WO2010081857A2 - Method for producing a semiconductor component, in particular a solar cell, based on a germanium thin film - Google Patents

Method for producing a semiconductor component, in particular a solar cell, based on a germanium thin film Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a semiconductor component, in particular a solar cell, based on a germanium thin film.
  • the invention relates to a production process for a germanium solar cell with a layer transfer process by means of which a thin germanium layer can be detached from a germanium substrate.
  • Special high-efficiency solar cells designed for use in space are currently mostly manufactured on the basis of compound semiconductors such as gallium arsenide (GaAs).
  • GaAs gallium arsenide
  • a compound semiconductor thin film is deposited on a substrate. Due to a good agreement with regard to the lattice constants, the substrate used today is usually a germanium wafer.
  • an additional germanium layer remaining on the finished solar cell can contribute to the current generation of the solar cell, for example by forming a hetero-pn junction.
  • RAK sis
  • the solar cells used should be as light as possible.
  • the germanium wafer which serves as a carrier substrate for the space solar cell and on which the individual layers of a multi-junction or single-junction solar cell are applied, after the formation of the actual thin-film solar cell is largely removed.
  • This can be done chemically, for example by etching away the germanium substrate, or mechanically, for example by grinding away or polishing away the substrate.
  • the germanium wafer originally serving as carrier substrate is thus sacrificed.
  • germanium wafer On the one hand, additional work for etching or grinding is necessary for removing the germanium wafer.
  • the subsequent sacrifice of the germanium wafer means a useless for the subsequent function of the solar cell cost.
  • the germanium wafer is only needed during the manufacture of the solar cell. Subsequently, however, the example, about 150 microns thick germanium wafer is consuming removed. There are thus costs for both the germanium wafer and for the subsequent removal of the germanium wafer.
  • the prior art discloses methods for producing crystalline silicon-based solar cells in which a porous silicon layer is first produced on a silicon substrate and then a further layer of silicon is deposited over the porous silicon layer, for example epitaxially. This further layer can then be separated from the silicon substrate, wherein the previously produced porous layer serves as a predetermined breaking point.
  • the separated further layer can be formed, for example, with a thickness of a few micrometers and then serve as a thin-film substrate for a solar cell, wherein in the subsequent steps essential components of Solar cell, such as their emitter and / or their contact metallization, can be formed.
  • Such a so-called layer transfer method is described, for example, in an article by R. Brendel in Solar Energy, 77, 2004, 969-982 and in DE 197 30 975 A1 and US Pat. No. 6,645,833. It takes advantage of the fact that the silicon thin film deposited on the porous layer preferably grows with the same crystal structure as the silicon substrate adjacent thereto. For example, when a high-quality single-crystalline wafer is used as the silicon substrate, high-quality silicon thin films which can be used as substrates for high-efficiency solar cells can be produced. The silicon substrate is scarcely consumed except for slight losses by the generation of the porous layer and can be reused several times.
  • a method for producing a semiconductor component in particular a solar cell, in which the above-mentioned problems are at least partially overcome.
  • a method for producing a semiconductor component, in particular a solar cell in which a thin germanium layer can be detached from a germanium substrate and subsequently serve as a substrate for the semiconductor component based on a semiconductor thin film.
  • a method for producing a semiconductor component, in particular a solar cell, based on a germanium thin film is proposed.
  • the method has the following process steps: provision of a germanium substrate; Forming a porous layer on a surface of the germanium substrate by electrochemically etching the germanium substrate in an etching solution; Depositing a semiconductor thin film on the porous layer; and separating the germanium thin film from the silicon substrate, wherein the porous layer serves as a predetermined breaking point.
  • a voltage applied between the germanium substrate and an external electrode is reversed several times.
  • the present invention can be considered to be based on the following finding:
  • the surface of a substrate to be etched is brought into contact with an etching solution. Between an electrode in contact with the substrate and an external electrode in contact with the etching solution is then an electric voltage is applied, which allows a so-called etching current to flow. Due to electrochemical reactions, the surface of the substrate may be oxidized and then the etched-on etching solution may be etched away. Since this process is generally not homogeneous, but focuses on nucleation nuclei, an inhomogeneous etching of the substrate surface occurs, which may result in a porous surface layer.
  • the resulting etching current can be adjusted so that a desired porosity of the generated porous layer can be affected.
  • the porosity results from the number or density as well as the size of the pores produced.
  • germanium substrates This does not seem to be readily possible with germanium substrates. It has been observed by the inventors of the present invention that although the depth of the pores is successively increased in the electrochemical etching of germanium, at the same time apparently the adjacent regions on the surface of the germanium substrate are also etched away. The etching rate, with which the depth of the pores increases, seems to be at most slightly higher than the etching rate at the substrate surface.
  • the inventors of the present invention have now recognized that the etching of the substrate surface occurring simultaneously during the electrochemical etching of the pores can be at least temporarily prevented or inhibited by the fact that during the electrochemical etching, a voltage applied between the germanium substrate and an external electrode is repeated briefly is reversed. It was observed that by such temporary, multiple reversal of the applied voltage during the electrochemical etching, an advantageous embodiment of the porous layer produced can be achieved.
  • This passivation of the germanium surface appears to temporarily inhibit the etching of the surface in a subsequent etching step in which anodic prestressing is again set.
  • One possible cause of this could be leakage currents.
  • the size and depth of the generated pores can be influenced by appropriate selection of the anodic bias, and on the other hand, during the cathodic bias phases, passivation of the substrate surface can be achieved Etching the substrate surface during a subsequent phase of anodic bias. In this way, porous layers of suitable pore size and geometry suitable for use in a layer transfer process for producing a semiconductor device can be produced.
  • the production method presented here makes it possible, on the one hand, to produce, for example, thin-film solar cells, for example, for use as space solar cells or concentrator solar cells, on the other hand, this can be used in the production Reuse semiconductor substrate after detachment of the thin film deposited thereon advantageously, whereby a considerable material savings is possible.
  • the germanium substrate provided in the context of the production method according to the invention can have any desired structure and geometry.
  • a germanium wafer of high quality, for example of monocrystalline germanium is used as the germanium substrate.
  • the germanium substrate may have planar or textured surfaces.
  • the substrate surface, which later forms the solar radiation directed side of the solar cell has a surface texturing.
  • the porous layer may be formed on the surface of the germanium substrate by electrochemical etching by bringing the surface of the germanium substrate into contact with an etching solution and simultaneously applying an electric voltage between the substrate surface and the etching solution.
  • the surface of the germanium substrate and the etching solution are at different electrical potentials. With a suitable polarity of the applied voltage, an electrochemical reaction can occur which can lead to an etching of the substrate surface, in particular locally at nucleation centers.
  • the applied voltage is reversed several times to temporarily apply an anodic bias to the actual etch and, at times, a cathodic bias to passivate the exposed germanium substrate surface.
  • the voltage can be reversed abruptly or continuously, for example, from an anodic bias of a first Voltage value to a cathodic bias of a second voltage value with opposite sign to the first voltage value.
  • the voltage values can range from below 1 V, for example 0.001 V, to many volts, for example 1000 V.
  • the first and second voltage values may vary in magnitude, that is, for example, the amount of negative anodic bias may be greater than the amount of positive cathodic bias.
  • the time periods between the voltage reversals can range from a few seconds or even less than a second to a few minutes.
  • a phase in which a certain bias is applied may be shorter than 10 minutes.
  • the durations of the phases of anodic bias may differ from those of cathodic bias.
  • the semiconductor thin film deposited on the porous germanium layer may be formed by various epitaxial methods. , Only a homogeneous layer or alternatively a plurality of layers stacked on top of one another can be deposited.
  • the term "thin film” can be understood in this case such that the deposited layer consists of one or more sub-layers, each sub-layer alone having a small thickness compared to semiconductor wafers, for example less than 50 ⁇ m, preferably less than 10 ⁇ m chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD) and liquid phase epitaxy (LPE) deposition, and the semiconductor thin film can be deposited directly on and in mechanical contact with the germanium surface
  • the germanium surface and the semiconductor thin layer may also be formed as electrically conductive intermediate layers, for example of TCO (transparent conductive oxides) or buffer layers termaterialien be preferred, which have a similar lattice constant as germanium.
  • germanium itself this can also be compound semiconductors such as gallium arsenide (GaAs).
  • GaAs gallium arsenide
  • the semiconductor thin film can be deposited with a thickness of a few 100 nm up to more than 100 ⁇ m, for example between 500 nm and 100 ⁇ m, preferably between 10 ⁇ m and 30 ⁇ m.
  • a mechanical force may be applied to the semiconductor thin film.
  • the semiconductor thin film may be adhered / bonded to a supporting substrate, such as glass.
  • a method such as used in module encapsulation or a sol-gel method can be used.
  • the semiconductor thin film With the aid of the carrier substrate, the semiconductor thin film can then be lifted off the germanium substrate, wherein the previously produced porous layer can serve as a predetermined breaking point, in particular in the areas with the highest porosity, along which the separation process takes place.
  • doped regions which form an emitter or a BSF can be produced in the semiconductor thin film.
  • the doped regions can be produced, for example, by diffusion of dopants.
  • doped regions may be formed by epitaxially depositing doped semiconductor layers so that heterostructures can be formed in which, for example, the emitter may be formed by a layer of a first semiconductor material and the base by a layer of a second, different semiconductor material.
  • electrical contacts can be formed, for example, in the form of metallizations or by transparent conductive oxides (TCO) on the surfaces of the semiconductor thin film.
  • dielectric layers can be formed on the surface which can serve as surface passivation, antireflective layer or back mirror.
  • the voltage applied during the electrochemical etching of the germanium substrate between the germanium substrate and the external electrode is periodically reversed.
  • the voltage may be applied as an anodic bias for a first period of time and then as a cathodic bias for a second period, with the respective polarities repeating periodically.
  • Such a periodically repeating voltage scheme can be generated technologically simple.
  • the voltage can be reversed abruptly or continuously from an anodic bias to a cathodic bias.
  • a first period of time in which an anodic bias prevails that is, during which the voltage applied between the germanium substrate and the external electrode is selected such that an etching current flows, becomes longer be selected as a subsequent second period of time during which a cathodic bias prevails, that is, during which the applied voltage is selected such that substantially no etching current flows.
  • Observations have shown that it is sufficient to apply a cathodic bias only for a short time, in order to achieve the desired passivation of the germanium Substratoberfiambae.
  • the cathodic bias necessary for passivation can be applied shorter in time than the anodic bias used for the actual etching, so that the total etching time can be kept as short as possible.
  • the etching solution has a proportion of at least 10% by volume of hydrofluoric acid (HF).
  • HF hydrofluoric acid
  • the provided germanium substrate has a resistivity of less than 1 ohm-cm (ohm-centimeter). It has been observed that the result of the electrochemical etching depends strongly on the charge carrier density in the germanium substrate used and improves with increasing carrier density, ie with decreasing resistivity of the substrate. In particular, it was observed that with germanium substrates with too low a charge carrier density, ie a too high specific resistance, no satisfactory etching result could be achieved.
  • the resistivity of the germanium substrate should be less than 100m ⁇ hm-cm, more preferably less than 50m ⁇ hm-cm, and even more preferably between 10 and 35mOhm-cm.
  • a specific crystal orientation of the germanium substrate can lead to an advantageous etching result. Germanium wafers with a 100 orientation were found to be advantageous. Furthermore, a polishing of the surface can act advantageously.
  • the provided germanium substrate is of p-type semiconductor. It has been observed that better etch results can be achieved with p-type germanium substrates than with n-type germanium substrates. In order to be able to achieve satisfactory etching results on n-type germanium substrates, additional measures may be advantageous. For example by illumination with light additional charge carriers are generated in the substrate, whereby the etching process can be assisted.
  • influencing parameters during the electrochemical etching are selected such that the porous layer is formed as a microporous or mesoporous layer.
  • a microporous layer is understood according to IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), a layer having an average pore size of less than 10 nm.
  • the pore size is between 10 and 50 nm.
  • Such porous layers which have a small pore size compared to macroporous layers, may be advantageous for use in layer transfer processes.
  • Influencing parameters which may influence the type and speed of the etching process and the resulting pores include the etching current caused by the applied anodic bias, the temperature, the concentration of the etching solution and the doping concentration of the germanium substrate on the surface to be etched , Another influencing parameter is the duration of the respective phases with an anodic or cathodic bias, that is, the phase durations between the switching operations of the applied etching voltage.
  • influencing parameters during the electrochemical etching are selected such that a second low-porous layer is formed outside a first highly porous layer.
  • the term "outside" can be interpreted as being “closer to the surface of the germanium substrate”.
  • the influencing parameters should be chosen such that the electrochemical etching results in a double layer in which a smaller pore size or pore density is produced directly on the surface of the germanium substrate than deeper inside the germanium substrate.
  • the porous layer may be microporous directly at the surface of the substrate, while below it may be mesoporous.
  • An important and easy to influence Influencing parameters here are the voltage applied during the etching and the durations of the individual etching or passivation phases.
  • the highly porous layer may, for example, have a porosity of between 20% and 60%, preferably between 30% and 50%.
  • a porosity of between 20% and 60%, preferably between 30% and 50%.
  • the porous layer can serve poorly as a predetermined breaking point in the subsequent separation process at too low a porosity. If the porosity is too high, problems can occur in forming the semiconductor thin film on the porous layer, because the epitaxially deposited semiconductor material may no longer form a closed semiconductor thin film due to excessively large pores or craters within the porous layer.
  • etching solutions are used during the etching in chronological order.
  • the etching solutions may differ both with regard to the etching substances contained in the solutions and with regard to the concentration of these etching substances.
  • HF solutions of various concentrations can be used. It has been observed that the use of different etching solutions can lead to different etch results, especially with regard to the porosity produced. Therefore, it may be advantageous to begin the etching process first with an etching solution, which leads to a low-pore layer on the surface of the germanium substrate, and then continue the etching process with a different etching solution deeper in the interior of the germanium substrate to a stronger Etching activity and thus leads to a higher porosity. In this way, a desired porous double layer structure can be achieved.
  • a wetting agent is added to the etching solution used for electrochemical etching.
  • This wetting agent can cause the actual etching substances of the etching solution to uniformly wet the surface of the germanium substrate during the etching process can.
  • gas bubbles can easily detach from the surface of the germanium substrate.
  • the wetting agent for example, ethanol (C 2 H 6 O) or acetic acid (C 2 H 4 O 2 ) may be used.
  • the porous layer is subjected to annealing.
  • annealing while an additional high-temperature step at temperatures of, for example, above 450 0 C, preferably to be understood above 550 0 C, but below the melting temperature of germanium (938 0 C).
  • the porous surface is of the Germanium substrate may close due to deformation processes, so that the germanium substrate after annealing from the outside has a closed, smooth, preferably crystalline surface and only below it extends a porous layer
  • the germanium substrate after annealing from the outside has a closed, smooth, preferably crystalline surface and only below it extends a porous layer
  • formation of germanium oxides may occur lati be carried out together with another subsequent processing operation such as the epitaxial deposition of another layer.
  • the porous layer is annealed in a reducing gas atmosphere such as a 100% hydrogen atmosphere.
  • a reducing gas atmosphere such as a 100% hydrogen atmosphere.
  • Such a reducing gas atmosphere can dissolve previously formed germanium oxides and contribute to the formation of a closed germanium surface.
  • the porous layer is annealed in a protective gas atmosphere, for example in an atmosphere of argon (Ar).
  • a protective gas atmosphere for example in an atmosphere of argon (Ar).
  • the annealing in a protective gas atmosphere allows a reshaping of the porous germanium substrate surface without any annoying oxide formation.
  • FIG. 1 shows a semiconductor thin film deposited on a germanium substrate according to an embodiment of the manufacturing method of the present invention.
  • Fig. 2 shows an arrangement with which the manufacturing method according to an embodiment of the invention can be performed.
  • FIGS. 4a and 4b are graphs showing the timing of an etching potential and an etching current, respectively, in a method according to an embodiment of the present invention.
  • a porous layer 3 is produced by electrochemical etching on a single-crystal p-type germanium wafer serving as germanium substrate 1 with a specific resistance of between 10 and 35 milliohm centimeters.
  • the germanium wafer is contacted with a first electrode 9 and the wafer surface to be etched is wetted with an etching solution 7 containing at least 30% by volume of HF.
  • a second electrode 11 is in electrical contact with the etching solution 7. With the aid of an external voltage source 13, an electrical voltage between the two electrodes 9, 11 is applied, wherein the voltage is reversed at short time intervals.
  • the applied voltages and optionally the etching solutions used are selected such that a porous double layer is formed in which only a small porosity is formed directly on the surface of the germanium substrate 1, whereas deeper inside the germanium substrate 1, for example in FIG a depth of about 1 micron, a higher porosity is generated.
  • the germanium substrate 1 is separated from the etching solution and cleaned with deionized water and then blown dry.
  • the germanium substrate 1 with the porous layer 3 thereon is subjected to a high-temperature step at about 600 ° C. for a few minutes in a 100% hydrogen atmosphere.
  • the porous layer 3 is partially formed and preferably forms on its surface facing outward a closed germanium layer, which can serve as a starting layer for a semiconductor thin film 5 to be subsequently deposited.
  • the semiconductor thin film 5 may subsequently be separated from the germanium substrate and further processed to a desired semiconductor device such as a thin film solar cell.
  • a germanium substrate 1 is supported horizontally on an electrode 9.
  • a vessel 15 which is open at the top and bottom, a 30% HF etching solution 7 is introduced.
  • a sealing O-ring 17 which is arranged between the bottom of the vessel 15 and the germanium substrate 1, an escape of the etching solution 7 is prevented.
  • a Teflon block 19 is a branching platinum wire 21 is inserted, which serves as a further electrode 11. By immersing the Teflon block 19, the further electrode 11 comes into contact with the etching solution 7.
  • the two electrodes 9, 11 are connected to a voltage source 13, which is designed to umzupolen the voltage applied between the two electrodes 9, 11 at certain intervals.
  • a HF-containing etching solution 7 is contained in a vessel 15 '.
  • a germanium substrate 1 is supported vertically at a first electrode 9. Both the first electrode 9 and another platinum electrode 11 are immersed in the etching solution. Both electrodes 9, 11 are in turn connected to a voltage source 13.
  • a tunnel 21 serves to homogenize the electric field.
  • the course of the etching current or of the etching voltage as a function of time controlled by the voltage source 13 is shown.

Abstract

The invention relates to a method for producing a semiconductor component, in particular a solar cell, based on a germanium thin film. The method comprises the following steps: providing a germanium substrate (1); forming a porous film (3) on a surface of the germanium substrate (1) by electrochemically etching the germanium substrate (1) in an etching solution (7); depositing a semiconductor thin film (5) on the porous film (3); and separating the semiconductor thin film (5) from the germanium substrate (1), wherein the porous film (3) is used as a predetermined breaking point. The polarity of a voltage applied between the germanium substrate (1) and an external electrode (11) is reversed multiple times during the electrochemical etching of the germanium substrate (1). In this way, a porous film can be produced in a germanium substrate, wherein the porous film enables the semiconductor thin film deposited thereon to be subsequently separated as part of a film transfer method.

Description

Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes, insbesondere einer Solarzelle, auf Method for producing a semiconductor component, in particular a solar cell, on
Basis einer GermaniumdünnschichtBase of a germanium thin film
GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes, insbesondere einer Solarzelle, auf Basis einer Germanium- Dünnschicht. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für eine Germanium- Solarzelle mit einem Schichttransferprozess, mit Hilfe dessen eine dünne Germanium- Schicht von einem Germanium-Substrat abgelöst werden kann.The invention relates to a method for producing a semiconductor component, in particular a solar cell, based on a germanium thin film. In particular, the invention relates to a production process for a germanium solar cell with a layer transfer process by means of which a thin germanium layer can be detached from a germanium substrate.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Spezielle, beispielsweise für den Einsatz im Weltraum konzipierte, hocheffiziente Solarzellen werden derzeit meist auf der Basis von Verbindungshalbleitern wie zum Beispiel Galliumarsenid (GaAs) gefertigt. Dabei wird in der Regel eine Verbindungshalbleiter- Dünnschicht auf einem Substrat abgeschieden. Aufgrund einer guten Übereinstimmung hinsichtlich der Gitterkonstanten wird als Substrat heutzutage meist ein Germanium- Wafer verwendet. Außerdem kann eine zusätzliche, an der fertigen Solarzelle verbleibende Germaniumschicht zur Stromgeneration der Solarzelle beitragen, indem z.B. eine hetero-pn- Junction gebildet wird. RAK: sis Zur Reduzierung der Kosten einer Weltraummission sollten die hierbei verwendeten Solarzellen möglichst leicht sein. Deshalb wird bisher der Germanium- Wafer, der als Trägersubstrat für die Weltraum- Solarzelle dient und auf dem die einzelnen Schichten einer Multi- oder Single- Junction- Solarzelle aufgebracht sind, nach dem Ausbilden der eigentlichen Dünnschicht-Solarzelle weitestgehend entfernt. Dies kann chemisch, beispielsweise durch Wegätzen des Germanium-Substrats, oder mechanisch, beispielsweise durch Wegschleifen oder Wegpolieren des Substrats, erfolgen. Hierbei wird der ursprünglich als Trägersubstrat dienende Germanium- Wafer also geopfert.Special high-efficiency solar cells designed for use in space, for example, are currently mostly manufactured on the basis of compound semiconductors such as gallium arsenide (GaAs). As a rule, a compound semiconductor thin film is deposited on a substrate. Due to a good agreement with regard to the lattice constants, the substrate used today is usually a germanium wafer. In addition, an additional germanium layer remaining on the finished solar cell can contribute to the current generation of the solar cell, for example by forming a hetero-pn junction. RAK: sis To reduce the cost of a space mission, the solar cells used should be as light as possible. Therefore, so far the germanium wafer, which serves as a carrier substrate for the space solar cell and on which the individual layers of a multi-junction or single-junction solar cell are applied, after the formation of the actual thin-film solar cell is largely removed. This can be done chemically, for example by etching away the germanium substrate, or mechanically, for example by grinding away or polishing away the substrate. In this case, the germanium wafer originally serving as carrier substrate is thus sacrificed.
Einerseits ist für das Entfernen des Germanium- Wafers zusätzlicher Arbeitsaufwand zum Ätzen bzw. Schleifen notwendig. Andererseits bedeutet das nachträgliche Opfern des Germanium- Wafers einen für die spätere Funktion der Solarzelle nutzlosen Kostenaufwand. Der Germanium- Wafer wird lediglich während der Fertigung der Solarzelle benötigt. Anschließend wird der beispielsweise ca. 150 μm dicke Germanium- Wafer jedoch aufwändig entfernt. Es entstehen somit Kosten sowohl für den Germanium- Wafer wie auch für das anschließende Entfernen des Germanium- Wafers.On the one hand, additional work for etching or grinding is necessary for removing the germanium wafer. On the other hand, the subsequent sacrifice of the germanium wafer means a useless for the subsequent function of the solar cell cost. The germanium wafer is only needed during the manufacture of the solar cell. Subsequently, however, the example, about 150 microns thick germanium wafer is consuming removed. There are thus costs for both the germanium wafer and for the subsequent removal of the germanium wafer.
Im Stand der Technik sind Verfahren zum Herstellen von Solarzellen auf Basis von kristallinem Silizium bekannt, bei denen auf einem Siliziumsubstrat zunächst eine poröse Siliziumschicht erzeugt wird und anschließend über der porösen Siliziumschicht eine weitere Schicht aus Silizium abgeschieden wird, beispielsweise epitaktisch. Diese weitere Schicht kann anschließend von dem Siliziumsubstrat abgetrennt werden, wobei die zuvor erzeugte poröse Schicht als Sollbruchstelle dient.The prior art discloses methods for producing crystalline silicon-based solar cells in which a porous silicon layer is first produced on a silicon substrate and then a further layer of silicon is deposited over the porous silicon layer, for example epitaxially. This further layer can then be separated from the silicon substrate, wherein the previously produced porous layer serves as a predetermined breaking point.
Die abgetrennte weitere Schicht kann beispielsweise mit einer Dicke von wenigen Mikrometern ausgebildet werden und anschließend als Dünnschichtsubstrat für eine Solarzelle dienen, wobei in den nachfolgenden Schritten wesentliche Komponenten der Solarzelle, wie zum Beispiel deren Emitter und/oder deren Kontaktmetallisierung, ausgebildet werden können.The separated further layer can be formed, for example, with a thickness of a few micrometers and then serve as a thin-film substrate for a solar cell, wherein in the subsequent steps essential components of Solar cell, such as their emitter and / or their contact metallization, can be formed.
Ein solches sogenanntes Schichttransferverfahren ist beispielsweise in einem Artikel von R. Brendel in Solar Energy, 77, 2004, 969-982 sowie in DE 197 30 975 Al bzw. US 6 645 833 beschrieben. Es nutzt die Tatsache, dass die auf die poröse Schicht aufgebrachte Silizium- Dünnschicht vorzugsweise mit der gleichen Kristallstruktur aufwächst, wie das darunter angrenzende Siliziumsubstrat. Wenn als Siliziumsubstrat beispielsweise ein qualitativ hochwertiger einkristalliner Wafer verwendet wird, können auf diese Weise qualitativ hochwertige Silizium-Dünnschichten erzeugt werden, die dann als Substrate für Solarzellen mit hohem Wirkungsgradpotential verwendet werden können. Das Siliziumsubstrat wird dabei abgesehen von geringfügigen Verlusten durch das Erzeugen der porösen Schicht kaum verbraucht und kann mehrfach wiederverwendet werden.Such a so-called layer transfer method is described, for example, in an article by R. Brendel in Solar Energy, 77, 2004, 969-982 and in DE 197 30 975 A1 and US Pat. No. 6,645,833. It takes advantage of the fact that the silicon thin film deposited on the porous layer preferably grows with the same crystal structure as the silicon substrate adjacent thereto. For example, when a high-quality single-crystalline wafer is used as the silicon substrate, high-quality silicon thin films which can be used as substrates for high-efficiency solar cells can be produced. The silicon substrate is scarcely consumed except for slight losses by the generation of the porous layer and can be reused several times.
Obwohl theoretisch bereits angedacht wurde, diesen aus der Siliziumtechnologie bekannten Schichttransferprozess auch bei der Verwendung von Germanium-Substraten anzuwenden, ist dies bisher beim Versuch der tatsächlichen Umsetzung stets an in der Praxis auftretenden Problemen gescheitert.Although it has already been theorized to apply this layer transfer process, known from silicon technology, also to the use of germanium substrates, this has hitherto always failed in attempting to actually implement real-world problems.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Es kann daher ein Bedarf an einem Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes, insbesondere einer Solarzelle, bestehen, bei dem die oben genannten Probleme zumindest teilweise überwunden werden. Insbesondere kann ein Bedarf an einem Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes, insbesondere einer Solarzelle, bestehen, bei dem sich eine dünne Germanium- Schicht von einem Germanium-Substrat ablösen lässt und anschließend als Substrat für das Halbleiterbauelement auf Basis einer Halbleiterdünnschicht dienen kann. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes, insbesondere einer Solarzelle, auf Basis einer Germanium- Dünnschicht vorgeschlagen. Das Verfahren weist dabei die nachfolgenden Prozessschritte auf: Bereitstellen eines Germanium-Substrates; Ausbilden einer porösen Schicht an einer Oberfläche des Germanium-Substrates durch elektrochemisches Ätzen des Germanium- Substrates in einer Ätzlösung; Abscheiden einer Halbleiterdünnschicht auf der porösen Schicht; und Abtrennen der Germanium-Dünnschicht von dem Siliziumsubstrat, wobei die poröse Schicht als Sollbruchstelle dient. Während des elektrochemischen Ätzens des Germanium-Substrates wird dabei eine zwischen dem Germanium-Substrat und einer externen Elektrode angelegte Spannung mehrfach umgepolt.There may therefore be a need for a method for producing a semiconductor component, in particular a solar cell, in which the above-mentioned problems are at least partially overcome. In particular, there may be a need for a method for producing a semiconductor component, in particular a solar cell, in which a thin germanium layer can be detached from a germanium substrate and subsequently serve as a substrate for the semiconductor component based on a semiconductor thin film. According to one aspect of the present invention, a method for producing a semiconductor component, in particular a solar cell, based on a germanium thin film is proposed. The method has the following process steps: provision of a germanium substrate; Forming a porous layer on a surface of the germanium substrate by electrochemically etching the germanium substrate in an etching solution; Depositing a semiconductor thin film on the porous layer; and separating the germanium thin film from the silicon substrate, wherein the porous layer serves as a predetermined breaking point. During the electrochemical etching of the germanium substrate, a voltage applied between the germanium substrate and an external electrode is reversed several times.
Die vorliegende Erfindung kann als auf der folgenden Erkenntnis beruhend angesehen werden:The present invention can be considered to be based on the following finding:
Bisher konnten Schichttransferverfahren zur Bildung von Halbleiter dünnschichten lediglich mit Siliziumsubstraten erfolgreich durchgeführt werden. Versuche, Schichttransferprozesse auch bei Germanium-Substraten einzusetzen, sind bisher an bei der praktischen Umsetzung auftretenden Problemen gescheitert. Als ein solches auftretendes Problem wurde von den Erfindern der vorliegenden Erfindung erkannt, dass die Verfahren zur Erzeugung einer porösen Schicht durch elektrochemisches Ätzen, wie sie bei der Erzeugung einer porösen Schicht in Silizium bekannt und bei der Realisierung von Schichttransferprozessen erfolgreich sind, bei der Verwendung von Germanium-Substraten nicht zu zufriedenstellenden Ergebnissen führen.So far, layer transfer processes for the formation of semiconductor thin films could be carried out successfully only with silicon substrates. Attempts to use layer transfer processes even with germanium substrates have hitherto failed due to problems occurring during the practical implementation. As such a problem encountered, it has been recognized by the inventors of the present invention that the methods for forming a porous layer by electrochemical etching, as known in the production of a porous layer in silicon and successful in the realization of layer transfer processes, are the use of Germanium substrates do not lead to satisfactory results.
Beim elektrochemischen Ätzen wird die Oberfläche eines zu ätzenden Substrates mit einer Ätzlösung in Kontakt gebracht. Zwischen einer mit dem Substrat in Kontakt stehenden Elektrode und einer mit der Ätzlösung in Kontakt stehenden, externen Elektrode wird dann eine elektrische Spannung angelegt, die einen sogenannten Ätzstrom fließen lässt. Aufgrund elektrochemischer Reaktionen kann es zu einem Aufoxidieren der Substratoberfläche und zu einem anschließenden Wegätzen der aufoxidierten Substratoberfläche durch die benetzende Ätzlösung kommen. Da dieser Vorgang generell nicht homogen abläuft, sondern sich auf Nukleationskeime konzentriert, kommt es zu einem inhomogenen Ätzen der Substratoberfläche, wodurch eine poröse Oberflächenschicht entstehen kann.In electrochemical etching, the surface of a substrate to be etched is brought into contact with an etching solution. Between an electrode in contact with the substrate and an external electrode in contact with the etching solution is then an electric voltage is applied, which allows a so-called etching current to flow. Due to electrochemical reactions, the surface of the substrate may be oxidized and then the etched-on etching solution may be etched away. Since this process is generally not homogeneous, but focuses on nucleation nuclei, an inhomogeneous etching of the substrate surface occurs, which may result in a porous surface layer.
Bei Siliziumsubstraten wurde beobachtet, dass durch entsprechendes Einstellen der Spannung zwischen dem Siliziumsubstrat und der externen Elektrode der entstehende Ätzstrom derart eingestellt werden kann, dass eine gewünschte Porosität der erzeugten porösen Schicht beeinflusst werden kann. Die Porosität ergibt sich hier unter anderem durch die Anzahl bzw. Dichte sowie die Größe der erzeugten Poren. Durch sukzessives Ändern der verwendeten Ätzspannung bzw. des verwendeten Ätzstromes kann dabei eine sogenannte poröse Doppelschichtstruktur erzeugt werden, bei der direkt an der Oberfläche des zu ätzenden Substrates eine geringere Porosität erzeugt wird als tiefer im Inneren des Substrates. Der Bereich der tiefer liegenden, höheren Porosität kann später beim Abtrennen der darüber liegenden Schicht mit geringer Porosität als Sollbruchstelle dienen.For silicon substrates, it has been observed that by appropriately adjusting the voltage between the silicon substrate and the external electrode, the resulting etching current can be adjusted so that a desired porosity of the generated porous layer can be affected. Among other things, the porosity results from the number or density as well as the size of the pores produced. By successively changing the etching voltage used or the etching current used, a so-called porous double-layer structure can be produced in which a lower porosity is generated directly at the surface of the substrate to be etched than deeper inside the substrate. The area of the deeper, higher porosity can later serve as a predetermined breaking point when separating the overlying layer with low porosity.
Die Erzeugung einer solchen vorteilhaften Doppelschichtstruktur mit entsprechend angeordneten Bereichen unterschiedlicherer Porosität ist bisher bei Germanium-Substraten nicht gelungen. Als mögliche Erklärung hierfür haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung erkannt, dass beim elektrochemischen Ätzen von Silizium der Ätzvorgang vornehmlich zu einer Vertiefung der Poren führt, die Oberflächenbereiche neben den Poren jedoch beim Ätzen anscheinend kaum angegriffen werden. Durch entsprechendes Variieren des Ätzstromes kann die Porengröße dort im Inneren des Substrates, wo gerade geätzt wird, eingestellt werden.The production of such an advantageous double-layer structure with correspondingly arranged regions of different porosity has hitherto not been successful with germanium substrates. As a possible explanation for this, the inventors of the present invention have recognized that during the electrochemical etching of silicon, the etching process primarily leads to a depression of the pores, but the surface areas next to the pores are apparently hardly attacked during etching. By correspondingly varying the etching current, the pore size can be adjusted in the interior of the substrate where etching is taking place.
Dies scheint bei Germanium-Substraten nicht ohne Weiteres möglich zu sein. Es wurde von den Erfindern der vorliegenden Erfindung beobachtet, dass beim elektrochemischen Ätzen von Germanium sich zwar auch die Tiefe der Poren sukzessive vergrößert, gleichzeitig anscheinend jedoch auch die angrenzenden Bereiche an der Oberfläche des Germanium-Substrates weggeätzt werden. Die Ätzrate, mit der die Tiefe der Poren zunimmt, scheint dabei allenfalls geringfügig höher zu sein als die Ätzrate an der Substratoberfläche .This does not seem to be readily possible with germanium substrates. It has been observed by the inventors of the present invention that although the depth of the pores is successively increased in the electrochemical etching of germanium, at the same time apparently the adjacent regions on the surface of the germanium substrate are also etched away. The etching rate, with which the depth of the pores increases, seems to be at most slightly higher than the etching rate at the substrate surface.
Hierdurch lässt sich erklären, dass das Substrat, wenn eine poröse Schicht ausreichender Dicke erzeugt werden soll, gleichzeitig auch stark zurückgeätzt wird, das heißt, dass seine Gesamtdicke abnimmt. Die vermutete Tatsache, dass Germanium während des elektrochemischen Ätzens nicht nur in der Tiefe der Poren geätzt wird, sondern auch an der Oberfläche, führt somit dazu, dass zum Ausbilden einer ausreichend dicken porösen Schicht ein erheblicher Gesamtverlust an Germanium akzeptiert werden muss.As a result, it can be explained that if a porous layer of sufficient thickness is to be produced, the substrate is also etched back strongly at the same time, that is to say that its total thickness decreases. The presumed fact that germanium is etched during the electrochemical etching not only at the depth of the pores, but also at the surface, thus leads to the fact that a considerable total loss of germanium must be accepted for forming a sufficiently thick porous layer.
Außerdem kann aufgrund der vermuteten Tatsache, dass die Oberfläche beim Vertiefen der Poren stets mitgeätzt wird, keine geeignete Doppelschichtstruktur mit großen Poren in der Tiefe und kleinen Poren an der Oberfläche erzeugt werden.In addition, due to the presumed fact that the surface is always etched as the pores deepen, it is not possible to produce a suitable bilayer structure with large pores in the depth and small pores on the surface.
Außerdem wurde beobachtet, dass es unter bestimmten Ätzbedingungen zu einem unkontrolierten, selbständigen Ablösen eine Germaniumoberflächenschicht kommen kann, die dann aufgrund ihrer mangelndem mechanischen Stabilität nicht mehr als Substrat für die epitaktische Ausbildung eine Dünnschichtsolarzelle dienen kann.In addition, it has been observed that under certain etching conditions, an uncontrolled self-detachment of a germanium surface layer may occur which, due to its lack of mechanical stability, can no longer serve as a substrate for the epitaxial formation of a thin-film solar cell.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben nun erkannt, dass das beim elektrochemischen Ätzen der Poren gleichzeitig auftretende Anätzen der Substratoberfläche zumindest zeitweilig unterbunden bzw. gehemmt werden kann dadurch, dass während des elektrochemischen Ätzens eine zwischen dem Germanium-Substrat und einer externen Elektrode angelegte Spannung wiederholt kurzzeitig umgepolt wird. Es wurde beobachtet, dass durch ein solches zeitweises, mehrfaches Umpolen der angelegten Spannung während des elektrochemischen Ätzens eine vorteilhafte Ausgestaltung der erzeugten porösen Schicht erreicht werden kann.The inventors of the present invention have now recognized that the etching of the substrate surface occurring simultaneously during the electrochemical etching of the pores can be at least temporarily prevented or inhibited by the fact that during the electrochemical etching, a voltage applied between the germanium substrate and an external electrode is repeated briefly is reversed. It was observed that by such temporary, multiple reversal of the applied voltage during the electrochemical etching, an advantageous embodiment of the porous layer produced can be achieved.
Eine von den Erfindern der vorliegenden Erfindung entwickelte mögliche Erklärung dieses beobachteten Effekts lautet wie folgt: Während einer Ätzphase, bei der eine sogenannte anodische Vorspannung zwischen dem Germanium-Substrat und der externen Elektrode herrscht, so dass ein Ätzstrom fließt, wird das Germanium aufgrund von elektrochemischen Prozessen angeätzt. Dies entspricht dem herkömmlichen elektrochemischen Ätzen. Bei Umpolung der angelegten Spannung, das heißt unter kathodischer Vorspannung, bei der die angelegte Spannung derart gewählt ist, dass kein substantieller Ätzstrom fließt, kommt es zu keinem wesentlichen Ätzen des Germaniums. Dementsprechend wird ein Wachsen der Poren gestoppt. Gleichzeitig scheint es aber auch zu einer Passivierung der Germanium-Oberfläche mit Wasserstoffϊonen (H+) zu kommen. Diese Passivierung der Germanium-Oberfläche scheint in einem nachfolgenden Ätzschritt, bei dem wieder eine anodische Vorspannung eingestellt wird, das Anätzen der Oberfläche temporär zu hemmen. Eine mögliche Ursache hierfür könnten Leckageströme sein. Indem die angelegte Spannung mehrfach umgepolt wird, kann während der Phasen der anodischen Vorspannung einerseits die Größe und Tiefe der erzeugten Poren durch entsprechende Wahl der anodischen Vorspannung beeinflusst werden, andererseits kann während der Phasen der kathodischen Vorspannung eine Passivierung der Substratoberfläche erreicht werden, die ein gleichzeitiges Anätzen der Substratoberfläche während einer nachfolgenden Phase anodischer Vorspannung hemmt. Auf diese Weise können poröse Schichten geeigneter Porengröße und Geometrie erzeugt werden, die für eine Anwendung in einem Schichttransferverfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes geeignet sind.A possible explanation of this observed effect developed by the inventors of the present invention is as follows: During an etching phase in which a so-called anodic bias between the germanium substrate and the external electrode prevails, so that an etching current flows, the germanium becomes due to electrochemical Processes etched. This corresponds to conventional electrochemical etching. When the applied voltage is reversed, that is to say under cathodic bias, in which the applied voltage is selected in such a way that no substantial etching current flows, there is no significant etching of the germanium. Accordingly, growth of the pores is stopped. At the same time, however, it appears that the germanium surface is passivated by hydrogen ions (H + ). This passivation of the germanium surface appears to temporarily inhibit the etching of the surface in a subsequent etching step in which anodic prestressing is again set. One possible cause of this could be leakage currents. By reversely polarizing the applied voltage, during the anodic bias phases, on the one hand, the size and depth of the generated pores can be influenced by appropriate selection of the anodic bias, and on the other hand, during the cathodic bias phases, passivation of the substrate surface can be achieved Etching the substrate surface during a subsequent phase of anodic bias. In this way, porous layers of suitable pore size and geometry suitable for use in a layer transfer process for producing a semiconductor device can be produced.
Mit dem hier vorgestellten Herstellungsverfahren lassen sich unter anderem einerseits in einfacher Weise Dünnschichtsolarzellen z.B. für den Einsatz als Weltraumsolarzellen oder Konzentratorsolarzellen herstellen, andererseits kann das bei der Herstellung verwendete Halbleitersubstrat nach dem Ablösen der darauf abgeschiedenen Dünnschicht in vorteilhafter Weise wiederverwenden, wodurch eine erhebliche Materialeinsparung möglich wird.The production method presented here makes it possible, on the one hand, to produce, for example, thin-film solar cells, for example, for use as space solar cells or concentrator solar cells, on the other hand, this can be used in the production Reuse semiconductor substrate after detachment of the thin film deposited thereon advantageously, whereby a considerable material savings is possible.
Mögliche Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen des erfmdungsgemäßen Herstellungsverfahrens werden im Anschluss detaillierter beschrieben.Possible features and advantages of embodiments of the inventive manufacturing method will be described in more detail below.
Das im Rahmen des erfmdungsgemäßen Herstellungsverfahrens bereitgestellte Germanium- Substrat kann eine beliebige Struktur und Geometrie aufweisen. Vorzugsweise wird als Germanium-Substrat ein Germanium- Wafer hoher Qualität, beispielsweise aus einkristallinem Germanium, verwendet. . Das Germaniumsubstrat kann plane oder texturierte Oberflächen aufweisen. Insbesondere bei der Herstellung von Solarzellen kann es vorteilhaft sein, wenn die Substratoberfläche, die später die zur Sonneneinstrahlung gerichtete Seite der Solarzelle bildet, eine Oberflächentexturierung aufweist.The germanium substrate provided in the context of the production method according to the invention can have any desired structure and geometry. Preferably, a germanium wafer of high quality, for example of monocrystalline germanium, is used as the germanium substrate. , The germanium substrate may have planar or textured surfaces. In particular, in the production of solar cells, it may be advantageous if the substrate surface, which later forms the solar radiation directed side of the solar cell, has a surface texturing.
Die poröse Schicht kann an der Oberfläche des Germanium-Substrates durch elektrochemisches Ätzen erzeugt werden, indem die Oberfläche des Germanium-Substrates mit einer Ätzlösung in Kontakt gebracht wird und gleichzeitig eine elektrische Spannung zwischen der Substratoberfläche und der Ätzlösung angelegt wird. Mit anderen Worten liegen die Oberfläche des Germanium- Substrates und die Ätzlösung auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen. Bei geeigneter Polung der angelegten Spannung kann es zu einer elektrochemischen Reaktion kommen, die zu einem Ätzen der Substratoberfläche insbesondere lokal an Nukleationszentren führen kann.The porous layer may be formed on the surface of the germanium substrate by electrochemical etching by bringing the surface of the germanium substrate into contact with an etching solution and simultaneously applying an electric voltage between the substrate surface and the etching solution. In other words, the surface of the germanium substrate and the etching solution are at different electrical potentials. With a suitable polarity of the applied voltage, an electrochemical reaction can occur which can lead to an etching of the substrate surface, in particular locally at nucleation centers.
Während des Ausbildens der porösen Schicht wird die angelegte Spannung mehrfach umgepolt, um zeitweise eine anodische Vorspannung zum eigentlichen Ätzen und zeitweise eine kathodische Vorspannung zum Passivieren der freiliegenden Germanium- Substratoberfläche anliegen zu haben. Die Spannung kann abrupt oder kontinuierlich umgepolt werden, zum Beispiel von einer anodischen Vorspannung eines ersten Spannungswertes auf eine kathodische Vorspannung eines zweiten Spannungswertes mit entgegengesetztem Vorzeichen zum ersten Spannungswert. Die Spannungswerte können dabei abhängig von der Größe des Substrates im Bereich von unter 1 V, beispielsweise 0,001V, bis hin zu vielen Volt, beispielsweise 1000V, liegen. Der erste und der zweite Spannungswert können sich betragsmäßig unterscheiden, das heißt zum Beispiel kann der Betrag der negativen anodischen Vorspannung größer sein als der Betrag der positiven kathodischen Vorspannung. Die Zeitdauern zwischen den Spannungsumpolungen können im Bereich weniger Sekunden oder sogar weniger als einer Sekunde bis hin zu wenigen Minuten liegen. Zum Beispiel kann eine Phase, in der eine gewisse Vorspannung anliegt, kürzer als 10 Minuten sein. Ferner können sich die Zeitdauern der Phasen anodischer Vorspannung von denjenigen kathodischer Vorspannung unterscheiden.During the formation of the porous layer, the applied voltage is reversed several times to temporarily apply an anodic bias to the actual etch and, at times, a cathodic bias to passivate the exposed germanium substrate surface. The voltage can be reversed abruptly or continuously, for example, from an anodic bias of a first Voltage value to a cathodic bias of a second voltage value with opposite sign to the first voltage value. Depending on the size of the substrate, the voltage values can range from below 1 V, for example 0.001 V, to many volts, for example 1000 V. The first and second voltage values may vary in magnitude, that is, for example, the amount of negative anodic bias may be greater than the amount of positive cathodic bias. The time periods between the voltage reversals can range from a few seconds or even less than a second to a few minutes. For example, a phase in which a certain bias is applied may be shorter than 10 minutes. Furthermore, the durations of the phases of anodic bias may differ from those of cathodic bias.
Die auf der porösen Germanium- Schicht abgeschiedene Halbleiterdünnschicht kann mittels verschiedener Epitaxieverfahren erzeugt werden. . Es kann lediglich eine homogene Schicht oder alternativ eine Mehrzahl an übereinander gestapelten Schichten abgeschieden werden. Der Begriff „Dünnschicht" kann hierbei derart verstanden werden, dass die abgeschiedenen Schicht aus einer oder mehreren Teilschichten besteht, wobei jede Teilschicht alleine eine im Vergleich zu Halbleiterwafern geringe Dicke aufweist, beispielsweise weniger als 50μm, vorzugsweise weniger als lOμm. Beispielsweise kann die Schicht durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD - Chemical Vapour Deposition), physikalische Gasphasenabscheidung (PVD - Physical Vapour Deposition) und Flüssigphasenepitaxie (LPE - Liquid Phase Epitaxy) abgeschieden werden. Die Halbleiterdünnschicht kann direkt an der Germaniumoberfläche und in mechanischem Kontakt mit dieser abgeschieden werden. Alternativ können zwischen der Germaniumoberfläche und der Halbleiterdünnschicht auch elektrisch leitende Zwischenschichten z.B. aus TCO (transparent conductive oxide) oder Pufferschichten ausgebildet sein. Die Halbleiterdünnschicht kann aus einem beliebigen Halbleiter gebildet sein. Insbesondere können Halbleitermaterialien bevorzugt sein, die eine ähnliche Gitterkonstante wie Germanium aufweisen. Neben Germanium selbst können dies auch Verbindungshalbleiter wie zum Beispiel Galliumarsenid (GaAs) sein. Die Halbleiterdünnschicht kann mit einer Dicke von wenigen 100 nm bis zu über 100 μm, beispielsweise zwischen 500 nm und 100 μm, vorzugsweise zwischen 10 μm und 30 μm, abgeschieden werden.The semiconductor thin film deposited on the porous germanium layer may be formed by various epitaxial methods. , Only a homogeneous layer or alternatively a plurality of layers stacked on top of one another can be deposited. The term "thin film" can be understood in this case such that the deposited layer consists of one or more sub-layers, each sub-layer alone having a small thickness compared to semiconductor wafers, for example less than 50 μm, preferably less than 10 μm chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD) and liquid phase epitaxy (LPE) deposition, and the semiconductor thin film can be deposited directly on and in mechanical contact with the germanium surface The germanium surface and the semiconductor thin layer may also be formed as electrically conductive intermediate layers, for example of TCO (transparent conductive oxides) or buffer layers termaterialien be preferred, which have a similar lattice constant as germanium. Besides germanium itself this can also be compound semiconductors such as gallium arsenide (GaAs). The semiconductor thin film can be deposited with a thickness of a few 100 nm up to more than 100 μm, for example between 500 nm and 100 μm, preferably between 10 μm and 30 μm.
Um die Halbleiterdünnschicht von dem Germanium-Substrat abzutrennen, kann beispielsweise eine mechanische Kraft auf die Halbleiterdünnschicht ausgeübt werden. Beispielsweise kann die Halbleiterdünnschicht an ein Trägersubstrat, beispielsweise aus Glas, angehaftet/gebondet werden. Zu diesem Zweck kann ein Verfahren, wie es beispielsweise bei der Modulverkapselung eingesetzt wird, oder ein Sol-Gel-V erfahren verwendet werden. Mit Hilfe des Trägersubstrates kann dann die Halbleiterdünnschicht von dem Germanium- Substrat abgehoben werden, wobei die zuvor erzeugte poröse Schicht insbesondere in den Bereichen mit der höchsten Porosität als Sollbruchstelle dienen kann, entlang der sich der Abtrennvorgang vollzieht.In order to separate the semiconductor thin film from the germanium substrate, for example, a mechanical force may be applied to the semiconductor thin film. For example, the semiconductor thin film may be adhered / bonded to a supporting substrate, such as glass. For this purpose, a method such as used in module encapsulation or a sol-gel method can be used. With the aid of the carrier substrate, the semiconductor thin film can then be lifted off the germanium substrate, wherein the previously produced porous layer can serve as a predetermined breaking point, in particular in the areas with the highest porosity, along which the separation process takes place.
Bereits vor dem Abtrennen der Halbleiterdünnschicht oder alternativ nach dem Abtrennen können an der Halbleiterdünnschicht weitere Prozessschritte durchgeführt werden, um Komponenten, die für die Funktion als Halbleiterbauelement, insbesondere als Solarzelle, notwendig oder hilfreich sein können, auszubilden. Beispielsweise können in der Halbleiterdünnschicht dotierte Bereiche erzeugt werden, die einen Emitter oder ein BSF (Back Surface Field) bilden. Die dotierten Bereiche können beispielsweise durch Eindiffundieren von Dotanden erzeugt werden. Alternativ können dotierte Bereiche durch epitaktisches Aufbringen dotierter Halbleiterschichten erzeugt werden, so dass sich Heterostrukturen ausbilden lassen, bei denen zum Beispiel der Emitter durch eine Schicht aus einem ersten Halbleitermaterial und die Basis durch eine Schicht aus einem zweiten, anderen Halbleitermaterial gebildet sein kann. Ferner können elektrische Kontakte beispielsweise in Form von Metallisierungen oder durch transparente leitfähige Oxide (TCO - Transparent Conductive Oxides) an den Oberflächen der Halbleiterdünnschicht gebildet werden. Außerdem können Dielektrikumschichten an der Oberfläche gebildet werden, die als Oberflächenpassivierung, Antireflexschicht oder Rückseitenspiegel dienen können.Already before the separation of the semiconductor thin layer or alternatively after the separation, further process steps can be carried out on the semiconductor thin layer in order to form components which may be necessary or helpful for the function as a semiconductor component, in particular as a solar cell. For example, doped regions which form an emitter or a BSF (Back Surface Field) can be produced in the semiconductor thin film. The doped regions can be produced, for example, by diffusion of dopants. Alternatively, doped regions may be formed by epitaxially depositing doped semiconductor layers so that heterostructures can be formed in which, for example, the emitter may be formed by a layer of a first semiconductor material and the base by a layer of a second, different semiconductor material. Furthermore, electrical contacts can be formed, for example, in the form of metallizations or by transparent conductive oxides (TCO) on the surfaces of the semiconductor thin film. In addition, dielectric layers can be formed on the surface which can serve as surface passivation, antireflective layer or back mirror.
Gemäß einer Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung wird die Spannung, die während des elektrochemischen Ätzens des Germanium-Substrates zwischen dem Germanium-Substrat und der externen Elektrode angelegt ist, periodisch umgepolt. Mit anderen Worten kann innerhalb einer sich zyklisch wiederholenden Periodendauer die Spannung während eines ersten Zeitraums als anodische Vorspannung angelegt sein und dann während eines zweiten Zeitraums als kathodische Vorspannung, wobei die jeweiligen Umpolungen sich periodisch wiederholen. Ein solches sich periodisch wiederholendes Spannungsschema kann technologisch einfach generiert werden. Die Spannung kann dabei abrupt oder auch kontinuierlich von einer anodischen Vorspannung hin zu einer kathodischen Vorspannung umgepolt werden.According to an embodiment of the present invention, the voltage applied during the electrochemical etching of the germanium substrate between the germanium substrate and the external electrode is periodically reversed. In other words, within a cyclically repeating period, the voltage may be applied as an anodic bias for a first period of time and then as a cathodic bias for a second period, with the respective polarities repeating periodically. Such a periodically repeating voltage scheme can be generated technologically simple. The voltage can be reversed abruptly or continuously from an anodic bias to a cathodic bias.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird während des elektrochemischen Ätzens eine erste Zeitdauer, bei der eine anodische Vorspannung herrscht, das heißt, während der die zwischen dem Germanium-Substrat und der externen Elektrode angelegte Spannung derart gewählt ist, dass ein Ätzstrom fließt, länger gewählt sein als eine nachfolgende zweite Zeitdauer, bei der eine kathodische Vorspannung herrscht, das heißt, während der die angelegte Spannung derart gewählt ist, dass im Wesentlichen kein Ätzstrom fließt. Beobachtungen haben gezeigt, dass es genügt, eine kathodische Vorspannung lediglich für kurze Zeit anzulegen, um die gewünschte Passivierung der Germanium-Substratoberfiäche zu erreichen. Damit kann die zur Passivierung notwendige kathodische Vorspannung zeitlich kürzer angelegt werden als die zum eigentlichen Ätzen benutzte anodische Vorspannung, so dass die Gesamtätzdauer möglichst kurz gehalten werden kann.According to another embodiment of the present invention, during the electrochemical etching, a first period of time in which an anodic bias prevails, that is, during which the voltage applied between the germanium substrate and the external electrode is selected such that an etching current flows, becomes longer be selected as a subsequent second period of time during which a cathodic bias prevails, that is, during which the applied voltage is selected such that substantially no etching current flows. Observations have shown that it is sufficient to apply a cathodic bias only for a short time, in order to achieve the desired passivation of the germanium Substratoberfiäche. Thus, the cathodic bias necessary for passivation can be applied shorter in time than the anodic bias used for the actual etching, so that the total etching time can be kept as short as possible.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Ätzlösung einen Anteil von mindestens 10 Vol-% Flusssäure (HF) auf. Beobachtungen haben gezeigt, dass sowohl die Ätzgeschwindigkeit als auch das gesamte Ätzergebnis stark von der Konzentration der Ätzlösung abhängen können. Dabei wurde beobachtet, dass mit sinkender Konzentration die Ätzgeschwindigkeit nicht nur entsprechend abnehmen kann, sondern dass unterhalb einer bestimmten Mindestkonzentration eventuell überhaupt kein signifikantes Ätzen mehr beobachtet werden kann. Eine Lösung aus Flusssäure (HF) in Wasser mit einer gewissen Mindestkonzentration von wenigstens 10 Vol-% HF, vorzugsweise einer Konzentration von mindestens 20 Vol-% und stärker bevorzugt einer Konzentration von zwischen 30 und 50 Vol-%, wurde als geeignete Ätzlösung erkannt.According to a further embodiment of the present invention, the etching solution has a proportion of at least 10% by volume of hydrofluoric acid (HF). Observations have shown that both the etching rate and the total etching result can depend strongly on the concentration of the etching solution. It was observed that with decreasing concentration, the etching rate can not only decrease correspondingly, but that below a certain minimum concentration, possibly no significant etching can be observed at all. A solution of hydrofluoric acid (HF) in water having a certain minimum concentration of at least 10% by volume of HF, preferably at least 20% by volume, and more preferably at between 30 and 50% by volume, has been identified as a suitable etching solution.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das bereitgestellte Germanium-Substrat einen spezifischen Widerstand von weniger als 1 Ohm-cm (Ohm- Zentimeter) auf. Es wurde beobachtet, dass das Ergebnis des elektrochemischen Ätzens stark von der Ladungsträgerdichte in dem verwendeten Germanium-Substrat abhängt und sich mit zunehmender Ladungsträgerdichte, das heißt mit abnehmendem spezifischem Widerstand des Substrates, verbessert. Insbesondere wurde beobachtet, dass bei Germanium- Substraten mit einer zu geringen Ladungsträgerdichte, das heißt einem zu hohen spezifischen Widerstand, kein zufriedenstellendes Ätzergebnis erreicht werden konnte. Vorzugsweise sollte der spezifische Widerstand des Germanium- Substrats kleiner als 100 mθhm-cm, stärker bevorzugt kleiner als 50 mθhm-cm und noch stärker bevorzugt zwischen 10 und 35 mOhm- cm betragen. Ferner kann eine bestimmte Kristallorientierung des Germanium-Substrates zu einem vorteilhaften Ätzergebnis führen. Germanium- Wafer, mit einer 100-Orientierung wurden als vorteilhaft erkannt. Ferner kann eine Polierung der Oberfläche vorteilhaft wirken.According to another embodiment of the present invention, the provided germanium substrate has a resistivity of less than 1 ohm-cm (ohm-centimeter). It has been observed that the result of the electrochemical etching depends strongly on the charge carrier density in the germanium substrate used and improves with increasing carrier density, ie with decreasing resistivity of the substrate. In particular, it was observed that with germanium substrates with too low a charge carrier density, ie a too high specific resistance, no satisfactory etching result could be achieved. Preferably, the resistivity of the germanium substrate should be less than 100mθhm-cm, more preferably less than 50mθhm-cm, and even more preferably between 10 and 35mOhm-cm. Furthermore, a specific crystal orientation of the germanium substrate can lead to an advantageous etching result. Germanium wafers with a 100 orientation were found to be advantageous. Furthermore, a polishing of the surface can act advantageously.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das bereitgestellte Germanium-Substrat vom p-Halbleitertyp. Es wurde beobachtet, dass sich bei p-Typ- Germanium- Substraten bessere Ätzergebnisse erzielen lassen als bei n-Typ-Germanium- Substraten. Um auch auf n-Typ-Germanium-Substraten zufriedenstellende Ätzergebnisse erreichen zu können, können zusätzliche Maßnahmen vorteilhaft sein. Zum Bespiel können durch Beleuchten mit Licht zusätzliche Ladungsträger in dem Substrat erzeugt werden, wodurch der Ätzvorgang unterstützt werden kann.According to another embodiment of the present invention, the provided germanium substrate is of p-type semiconductor. It has been observed that better etch results can be achieved with p-type germanium substrates than with n-type germanium substrates. In order to be able to achieve satisfactory etching results on n-type germanium substrates, additional measures may be advantageous. For example by illumination with light additional charge carriers are generated in the substrate, whereby the etching process can be assisted.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden Einflussparameter während des elektrochemischen Ätzens derart gewählt, dass die poröse Schicht als mikroporöse oder mesoporöse Schicht ausgebildet wird. Unter eine mikroporösen Schicht wird dabei nach IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) eine Schicht mit einer durchschnittlichen Porengröße von weniger als 10 nm verstanden. Bei einer mesoporösen Schicht ist die Porengröße zwischen 10 und 50 nm. Solche im Vergleich zu makroporösen Schichten kleinporigen porösen Schichten können für den Einsatz bei Schichttransferprozessen vorteilhaft sein. Einflussparameter, die auf die Art und Geschwindigkeit des Ätzvorgangs und die dabei entstehenden Poren Einfluss haben können, sind unter anderem der durch die angelegte anodische Vorspannung bewirkte Ätzstrom, die Temperatur, die Konzentration der Ätzlösung sowie die Dotierungskonzentration des Germanium-Substrates an der zu ätzenden Oberfläche. Ein weiterer Einflussparameter ist die Dauer der jeweiligen Phasen mit einer anodischen bzw. kathodischen Vorspannung, das heißt, die Phasendauern zwischen den Umschaltvorgängen der angelegten Ätzspannung.According to a further embodiment of the present invention, influencing parameters during the electrochemical etching are selected such that the porous layer is formed as a microporous or mesoporous layer. Under a microporous layer is understood according to IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), a layer having an average pore size of less than 10 nm. For a mesoporous layer, the pore size is between 10 and 50 nm. Such porous layers, which have a small pore size compared to macroporous layers, may be advantageous for use in layer transfer processes. Influencing parameters which may influence the type and speed of the etching process and the resulting pores include the etching current caused by the applied anodic bias, the temperature, the concentration of the etching solution and the doping concentration of the germanium substrate on the surface to be etched , Another influencing parameter is the duration of the respective phases with an anodic or cathodic bias, that is, the phase durations between the switching operations of the applied etching voltage.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden Einflussparameter während des elektrochemischen Ätzens derart gewählt, dass außerhalb einer ersten hochporösen Schicht eine zweite niederporöse Schicht ausgebildet wird. Der Begriff „außerhalb" kann dabei als „näher zur Oberfläche des Germanium-Substrates gelegen" interpretiert werden. Mit anderen Worten sollen die Einflussparameter derart gewählt werden, dass sich durch das elektrochemische Ätzen eine Doppelschicht ergibt, bei der direkt an der Oberfläche des Germanium-Substrates eine kleinere Porengröße bzw. Porendichte erzeugt wird als tiefer im Inneren des Germanium-Substrates. Beispielsweise kann die poröse Schicht direkt an der Oberfläche des Substrates mikroporös sein, während sie darunter mesoporös sein kann. Ein wichtiger und einfach zu beeinflussender Einflussparameter ist hierbei die während des Ätzens angelegte Spannung sowie die Dauern der einzelnen Ätz- bzw. Passivierungsphasen.In accordance with a further embodiment of the present invention, influencing parameters during the electrochemical etching are selected such that a second low-porous layer is formed outside a first highly porous layer. The term "outside" can be interpreted as being "closer to the surface of the germanium substrate". In other words, the influencing parameters should be chosen such that the electrochemical etching results in a double layer in which a smaller pore size or pore density is produced directly on the surface of the germanium substrate than deeper inside the germanium substrate. For example, the porous layer may be microporous directly at the surface of the substrate, while below it may be mesoporous. An important and easy to influence Influencing parameters here are the voltage applied during the etching and the durations of the individual etching or passivation phases.
Die hochporöse Schicht kann beispielsweise eine Porosität von zwischen 20 % und 60 %, vorzugsweise zwischen 30 % und 50 % aufweisen. Versuche haben ergeben, dass die poröse Schicht bei einer zu geringen Porosität schlecht als Sollbruchstelle beim anschließenden Abtrennvorgang dienen kann. Bei einer zu hohen Porosität können Probleme beim Ausbilden der Halbleiterdünnschicht auf der porösen Schicht auftreten, da sich das epitaktisch abgeschiedene Halbleitermaterial aufgrund eventuell zu großer Poren oder Krater innerhalb der porösen Schicht nicht mehr zu einer geschlossenen Halbleiterdünnschicht schließen kann.The highly porous layer may, for example, have a porosity of between 20% and 60%, preferably between 30% and 50%. Experiments have shown that the porous layer can serve poorly as a predetermined breaking point in the subsequent separation process at too low a porosity. If the porosity is too high, problems can occur in forming the semiconductor thin film on the porous layer, because the epitaxially deposited semiconductor material may no longer form a closed semiconductor thin film due to excessively large pores or craters within the porous layer.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden während des Ätzens in zeitlicher Reihenfolge verschiedene Ätzlösungen verwendet. Die Ätzlösungen können sich dabei sowohl hinsichtlich der in den Lösungen enthaltenen ätzenden Substanzen als auch hinsichtlich der Konzentration dieser ätzenden Substanzen unterscheiden. Beispielsweise können HF-Lösungen verschiedener Konzentrationen verwendet werden. Es wurde beobachtet, dass die Verwendung verschiedener Ätzlösungen zu unterschiedlichen Ätzergebnissen, insbesondere auch hinsichtlich der erzeugten Porosität, führen kann. Daher kann es vorteilhaft sein, den Ätzvorgang zunächst mit einer Ätzlösung zu beginnen, die an der Oberfläche des Germanium-Substrates zu einer niederporösen Schicht führt, und den Ätzvorgang dann mit einer anderen Ätzlösung fortzusetzen, die tiefer im Inneren des Germanium-Substrates zu einer stärkeren Ätzaktivität und damit zu einer höheren Porosität führt. Auf diese Weise kann eine gewünschte poröse Doppelschichtstruktur erreicht werden.According to another embodiment of the present invention, different etching solutions are used during the etching in chronological order. The etching solutions may differ both with regard to the etching substances contained in the solutions and with regard to the concentration of these etching substances. For example, HF solutions of various concentrations can be used. It has been observed that the use of different etching solutions can lead to different etch results, especially with regard to the porosity produced. Therefore, it may be advantageous to begin the etching process first with an etching solution, which leads to a low-pore layer on the surface of the germanium substrate, and then continue the etching process with a different etching solution deeper in the interior of the germanium substrate to a stronger Etching activity and thus leads to a higher porosity. In this way, a desired porous double layer structure can be achieved.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der zum elektrochemischen Ätzen verwendeten Ätzlösung ein Benetzungsmittel beigefügt. Dieses Benetzungsmittel kann bewirken, dass die eigentlichen ätzenden Substanzen der Ätzlösung die Oberfläche des Germanium-Substrates während des Ätzvorgangs gleichmäßig benetzen können. Außerdem können sich Gasbläschen aufgrund des Benetzungsmittels einfach von der Oberfläche des Germanium-Substrates lösen. Als Benetzungsmittel kann beispielsweise Ethanol (C2H6O) oder Essigsäure (C2H4O2) verwendet werden.According to another embodiment of the present invention, a wetting agent is added to the etching solution used for electrochemical etching. This wetting agent can cause the actual etching substances of the etching solution to uniformly wet the surface of the germanium substrate during the etching process can. In addition, due to the wetting agent, gas bubbles can easily detach from the surface of the germanium substrate. As the wetting agent, for example, ethanol (C 2 H 6 O) or acetic acid (C 2 H 4 O 2 ) may be used.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die poröse Schicht einem Tempern unterzogen. Unter „Tempern" kann dabei ein zusätzlicher Hochtemperaturschritt bei Temperaturen von beispielsweise oberhalb von 4500C, vorzugsweise oberhalb von 5500C, jedoch unterhalb der Schmelztemperatur von Germanium (9380C) verstanden werden. Es wurde beobachtet, dass sich die poröse Oberfläche des Germanium-Substrates aufgrund von Umformungsprozessen schließen kann, so dass das Germanium-Substrat nach dem Tempern von außen her eine geschlossene, glatte, vorzugsweise kristalline Oberfläche aufweist und erst darunter sich eine poröse Schicht erstreckt. Eine solche geschlossene Oberflächenschicht kann als vorteilhafte Startschicht für ein anschließendes epitaktisches Abscheiden einer Halbleiterdünnschicht dienen. Je nach verwendeter Temperatur und Gasphase während des Temperns, zum Beispiel Stickstoff, Stickstoff- Wasserstoff-Gemische oder Argon, kann es neben der Umformung der porösen Germanium-Oberfläche zur Entstehung von Germaniumoxiden kommen. Das Tempern kann beispielsweise zusammen mit einem anderen nachfolgenden Prozessierungsvorgang wie z.B. dem epitaktischen Abscheiden einer weiteren Schicht durchgeführt werden.According to another embodiment of the present invention, the porous layer is subjected to annealing. Under "annealing" while an additional high-temperature step at temperatures of, for example, above 450 0 C, preferably to be understood above 550 0 C, but below the melting temperature of germanium (938 0 C). It was observed that the porous surface is of the Germanium substrate may close due to deformation processes, so that the germanium substrate after annealing from the outside has a closed, smooth, preferably crystalline surface and only below it extends a porous layer Depending on the temperature and gas phase used during the annealing, for example nitrogen, nitrogen-hydrogen mixtures or argon, in addition to the transformation of the porous germanium surface, formation of germanium oxides may occur sweise be carried out together with another subsequent processing operation such as the epitaxial deposition of another layer.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die poröse Schicht in einer reduzierenden Gasatmosphäre wie zum Beispiel einer 100%igen Wasserstoffatmosphäre getempert. Eine solche reduzierende Gasatmosphäre kann zuvor bereits entstandene Germaniumoxide auflösen und zur Bildung einer geschlossenen Germanium-Oberfläche beitragen.According to another embodiment of the present invention, the porous layer is annealed in a reducing gas atmosphere such as a 100% hydrogen atmosphere. Such a reducing gas atmosphere can dissolve previously formed germanium oxides and contribute to the formation of a closed germanium surface.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die poröse Schicht in einer Schutzgasatmosphäre, beispielsweise in einer Atmosphäre aus Argon (Ar) getempert. Das Tempern in einer Schutzgasatmosphäre erlaubt eine Umformung der porösen Germanium-Substratoberfläche ohne eine störende Oxidbildung.According to a further embodiment of the present invention, the porous layer is annealed in a protective gas atmosphere, for example in an atmosphere of argon (Ar). The annealing in a protective gas atmosphere allows a reshaping of the porous germanium substrate surface without any annoying oxide formation.
Es wird angemerkt, dass die Ausführungsformen, Merkmale und Vorteile der Erfindung teilweise in Bezug auf das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für ein Halbleiterbauelement und teilweise in Bezug auf das mit Hilfe eines solchen Verfahrens herstellbare Halbleiterbauelement beschrieben wurden. Ein Fachmann wird jedoch erkennen, dass, sofern dies nicht anders angegeben ist, die Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung auch jeweils analog auf das Halbleiterbauelement/das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren übertragen werden können und umgekehrt. Insbesondere wird ein Fachmann erkennen, dass Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen auch in beliebiger Weise untereinander kombiniert werden können.It is noted that the embodiments, features, and advantages of the invention have been described in part with respect to the semiconductor device manufacturing method of the present invention and partially with respect to the semiconductor device fabricatable by such method. One skilled in the art will recognize, however, that unless otherwise stated, the embodiments and features of the invention may be analogously applied to the semiconductor device / process of the invention, and vice versa. In particular, a person skilled in the art will recognize that features of the various embodiments can also be combined with one another in any desired manner.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ersichtlich.Other features and advantages of the present invention will become apparent to those skilled in the art from the following description of exemplary embodiments, which should not be construed as limiting the invention, and with reference to the accompanying drawings.
Fig. 1 zeigt eine Halbleiterdünnschicht, die auf einem Germanium-Substrat abgeschieden wurde, gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.FIG. 1 shows a semiconductor thin film deposited on a germanium substrate according to an embodiment of the manufacturing method of the present invention.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung, mit der das Herstellungsverfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung durchgeführt werden kann.Fig. 2 shows an arrangement with which the manufacturing method according to an embodiment of the invention can be performed.
Fig. 3 zeigt eine alternative Anordnung, mit der das Herstellungsverfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung durchgeführt werden kann. Fign. 4a und 4b zeigen Graphen zur Veranschaulichung des zeitlichen Verlaufs eines Ätzpotentials bzw. eines Ätzstroms bei einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.Fig. 3 shows an alternative arrangement with which the manufacturing method according to an embodiment of the invention can be carried out. FIGS. 4a and 4b are graphs showing the timing of an etching potential and an etching current, respectively, in a method according to an embodiment of the present invention.
Die Zeichnungen sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder ähnliche Elemente.The drawings are only schematic and not to scale. Like reference numerals designate like or similar elements throughout the figures.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS
Nachfolgend wird anhand der in Fig. 1 dargestellten Halbleiterschichtstruktur und der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Versuchsanordnung ein Grundprinzip sowie spezielle Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens beschrieben.In the following, a basic principle and specific embodiments of the production method according to the invention will be described with reference to the semiconductor layer structure shown in FIG. 1 and the test arrangement shown in FIGS. 2 and 3.
Auf einem als Germanium-Substrat 1 dienenden einkristallinen p-Typ- Germaniumwafer mit einem spezifischen Widerstand von zwischen 10 und 35 Milliohm-Zentimeter wird durch elektrochemisches Ätzen eine poröse Schicht 3 erzeugt. Hierzu wird der Germanium- Wafer mit einer ersten Elektrode 9 kontaktiert und die zu ätzende Wafer-Oberfläche mit einer mindestens 30-Vol%igen HF-haltigen Ätzlösung 7 benetzt. Eine zweite Elektrode 11 steht in elektrischem Kontakt zu der Ätzlösung 7. Mit Hilfe einer externen Spannungsquelle 13 wird eine elektrische Spannung zwischen den beiden Elektroden 9, 11 angelegt, wobei die Spannung in kurzen Zeitabständen umgepolt wird. Die angelegten Spannungen sowie gegebenenfalls die verwendeten Ätzlösungen werden dabei so gewählt, dass sich eine poröse Doppelschicht bildet, bei der direkt an der Oberfläche des Germanium-Substrates 1 nur eine geringe Porosität ausgebildet ist, wohingegen tiefer im Innern des Germanium-Substrates 1, beispielsweise in einer Tiefe von etwa 1 μm, eine höhere Porosität erzeugt wird.A porous layer 3 is produced by electrochemical etching on a single-crystal p-type germanium wafer serving as germanium substrate 1 with a specific resistance of between 10 and 35 milliohm centimeters. For this purpose, the germanium wafer is contacted with a first electrode 9 and the wafer surface to be etched is wetted with an etching solution 7 containing at least 30% by volume of HF. A second electrode 11 is in electrical contact with the etching solution 7. With the aid of an external voltage source 13, an electrical voltage between the two electrodes 9, 11 is applied, wherein the voltage is reversed at short time intervals. The applied voltages and optionally the etching solutions used are selected such that a porous double layer is formed in which only a small porosity is formed directly on the surface of the germanium substrate 1, whereas deeper inside the germanium substrate 1, for example in FIG a depth of about 1 micron, a higher porosity is generated.
Nachdem während des Ätzvorgangs eine solche poröse Doppelschichtstruktur erzeugt wurde, wird das Germanium-Substrat 1 von der Ätzlösung getrennt und mit de-ionisiertem Wasser gereinigt und anschließend trocken geblasen.After such a porous double-layer structure has been produced during the etching process, The germanium substrate 1 is separated from the etching solution and cleaned with deionized water and then blown dry.
Anschließend wird das Germanium-Substrat 1 mit der darauf befindlichen porösen Schicht 3 einem Hochtemperaturschritt bei ca. 6000C für einige Minuten in einer 100%igen Wasserstoffatmosphäre unterzogen. Dabei formt sich die poröse Schicht 3 teilweise um und bildet vorzugsweise an ihrer nach außen gerichteten Oberfläche eine geschlossene Germaniumschicht, die als Startschicht für eine anschließend abzuscheidende Halbleiterdünnschicht 5 dienen kann. Die Halbleiterdünnschicht 5 kann nachfolgend von dem Germaniumsubstrat abgetrennt werden und zu einem gewünschten Halbleiterbauelement wie z.B. einer Dünnschichtsolarzelle weiterprozessiert werden.Subsequently, the germanium substrate 1 with the porous layer 3 thereon is subjected to a high-temperature step at about 600 ° C. for a few minutes in a 100% hydrogen atmosphere. In this case, the porous layer 3 is partially formed and preferably forms on its surface facing outward a closed germanium layer, which can serve as a starting layer for a semiconductor thin film 5 to be subsequently deposited. The semiconductor thin film 5 may subsequently be separated from the germanium substrate and further processed to a desired semiconductor device such as a thin film solar cell.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung lagert ein Germaniumsubstrat 1 horizontal auf einer Elektrode 9. In einem nach oben und unten offenen Gefäß 15 ist eine 30%ige HF-Ätzlösung 7 eingefüllt. Durch einen abdichtenden O-Ring 17, der zwischen dem Boden des Gefäßes 15 und dem Germaniumsubstrat 1 angeordnet ist, wird ein Austreten der Ätzlösung 7 verhindert. In einen Teflonblock 19 ist ein sich verzweigender Platindraht 21 eingelegt, der als weitere Elektrode 11 dient. Durch Eintauchen des Teflonblockes 19 kommt die weitere Elektrode 11 mit der Ätzlösung 7 in Kontakt. Die beiden Elektroden 9, 11 sind an eine Spannungsquelle 13 angeschlossen, die dazu ausgelegt ist, die zwischen den beiden Elektroden 9, 11 anliegende Spannung in gewissen Zeitabständen umzupolen.In the device shown in FIG. 2, a germanium substrate 1 is supported horizontally on an electrode 9. In a vessel 15 which is open at the top and bottom, a 30% HF etching solution 7 is introduced. By a sealing O-ring 17, which is arranged between the bottom of the vessel 15 and the germanium substrate 1, an escape of the etching solution 7 is prevented. In a Teflon block 19 is a branching platinum wire 21 is inserted, which serves as a further electrode 11. By immersing the Teflon block 19, the further electrode 11 comes into contact with the etching solution 7. The two electrodes 9, 11 are connected to a voltage source 13, which is designed to umzupolen the voltage applied between the two electrodes 9, 11 at certain intervals.
Bei der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung befindet sich in einem Gefäß 15 'eine HF-haltige Ätzlösung 7. Ein Germaniumsubstrat 1 lagert vertikal an einer ersten Elektrode 9. Sowohl die erste Elektrode 9 wie auch eine weitere Platinelektrode 11 werden in die Ätzlösung eingetaucht. Beide Elektroden 9, 11 werden wiederum an eine Spannungsquelle 13 angeschlossen. Ein Tunnel 21 dient zur Homogenisierung des elektrischen Feldes. In den Fign. 4a und 4b ist der von der Spannungsquelle 13 gesteuerte Verlauf des Ätzstromes bzw. der Ätzspannung in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt.In the device shown in FIG. 3, a HF-containing etching solution 7 is contained in a vessel 15 '. A germanium substrate 1 is supported vertically at a first electrode 9. Both the first electrode 9 and another platinum electrode 11 are immersed in the etching solution. Both electrodes 9, 11 are in turn connected to a voltage source 13. A tunnel 21 serves to homogenize the electric field. In the Fign. 4a and 4b, the course of the etching current or of the etching voltage as a function of time controlled by the voltage source 13 is shown.
Abschließend wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „umfassen", „aufweisen" etc. das Vorhandensein weiterer Elemente nicht ausschließen. Der Begriff „ein" schließt auch das Vorhandensein einer Mehrzahl von Gegenständen nicht aus. Die Bezugszeichen in den Ansprüchen dienen lediglich der besseren Lesbarkeit und sollen den Schutzbereich der Ansprüche in keiner Weise einschränken. Finally, it is pointed out that the terms "comprise", "exhibit" etc. do not exclude the presence of further elements. The term "a" also does not exclude the presence of a plurality of articles The reference signs in the claims are for convenience of reference only and are not intended to limit the scope of the claims in any way.

Claims

Ansprüche claims
1. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes, insbesondere einer Solarzelle, auf Basis einer Germaniumdünnschicht, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines Germaniumsubstrates (1);A method of manufacturing a semiconductor device, in particular a solar cell, based on a germanium thin film, the method comprising: providing a germanium substrate (1);
Ausbilden einer porösen Schicht (3) an einer Oberfläche des Germaniumsubstrates (1) durch elektrochemisches Ätzen des Germaniumsubstrates (1) in einer Ätzlösung; Abscheiden einer Halbleiterdünnschicht (5) auf der porösen Schicht (3); und Abtrennen der Halbleiterdünnschicht (5) von dem Germaniumsubstrat (1), wobei die poröse Schicht (3) als Sollbruchstelle dient, wobei während des elektrochemischen Ätzens des Germaniumsubstrates (1) eine zwischen dem Germaniumsubstrat (1) und einer externen Elektrode (11) angelegte Spannung mehrfach umgepolt wird.Forming a porous layer (3) on a surface of the germanium substrate (1) by electrochemically etching the germanium substrate (1) in an etching solution; Depositing a semiconductor thin film (5) on the porous layer (3); and separating the semiconductor thin film (5) from the germanium substrate (1), wherein the porous layer (3) serves as a predetermined breaking point, wherein between the germanium substrate (1) and an external electrode (11) during the electrochemical etching of the germanium substrate (1) Voltage is reversed several times.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die während des elektrochemischen Ätzens des Germaniumsubstrates (1) angelegte Spannung periodisch umgepolt wird.2. The method according to claim 1, wherein the voltage applied during the electrochemical etching of the germanium substrate (1) is periodically reversed.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei während des elektrochemischen Ätzens eine erste Zeitdauer, während der die zwischen dem Germaniumsubstrat (1) und der externen Elektrode (11) angelegte Spannung derart gewählt ist, dass ein Ätzstrom fließt, länger ist als eine nachfolgende zweite Zeitdauer, während der die angelegte Spannung derart gewählt ist, dass kein Ätzstrom fließt.3. The method of claim 1 or 2, wherein during the electrochemical etching, a first time period during which the voltage applied between the germanium substrate (1) and the external electrode (11) is selected such that an etching current flows is longer than a subsequent one second time period during which the applied voltage is selected such that no etching current flows.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Ätzlösung (7) einen Anteil von mindestens 10 vol-% HF aufweist. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the etching solution (7) has a proportion of at least 10 vol% HF.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das bereitgestellte Germaniumsubstrat (1) einen spezifischen Widerstand von weniger als 1 Ohm- Zentimeter aufweist.5. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the provided germanium substrate (1) has a resistivity of less than 1 ohm-centimeter.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das bereitgestellte Germaniumsubstrat (1) vom p-Halbleitertyp ist.6. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the provided germanium substrate (1) of the p-type semiconductor.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei Einflußparameter während des elektrochemischen Ätzens derart gewählt werden, dass die poröse Schicht (3) als mikroporöse oder mesoporöse Schicht ausgebildet wird.7. The method according to any one of claims 1 to 6, wherein influencing parameters during the electrochemical etching are selected such that the porous layer (3) is formed as a microporous or mesoporous layer.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei Einflußparameter während des elektrochemischen Ätzens derart gewählt werden, dass außerhalb einer ersten hochporösen Schicht eine zweite niederporöse Schicht ausgebildet wird.8. The method according to any one of claims 1 to 7, wherein influencing parameters during the electrochemical etching are selected such that outside a first highly porous layer, a second low-porous layer is formed.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei während des Ätzens in zeitlicher Reihenfolge verschiedene Ätzlösungen (7) verwendet werden.9. The method according to any one of claims 1 to 8, wherein during the etching in time sequence different etching solutions (7) are used.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Ätzlösung ein Benetzungsmittel beigefügt ist.10. The method according to any one of claims 1 to 9, wherein the etching solution is added to a wetting agent.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die poröse Schicht getempert wird.11. The method according to any one of claims 1 to 10, wherein the porous layer is annealed.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die poröse Schicht in einer reduzierenden Gasatmosphäre getempert wird. 12. The method of claim 11, wherein the porous layer is annealed in a reducing gas atmosphere.
13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die poröse Schicht in einer Schutzgasatmosphäre getempert wird. 13. The method of claim 11, wherein the porous layer is annealed in a protective gas atmosphere.
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