Фотоэлектрический преобразователь (варианты) и способ его изготовления

Полупроводниковый фотопреобразователь содержит на рабочей поверхности антиотражающее покрытие, диодную структуру с n⁺-p (p⁺-n)-переходом, изотипным p-p⁺ (n-n⁺)-переходом в базовой области на тыльной поверхности, металлические контакты к обоим областям диодной структуры. Толщина базовой области соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области. Диодная структура выполнена в виде отдельных участков, скоммутированных металлическими контактами, расстояние между отдельными соседними диодными структурами не превышает удвоенную диффузионную длину неосновных носителей тока в базовой области, ширина диодных структур в 10-30 раз меньше расстояния между соседними диодными структурами. На свободных от диодных структур участках рабочей поверхности под антиотражающим покрытием выполнена пассивирующая, диэлектрическая пленка толщиной 10-30 нм, на которой нанесены нанокластеры. Также согласно изобретению предложен еще один вариант выполнения полупроводникового фотопреобразователя и способ изготовления полупроводникового фотопреобразователя. Изобретение обеспечивает повышение КПД и снижение стоимости изготовления фотопреобразователя. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области конструкции и технологии изготовления оптоэлектронных приборов, а именно полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей (ФП).

Известна конструкция и способ изготовления кремниевых ФП в виде диодной структуры с p-n-переходом на лицевой стороне, токосъемными металлическими контактами к легированному слою в форме гребенки, сплошным тыльным контактом и антиотражающим покрытием на лицевой (рабочей) стороне (книга «Полупроводниковые фотопреобразователи» Васильев A.M., Ландсман А.П., М., «Советское Радио», 1971 г.). Процесс изготовления ФП основан на диффузионном легировании лицевой стороны фосфором, химическом осаждении никелевого контакта, избирательном травлении контактного рисунка и нанесении антиотражающего покрытия. Недостатком получаемых ФП является сравнительно большая глубина p-n-перехода и, как следствие, невысокое значение их КПД.

Известна конструкция и способ изготовления кремниевых ФП с мелкозалегающим p-n-переходом на большей части лицевой стороны и глубоким p-n-переходом под металлическими контактами (Green М.А., Blakers A.W. et al. Improvements in flat-plate and concentrator silicon solar cell efficiency // 19th IEEE Photovolt. Spec. Conf., New Orleans, 1987. - P.49-52). Процесс изготовления включает проведение следующих операций на лицевой стороне: диффузионное легирование на глубину менее 0,5 мкм, термическое окисление, лазерное скрайбирование канавок, химическое травление кремния в канавках, диффузионное легирование поверхности канавок на глубину более 1 мкм и электрохимическое осаждение никеля и меди в канавки. Недостатком получаемых ФП является увеличение толщины первоначально созданного легированного слоя во время диффузионного легирования канавок и, как следствие, недостаточно высокое КПД ФП.

Известна конструкция и способ изготовления ФП с окисной пленкой на лицевой стороне, свободной от легированных слоев и контактов, которые создаются на тыльной стороне в виде чередующихся, точечных, сильно легированных областей, образующих p-n-переходы и изотипные переходы (Sinton R.A., Swanson R.M. An optimization study of Si point-contact concentrator solar cell // 19^th IEEE Photovolt. Spec. Conf., New Orleans, 1987. N.Y., 1987. - P.1201-1208). Недостатком этих ФП является необходимость неоднократного проведения операций фотолитографического травления, что усложняет процесс изготовления и повышает стоимость ФП.

В качестве прототипа принята конструкция ФП с двухсторонней рабочей поверхностью с диодной n⁺-p-p⁺ структурой, у которого конфигурация и площадь контактов на тыльной стороне совпадают в плане с конфигурацией и площадью контактов с рабочей стороны, а толщина базовой области не превышает диффузионную длину неосновных носителей заряда (патент США №3948682, кл. 136/84, от 06.04.1976 г.). Недостатком прототипа является наличие на всей рабочей и тыльной поверхностях сильно легированного слоя, верхние слои которого имеют очень низкую диффузионную длину неосновных носителей заряда, что снижает КПД ФП.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение КПД и снижение стоимости изготовления ФП.

Технический результат достигается тем, что в полупроводниковом фотопреобразователе, содержащем на рабочей поверхности антиотражающее покрытие, диодную структуру с n⁺-p (p⁺-n)-переходом, изотипным p-p⁺ (n-n⁺)-переходом в базовой области на тыльной поверхности, металлические контакты к обоим областям диодной структуры, при толщине базовой области, соизмеримой с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, диодная структура выполнена в виде отдельных участков, скоммутированных металлическими контактами, площади и конфигурации металлических контактов на рабочей поверхности совпадают в плане с диодными структурами, расстояние между отдельными соседними диодными структурами не превышает удвоенную диффузионную длину неосновных носителей тока в базовой области, ширина диодных структур в 10-30 раз меньше расстояния между соседними диодными структурами и на свободных от диодных структур участках рабочей поверхности под антиотражающим покрытием выполнена пассивирующая, диэлектрическая пленка толщиной 10-30 нм, на которой нанесены нанокластеры из атомов кремния или металлов с линейным размером 10-100 нм при расстоянии между ними в 2-4 раза больше размеров нанокластеров.

В варианте конструкции фотопреобразователя с двухсторонней рабочей поверхностью, содержащей антиотражающее покрытие, диодную структуру с n⁺-p (p⁺-n)-переходом на лицевой поверхности кремниевой пластины и изотипными p-p⁺ (n-n⁺)-переходами в базовой области на тыльной поверхности кремниевой пластины, у которых площади и конфигурации металлических контактов на лицевой и тыльной поверхностях совпадают в плане, а толщина фотопреобразователя соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, диодные структуры выполнены в виде отдельных участков, скоммутированных металлическими контактами, совмещенных в плане на лицевой и тыльной поверхности с участками, на которые нанесены контакты, конфигурация и площадь изотипных p-p⁺ (n-n⁺)-переходов совпадает с конфигурацией и площадью диодных структур с n⁺-p (p⁺-n)-переходами на лицевой поверхности, расстояние между отдельными соседними участками с n⁺-p (p⁺-n)-переходами на лицевой поверхности не превышает удвоенную диффузионную длину неосновных носителей тока в базовой области, на лицевой и тыльной поверхностях, свободных от контактов, под антиотражающим покрытием выполнена пассивирующая, диэлектрическая пленка толщиной 10-30 нм, на которой нанесены нанокластеры из атомов кремния или металлов с линейным размером 10-100 нм при расстоянии между ними в 2-4 раза больше размеров нанокластеров.

Дополнительное увеличение КПД и снижение трудоемкости изготовления ФП достигается тем, что пассивирующая, диэлектрическая пленка и антиотражающее покрытие выполнены из одного материала.

В способе изготовления полупроводникового фотопреобразователя с диодной структурой и металлическими контактами, включающем создание на рабочей поверхности легированного слоя, формирование на рабочей поверхности рисунка металлического контакта и нанесение антиотражающей пленки, легированный слой создают путем диффузии легирующей примеси на глубину 0,5-5 мкм, а после формирования рисунка металлического контакта из химически стойкого материала на участках, свободных от металлического контакта, удаляют легированный слой, и в процессе нанесения на эти участки пассивирующей, диэлектрической пленки антиотражающего покрытия, в нее вводят нанокластеры из атомов кремния или металлов диаметром 10-100 нм на расстоянии 40-400 нм между кластерами.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, 2 и 3, где в сечении показаны основные элементы конструкции ФП с одной рабочей поверхностью (фиг.1) и двумя рабочими поверхностями (фиг.2 и 3).

На фиг.1 ФП состоит из пластины кристаллического кремния с базовой областью 1, участками диодных структур 2 с n⁺-p (p⁺-n)-переходом на рабочей поверхности, изотипного p⁺-p (n⁺-n)-перехода 3 по всей тыльной стороне, металлических контактов 4 к p⁺-n (n⁺-p)-переходам и металлическому контакту 5 к изотопному n-n⁺ (p-p⁺)-переходу 3. Конфигурация и площадь диодных структур 2 с p⁺-n (n⁺-p)-переходами и контактов 4 совпадают в плане между собой. Расстояние l₁ между соседними участками диодных структур 2 с p⁺-n (n⁺-p)-переходами соизмеримо с удвоенной диффузионной длиной L неосновных носителей заряда в базовой области 1, т.е. диффузионной длиной электронов L_n в базовой области 1 p-типа или диффузионной длиной дырок L_p в базовой области 1 p-типа. Ширина участков диодных структур 2 с p⁺-n (n⁺-p)-переходами в 10-30 раз меньше расстояния l₁ между соседними участками диодных структур 2.

На рабочей поверхности в промежутке между участками диодных структур 2 нанесена пассивирующая, диэлектрическая пленка 6 толщиной 10-30 нм, например из двуокиси кремния, на пленке 6 расположены нанокластеры 7 из атомов кремния или металлов с линейным размером l₂=30-100 нм, расстояние l₃ между которыми в 2-4 раза превышает размеры нанокластеров, и поверх нанесена антиотражающая пленка 8, например, из нитрида кремния. В качестве металлических нанокластеров используют атомы серебра, золота, никеля и других металлов.

На фиг.2 ФП с двумя рабочими поверхностями состоит из пластины кристаллического кремния с базовой областью 1, участками диодных структур 2 с n⁺-p (p⁺-n)-переходом на рабочей поверхности, участков изотипного p⁺-p (n⁺-n)-перехода 3 на второй рабочей поверхности, расположенной на тыльной стороне ФП, металлических контактов 4 к p⁺-n (n⁺-p)-переходам и металлическому контакту 5 к изотипным n-n⁺ (p-p⁺)-переходам 3.

Расстояние между участками с контактами 4 к p⁺-n (n⁺-p)-переходам равно расстоянию между контактами 5 к изотипному p-p⁺ (n⁺-n)-переходу и также равно расстоянию l₁ между участками с p⁺-n (n⁺-p)-переходами 2. На поверхности ФП с p⁺-n (n⁺-p)-переходами 2 и на противоположной поверхности ФП с изотипным p⁺-p (n⁺-n)-переходом 3, свободной от контактов 4 и 5, нанесена диэлектрическая, пассивирующая пленка 6, например, из двуокиси кремния. Толщина базовой области 1 ФП d не превышает диффузионную длину L ФП в базовой области 1, d≤L. Ширина участков диодных структур 2 с p⁺-n (n⁺-p)-переходами в 10-30 раз меньше расстояния l₁ между соседними участками диодных структур 2.

На обеих рабочих поверхностях в промежутке между участками диодных структур 2 нанесена пассивирующая, диэлектрическая пленка 6 толщиной 10-30 нм, например из двуокиси кремния, на пленке 6 расположены нанокластеры 7 из атомов кремния или металлов с линейным размером l₂=30-100 нм, расстояние l₃ между которыми в 2-4 раза превышает размеры нанокластеров, и поверх нанесена антиотражающая пленка 8, например, из нитрида кремния. В качестве металлических нанокластеров используют атомы серебра, золота, никеля и других металлов.

На фиг.3 ФП с двумя рабочими поверхностями, в отличие от фиг.2, имеет в промежутке между участками диодных структур 2 пленку 8, например, из нитрида кремния, совмещающую функцию антиотражающего покрытия и пассивирующей кремний диэлектрической пленки. В пленке 8 на расстоянии 10-30 нм от поверхности кремния расположены нанокластеры 7 из атомов кремния или металлов с линейным размером l₂=30-100 нм, расстояние l₃ между которыми в 2-4 раза превышает размеры нанокластеров.

ФП работают следующим образом. Излучение попадает на одну или обе поверхности ФП, проникает в базовую область 1 и создает неравновесные пары носителей заряда: электроны и дырки. Другая часть излучения с длиной волны, соответствующей размеру нанокластеров и расстоянию между ними и поверхностью кремния, вызывает плазмонный резонанс и переизлучение падающего излучения в базовую область 1, увеличивая функцию генерации в области базы 1. Генерированные избыточные неравновесные неосновные носители заряда ускоряются электрическим полем изотипного p-p⁺-перехода 6 по направлению к p-n-переходу 2 и разделяются в электрическом поле n⁺-p-перехода 2 и через контактные участки 4 поступают в электрическую цепь, а затем замыкаются в контактах 5.

Возникновение максимального значения плазмонного резонанса под действием солнечного излучения наступает при условии, что внутри антиотражающего покрытия расположены нанокластеры из атомов кремния или металлов с линейным размером 10-100 нм при расстоянии между ними в 2-4 раза больше размеров нанокластеров, и нанокластеры отделены от поверхности кремния диэлектрическим слоем толщиной 10-30 нм. Нанокластеры из кремния по сравнению с металлическими нанокластерами позволяют снизить потери на поглощение солнечного излучения.

Благодаря выбору ширины диодных структур в 10-30 раз меньше расстояния между соседними диодными структурами, большая часть рабочей поверхности содержит нанокластеры, позволяющие в несколько раз увеличить чувствительность ФП в длинноволновой области спектра и снизить потери мощности, связанные со скоростью поверхностной рекомбинации под металлическими контактами и током утечки диодных структур малой площади.

Примеры изготовления ФП.

Пример 1. Используются пластины из моно- или мультикристаллического кремния толщиной d=200 мкм p- или n-типа проводимости с диффузионной длиной свыше 200 мкм. Путем легирования на тыльной стороне создают изотипный переход, а на лицевой стороне p-n-переход. С помощью, например, вакуумной металлизации на обе стороны наносят металлическую пленку с верхним слоем из материала, например хрома, химически устойчивого по отношению к травителям кремния. С помощью фотолитографии по фотошаблону вытравливают металлическую пленку и легированный слой в промежутках между диодными структурами.

На эту поверхность ФП, свободную от контактов 4 и легированного слоя 2, при нагревании наносят пассивирующую, диэлектрическую пленку двуокиси кремния 6 толщиной 10-30 нм, затем на обе поверхности ФП наносят нанокластеры 8 атомов серебра, золота или кремния с размером нанокластеров l₂, равным 40 нм, с расстоянием l₃ между нанокластерами 100 нм, и поверх нанокластеров наносят антиотражающую пленку 8, например из нитрида кремния типа Si_xN_y.

В результате получают ФП, изображенный на фиг.1, где на лицевой стороне контакты и участки с p-n-переходом занимают менее 10% площади поверхности лицевой стороны. Граница p-n-перехода заканчивается под пассивирующей пленкой Si_xN_y, что обеспечивает низкий ток утечки ФП. Большая часть лицевой стороны (более 90%) свободна от легированных слоев и имеет низкую скорость поверхностной рекомбинации за счет пленки двуокиси кремния. Дополнительно высокий КПД и увеличенный фототок обеспечиваются нанокластерами за счет резонанса и переизлучения расширенного диапазона падающего излучения в базовую область ФП.

Пример 2. В отличие от примера 1 фотохимическое травление по фотошаблону и последующие операции по нанесению нанокластеров проводят на обеих сторонах пластин кремния. В результате получают ФП, изображенный на фиг.2, где примерно с равной эффективностью работают обе стороны ФП.

Пример 3. В отличие от примера 2, для снижения трудоемкости изготовления вместо фотолитографии используется избирательное вакуумное напыление полосок контактов через прижимной трафарет, у которого ширина щелей в 10-30 раз меньше расстояния между соседними щелями. С помощью жидкостного или сухого плазменного травления удаляют легированный слой кремния в промежутке между полосками контактов и в вакуумной камере наносят антиотражающее покрытие, например нитрид кремния типа Si_xN_y, с одновременным осаждением нанокластеров из атомов золота, серебра или кремния. В результате получают ФП, изображенный на фиг.3, где примерно с равной эффективностью работают обе стороны ФП.

Следует отметить, что указанные примеры осуществления никак не ограничивают притязания заявителя, которые могут быть определены прилагаемой формулой изобретения, и множество модификаций и усовершенствований может быть сделано в рамках настоящего изобретения. Например, рассмотренные конструкции и технологии изготовления ФП позволяют создавать ФП с двухсторонней рабочей поверхностью, у которых фототок и КПД отличаются при освещении с каждой стороны не более чем на 20%, а также ФП, прозрачные для инфракрасной части спектра излучения, лежащей за краем λ₀ собственного поглощения, λ₀≥1,1 мкм для кремния и λ₀>1,8 мкм для германия.

Достоинством предложенной конструкции является малый темновой ток насыщения и низкая скорость поверхностной рекомбинации на поверхностях ФП, которые влияют на фотоЭДС V₀ и фототок I_ф.

ФотоЭДС определяется выражением:

где А - коэффициент;

к - постоянная Больцмана;

Т - температура ФП;

q - заряд электрона;

I_s - темновой ток насыщения.

где j_s - плотность темнового тока насыщения, А/см²;

S_p-n - площадь участков с p⁺-n (n⁺-p)-переходом;

где j_ф - плотность фототока, А/см²; S_ФП - площадь ФП.

Для обычного планарного ФП S_р-n=S_ф. Для предлагаемой конструкции двухстороннего ФП площадь ФП удваивается, а площадь участков с p-n-переходами составит

Подставляя (2), (3) и (4) в (1), получим, что отношение увеличивается в 20 раз по сравнению со значением для обычного планарного ФП, что и приводит к увеличению фотоЭДС и рабочего напряжения ФП. Сильнолегированные участки с p⁺-n (n⁺-p)-переходами имеют более высокую скорость поверхностной и объемной рекомбинации, снижающей фототок. Снижение площади этих участков с p⁺-n (n⁺-p)-переходами снижает рекомбинационные потери и увеличивает фототок и КПД ФП.

1. Полупроводниковый фотопреобразователь, содержащий на рабочей поверхности антиотражающее покрытие, диодную структуру с n⁺-р (р⁺-n)-переходом, изотипным р-р⁺ (n-n⁺)-переходом в базовой области на тыльной поверхности, металлические контакты к обеим областям диодной структуры, при толщине базовой области, соизмеримой с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, отличающийся тем, что диодная структура выполнена в виде отдельных участков, скоммутированных металлическими контактами, площади и конфигурации металлических контактов на рабочей поверхности совпадают в плане с диодными структурами, расстояние между отдельными соседними диодными структурами не превышает удвоенную диффузионную длину неосновных носителей тока в базовой области, ширина диодных структур в 10-30 раз меньше расстояния между соседними диодными структурами и на свободных от диодных структур участках рабочей поверхности под антиотражающим покрытием выполнена пассивирующая, диэлектрическая пленка толщиной 10-30 нм, на которой нанесены нанокластеры из атомов кремния или металлов с линейным размером 10-100 нм при расстоянии между ними в 2-4 раза больше размеров нанокластеров.

2. Полупроводниковый фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что пассивирующая, диэлектрическая пленка и антиотражающее покрытие выполнены из одного материала.

3. Полупроводниковый фотопреобразователь, содержащий антиотражающее покрытие, диодную структуру с n⁺-р (р⁺-n)-переходом на лицевой поверхности кремниевой пластины и изотипными р-р⁺ (n-n⁺)-переходами в базовой области на тыльной поверхности кремниевой пластины, у которых площади и конфигурации металлических контактов на лицевой и тыльной поверхностях совпадают в плане, а толщина фотопреобразователя соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, отличающийся тем, что диодные структуры выполнены в виде отдельных участков, скоммутированных металлическими контактами, совмещенных в плане на лицевой и тыльной поверхностях с участками, на которые нанесены контакты, конфигурация и площадь изотипных р-р⁺ (n-n⁺)-переходов совпадает с конфигурацией и площадью диодных структур с n⁺-р (р⁺-n)-переходами на лицевой поверхности, расстояние между отдельными соседними участками с n⁺-р (р⁺-n)-переходами на лицевой поверхности не превышает удвоенную диффузионную длину неосновных носителей тока в базовой области, на лицевой и тыльной поверхностях, свободных от контактов, под антиотражающим покрытием выполнена пассивирующая, диэлектрическая пленка толщиной 10-30 нм, на которой нанесены нанокластеры из атомов кремния или металлов с линейным размером 10-100 нм при расстоянии между ними в 2-4 раза больше размеров нанокластеров.

4. Полупроводниковый фотопреобразователь по п.3, отличающийся тем, что пассивирующая, диэлектрическая пленка и антиотражающее покрытие выполнены из одного материала.

5. Способ изготовления полупроводникового фотопреобразователя с диодной структурой и металлическими контактами, включающий создание на рабочей поверхности легированного слоя, формирование на рабочей поверхности рисунка металлического контакта и нанесение антиотражающего покрытия, отличающийся тем, что легированный слой создают путем диффузии легирующей примеси на глубину 0,5-5 мкм, а после формирования рисунка металлического контакта из химически стойкого материала на участках, свободных от металлического контакта, удаляют легированный слой, и в процессе нанесения на эти участки пассивирующей, диэлектрической пленки, антиотражающего покрытия в нее вводят нанокластеры из атомов кремния или металлов диаметром 10-100 нм на расстоянии 40-400 нм между кластерами.