Полупроводниковый фотопреобразователь и способ его изготовления

Изобретение относится к области конструкции и технологии изготовления оптоэлектронных приборов, а именно фотоэлектрических преобразователей (ФП). Полупроводниковый фотопреобразователь содержит рабочую поверхность, на которую падает излучение, базовую область, выполненную в виде пластины полупроводникового материала р-или n- типа проводимости и легированные слои с высокой проводимостью n⁺- и р⁺-типа, расположенные с двух сторон пластины, контакты к указанным легированным слоям и просветляющее покрытие на рабочей поверхности. На поверхности базовой области, свободной от легированных слоев n⁺- и p⁺-типа, выполнены микроуглубления, один, два или три линейных размера которых соизмеримы с одной четвертой длины волны излучения, соответствующей максимальной спектральной плотности излучения. Участки базовой области между микроуглублениями содержат легированные слои, поверхность которых покрыта металлическими контактами. Ширина легированных слоев и контактов между микроуглублениями 5-10 нм. Микроуглубления содержат просветляющее покрытие с пассивирующими свойствами со следующими параметрами: коэффициент поглощения излучения 0,94-0,99, скорость эффективной поверхностной рекомбинации в 1-20 см/сек. Также предложен способ изготовления этого фотопреобразователя. Изобретение обеспечивает повышение эффективности преобразования интенсивных потоков излучения. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

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

Известна конструкция и способ изготовления кремниевых ФП в виде диодной структуры с р-n переходом на лицевой стороне, токосъемными металлическими контактами к легированному слою в форме гребенки, сплошным тыльным контактом и антиотражающим покрытием на лицевой (рабочей) стороне (Васильев A.M., Ландсман А.П. Полупроводниковые фотопреобразователи, 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 р-n перехода и, как следствие, невысокое значение их КПД.

Известна конструкция и способ изготовления кремниевых ФП с мелкозалегающим р-n переходом на большей части лицевой стороны и глубоким р-n переходом под металлическими контактами (Green M.A., 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 р-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.

Известна конструкция ФП с двухсторонней рабочей поверхностью с диодной n⁺-р-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 конструкции 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 таких ФП.

В качестве прототипа принята конструкция фотопреобразователя с двухсторонней рабочей поверхностью, содержащего диодные структуры с n⁺-p (р⁺-n) переходами на лицевой поверхности кремниевой пластины и изотипными p-p⁺ (n-n⁺) переходами в базовой области на тыльной поверхности кремниевой пластины, у которого 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 скоммутированных контактами участков, совмещенных в плане на лицевой и тыльной поверхностях с участками, на которые нанесены контакты, расстояние между отдельными соседними участками с р⁺-n (n⁺-р) переходами, а также между отдельными соседними участками с р⁺-р (n⁺-n) изотипными переходами не превышает диффузионную длину неосновных носителей тока в базовой области, на поверхностях, свободных от n⁺-р (р⁺-n) переходов и р⁺-р (n⁺-n) изотипных переходов, выполнена пассивирующая диэлектрическая пленка.

В прототипе способа изготовления фотоэлектрических преобразователей с двухсторонней рабочей поверхностью из пластин кремния, включающего химическое травление поверхности, создание на лицевой стороне пассивирующей антиотражающей пленки и окон в этой пленке, легирование кремния в окнах соответственно донорной и акцепторной примесью на глубину более 0,5 мкм для формирования р-n переходов с использованием термообработки и нанесение в окна металлического контакта, окна шириной 1-50 мкм создают в пассивирующей антиотражающей пленке из Si_xN_y, размещают окна друг от друга на расстоянии, не превышающем удвоенную диффузионную длину, а от торца фотопреобразователя на расстоянии, не превышающем диффузионную длину неосновных носителей заряда в базовой области, и всю поверхность окон покрывают металлическим контактом, создают на тыльной стороне пассивирующую антиотражающую пленку Si_xN_y, в пленке вскрывают окна шириной 1-50 мкм, совмещая в плане с окнами на лицевой поверхности, размещают окна друг от друга на расстоянии, не превышающем удвоенную диффузионную длину, а от торца фотопреобразователей на расстоянии, не превышающем диффузионную длину неосновных носителей заряда в базовой области, проводят легирование окон с использованием термообработки до образования изотипных переходов, всю поверхность кремния в окнах покрывают металлическим контактом (патент РФ №2331139 от 28.02.2007 г.).

Недостатком известной конструкции ФП является большое последовательное сопротивление в базовой области и снижение эффективности при преобразовании концентрированного излучения.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности преобразования интенсивных потоков излучения.

Технический результат достигается тем, что в полупроводниковом фотопреобразователе, содержащем рабочую поверхность, на которую падает излучение, базовую область, выполненную в виде пластины полупроводникового материала р- или n-типа проводимости и легированные слои с высокой проводимостью n⁺- и p⁺-типа, расположенные с двух сторон пластины, контакты к указанным легированным слоям и просветляющее покрытие на рабочей поверхности, на поверхности базовой области, свободной от легированных слоев n⁺- и р⁺-типа, выполнены микроуглубления, один, два или три линейных размера которых соизмеримы с одной четвертой длины волны, соответствующей максимальной спектральной плотности излучения, участки базовой области между микроуглублениями содержат легированные слои, поверхность которых покрыта металлическими контактами, ширина легированных слоев и контактов между микроуглублениями составляет 5-10 нм, микроуглубления содержат просветляющее покрытие с пассивирующими свойствами со следующими параметрами: коэффициент поглощения излучения 0,94-0,99, скорость эффективной поверхностной рекомбинации 1-20 см/сек.

В варианте исполнения полупроводникового фотопреобразователя базовая область из кремния содержит на рабочей и тыльной поверхностях микроуглубления в виде половинок микросфер с радиусом 0,2- 0,3 мкм, просветляющее покрытие выполнено из нитрида кремния с примесью водорода.

В другом варианте конструкции полупроводникового фотопреобразователя микроуглубления на рабочей и тыльной поверхностях выполнены в форме квадратов, расположенных в виде ячеек в центрах прямоугольной контактной сетки.

Еще в одном варианте конструкции полупроводникового фотопреобразователя микроуглубления в виде полуцилиндров и контактные слои выполнены в виде чередующихся протяженных структур, длина которых в 10-10⁶ раз превышает их ширину.

В способе изготовления полупроводникового фотопреобразователя путем создания на противоположных поверхностях базовой области, выполненной в виде полупроводниковой пластины, легированных слоев n⁺ - и p⁺-типа, нанесения металлических контактных слоев и просветляющего покрытия, после создания легированных слоев n⁺- и p⁺-типа и нанесения металлических контактных слоев производят селективное вскрытие окон в легированном и контактном слоях, соответствующее форме микроуглублений, и формируют микроуглубления в базовой области методом плазмохимического или химического травления, при этом ширина легированных слоев и контактов между микроуглублениями составит 5-10 нм, а один, два или три линейных размера сформированных микроуглублений соизмеримы с одной четвертой длины волны, соответствующей максимальной спектральной плотности излучения, затем на поверхности микроуглублений создают просветляющее и пассивирующее покрытия.

Для снижения трудоемкости изготовления полупроводникового фотопреобразователя вскрытие окон проводят методом лазерной или алмазной гравировки.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1-4, где на фиг.1 показана конструкция фотопреобразователя с микроуглублениями в базовой области в виде микросфер, на фиг.2 - микроуглубления в виде сотовой структуры, на фиг.3 - микроуглубления в виде квадратов, установленных в виде ячеек в центрах прямоугольной контактной сетки, на фиг.4 - вид в плане и поперечное сечение фотопреобразователя в виде чередующихся протяженных микроуглублений и р-n переходов с контактными полосами, длина которых в 10-10⁶ превышает их ширину.

На фиг.1 фотопреобразователь состоит из пластины кристаллического кремния с базовой областью 1, участками диодных структур с n⁺-р (р⁺-n) переходами 2 на рабочей поверхности 3, изотипного р-р⁺ (n-n⁺) перехода 4 на тыльной поверхности 5, металлических контактов 6 по всей площади р⁺-n (n⁺-р) переходов 2 и металлических контактов 7 по всей площади изотипных p⁺-p (n⁺-n) переходов 4. p⁺-n (n⁺-р) переходы 2 и контакты 6 и 7 расположены на рабочей 3 и тыльной 5 поверхностях по периметру 8 микроуглублений 9, выполненных в виде половинок микросфер с радиусом r=0,1-0,2 мкм, которые содержат просветляющее покрытие 10 из нитрида кремния с пассивацией поверхности кремния водородом с параметрами: коэффициент поглощения излучения 0,92-0,99, скорость эффективной рекомбинации на поверхности микроуглублений 9 1-20 см/с. Толщина легированных слоев 11 на участках с р⁺-n (n⁺-р) переходами 2 и легированных слоев 12 на участках изотипного р-р⁺ (n-n⁺) перехода 4 составляет 0,2-1 мкм, ширина d легированных слоев 11 и 12 и металлических контактов 6 и 7 равна 5-10 нм.

На фиг.2 микроуглубления 9 выполнены в виде сотообразной структуры. По периметру 8 микроуглублений Р выполнены р-n переходы 2 и металлические контакты 6.

На фиг.3 микрополости 9 на рабочей поверхности 3 выполнены в форме квадратов, установленных в виде ячеек с границами в виде прямоугольной контактной сетки 13.

На фиг.4 микроуглубления 9 выполнены в виде протяженных полос 14, длина l которых в 10-10⁶ раз превышает их ширину D=2r. Контактные слои 15 и участки с р⁺-n (n⁺-р) переходами 16 расположены по периметру полос 14, и их ширина d в 10-20 раз меньше ширины микроуглублений 9. Микроуглубления протяженных полос 14 выполнены в виде полуцилиндров диаметром D=2r на рабочей 3 и на тыльной 5 поверхностях фотопреобразователя. Контактные слои 15 объединены с помощью поперечных контактных полос 77 на рабочей 3 и тыльной 5 поверхностях для отвода электроэнергии от фотопреобразователя во внешнюю сеть.

Фотопреобразователь работает следующим образом. Излучение попадает в микроуглубления 9, которые играют роль объемных резонаторов, в которых образуется стоячая электромагнитная волна. Под действием излучения в базовой области 7 генерируются неравновесные носители заряда: электроны и дырки. Неосновные носители заряда отталкиваются от тыльной стороны электрическим полем изотипного р-р⁺ (n-n⁺) перехода 4, собираются электрическим полем p⁺-n (n⁺-р) перехода 2 и через контакты 7 поступают к нагрузке (не показана). Просветляющее покрытие 10 на поверхности микроуглубления 9 увеличивает поглощение излучения до 92-99% и за счет пассивации поверхности микроуглублений 9 снижает скорость поверхностной рекомбинации до величины 1-20 см/с, в результате возрастает эффективность собирания неосновных носителей и увеличивается фототок.

Пример изготовления фотопреобразователя

Используются пластины из монокристаллического или крупноблочного поликристаллического кремния толщиной 180 мкм р-типа с временем жизни 20 мкс. Путем диффузии на тыльной стороне 5 пластин создают изотипный р-р⁺ переход 4, а на лицевой поверхности 3 n⁺-р переход 2 с толщиной легированных слоев 11 около 1 мкм. На обе поверхности 3 и 5 фотопреобразователя наносят сплошной металлический контакт 6 и 7 из слоев никеля, меди и хрома. С помощью фотолитографии вытравливают металлические пленки 6 и 7 и легированные слои 11, создавая окна, соответствующие форме микроуглублений, и селективным плазмохимическим или химическим травлением создают микроуглубления 9 в базовой области 7 в соответствии с фиг.1-4. Затем производят пассивацию поверхности микроуглублений 9 водородом и нанесение просветляющей пленки 10 из нитрида кремния путем плазмохимического осаждения смеси моносилана и аммиака.

Снижение себестоимости вскрытия окон достигается использованием вместо фотолитографии метода гравирования поверхности пластины лазером или алмазным инструментом.

Рассмотренные конструкции и технологии изготовления позволяют создавать фотопреобразователи на основе кремния, германия, карбида кремния и других материалов, а также формировать n⁺ и p⁺ слои из полупроводников с большей шириной запрещенной зоны, чем в базовой области, создавая гетеропереходы типа кремний - аморфный кремний.

Для кремния радиус микроуглублений 9 составляет 0,2-0,3 мкм, для германия r=0,3-0,45 мкм, для карбида кремния r=0,1-0,15 мкм. Малые размеры микроуглублений Р, один, два или три линейных размера которых соизмеримы с одной четвертой длины волны излучения, позволяют использовать микроуглубления в качестве резонаторов электромагнитных волн и снижают омические потери в базовой области и повышают эффективность фотопреобразователя при преобразовании концентрированных потоков излучения.

1. Полупроводниковый фотопреобразователь, содержащий рабочую поверхность, на которую падает излучение, базовую область, выполненную в виде пластины полупроводникового материала р- или n-типа проводимости, и легированные слои с высокой проводимостью n⁺- и p⁺-типа, расположенные с двух сторон пластины, контакты к указанным легированным слоям и просветляющее покрытие на рабочей поверхности, отличающийся тем, что на поверхности базовой области, свободной от легированных слоев n⁺- и p⁺-типа, выполнены микроуглубления, один, два или три линейных размера которых соизмеримы с одной четвертой длины волны, соответствующей максимальной спектральной плотности излучения, участки базовой области между микроуглублениями содержат легированные слои, поверхность которых покрыта металлическими контактами, ширина легированных слоев и контактов между микроуглублениями составляет 5-10 нм, микроуглубления содержат просветляющее покрытие с пассивирующими свойствами со следующими параметрами: коэффициент поглощения излучения 0,94-0,99, скорость эффективной поверхностной рекомбинации 1-20 см/с.

2. Полупроводниковый фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что базовая область из кремния содержит на рабочей и тыльной поверхностях микроуглубления в виде половинок микросфер с радиусом 0,2-0,3 мкм, просветляющее покрытие выполнено из нитрида кремния с водородной пассивацией.

3. Полупроводниковый фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что микроуглубления на рабочей и тыльной поверхности выполнены в форме квадратов, установленных в виде ячеек в центрах прямоугольной контактной сетки.

4. Полупроводниковый фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что микроуглубления в форме полуцилиндров и контактные слои выполнены в виде чередующихся протяженных структур, длина которых в 10-10⁶ раз превышает их ширину.

5. Способ изготовления полупроводникового фотопреобразователя путем создания на противоположных поверхностях базовой области, выполненной в виде полупроводниковой пластины, легированных слоев n⁺- и p⁺-типа, нанесения металлических контактных слоев и просветляющего покрытия, отличающийся тем, что после создания легированных слоев n⁺- и p⁺-типа и нанесения металлических контактных слоев производят селективное вскрытие окон в легированном и контактном слоях, соответствующее форме микроуглублений, и формируют микроуглубления в базовой области методом плазмохимического или химического травления, при этом ширина легированных слоев и контактов между микроуглублениями составит 5-10 нм, а один, два или три линейных размера сформированных микроуглублений соизмеримы с одной четвертой длины волны, соответствующей максимальной спектральной плотности излучения, затем на поверхности микроуглублений создают просветляющее и пассивирующее покрытия.

6. Способ изготовления полупроводникового фотопреобразователя по п.5, отличающийся тем, что вскрытие окон проводят методом лазерной или алмазной гравировки.