Полупроводниковый фотоэлектрический преобразователь и способ его изготовления (варианты)

Изобретение относится к конструкции и технологии изготовления оптоэлектронных приборов, а именно полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей. Сущность изобретения: в полупроводниковом фотопреобразователе, содержащем матрицу из скоммутированных последовательно с помощью контактов микроэлементов с базовой областью, легированными областями в виде диодных п⁺-p-p⁺ (р⁺-п-п⁺) структур и просветляющей пленкой, плоскости п⁺-р⁺ (p⁺-п) переходов, изотипных р-р⁺ (п-п⁺) переходов и контактов к легированным п⁺ (р⁺) областям перпендикулярны к двум рабочим сторонам, на которые падает излучение, а один или два линейных размера каждого микроэлемента соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей заряда в базовой области, каждый микроэлемент содержит вдоль рабочих сторон области с дополнительными изотипными р-р⁺ (п-п⁺) переходами, отделенными от п⁺-р (р⁺-п) переходов и изотипных переходов промежутком, ширина которого, по меньшей мере, в 10 раз меньше размера микроэлемента, а участки базовой и легированных п⁺ (p⁺) областей на рабочих сторонах содержат пассивирующую просветляющую пленку. Изобретение обеспечивает повышение КПД и снижение стоимости изготовления фотоэлектрических преобразователей, состоящих из множества микрофотопреобразователей. 6 н.п. ф-лы, 2 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 р-п-переходом на всей рабочей поверхности, 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 рабочей поверхности фосфором, химическом осаждении никелевого контакта, избирательном травлении контактного рисунка и нанесении антиотражающего покрытия. Недостатком получаемых ФП является сравнительно большая глубина р-п-перехода и, как следствие, невысокое значение их КПД.

Известна конструкция и способ изготовления кремниевых ФП с мелкозалегающим р-п-переходом на большей части рабочей поверхности и глубоким р-п-переходом под металлическими контактами на рабочей поверхности (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 рабочей поверхности: 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 поглощение коротковолновой части падающего излучения легированным слоем, имеющим низкий коэффициент собирания носителей тока к р-п-переходу и, как следствие, недостаточно высокое КПД ФП.

Известна конструкция и способ изготовления ФП с пассивирующей, антиотражающей (просветляющей) пленкой на фоточувствительной поверхности, свободной от легированных слоев и контактов, которые создаются на тыльной стороне в виде чередующихся, сильно легированных областей, образующих р-п-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 с совмещением рисунка шаблона, что усложняет процесс изготовления и повышает стоимость ФП.

Известна конструкция и способ изготовления ФП из кремния с гетеропереходом на лицевой стороне и изотипном гетеропереходом на обратной стороне (Kanno H. at ol. Over 22% efficient HIT solar cell // 23^rd European Photovoltaic Solar Energy Conference, 1-5 September 2008, Valencia. Spain, p.1136-1139.). Широкозонные слои из аморфного кремния наносят на пластины кремния из паровой фазы, активированной плазменным разрядом. Поверх широкозонного слоя наносят прозрачную электропроводящую просветляющую пленку и сетчатые токосъемные контакты. Недостатком этих ФП является не фотоактивное поглощение излучения в широкозонных слоях, что снижает величину фототока и КПД.

Известна конструкция и способ изготовления ФП (патент РФ №2331139) с двухсторонней фоточувствительной рабочей поверхностью с диодной п⁺-р-р⁺ структурой, у которого конфигурация и площадь контактов на тыльной стороне совпадают в плане и не превышают 10% общей площади, а толщина фотопреобразователя соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, диодные структуры, выполнены в виде отдельных скоммутированных контактами участков, совмещены в плане на рабочей и тыльной поверхности с участками, на которые нанесены контакты, расстояние между отдельными соседними участками с п⁺-р (р⁺-п) переходами на рабочей поверхности не превышает удвоенную диффузионную длину неосновных носителей тока в базовой области и на рабочей поверхности, свободной от п⁺-р (р⁺-п) перехода, расположена пассивирующая, антиотражающая пленка.

Недостатком этой конструкции является повышенные потери на сопротивлении металлических контактов и недостаточно высокое значение напряжения, что снижает величину КПД, а также необходимость использования при изготовлении высоких температур и дорогостоящего кремния высокой степени чистоты.

В качестве прототипа принята конструкция и способ изготовления фотоэлектрического генератора (А.с. №288163 СССР, 1967 г., МПК H01L 31/042), выполненного в виде матрицы из скоммутированных последовательно микрофотопреобразователей, у которых один или два линейных размера соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости р-n переходов перпендикулярны рабочей поверхности генератора. Известный способ изготовления состоит из диффузионного легирования и создания диодной структуры с р-п переходом и изотипным переходом на разных сторонах пластин полупроводника, металлизации двух сторон пластин, соединения пластин с помощью контактов в стопку, резки стопки пластин на матричные структуры, обработки поверхности и нанесения просветляющего покрытия.

Недостатком указанного фотоэлектрического генератора является недостаточно высокие значения тока и напряжения и недостаточно высокая эффективность преобразования солнечного излучения. Кроме того, необходимость использования высокой температуры при диффузионном легировании повышает себестоимость изготовления.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение КПД и снижение стоимости изготовления фотоэлектрических генераторов, состоящих из множества микрофотопреобразователей.

Технический результат достигается тем, что в полупроводниковом фотопреобразователе, содержащем матрицу из скоммутированных последовательно с помощью контактов микроэлементов с базовой областью, легированными областями в виде диодных п⁺-р-p⁺ (р⁺-п-п⁺) структур и просветляющей пленкой, плоскости п⁺-р (р⁺-п) переходов, изотипных р-p⁺ (п-п⁺) переходов и контактов к легированным п⁺ (р⁺) областям перпендикулярны к двум рабочим сторонам, на которые падает излучение, а один или два линейных размера каждого микроэлемента соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей заряда в базовой области, каждый микроэлемент содержит вдоль рабочих сторон области с дополнительными изотопными р-p⁺ (п-п⁺) переходами, отделенными от п⁺-р (р⁺-п) переходов и изотопных переходов промежутком, ширина которого, по меньшей мере, в 10 раз меньше размера микроэлемента, а участки базовой и легированных п⁺ (p⁺) областей на рабочих сторонах содержат пассивирующую просветляющую пленку.

По другому варианту в полупроводниковом фотопреобразователе, содержащем матрицу из скоммутированных последовательно с помощью контактов микроэлементов с базовой областью, легированными областями в виде диодных п⁺-р-p⁺ (р⁺-п-п⁺) структур и просветляющей пленкой, плоскости п⁺-р (р⁺-п) переходов, изотопных р-p⁺ (п-п⁺) переходов и контактов к легированным п⁺ (р⁺) областям перпендикулярны к двум рабочим сторонам, на которые падает излучение, а один или два линейных размера каждого микроэлемента соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей заряда в базовой области, каждый микроэлемент содержит вдоль рабочих сторон области с дополнительными п⁺-р (р⁺-п) переходами, отделенными от п⁺-р (p⁺-п) переходов и изотипных p-p⁺ (п-п⁺) переходов промежутком, ширина которого, по меньшей мере, в 10 раз меньше размера микроэлемента, а участки базовой и легированных п⁺ (р⁺) областей на рабочих сторонах, содержат пассивирующую просветляющую пленку.

Еще по одному варианту в полупроводниковом фотопреобразователе, содержащем матрицу из скоммутированных последовательно с помощью контактов микроэлементов с базовой областью, легированными областями в виде диодных п⁺-р-р⁺ (р⁺-п-п⁺) структур и просветляющей пленкой, плоскости п⁺-р (р⁺-п) переходов, изотипных p-p⁺ (п-п⁺) переходов и контактов к легированным п⁺ (р⁺) областям перпендикулярны к двум рабочим сторонам, на которые падает излучение, а один или два линейных размера каждого микроэлемента соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей заряда в базовой области, каждый микроэлемент содержит вдоль рабочих сторон наведенные области с повышенной концентрацией носителей заряда, отделенные от п⁺-р (р⁺-п) переходов и изотипных p-р⁺ (п-п⁺) переходов промежутком, ширина которого, по меньшей мере, в 10 раз меньше размера микроэлемента, а в просветляющей пленке содержится слой с встроенным зарядом плотностью не менее 10¹² см^-2.

Технический результат достигается также тем, что в способе изготовления полупроводникового фотопреобразователя, включающем диффузионное легирование полупроводниковых пластин с образованием вдоль поверхности диодных п⁺-р-р⁺ (р⁺-п-п⁺) структур, металлизацию легированных п⁺ (р⁺) слоев, соединение пластин в стопку через металлические прослойки, резку стопки на матрицы, травление рабочих сторон, на которые падает излучение, и нанесение просветляющего покрытия, вдоль рабочих сторон лазерной диффузией создают дополнительные изотипные р-р⁺ (п-п⁺) переходы, отделенные от п⁺-р (р⁺-п) переходов и изотипных р-р⁺ (п-п⁺) переходов промежутком, ширина которого, по меньшей мере, в 10 раз меньше толщины пластин.

По другому варианту в способе изготовления полупроводникового фотопреобразователя, включающем диффузионное легирование полупроводниковых пластин с образованием вдоль поверхности диодных п⁺-р-р⁺ (р⁺-п-п⁺) структур, металлизацию легированных п⁺ (р⁺) слоев, соединение пластин в стопку через металлические прослойки, резку стопки на матрицы, травление рабочих сторон, на которые падает излучение, и нанесение просветляющего покрытия, вдоль рабочих сторон лазерной диффузией создают дополнительные п⁺-р (р⁺-п) переходы, отделенные от п⁺-р (р⁺-п) переходов и изотопных р-р⁺ (п-п⁺) переходов промежутком, ширина которого, по меньшей мере, в 10 раз меньше толщины пластин.

Еще по одному варианту в способе изготовления полупроводникового фотопреобразователя, включающем диффузионное легирование полупроводниковых пластин с образованием вдоль поверхности диодных п⁺-p-p⁺ (р⁺-п-п⁺) структур, металлизацию легированных п⁺ (р⁺) слоев, соединение пластин в стопку через металлические прослойки, резку стопки на матрицы, травление рабочих сторон, на которые падает излучение, и нанесение просветляющего покрытия, на рабочие стороны наносят просветляющее покрытие с встроенным электрическим зарядом с плотностью не менее 10¹² см^-2 в виде локальных областей, отделенных от п⁺-р (р⁺-п) переходов и изотопных р-р⁺ (п-п⁺) переходов промежутком, ширина которого, по меньшей мере, в 10 раз меньше толщины пластин.

Сущность изобретения поясняется фиг.1 и 2, где в сечении показаны основные элементы двух разновидностей конструкции фотопреобразователя. Фотопреобразователь на фиг.1 и 2 состоит из множества микроэлементов с диодной п⁺-p-p⁺ (p⁺-п-п⁺) структурой, соединенных последовательно. Каждый микрофотопреобразователь содержит базовую область 1 из кристаллического кремния или германия. Ширина базовой области 1 соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей тока и составляет около 300 мкм. На одной боковой стороне базовые области 1 содержат сильно легированный п⁺ (р⁺) слой 2 противоположного типа проводимости, образуя p⁺-п или п⁺-р переходы 3, а на другой боковой стороне сильно легированный слой 4 того же типа проводимости, что и базовая область 1, образуя изотипные п-п⁺ или p-р⁺ переходы 5. Сильнолегированные п⁺ (p⁺) слои 2 и 4 полностью покрыты металлическими контактами 6, обеспечивая механическое и электрическое соединение микроэлементов в матрицу. Толщина металлических слоев 6 составляет около 2 мкм. Обе внешние поверхности фотопреобразователя являются рабочими, на которые поступает световое излучение. Каждый микроэлемент вдоль обеих рабочих сторон содержит дополнительные обогащенные основными носителями заряда п⁺ (р⁺) области 7, образующие в одном варианте дополнительный изотипный р-p⁺ (п-п⁺) переход 8, а в другом варианте дополнительный п⁺-р (р⁺-п) переход 8. Причем дополнительный обогащенные основными носителями заряда слой 7 отделен от основных сильно легированных слоев 2 и 4 промежутком d, ширина которого более 10 раз меньше ширины базовой области 1. Обе рабочие поверхности фотопреобразователя покрыты пассивирущей просветляющей пленкой 9.

Световое излучение поступает на обе рабочие поверхности, которые практически равны по величине фоточувствительности.

Отличие конструкции фотопреобразователя, соответствующего фиг.1 от фиг.2, состоит в том, что обогащенные основными носителями заряда дополнительные п⁺ (р⁺) области 7 получены диффузионным легированием донорной или акцепторной примеси. Фотопреобразователь на фиг.2 содержит в просветляющей пленке 9 локальные области 10 с встроенным электрическим зарядом с плотностью не менее 10¹² см^-2, что наводит в прилегающей базовой области 1 обогащенные основными носителями заряда дополнительные п⁺ (р⁺) области 7. Образование дополнительных п⁺ или p⁺ областей 7 зависит от знака встроенного электрического заряда.

В процессе изготовления фотопреобразователя используются пластины из моно- или мультикристаллического кремния или германия толщиной 300 мкм р- или п-типа проводимости с диффузионной длиной в базовой области не менее 300 мкм. С помощью диффузионного легирования фосфором и бором создают диодную п⁺-р-р⁺ (р⁺-п-п⁺) структуру. На обе стороны наносят сплошной слой контакта с верхним слоем из алюминия, меди или никеля толщиной более 0,5 мкм. Пластины складывают в стопку и соединяют пластины между собой с помощью контактов. Стопку разрезают на пластины толщиной около 0,3 мм и удаляют с поверхности механически нарушенный слой. Далее методом лазерного легирования создают на рабочих сторонах локально расположенные дополнительные п⁺ (р⁺) легированные слои 9, отделенные промежутком d шириной около 10 мкм от основных п⁺ (р⁺) легированных слоев. Дополнительные п⁺ (р⁺) легированные слои 7 имеют толщину не более 1 мкм и поверхностную концентрацию введенной примеси в диапазоне 10¹⁹-10²⁰ см^-3. На обе стороны матрицы осаждением из паровой фазы или методом магнетронного напыления наносят пассивирущую просветляющую пленку 9, например, из нитрида кремния. Таким образом, получается конструкция фотопреобразователя, соответствующая фиг.1.

Изготовление фотопреобразователя, изображенного на фиг.2, отличается тем, что вместо лазерного легирования обогащенные основными носителями заряда дополнительные п⁺ (р⁺) области 7 получают путем создания в просветляющей пленке локальных областей с встроенным электрическим зарядом плотностью не менее 10¹² см^-2. Отрицательный заряд создается при нанесении на поверхность кремния пленки оксида алюминия, а положительный заряд в случае нанесения пленки нитрида кремния. Пленки с встроенными зарядами наносят избирательно так, чтобы наведенные обогащенные основными носителями заряда дополнительные п⁺ (р⁺) области 7 были отделены от основных легированных п⁺ (р⁺) слоев промежутком d около 10 мкм.

Фотоэлектрический преобразователь работает следующим образом. Световое излучение практически без потерь на затенение контактами, которые занимают менее 1% поверхности, поступает в базовую область 1. Очень небольшая часть поглощается в обогащенных основными носителями заряда дополнительных п⁺ (p⁺) областях 7, а большая часть в базовой области 1. Дополнительные обогащенные основными носителями заряда п⁺ (р⁺) области 7 за счет градиента концентрации основных носителей создают тянущее электрическое поле, направленное от поверхности, а границы дополнительных р-п переходов 8 или изотипных переходов создают потенциальный барьер, направляющий генерированные светом в базовой области неосновные носители тока к основным р-п переходам 3.

Таким образом, достигается высокое собирание неосновных носителей тока, высокое значение фототока и увеличение до 25% КПД фотопреобразователя.

Процесс изготовления отличается низкой трудоемкостью, позволяет получать высоковольтные фотопареобразователи с низкими оимческими потерями и эффективно работающие при высоких концентрациях солнечного излучения.

1. Полупроводниковый фотопреобразователь, содержащий матрицу из скоммутированных последовательно с помощью контактов микроэлементов с базовой областью, легированными областями в виде диодных n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺) структур и просветляющей пленкой, плоскости n⁺-p (p⁺-n) переходов, изотипных p-p⁺ (n-n⁺) переходов и контактов к легированным n⁺ (p⁺) областям перпендикулярны к двум рабочим сторонам, на которые падает излучение, а один или два линейных размера каждого микроэлемента соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей заряда в базовой области, отличающийся тем, что каждый микроэлемент содержит вдоль рабочих сторон области с дополнительными изотипными p-p⁺ (n-n⁺) переходами, отделенными от n⁺-p (p⁺-n) переходов и изотипных p-p⁺ (n-n⁺) переходов промежутком, ширина которого, по меньшей мере, в 10 раз меньше размера микроэлемента, а участки базовой и легированных областей на рабочих сторонах содержат пассивирующую просветляющую пленку.

2. Полупроводниковый фотопреобразователь, содержащий матрицу из скоммутированных последовательно с помощью контактов микроэлементов с базовой областью, легированными областями в виде диодных n⁺-p-p⁺ (р⁺-n-n⁺) структур и просветляющей пленкой, плоскости n⁺-р (p⁺-n) переходов, изотипных p-p⁺ (n-n⁺) переходов и контактов к легированным n⁺ (p⁺) областям перпендикулярны к двум рабочим сторонам, на которые падает излучение, а один или два линейных размера каждого микроэлемента соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей заряда в базовой области, отличающийся тем, что каждый микроэлемент содержит вдоль рабочих сторон области с дополнительными n⁺-p (p⁺-n) переходами, отделенными от n⁺-p (p⁺-n) переходов и изотипных p-p⁺ (n-n⁺) переходов промежутком, ширина которого, по меньшей мере, в 10 раз меньше размера микроэлемента, а участки базовой и легированных областей на рабочих сторонах содержат пассивирующую просветляющую пленку.

3. Полупроводниковый фотопреобразователь, содержащий матрицу из скоммутированных последовательно с помощью контактов микроэлементов с базовой областью, легированными областями в виде диодных n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺) структур и просветляющей пленкой, плоскости n⁺-p (p⁺-n) переходов, изотипных p-p⁺ (n-n⁺) переходов и контактов к легированным n⁺ (p⁺) областям перпендикулярны к двум рабочим сторонам, на которые падает излучение, а один или два линейных размера каждого микроэлемента соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей заряда в базовой области, отличающийся тем, что каждый микроэлемент содержит вдоль рабочих сторон наведенные области с повышенной концентрацией носителей заряда, отделенные от n⁺-p (p⁺-n) переходов и изотипных p-p⁺ (n-n⁺) переходов промежутком, ширина которого, по меньшей мере, в 10 раз меньше размера микроэлемента, а в просветляющей пленке содержится слой с встроенным зарядом с плотностью не менее 10¹² см^-2.

4. Способ изготовления полупроводникового фотопреобразователя, включающий диффузионное легирование полупроводниковых пластин с образованием вдоль поверхности диодных n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺) структур, металлизацию легированных n⁺ (p⁺) слоев, соединение пластин в стопку через металлические прослойки, резку стопки на матрицы, травление рабочих сторон, на которые падает излучение, и нанесение просветляющего покрытия, отличающийся тем, что вдоль рабочих сторон лазерной диффузией создают дополнительные изотипные p-p⁺ (n-n⁺) переходы, отделенные от n⁺-p (p⁺-n) переходов и изотипных p-p⁺ (n-n⁺) переходов промежутком, ширина которого, по меньшей мере, в 10 раз меньше толщины пластин.

5. Способ изготовления полупроводникового фотопреобразователя, включающий диффузионное легирование полупроводниковых пластин с образованием вдоль поверхности диодных n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺) структур, металлизацию легированных n⁺ (p⁺) слоев, соединение пластин в стопку через металлические прослойки, резку стопки на матрицы, травление рабочих сторон, на которые падает излучение, и нанесение просветляющего покрытия, отличающийся тем, что вдоль рабочих сторон лазерной диффузией создают дополнительные n⁺-p (p⁺-n) переходы, отделенные от n⁺-p (p⁺-n) переходов и изотипных p-p⁺ (n-n⁺) переходов промежутком, ширина которого, по меньшей мере, в 10 раз меньше толщины пластин.

6. Способ изготовления полупроводникового фотопреобразователя, включающий диффузионное легирование полупроводниковых пластин с образованием вдоль поверхности диодных n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺) структур, металлизацию легированных n⁺ (p⁺) слоев, соединение пластин в стопку через металлические прослойки, резку стопки на матрицы, травление рабочих сторон, на которые падает излучение, и нанесение просветляющего покрытия, отличающийся тем, что на рабочие стороны наносят просветляющее покрытие с встроенным электрическим зарядом с плотностью не менее 10¹² см² в виде локальных областей, отделенных от n⁺-p (p⁺-n) переходов и изотипных p-p⁺ (n-n⁺) переходов промежутком, ширина которого, по меньшей мере, в 10 раз меньше толщины пластин.