专利名称：用于局部触点接通和局部掺杂半导体层的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于局部触点接通和局部掺杂半导体层的方法，以及至少具有局部掺杂的半导体结构。
背景技术：
已知，以下述方式触点接通半导体层的覆有至少一个钝化/形成保护膜的 (passiverenden)绝缘层的表面在绝缘层上施加一金属层并且借助辐射源短时地对该金属层进行局部加热。该加热导致由金属层、绝缘层和半导体组成的局部熔化混合物，从而在熔化混合物凝固之后在半导体和金属层之间形成电接触。这种方法尤其应用于太阳能电池的制造并且例如在DE 100 46 170A1中被公开。
发明内容
本发明的目的是改进已知的方法，从而改善接触特性、特别是在接触区域内的半导体表面的复合特性方面的接触特性，从而进一步优化太阳能电池的效率和/或进一步降低制造成本。所述目的通过根据权利要求1所述的、用于局部触点接通和局部掺杂半导体层的方法以及根据权利要求18所述的半导体结构来实现。本发明方法的有利的设计方案在权利要求2至17中给出；根据本发明的半导体结构的有利的实施方式在权利要求19至20中
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口 QQ ο根据本发明的用于局部触点接通和局部掺杂半导体层的方法包括步骤Α，在步骤 A中在半导体层上形成分层结构。半导体层一般包括半导体晶片、例如硅晶片。根据本发明的方法同样还可以应用到任意其它的半导体层上，例如在多层结构的表面上的半导体层。步骤A又包括步骤i.和ii.。其中，在步骤i.中，在半导体层的一侧上施加至少一个中间层。然后，在步骤ii.中，在步骤i.中最后施加的中间层上施加至少一个金属层， 其中，所述金属层至少部分地覆盖所述最后施加的中间层。在根据本发明的方法应用于制造背面触点时，一般地中间层基本覆盖半导体层的整个(背)面，金属层基本上完全覆盖中间层。然而，例如为了形成太阳能电池的正面(前侧)触点而使中间层仅部分地覆盖半导体层的(正)面和/或金属层仅部分地覆盖中间层， 同样在本发明的范围内。在步骤B中，对所述分层结构进行局部加热使得一局部区域中短时地形成由各个层——即所述金属层、中间层和半导体层——的至少部分区域组成的熔化混合物，在所述熔化混合物凝固后在金属层与半导体层之间形成触点接通。如果根据本发明的太阳能电池在局部加热的位置处具有多个中间层，熔化混合物优选由所有中间层、金属层和半导体层的部分区域形成。因此，在金属层和半导体层之间、在已凝固的熔化混合物的位置的区域中形成导电连接。重要的是，在根据本发明的方法中至少一个中间层是掺杂层。该掺杂层含有掺杂物，所述掺杂物在所述半导体层中的溶解度大于所述金属层的金属在所述半导体层中的溶解度。本发明基于申请人的如下发现通过使用掺杂层，掺杂物由于其比金属层金属更大的固体溶解度而在再结晶时以较高的浓度替代地嵌入半导体的晶格中，由此在熔化混合物凝固之后通过掺杂物在金属层和半导体层之间的电触点接通区域中形成局部高掺杂。对于高效太阳能电池的制造已知借助多个光蚀刻步骤 (Fotolithographieschritte)和散入(Eindiffusionen)在半导体层的如下部分区域中实现局部的高掺杂区域在随后的工艺步骤中在该部分区域上进行金属层和半导体层之间的电触点接通。利用根据本发明的方法首次实现了 通过优选由辐射源、特别是激光对分层结构进行的局部加热，在金属层和半导体层之间同时制造出电触点接通和局部高掺杂。根据本发明的方法的优点尤其是，强制性地在半导体层的、实现在金属层和半导体层之间的电触点接通的部分区域中产生局部高掺杂。由此避免了在局部高掺杂区域与电触点接通之间的位置失调/错位。与已知的用于局部高掺杂的方法相比，根据本发明的方法还具有如下优点能避免掺杂层的去除。掺杂层和金属层都被保留在半导体结构上、例如保留在制成的太阳能电池上，从而不需要附加的用于去除掺杂层的工艺步骤。通过具有掺杂物的局部高掺杂明显改善了触点特性，特别是降低了在半导体层和金属层之间的接触电阻，在半导体表面和金属层之间的分界面明显更好地屏蔽了少数载流子复合，进而改善了电气性能。这种改进特别是在本发明方法应用于制造太阳能电池时使效率提高或者使制造成本降低，这是因为不需要附加的用于制造局部高掺杂的工艺步骤。此外，所述目的通过根据权利要求18所述的本发明半导体结构来实现。所述半导体结构包括半导体层、在所述半导体层的一侧上的至少一个中间层和至少一个金属层，所述金属层至少部分地覆盖中间层或者在多个中间层的情况下至少部分地覆盖最后施加的中间层或者说距半导体层最远的中间层，其中，所述半导体结构具有至少一个局部区域，该局部区域是至少下述层的部分区域的已凝固的熔化混合物金属层、第一层和半导体层，使得所述金属层和半导体层在所述已凝固的熔化混合物的位置处导电连接。该已凝固的熔化混合物经短时局部加热形成的，所述加热短时、局部地引起由所述层组成的熔化混合物。重要的是，至少一个中间层是掺杂层，所述掺杂层含有掺杂物，其中所述掺杂物在所述半导体层中的溶解度比所述金属层的金属在所述半导体层中的溶解度更大。优选地，根据本发明的半导体结构借助根据本发明的方法来制造。为了在熔化混合物凝固之后获得足够高的掺杂物浓度，在掺杂层中的掺杂物最低深度有利地是有利地，掺杂物在所述掺杂层中的浓度大于等于lX1021cnT3。尤其有利的是，该浓度大于等于5X1021CnT3。尤其有利的是，对于所选的掺杂层厚度来说，在面积统一(flaechermormiert)的情况下半导体层/掺杂层分界面的每面积单位的掺杂物浓度为至少2. 5X 1014cnT2、特别是至少lX1015cnT2。如果掺杂层被施加到一中间层上，则中间层/掺杂层分界面的每面积单位的前述(浓度)值是有利的。申请人:的研究表明，来自元素周期表的III.或V.主族的元素或具有这种元素作为组成部分的化合物有利地被用作掺杂物元素。特别有利的是掺杂物是硼、磷或镓。利用根据本发明的方法，申请人在试验中实现了非常好的触点特性，其中掺杂层设计成硼硅酸盐玻璃。对于进一步改善太阳能电池的效率有利的是使施加在半导体层上的第一中间层对于在半导体层与所述第一中间层的分界面上的表面复合速度起钝化作用。由此，不仅通过在电触点接通的区域上进行局部高掺杂避免少数载流子的复合，而且在局部高掺杂之间的区域处由于施加到半导体层上的第一中间层的钝化作用避免了少数载流子的复合。在本发明的范围内的是，在半导体层和金属层之间仅施加有掺杂层，该掺杂层设计成实现前述钝化作用。特别有利的是首先将尤其适合于表面钝化的层施加到半导体层的表面上，然后在该钝化层上施加掺杂层，然后在掺杂层上施加金属层。有利地，所述掺杂层的厚度小于lym，特别是小于500nm。由此，在为产生熔化层而局部引入热量时确保了充分的热传递。在本发明方法的另一种有利的实施方式中，在一基本为点形或线形的区域中进行局部的熔化。特别有利的是，对于在太阳能电池背面上制造触点的情况使用点状触点。而对于太阳能电池正面触点的制造有利地制造线形触点，这是因为太阳能电池在正面一般通过梳状彼此连接的线形金属结构触点接通。使所述层熔化的局部区域有利地具有小于500 μ m、特别是小于200 μ m的直径。由此确保了，在不进行触点接通的相邻区域中不会损害半导体的晶体结构、进而不会损害电气特性。有利地，利用根据本发明的方法产生多个局部触点接通和局部高掺杂。特别是对于太阳能电池有利的是所有熔化的局部区域占半导体层的总表面积的份额小于20%、特别是小于5 %。具有高掺杂和电触点接通的区域的份额过高会导致少数载流子复合的提高， 前面给出的百分比确保了在具有局部高掺杂的触点接通区域与具有提高的表面钝化的区域之间的最优比例。如上所述，在步骤B中对分层结构进行局部加热以形成熔化混合物。有利地，在步骤B中以下述方式实施局部加热至少达到熔化混合物的低共熔点温度，特别是，分层结构局部被加热到至少550摄氏度。如上所述，根据本发明的方法的优点是，不需要去除掺杂层。因此，从半导体层起的载流子输送从该半导体层经过已凝固的熔化混合物的区域进入金属层中，并且从该金属层被输送到可能连接的外部电流回路中或者在模块线路中被输送到相邻太阳能电池中。一般地，金属层设计成使基于欧姆串联电阻的损失最小化。因此有利的是，掺杂层的层电阻是金属层的层电阻的至少10倍、尤其是至少100倍、优选至少1000倍，使得与半导体层表面并行的电流输送基本上在半导体层和金属层中进行、而不在掺杂层中进行。特别有利的是，掺杂层是电绝缘的。由此，附加地避免了在金属层和半导体层之间的不希望的触点。
对于改善太阳能电池的光学特性有利的是，至少施加到所述半导体层上的第一层是光学透明的层、尤其是在300nm至1500nm的波长范围内基本透明的层。这一点在根据本发明的方法应用于制造太阳能电池的正面触点时是必要的，因为在这种情况下电磁辐射通过正面耦入半导体层中，由此特别是在对于太阳能电池重要的光谱范围内的透明性是必要的。而在根据本发明的方法应用于制造太阳能电池的背面触点时有利的是，施加到半导体层上的第一中间层如上所述设计成透明的，因为由此改善了太阳能电池的背面的反射特性并且使耦入太阳能电池中的、一直到达背面的电磁辐射被反射，由此提高了太阳能电池中的辐射总体吸收(能力)、进而提高了太阳能电池的效率。利用根据本发明的方法可进一步提高太阳能电池的效率在一种有利的实施方式中，在掺杂层和金属层之间施加一附加的中间层，其中该中间层对金属层不具有腐蚀性。由此避免或至少降低了由于金属导体层的腐蚀引起的效率降低，由此降低了由于环境影响引起的太阳能电池的效率恶化。这种层优选由二氧化硅、或氮化硅、或碳化硅材料制成。在本发明方法的另一种优选实施方式中，在半导体层和掺杂层之间施加一附加的中间层，所述中间层优选由二氧化硅、或非晶硅、或非晶氮化硅、或铝氧化物制成。这种中间层由上述(材料)的组合来形成，例如在“M. Hofmann et al.，Proceedings of the 21st EUPVSEC, Dresden, 2006”中描述的，同样在本发明的范围内。特别是，所述层对于半导体层的表面的表面复合特性具有非常好的钝化作用。申请人:的研究表明，特别是下述层系统对于根据本发明的方法是有利的在硅晶片(半导体层)上施加一厚度约为IOnm至30nm的钝化层；然后施加厚度约为IOOnm至200nm的掺杂层；在该掺杂层上施加厚度约为30nm的、对金属层不具有腐蚀性的中间层、例如氮化硅层；最后施加厚度为0.5μπ 至ΙΟμπκ优选厚度约为2μπ 的金属层、例如铝层。
下面借助附图阐述根据本发明的方法的其它特征和优选实施例。其中图1示出太阳能电池1的示意性构造，图2示出在局部熔化之前、在根据图1的太阳能电池的背面上形成的分层结构的截面图，图3示出在熔化混合物熔化和凝固之后的图2的截面图。
具体实施例方式仅出于竞争的原因，太阳能电池的工业制造致力于制造出尽可能高效的太阳能电池，也就是说使射到太阳能电池上的太阳能能流的电流收益尽可能高，同时保持较低的制造复杂度和与之密切相关的生产成本。下述实施方案用于详细阐明在最优制造太阳能电池时应重视的措施太阳能电池是将光转化成电能的元件。太阳能电池通常包括半导体材料——太阳能电池大多由硅制成，该半导体材料具有η型或P型半导体区域。该半导体区域以已知方式称为发射极或基极。通过射到太阳能电池上的光，在太阳能电池内产生正载流子和负载流子，所述正载流子和负载流子在η型掺杂的(发射极)和ρ型掺杂的(基极)半导体区域之间的分界面上、在所谓的ρη结上在空间上彼此分开。借助与发射极和基极连接的金属触点，能将这些彼此分开的载流子导出。在最简单的形式中，太阳能电池包括整面的基极区域2和发射极区域3，其中发射极3位于背光的一侧、即太阳能电池的正面上。为了进行说明在此请参考图1，其示出了已知的太阳能电池1。为了电触点接通基极2，太阳能电池1的背面通常具有整面的金属层4，在该金属层4上施加有适合的背面触轨5、例如由AlAg的背面触轨。发射极区域3与金属格栅6触点接通，其目的是使得由于在用于太阳能电池的金属触点上的反射而丢失的光尽可能少， 也就是说金属格栅6具有指状结构以便尽可能少地覆盖太阳能电池面。此外，为了优化太阳能电池1的功率收益而试图使基于反射的光学损失保持尽可能小。这一点通过在太阳能电池1的正面表面上沉积所谓的抗反射层/防反射层7 (ARC)来实现。抗反射层7的层厚度选择成，使得在能量方面最重要的光谱范围内产生反射光的精确的相消干涉。所应用的抗反射材料例如是二氧化钛、氮化硅和二氧化硅。替代地或附加地，能通过借助侵蚀性的处理方法或机械式处理方法来制造适合的表面组织(表面结构)从而降低反射，其还由图2所示的太阳能电池示出。在此，发射极区域3以及施加到发射极上的抗反射层7以下述方式形成一定结构射到太阳能电池1的具有一定结构的表面上的光在棱锥状(pyramidenartig) 的结构上具有提高的耦入概率。对于根据图2的太阳能电池，使发射极3与尽可能细的金属格栅6电触点接通，由该金属格栅在图2中仅示出很窄的接触指。此外，抗反射层7还可以用作钝化层，该钝化层一方面用于机械性表面保护，另一方面还具有减少表面复合过程的固有作用，这一点将在下文中得到详细的探讨。在太阳能电池被电触点接通时区别对待正面和背面。在太阳能电池的背面试图制造出主要以触点电阻和线路电阻低为特征的触点，而在正面必须附加地使尽可能多的光耦入太阳能电池中。因此通常在正面上形成梳状结构(由图1可见)，以便使阻抗损失和遮蔽损失都保持很小。在太阳能电池的背面，通常不仅使用整面的触点，而且使用具有一定结构的、例如格栅状的触点。在图2中示出在太阳能电池背面上形成的分层结构的截面图，其中在图2和图3 中层的顺序被颠倒，也就是说在太阳能电池中位于最下面的层在图2和图3中位于最上面。有利地，借助本发明方法来形成图1所示太阳能电池的背面触点。下面借助图2 和图3来阐述(背面触点的)该形成，图2和图3示出图1所示太阳能电池的背面的一局部区域的截面图，在该局部区域中形成局部电触点接通和局部高掺杂。在这个实施例中，产生图1所示太阳能电池的硅片(或硅晶片)8形成半导体层。在硅片8上施加约IOnm的薄的二氧化硅钝化层9。然后施加一约SOnm的薄的高掺杂硼硅酸盐玻璃层。掺杂层10含有浓度约为2 X IO21CnT3的掺杂物硼。在掺杂层10上施加约IOnm厚的抗反射层11，该抗反射层11设计成二氧化硅层。因此，在这个实施例中，在硅片8上总共施加3个中间层(方法步骤A i.)。然后，在最后的中间层、即二氧化硅层上施加一设计成铝层的、厚度约为2μπι至 3μπι的金属层12 (方法步骤A ii.)。
然后，通过在铝层的位置13处进行短时的局部辐射而在铝、位于其下面的多个薄的中间层、与半导体层即硅片8的几微米深的区域之间产生一熔化混合物。该辐射的持续时间约为50ns至5000ns。在局部辐射结束/消退后，之前形成的由熔化混合物组成的几微米厚的区域再结晶。这在图3中通过用于形成的触点的区域14示意性地表示。相对于铝在硅中明显更小的、3X IO18CnT3的溶解度，掺杂物硼在硅中的溶解度约为3X1019cm_3。因此，当再结晶时，硼由于明显更高的溶解度而以比铝高得多的浓度嵌入在凝固时形成的硅结构的晶格中。因此，凝固的区域具有局部的硼高掺杂，并且附加地在金属层12和硅片8之间形成电触点接通(步骤D)。因此，与根据DE 100 46 170 Al的、用于局部触点接通太阳能电池的已知方法相比，本发明方法的优势在于通过在电触点接通的区域中更高地掺杂硼，在触点处实现了明显更低的复合率。由此实现了 在不会由于提高复合而降低太阳能电池效率的情况下，增加触点的数量、即增加电触点接通的总面积。而通过增加电触点接通的总面积降低了在通过金属层从硅片导出载流子时的线路电阻，从而总体上提高了太阳能电池的效率。前述实施例涉及图1所示太阳能电池的背面触点的制造。而本发明方法在产生正面触点接通和/或η型掺杂的半导体层中的应用也在本发明的范围内。
权利要求
1.一种用于局部触点接通和局部掺杂半导体层的方法，所述方法包括下述步骤A通过下述方式在半导体层上形成一分层结构1.在所述半导体层的一侧上施加至少一个中间层(9，10，11)，和 .在步骤i.中最后施加的中间层(11)上施加至少一个金属层(12)，其中，所述金属层至少部分地覆盖所述最后施加的中间层(11)，B以下述方式对所述分层结构进行局部加热使得一局部区域中短时地形成至少由多个层——即所述金属层(12)、中间层(9，10，11)和半导体层——的至少部分区域组成的熔化混合物，在所述熔化混合物凝固后在所述金属层(11)与所述半导体层之间形成触点接通，其特征在于，在步骤A i.中施加至少一个设计成掺杂层(10)的中间层，所述掺杂层含有掺杂物，其中，所述掺杂物在所述半导体层中的溶解度大于所述金属层的金属在所述半导体层中的溶解度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述掺杂物在所述掺杂层(10)中的浓度大于等于1 X IO21CnT3、特别是大于等于5X 1021Cm_3。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于所述掺杂层(10)与半导体层或中间层的分界面，所述掺杂物的浓度大于等于2. 5X IO14CnT2、特别是大于等于IX 1015cnT2。
4.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，所述掺杂物含有第三主族或第五主族的元素，特别是所述掺杂物是硼、磷或镓。
5.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，所述掺杂层(10)设计成硼硅酸盐玻璃。
6.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，施加在所述半导体层上的第一中间层(9)对于在半导体层/中间层的分界面上的表面复合速度具有钝化作用。
7.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，所述掺杂层(10)的厚度小于lym，特别是小于500nm。
8.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，多个层熔化的所述局部区域具有小于500 μ m、特别是小于200 μ m的直径。
9.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，在一基本为点形或线形的区域中进行局部的熔化。
10.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，多个局部区域熔化，其中所有所述局部区域的总面积占所述半导体层的总表面积的份额小于20%、特别是小于 5%。
11.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，在步骤B中，局部地进行达到至少550°C的局部加热。
12.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，所述掺杂层(10)的层电阻是所述金属层(12)的层电阻的至少10倍、尤其是至少100倍、优选至少1000倍。
13.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，所述掺杂层(10)是电绝缘的。
14.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，至少施加到所述半导体层上的第一层是光学透明的层、尤其是对于300nm至1500nm的波长范围基本透明的层。
15.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，在所述掺杂层(10)和金属层(12)之间施加一附加的中间层(11)，其中所述附加的中间层(11)对金属层不具有腐蚀性。
16.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，在所述半导体层和掺杂层 (10)之间施加一附加的中间层(9)，所述附加的中间层优选由二氧化硅、或非晶硅、或非晶氮化硅、或铝氧化物制成。
17.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，所述掺杂层(10)借助化学气相沉积、或气化渗镀、或阴极溅镀来施加，或者被施加成旋转涂布层。
18.一种半导体结构，所述半导体结构包括半导体层、在所述半导体层的一侧上的至少一个中间层(9，10， 11)和至少一个金属层(12)，所述金属层至少部分地覆盖中间层或者在多个中间层的情况下至少部分地覆盖最后施加的中间层，其中，所述半导体结构具有至少一个局部区域，该局部区域是至少下述层的部分区域的已凝固的熔化混合物金属层、第一层和半导体层，使得所述金属层和半导体层在所述已凝固的熔化混合物的位置处导电连接，其特征在于，至少一个中间层是掺杂层(10)，所述掺杂层含有掺杂物，其中所述掺杂物在所述半导体层中的溶解度比所述金属层(1 的金属在所述半导体层中的溶解度更大。
19.根据权利要求18所述的半导体结构，其特征在于，所述半导体结构在所述已凝固的熔化混合物的区域中具有借助掺杂物实现的掺杂。
20.根据权利要求18或19所述的半导体结构，其特征在于，所述半导体结构借助根据权利要求1至17中至少一项所述的方法来制造。
全文摘要
本发明涉及一种用于局部触点接通和局部掺杂半导体层的方法，所述方法包括下述步骤A通过下述方式在半导体层上形成一分层结构i.在所述半导体层的一侧上施加至少一个中间层，和ii.在步骤i.中最后施加的中间层上施加至少一个金属层，其中，所述金属层至少部分地覆盖所述最后施加的中间层，B以下述方式对所述分层结构进行局部加热使得一局部区域中短时地形成由各个层——即所述金属层、中间层和半导体层——的至少局部区域组成的熔化混合物，在所述熔化混合物凝固后在所述金属层与所述半导体层之间形成触点接通。重要的是在步骤A i.中施加至少一个设计成掺杂层的中间层，所述掺杂层含有掺杂物，其中，所述掺杂物在所述半导体层中的溶解度大于所述金属层的金属。
文档编号H01L31/0224GK102197491SQ200980142752
公开日2011年9月21日 申请日期2009年8月20日 优先权日2008年8月29日
发明者A·格罗厄, A·沃尔夫, D·比罗, J·兰特施, J-F·尼卡达, M·霍夫曼, R·普罗伊 申请人:弗朗霍夫应用科学研究促进协会