したがって基板２に形成される。
本発明の半導体コンポーネント１、10はステンレス鋼シートまたは炭素膜の形態で薄膜形状の基板２を基にして説明されている。ガラス、したがって対応するローディング材を有するシリコン酸化物は基板２のさらに別の材料として可能である。薄膜形状のコンポーネントは別として、対応する温度安定性材料の織物のような他の平面構造も使用されることができる。このような織物のセクションが図３に示されている。織物は平織を示し、縦糸及び横糸21、22からなる。
図１および２による半導体素子の製造方法が高度の簡略化された方法で図４に示されている。基板２は例えば既に両面に拡散バリア層５が設けられており、貯蔵ロール25に巻かれている。ここから、基板２は最初にスプレーステーション26を通り、その後28で再度ロール29へ巻き付けられる前に加熱ステーション27を通る。
スプレーステーション26は高度に簡略化された方法で示されており、ポンプ31を含み、その圧力又は出口側はスプレーノズル32に接続されている。入口側で、ポンプ31はラインシステム33を介して流体貯蔵器34および粉末コンテナ35と連通している。半導体材料に対するドナーとしての問題の化合物は流体貯蔵器34内に位置されている。これは例えば液体シランまたは液体ゲルマンであることができる。
結晶核は対応する粉末の形態で粉末コンテナ35に含まれている。適切な結晶核は微細に研磨されたシリコン又はゲルマニウムである。粉末は当業者に知られているようにボールミルで純粋なシリコン又は純粋なゲルマニウムから生成されることができる。
コンテナ35から来る粉末は、制御可能な混合ステーション36で貯蔵器34から流れるシランまたはゲルマンへ対応する用量で混合される。流体と固体物質の粉末の含まれた混合物がポンプ31に到達し、ノズル32を通して拡散バリア層５が設けられた基板の上面にスプレーされる。大きさの比のために、既に既存の拡散バリア層は図４では見られない。
スプレーされる懸濁液は被覆された基板２の上方向を向いた面上に均一な厚さを有する薄い流体層を形成する。
図に示されている部品の方向にしたがって、条帯はロール25からロール29へ一定の速度で動くので、基板２の長さ全体は懸濁液によりそれぞれの面上で連続的にスプレーされる。
懸濁液が基板２へ与えられた後、それぞれ前もって対応して被覆されている基板の自由面と、基板２のそれぞれの長さの部分は加熱ステーション27に到達する。懸濁液を有する通過する基板２の領域は加熱ステーションで８００℃を超え９００℃よりも低い温度で加熱される。シラン又はゲルマンの熱分離はこの温度で生じる。残りのコンポーネントが蒸発されながら、化学的に結合されたシリコン又はゲルマニウムは解放される。コンテナ35から研磨された半導体粉末の形態で結晶核が含まれているために、結晶化は結晶核８の周囲で直ちに開始し、それによってもとは液体の懸濁層は多結晶の半導体層へ変化する。
それぞれシランとゲルマンからの付随する揮発性コンポーネントの蒸発プロセスは結晶化に影響せず、層に欠陥を生じない。
含まれている半導体層を有する基板２の結晶化および冷却の終了後、基板２は28で再度ロール29へ連続的に巻き取られる。
基板２は第１の本発明のステップ後に得られ、これは拡散バリア層上の処理された面上に半導体層を含んでいる。半導体層の厚さは懸濁層の厚さを通して広い限度内で変化できる。後者は次に液滴の大きさ、スプレーの量、ノズル32の正面の基板２の通過速度に依存する。
第１の半導体層が前述の方法で与えられた後、得られたロール29は既に第１の半導体層を支持する基板が装置の左側へ移動され、新しいロール25を形成できる。懸濁液による上記被覆処理及びそれに続く加熱ステーション27における結晶化が第２の時間に行われる。これによりスプレーステーション26を通過して既に拡散バリア層および図２の半導体層12に対応する第１の半導体層を有する基板には前述したようにさらに加熱ステーション27で懸濁層が設けられ、それによって図２の半導体層13のような半導体層の多結晶に変化する。第２の通過後、ロール29は拡散バリア層５、半導体層12、半導体層13が存在する基板２を含んでいる。
説明したプロセスは図４に示されているように下方向を向いた基板２の対向面で同じ方法で多数回行われることもでき、それによって条帯形状の構造が最終的に形成され、これには両側で順に重ねて積層される２つの半導体層が設けられる。
別の実施形態では、４つの半導体層を生成する全てのプロセスのステップが順次行われることができ、ストランドだけが後に巻かれる。最後に、条帯形状のストランドは最終的なスプール処理の前に既に全ての半導体層12、13、15、16を有する。
懸濁液のスプレーの適用と加熱ステーション27における加熱はそれぞれの場合で保護ガス環境および標準気圧で行われる。問題のある密封は必要とされず、同様に半導体層を保護するために行われる保護ガス環境における巻付けおよびほぐすプロセスの実行も必要とされない。
ドープ材は半導体層へ異なる導電型を生成するために必要とされる。これらのドープ材はフォトダイオード、光電素子ではそれぞれガリウム及び砒素である。ｐ型層はガリウムにより生成され、ｎ型層は砒素により生成される。これらの物質はそれらの固有のコンテナから別々に混合ステーション36へ与えられるか、或いはこれらは既にシラン34に混ぜられているか、或いは結晶核と共にコンテナ35に粉末形態で含まれることができる。
説明した方法において相互に積層されることのできる半導体層の数は限定されない。生成された半導体層を原子をドープせずに発生し、その後イオンの注入による多結晶化後にそれぞれのタイプの導電性を発生することも可能である。
説明した方法はシラン又はゲルマンの使用に限定されない。ゲルマンとシランの任意の混合物がゲルマニウムとシリコンの混合された結晶層を得るためにこの方法で使用されることができる。混合比は随意選択的であり、所望の電気特性に基づく。さらにシランとゲルマンの混合では、結晶核はシリコンまたはゲルマニウム或いは両元素の混合物である。
最後に、後に既知の方法を使用して相互から分離され、大きい表面の薄膜トランジスタ構造を生成するために接触される基板上にトランジスタ用の３層構造を生成することも考えられる。可能であるさらに別の構造は、いわゆるＴＦＴコンポーネントを得るためにトランジスタ構造と発光ダイオード構造との結合も可能である。
同様に、２次元の発光半導体素子を生成するためにこの構造を使用することも考えられる。
半導体素子は基板の１面上で多結晶であることを実現するために基板と少なくとも１つの半導体層を具備する。多結晶の半導体層は結晶核を含んでいる。

Claims (27)

  1. 表面（3、4）を有する基板（2）と、
    前記表面（3、4）の少なくとも一部上に半導体材料の少なくとも１つの多結晶層（6、12、13、15、16）とを有し、
    前記多結晶層（6、12、13、15、16）は複数の拡散分布された結晶核（8）を含んでいるコンポーネント。
  2. 前記基板（2）は８００℃と９００℃の間の温度で寸法的に安定である材料からなることを特徴とする請求項１記載のコンポーネント。
  3. 前記基板（2）はステンレス鋼、ガラスまたは炭素からなることを特徴とする請求項１記載のコンポーネント。
  4. 前記基板（2）は板状または薄膜型状であることを特徴とする請求項１記載のコンポーネント。
  5. 前記基板（2）は織物シート材料から形成されていることを特徴とする請求項１記載のコンポーネント。
  6. 前記基板（2）は線形形状であることを特徴とする請求項１記載のコンポーネント。
  7. 拡散バリア層（5、11）は前記基板（2）と半導体材料の直接隣接する前記多結晶層（6、12、13、15、16）との間に含まれていることを特徴とする請求項１記載のコンポーネント。
  8. 前記拡散バリア層（5、11）はモリブデンから形成されていることを特徴とする請求項７記載のコンポーネント。
  9. 半導体材料の多結晶層（6、12、13、15、16）はシリコンまたはゲルマニウム或いはシリコンとゲルマニウムの混合物であることを特徴とする請求項１記載のコンポーネント。
  10. 半導体材料の多結晶層（6、12、13、15、16）はｐ型またはｎ型であるようにドープされることを特徴とする請求項１記載のコンポーネント。
  11. 前記結晶核（8）は前記多結晶半導体層（6、12、13、15、16）自体と同じ材料からなることを特徴とする請求項１記載のコンポーネント。
  12. 前記結晶核（8）は前記多結晶半導体層（6、12、13、15、16）自体とは別の半導体材料からなることを特徴とする請求項１記載のコンポーネント。
  13. 前記結晶核（8）はゲルマニウムまたはシリコン粒子であることを特徴とする請求項１記載のコンポーネント。
  14. 前記結晶核（8）の粒子サイズは１００ｎｍ乃至１００００ｎｍ、好ましくは５００ｎｍ乃至２０００ｎｍの間の範囲、さらに好ましくは７００ｎｍ乃至１４００ｎｍの間の範囲であることを特徴とする請求項１記載のコンポーネント。
  15. 前記コンポーネント（1、10）は相互に積層され異なるタイプの導電型を有する半導体材料の少なくとも２つの多結晶層（6、12、13、15、16）を有していることを特徴とする請求項１記載のコンポーネント。
  16. 前記基板（2）と反対側の、前記基板（2）から最も遠い前記半導体層（13、16）の面には、半導体特性をもたない光透過性で導電性の層（14、17）が設けられていることを特徴とする請求項１記載のコンポーネント。
  17. 前記基板（2）は平坦であり、２つの平坦な平面を具備し、両面（3、4）には半導体材料の少なくとも１つの多結晶層（6、12、13、15、16）が設けられ、前記多結晶層（6、12、13、15、16）は拡散分布された結晶核（8）を含んでいることを特徴とする請求項１記載のコンポーネント。
  18. 前記結晶核（8）の密度は半導体材料の前記多結晶層（6、12、13、15、16）の全範囲にわたって均質であることを特徴とする請求項１記載のコンポーネント。
  19. 結晶核（8）と液体または気体の形態の流体から構成されている懸濁液が基板（2）に与えられ、これは前記半導体材料を化学的に結合した状態に維持し、前記形成された層（6、12、13、15、16）は、前記基板（2）にエアロゾルまたはエマルジョンを供給した後、多結晶層（6、12、13、15、16）を生成するように熱処理されることを特徴とする請求項１記載のコンポーネントを製造する方法。
  20. 前記流体はシランまたはゲルマニウム又はシランとゲルマニウムの混合物であることを特徴とする請求項１９記載の方法。
  21. 前記結晶核（8）は１００ｎｍ乃至１００００ｎｍ、好ましくは５００ｎｍ乃至２０００ｎｍの間、さらに好ましくは７００ｎｍ乃至１４００ｎｍの範囲の粒子サイズを有することを特徴とする請求項１９記載の方法。
  22. 前記結晶核（8）はシリコン又はゲルマニウムのような物質から選択されることを特徴とする請求項１９記載の方法。
  23. 前記物質（2）は結晶化温度で寸法的に安定である物質であることを特徴とする請求項１９記載の方法。
  24. 前記物質（2）はステンレス鋼または炭素或いはガラスであることを特徴とする請求項１９記載の方法。
  25. 前記物質（2）は平面または線形形状であることを特徴とする請求項１９記載の方法。
  26. 請求項１９記載の方法が前記多結晶層（6、12、13、15、16）を複雑与えるために少なくとも２回反復されることを特徴とする請求項１９記載の方法。
  27. 前記結晶核を生成する前記材料はボールミルで研磨されることを特徴とする請求項１９記載の方法。
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