Herstellung von mesoporösem Germanium für dünne Weltraumsolarzellen

Die Materialeinsparung bei der Herstellung von III/V-Halbleitermaterialien für Tripel-Weltraumsolarzellen ist ein wichtiger Kostenparameter für Weltraumanwendungen. Jedes zusätzliches Kilo Gewicht vermindert die Nutzlast eines Satelliten und erhöht die Kosten dramatisch. III/V-Solarzellen werden typischerweise auf Germanium (Ge) oder Gallium-Arsenid (GaAs)-Substraten mittels verschiedener Epitaxieverfahren abgeschieden. Die Dicke des Substrats variiert zwischen 150 und 500 Mikrometern, wobei bereits 1-5 Mikrometer für die Lichtabsorption ausreichen. Für die Herstellung kommen hier Schichtstransferprozesse zum Einsatz, weil sie vielversprechend im Hinblick auf Gewichts- und Kostenersparnisse sind.

Der am ISFH entwickelte PSI-Prozess (Porous Silicon Process) ist ein Verfahren für die Herstellung von hoch-effizienten monokristallinen Dünnschichtsolarzellen. Kern dieser Methode ist eine mesoporösem Doppelschicht, die mittels electrochemischem Ätzen erzeugt wird. Mesoporös bedeutet, dass der Durchmesser der Poren in der Schicht zwischen 2 und 50 nm beträgt. Eine niederporöse Schicht, deren Porosität unter 30% liegt, dient als „Saat“schicht für die nachfolgende Epitaxie. Die darunterliegende, hochporöse Schicht, die eine Porosität von über 40% aufweist, dient später als Sollbruchstelle. Dieser Prozess ist für die Herstellung von hocheffizienten Weltraumsolarzellen mit besonders niedrigem Gewicht sehr attraktiv.

Im Gegensatz zu porösem Silicium ist die Herstellung von porösem Germanium (PGe) bisher kaum untersucht worden. Am ISFH haben wir erstmalig homogene mesoporöse Germaniumschichten hergestellt, die in Schichtstransferprozessen zum Einsatz kommen sollen. Die porösen Schichten werden auf 4“-p-Typ Substraten mittels elektrochemischem Ätzen in hoch konzentrierten HF-basierten Lösungen erzeugt. Die Abb. 28 zeigt eine mesoporöse Ge-Schicht mit einer Gesamtdicke von 600 nm.

Im Gegensatz zum Silicium findet Porenbildung beim Germanium gleichzeitig mit der Auflösung des bereits porösizierten Substrates statt. Damit liegt die PGe-Schicht am Ende des Prozesses auf einem wesentlichen dünneren Ge-Substrat als zu Beginn. Die Abb. 29 erläutert diese Beobachtung. Die Ätzrate der porösen Schicht Retch bezieht sich auf die Geschwindigkeit, mit der die poröse Schicht in das Substrat wächst; die Auflösungsätzrate Rdiss kennzeichnet die Geschwindigkeit, mit der die bereits geätzte poröse Schicht aufgelöst wird. Die Wachstumsrate R_growth ist dann die Differenz zwischen beiden Raten: R_growth = R_etch – R_diss. Die Werte von R_diss liegen in dem Bereich von 0,011-1,33 µm/min und für die Wachstumsrate R_growth wurden Werte zwischen 0,071 und 2,7 nm/min gemessen. Dabei lagen die Ätzstromdichten zwischen 0,1 und 80 mA/cm².

Aufgrund der stetigen Auflösung des bereits geätzten porösen Germaniums ist die Materialnutzung niedrig und liegt im Bereich von 0,2-2%. Um das Auflösen der bereits geätzten porösen Schicht zu minimieren, wurden Experimente unternommen, bei denen zwischen anodischem porös-Ätzen und kathodischem Passivieren der Waferoberfläche gewechselt wird. Beim Passivieren werden Wasserstoffionen aus dem Elektrolyten an der Oberfläche des Porenwände angelagert, die nach erneutem Umpolen der Ätzzelle für begrenzte Zeit dort verbleiben. Daraus resultiert eine Oberflächenbandverbiegung, die bewirkt, dass die Waferoberfläche beim nachfolgenden anodischen Ätzen zunächst passiviert bleibt. Der Ätzvorgang beschränkt sich somit auf die Grenzfläche zwischen porösem und nicht-porösem Germanium. Durch die Wasserstoffpassivierung wird die Materialnutzung stark erhöht - sie liegt in diesem Fall bei 98%.

Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass die Herstellung von mesoporösem Ge mittels elektrochemischem Ätzen möglich ist. Der kontinuierliche Verlust des bereits geätzten PGe kann durch dauernde Umpolung der Ätzstromrichtung vermieden werden. Die Herstellung von PGe erreicht Materialnutzungsgrade von 98%. Damit lassen sich Solarzellen für Weltraumanwendungen aus Schichtstransferprozessen realisieren.