Statt Silizium: Günstige Produktion von Galliumarsenid-Schichten

20-05-2010

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Statt Silizium: Günstige Produktion von Galliumarsenid-Schichten

Neuer Prozess soll zu kostengünstigen und hoch effizienten Solarzellen, Schaltkreisen und Infrarotsensoren aus Verbindungshalbleitern führen.

Trotz seiner weiten Verbreitung in Schaltkreisen und Solarzellen ist Silizium nicht immer der beste Halbleiter für zahlreiche Anwendungen. Verbindungshalbleiter wie Galliumarsenid (GaAs) können wegen einer höheren Elektronenbeweglichkeit und geeigneteren Bandlücken oft die Effizienz steigern. Doch der Massenmarkt blieb dieser Materialklasse wegen hoher Fertigungskosten von Galliumarsenid-Wafern in hochreiner Qualität bislang verschlossen. Mit einem neuen Produktionsprozess dünner GaAs-Schichten wollen Wissenschaftler von der University of Illinois in Urbana-Champaign diesen Nachteil aus den Weg räumen.

Abb.: In diesem Stapel wechseln sich Schichten aus Galliumarsenid und Aluminiumarsenid ab. Nach einem Ätzprozess können die Verbindungshalbleiter-Lagen mit einem Stempel abgeschält und auf eine beliebige Oberfläche deponiert werden. (Bild: Jongseung Yoon et al., Nature)

"Schälen und Stempeln" sind die Grundprinzipien der Methode, die die Arbeitsgruppe um John A. Rogers entwickelt hat. In einem ersten Schritt deponierten die Forscher aus der Dampfphase zahlreiche Lagen aus Galliumarsenid und Aluminiumarsenid abwechselnd übereinander. Bis zu 20 jeweils etwa 200 Nanometer dicke Galliumsarsenid-Schichten wurden so durch 20 Nanometer dünne Aluminiumarsenid-Schichten getrennt. Je nach Dauer der Chemischen Dampfdeposition (CVD) ließen sich auch dickere Schichten erzeugen.

Mit Zitronensäure und Wasserstoffperoxid ätzten die Forscher kleine Stufen in diesen vielschichtigen Halbleiterstapel. Aggressivere Flusssäure (HF) schließlich löste selektiv die Trennschichten aus Aluminiumarsenid auf, um die Galliumarsenid-Lagen mit einem Gummi-Stempel auf Siliziumbasis abschälen zu können. Je nach gewünschter Anwendung konnten diese Lagen auf eine Unterlage aus Glas oder Kunststoff abgelegt werden. Um die weiten Anwendungsmöglichkeiten zu demonstrieren, fertigten sie aus abgeschälten Galliumarsenid-Schichten sowohl Transistoren und Solarzellen als auch Sensorflächen wie sie in Infrarotkameras genutzt werden.

Diese Methode hat das Potenzial, Galliumarsenid-Schichten und anderen Verbindungshalbleitern den Sprung in die Massenfertigung zu erleichtern. Vor allem für Anwendungen, bei denen Licht eine Rolle spielt – seien es Solarzellen, Leuchtdioden oder optoelektronische Lichtleiter – gehören diese Materialien zum Besten, was verfügbar ist. Bisher messen die abgeschälten und gestempelten Schichten jedoch nur Durchmesser von etwa 500 Mikrometern. Für Lichtsensoren und kleine Leuchtdioden reicht das aus, für Solarzellen wären allerdings größere Flächen wünschenswert. Doch auch diese Hürden halten Rogers und Kollegen für überwindbar.

So haben die Universitäts-Forscher bereits das Unternehmen Semprius gegründet, das die Technologie bis zur Marktreife treiben soll. Für Solarzellen, die bis zu 40 Prozent des Sonnenlichts in elektrischen Strom wandeln können, haben sie sich bereits ein Ziel gesteckt. Fertigungskosten von einem US-Dollar pro Watt Leistung sollen erreicht werden. Damit hätten Verbindungshalbleiter gute Chancen im Wettbewerb mit dem etablierten Silizium.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

Originalveröffentlichung:
Jongseung Yoon et al.: GaAs photovoltaics and optoelectronics using releasable multilayer epitaxial assemblies. Nature 465, 329-333 (2010)
dx.doi.org/10.1038/nature09054
Department of Materials Science and Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign:
www.matse.illinois.edu/
Arbeitsgruppe John A. Rogers:
rogers.mse.uiuc.edu/
Website Semprius:
semprius.com/

Weiterführende Literatur:

van Deelen, J. et al.: On the development of high-efficiency thin-film GaAs and GaInP2 cells. J. Cryst. Growth 298, 772–776 (2007)
Meitl, M. A. et al.: Transfer printing by kinetic control of adhesion to an elastomeric stamp. Nature Mater. 5, 33–38 (2006)
Yoon, J. et al.: Ultrathin silicon solar microcells for semitransparent, mechanically flexible and microconcentrator module designs. Nature Mater. 7, 907–915 (2008)