Способ изготовления фотопреобразователя для космических аппаратов

Изобретение относится к солнечной энергетике, а именно к способам изготовления фотопреобразователей космического назначения на трехкаскадных эпитаксиальных структурах GaInP/Ga(In)As/Ge. Cпособ изготовления фотопреобразователя для космических аппаратов включает формирование на германиевой подложке с выращенными эпитаксиальными слоями трехкаскадной структуры лицевого и тыльного контактов на основе серебра; формирование мезаизоляции; отжиг контактов; выпрямление металлизированной подложки охлаждением в парах азота; дисковую резку эпитаксиальной структуры; вскрытие оптического окна травлением; напыление просветляющего покрытия, содержащего слои TiO2 и Al2O3, электронно-лучевым методом без применения плазмы; химико-динамическое травление просветляющего покрытия в растворе гидроокиси тетраметиламмония, перекиси водорода и воды; выпрямление фотопреобразователя охлаждением в парах азота; химико-динамическое травление областей реза германиевой подложки с одновременным вскрытием оптического окна; напыление просветляющего покрытия из последовательных слоев TiO₂, ZrO₂, Al₂O₃, причем толщину слоя ZrO₂ выбирают в диапазоне 7÷20 нм, кроме того, дисковую резку выполняют с отделением сегментов эпитаксиальной структуры от вертикальных и горизонтальных сторон чипов, а после химико-динамического травления просветляющего покрытия отделяют сегменты эпитаксиальной структуры от фасок чипов. Технический результат изобретения: возможность изготовления фотопреобразователя для космических аппаратов с повышенными электрическими параметрами и повышение выхода годных фотопреобразователей. 10 ил.

 

Изобретение относится к солнечной энергетике, а именно, к способам изготовления фотопреобразователей космического назначения на трехкаскадных эпитаксиальных структурах GaInP/Ga(In)As/Ge.

Известен способ изготовления каскадного фотоэлектрического преобразователя с наноструктурным просветляющим покрытием (патент РФ №2436191, опубл. 10.12.2011 г.), включающий создание на трехкаскадной эпитаксиальной структуре GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенной на германиевой подложке, лицевого и тыльного контактов; отжиг контактов; утолщение контактов электрохимическим осаждением; вскрытие оптического окна травлением контактного слоя GaAs в местах, свободных от омического контакта; нанесение трехслойного просветляющего покрытия SiO₂/Si₃N₄/TiO_x методом магнетронного распыления; разделение эпитаксиальной структуры на чипы.

Недостаток способа-аналога заключается в том, что слой Si₃N₄ невозможно нанести широко используемым методом электронно-лучевого напыления.

Признаки, общие с предлагаемым способом изготовления фотопреобразователя для космических аппаратов, следующие: создание лицевого и тыльного контактов, вскрытие оптического окна травлением, нанесение трехслойного просветляющего покрытия, разделение эпитаксиальной структуры на чипы.

Известен способ изготовления фотопреобразователя со встроенным диодом (патент РФ №2515420, опубл. 10.08.2014 г.), принятый за аналог, в котором создают на германиевой подложке с выращенными эпитаксиальными слоями трехкаскадной структуры GaInP/Ga(In)As/Ge лицевой и тыльный контакты; выполняют меза-изоляцию; отжигают контакты; вскрывают оптическое окно травлением; наносят просветляющее покрытие, содержащее слои TiO₂ и Al₂O₃, методом электронно-лучевого напыления; выполняют дисковую резку эпитаксиальной структуры; выпрямляют фотопреобразователь посредством охлаждения в парах азота.

Недостатки способа-аналога заключаются в том, что при электроннолучевом напылении просветляющего покрытия TiO₂/Al₂O₃ с использованием плазменного ассистирования снижаются предельно возможные параметры фотопреобразователя из-за шунтирующего воздействия зарядов плазмы на р/n переходы, выходящие на торцевую поверхность мезы. При напылении слоев TiO₂/Al₂O₃ без плазмы потери рабочего тока фотоэлемента связаны с повышенным оптическим отражением после наклейки радиационно-защитной стеклянной пластины.

Признаки, общие с предлагаемым способом изготовления фотопреобразователя для космических аппаратов, следующие: создание на германиевой подложке с выращенными эпитаксиальными слоями трехкаскадной структуры GaInP/Ga(In)As/Ge лицевого и тыльного контактов; вскрытие оптического окна травлением; нанесение просветляющего покрытия, содержащего слои TiO₂ и Al₂O₃ методом электронно-лучевого напыления; выполнение дисковой резки эпитаксиальной структуры; выпрямление фотопреобразователя посредством охлаждения в парах азота.

Известен способ изготовления фотопреобразователя с наноструктурным просветляющим покрытием (патент РФ №2650785, опубл. 17.04.2018 г.), принятый за прототип, в котором создают на германиевой подложке с выращенными эпитаксиальными слоями трехкаскадной структуры, лицевой и тыльный контакты на основе серебра; выполняют меза-изоляцию; отжигают контакты; выпрямляют металлизированную подложку охлаждением в парах азота. Выполняют дисковую резку эпитаксиальной структуры на чипы, включающую дисковый надрез лицевой стороны германиевой подложки по меза-канавке и последующее отделение сегментов эпитаксиальной структуры посредством многократного перегиба тыльного слоя металлизации. Далее вскрывают оптическое окно травлением, наносят просветляющее покрытие последовательным напылением слоев TiO₂ (I) толщиной 5÷30 нм без применения плазмы, TiO₂ (II) толщиной 15÷40 нм с применением плазмы, Al₂O₃ толщиной 70÷80 нм без применения плазмы. Затем выполняют химико-динамическое травление просветляющего покрытия в растворе гидроокиси тетраметиламмония, перекиси водорода и воды при количественном соотношении компонентов 1÷1,5 масс. %, 10÷20 масс. %, 89÷78,5 масс. % соответственно. При этом наряду с наноструктурированием поверхности просветляющего покрытия стравливаются дефекты реза германиевой подложки, что увеличивает механическую прочность фотопреобразователя. Выпрямляют фотопреобразователь охлаждением в парах азота.

Недостатки способа-прототипа заключаются в снижении выхода годных фотопреобразователей при дисковой резке эпитаксиальных структур в связи с тем, что при выполнении глубокого надреза диском лицевой стороны германиевой подложки вносятся микросколы на торцевую поверхность мезы. Для отделения чипов необходим неоднократный перегиб (5÷6 раз) тыльного слоя металлизации, при этом возможно развитие дефектов с последующим трещинообразованием по механически наименее прочным кристаллографическим направлениям от края фасок, см. фиг. 1. Кроме того, для космического применения необходима наклейка на лицевую сторону фотопреобразователя радиационно-защитной пластины из стекла марки К-208, при этом результирующее спектральное отражение фотоэлемента не оптимально, что приводит к потерям рабочего тока в коротковолновой области.

Признаки, общие с предлагаемым способом изготовления фотопреобразователя для космических аппаратов, следующие: создание на германиевой подложке с выращенными эпитаксиальными слоями трехкаскадной структуры лицевого и тыльного контактов на основе серебра; выполнение меза-изоляции; отжиг контактов; выпрямление металлизированной подложки охлаждением в парах азота; выполнение дисковой резки эпитаксиальной структуры; вскрытие оптического окна травлением; напыление просветляющего покрытия электронно-лучевым методом без применения плазмы; химико-динамическое травление просветляющего покрытия в растворе гидроокиси тетраметиламмония, перекиси водорода и воды; выпрямление фотопреобразователя охлаждением в парах азота.

Технический результат, достигаемый предложенным способом изготовления фотопреобразователя для космических аппаратов, заключается в повышении электрических параметров и выхода годных фотопреобразователей.

Отличительные признаки предлагаемого способа изготовления фотопреобразователя для космических аппаратов, обеспечивающие его соответствие критерию «новизна»: выполняют химико-динамическое травление областей реза германиевой подложки с одновременным вскрытием оптического окна; напыляют просветляющее покрытие из последовательных слоев TiO₂, ZrO₂, Al₂O₃, причем толщину слоя ZrO₂ выбирают в диапазоне 7÷20 нм, кроме того, дисковую резку выполняют с отделением сегментов эпитаксиальной структуры от вертикальных и горизонтальных сторон чипов, а после химико-динамического травления просветляющего покрытия отделяют сегменты эпитаксиальной структуры от фасок чипов.

Для обоснования соответствия предлагаемого способа изготовления фотопреобразователя для космических аппаратов критерию «изобретательский уровень» был проведен анализ известных технических решений по литературным источникам, в результате которого не обнаружено технических решений, содержащих совокупность известных и отличительных признаков предлагаемого способа, дающих вышеуказанный технический результат.Поэтому, по мнению авторов, предлагаемый способ изготовления фотоэлемента соответствует критерию «изобретательский уровень».

Достигается это тем, что в способе изготовления фотопреобразователя для космических аппаратов создают на германиевой подложке с выращенными эпитаксиальными слоями трехкаскадной структуры лицевой и тыльный контакты на основе серебра; выполняют меза-изоляцию; отжиг контактов; выпрямляют металлизированную подложку охлаждением в парах азота; выполняют дисковую резку эпитаксиальной структуры; вскрывают оптическое окно травлением; напыляют просветляющее покрытие электронно-лучевым методом без применения плазмы; выполняют химико-динамическое травление просветляющего покрытия в растворе гидроокиси тетраметиламмония, перекиси водорода и воды; выпрямляют фотопреобразователь охлаждением в парах азота; выполняют химико-динамическое травление областей реза германиевой подложки с одновременным вскрытием оптического окна; напыляют просветляющее покрытие из последовательных слоев TiO₂, ZrO₂, Al₂O₃, причем толщину слоя ZrO₂ выбирают в диапазоне 7÷20 нм, кроме того, дисковую резку выполняют с отделением сегментов эпитаксиальной структуры от вертикальных и горизонтальных сторон чипов, а после химико-динамического травления просветляющего покрытия отделяют сегменты эпитаксиальной структуры от фасок чипов.

В процессе химико-динамического травления областей реза германиевой подложки чипов фотопреобразователей, с сохраненными на фасках чипов сегментами эпитаксиальной структуры, при одновременном вскрытии оптического окна и травлении просветляющего покрытия, вытравливаются микродефекты, вносимые дисковым резом на торцевую поверхность мезы. В результате, при последующем отделении сегментов эпитаксиальной структуры от фасок чипов посредством перегиба слоя тыльной металлизации снижается вероятность трещинообразования в механически наименее прочных кристаллографических направлениях (перпендикулярно фаскам), увеличивается выход годных фотопреобразователей. Трехслойное просветляющее покрытие TiO₂ / ZrO₂ / Al₂O₃, напыляемое электронно-лучевым методом, без плазменного ассистирования, обеспечивает повышение электрических параметров фотопреобразователя после наклейки радиационно-защитной стеклянной пластины за счет увеличения спектральной плотности рабочего тока в коротковолновой области.

Конкретный пример реализации предлагаемого способа изготовления фотопреобразователя для космических аппаратов иллюстрирован рисунками фиг. 1÷10 и таблицей 1а, б. На фиг. 1 представлен вид чипа фотопреобразователя с трещиной. На фиг. 2 представлен вид микросколов дискового реза на торцевой поверхности германиевой подложки. На фиг. 3 представлен вид чипов с сегментами эпитаксиальной структуры на фасках. На фиг. 4 представлен вид ванночки с чипами в процессе химико-динамического травления областей реза германиевой подложки и вскрытия оптического окна. На фиг. 5 представлен вид спектрального отражения фотопреобразователей с просветляющими покрытиями: а)- TiO₂ / ZrO₂ / Al₂O₃ (40 нм/10 нм/80 нм)-согласно предлагаемому способу; б)- TiO₂ / Al₂O₃ (40 нм/ 80 нм)- в случае отсутствия слоя ZrO₂; в)- TiO₂ (I) / TiO₂ (II) / Al₂O₃ (25 нм/20 нм/80 нм)- согласно прототипу. На фиг. 6 представлен вид фотопреобразователя после отделения сегментов эпитаксиальных структур от фасок чипов. На фиг. 7 представлен вид торцевой области чипа после химико-динамической обработки. На фиг. 8 представлен вид фотопреобразователя с радиационно-защитной стеклянной пластиной. На фиг. 9 представлен вид спектрального отражения фотопреобразователя с радиационно-защитной стеклянной пластиной и просветляющими покрытиями: а)- TiO₂ / ZrO₂ / Al₂O₃ (40 нм/10 нм/80 нм)- согласно предлагаемому способу; б)- TiO₂ / Al₂O₃ (40 нм/80 нм)- в случае отсутствия слоя ZrO₂; в)- TiO₂ (I) / TiO₂ (II) / Al₂O₃ (25 нм/20 нм/80 нм)- согласно прототипу. На фиг. 10 представлен вид спектрального отражения фотопреобразователя с радиационно-защитной стеклянной пластиной и просветляющими покрытиями: а)- TiO₂ /ZrO₂ / Al₂O₃ (40 нм/20 нм/75 нм); б)-TiO₂ (I) / TiO₂ (II) / Al₂O₃ (25 нм/20 нм/80 нм)- согласно прототипу. В таблице 1а,б представлены электрические параметры фотопреобразователей до и после наклейки радиационно-защитной стеклянной пластины, изготовленных с просветляющими покрытиями, согласно: а)- предложенному способу; б)-прототипу.

Для конкретного примера реализации способа изготовления фотопреобразователя для космических аппаратов используют трехкаскадные эпитаксиальные структуры GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенные на германиевой подложке диаметром 100 мм, толщиной ~145 мкм на которых создают лицевой и тыльный контакты на основе серебра толщиной ~5,5 мкм. Выполняют меза-изоляцию, отжигают контакты, выпрямляют металлизированную подложку охлаждением в парах азота.

Выполняют дисковую резку эпитаксиальных структур на чипы прямоугольной конфигурации 40х 80 мм с фасками, используя установку DFD 6240. При этом надрезают германиевую подложку по меза-канавке до полупроводникового слоя толщиной 10÷15 мкм, прилегающего к тыльному контакту, с возникновением микросколов и выбоин по краю реза, см. фиг. 2.

Отделяют сегменты эпитаксиальной структуры от вертикальных и горизонтальных сторон чипов посредством надлома полупроводникового слоя подложки и последующего многократного перегиба (5÷6 раз) тыльного слоя металлизации. На фасках чипов, расположенных по линиям реза под углом 45° (к вертикальным и горизонтальным сторонам чипов) сегменты эпитаксиальной структуры сохраняют, см. фиг. 3 во избежание трещинообразования по механически наименее прочным направлениям (110), так как в процессе перегибов возможно развитие внесенных дефектов от края фасок. Далее выполняют химико-динамическое травление областей реза германиевой подложки с одновременным вскрытием оптического окна чипов с сегментами эпитаксиальной структуры на фасках. Используют раствор гидроокиси тетраметиламмония, перекиси водорода и воды при количественном соотношении компонентов: 0,5 масс. %;0,7 масс. %;88,8 масс. % соответственно. В процессе химико-динамической обработки чипы располагают в ванночке в несколько слоев, см. фиг..4, при этом температура раствора в ходе экзотермической реакции возрастает от 23°С до 30°С. Интенсивное перемешивание за счет кругового колебательного движения при повышенной температуре необходимо для более интенсивного травления углубленных областей реза германиевой подложки. Применяемый раствор не оказывает воздействия на серебряную составляющую контактов и полупроводниковый слой AlInP оптического окна фотопреобразователя.

Далее чипы с сегментами эпитаксиальной структуры на фасках укладывают в металлический держатель-маску, предназначенный для маскирования лицевых контактов и областей дискового реза на фасках, а также для создания электрической цепи короткого замыкания лицевых и тыльного контактов в процессе электронно-лучевого напыления просветляющего покрытия (в связи со значительной светимостью тигля с расплавом). В тоже время, в процессе длительного производственного применения возможно возрастание электрического сопротивления в цепи замыкания держателя-маски, что в случае плазменного ассистирования приводит к разрядному току через плазму, негативно влияющему на электрические параметры фотопреобразователя.

Напыляют электронно-лучевым методом просветляющее покрытие, состоящее из последовательных слоев TiO₂ / ZrO₂ / Al₂O₃ с толщинами 40 нм/10 нм/80 нм соответственно, без плазменного ассистирования, что позволяет избежать микрошунтирования р/n переходов, выходящих на торцевую поверхность меза-структуры. При этом спектральное отражение фотопреобразователя в области 400÷700 нм существенно ниже в сравнении с просветляющим покрытием TiO₂ / Al₂O₃ (40 нм/80 нм), напыляемым без слоя ZrO₂, но выше по отношению к прототипу с просветляющим покрытием TiO₂(I)/ TiO₂(II) /Al₂O₃ (25 нм/20 нм/80 нм), в котором слой TiO₂(II), формируется с плазменным ассистированием, см. фиг. 5.

Выполняют химико-динамическое травление просветляющего покрытичипов с сегментами эпитаксиальной структуры на фасках. Используют раствор гидроокиси тетраметиламмония, перекиси водорода и воды при соотношении компонентов 1 масс. %; 12,6 масс. %; 86,4 масс. %, в течение ~3 мин. При этом наряду с наноструктурирующим воздействием на поверхность просветляющего покрытия, снижающем спектральное отражение фотопреобразователя в коротковолновой области, осуществляется дополнительное травление германиевой подложки в областях дискового реза на фасках чипов. В результате удаляется слой германиевой подложки толщиной 5÷7 мкм с вытравливанием микродефектов в областях дискового реза.

Затем отделяют сегменты эпитаксиальной структуры от фасок чипов посредством многократного перегиба (5÷6 раз) тыльного слоя металлизации, см. фиг. 6. При этом, за счет вытравливания дефектов дискового реза германиевой подложки, см. фиг. 7, снижается вероятность трещинообразования от края фасок по наиболее слабым в прочностном отношении кристаллографическим направлениям, что особенно важно для утоняемых подложек. Для осуществления перегибов целесообразно применять автоматизированное устройство.

Далее выполняют сварку лицевого и тыльного контактов фотопреобразователя с внешними выводами. Наклеивают на лицевую поверхность фотопреобразователя радиационно-защитную стеклянную пластину из стекла марки К-208, см. фиг. 8.

Изготовленные фотопреобразователи (фотоэлементы) с просветляющим покрытием TiO₂/ ZrO₂ / Al₂O₃ и радиационно-защитной стеклянной пластиной, в сравнении с прототипом, характеризуются более низким результирующим спектральным отражением, см. фиг. 9; меньшей величиной относительного изменения рабочего тока ΔIp до и после наклейки защитного стекла ~2% и ~3,5% соответственно; повышенной величиной рабочего тока I_p,фэ ~506 mА и ~503,5 mА соответственно, см. таблицу 1а, б.

Напыление слоя ZrO₂ толщиной более 20 нм нецелесообразно из-за увеличения спектрального отражения просветляющего покрытия с радиационно-защитной стеклянной пластиной в коротковолновой области 350÷400 нм, см. фиг. 10. При толщинах слоя ZrO₂ менее 7 нм возрастает оптическое отражение в длинноволновой части спектра 600÷800 нм, см. фиг. 9.

Просветляющее покрытие TiO₂ / ZrO₂ / Al₂O₃, напыляемое электроннолучевым методом без использования плазменного ассистирования, позволяет полностью устранить эффект микрошунтирования р/n переходов на торцевой поверхности фотопреобразователей и снизить результирующее спектральное отражение после наклейки радиационно-защитной стеклянной пластины. В результате достигается увеличение электрических параметров фотопреобразователей для космических аппаратов. Отделение сегментов эпитаксиальной структуры от фасок чипов, выполняемое после вытравливания дефектов дискового реза германиевой подложки, снижает вероятность трещинообразования на механически наименее прочных кристаллографических направлениях и способствует увеличению выхода годных фотопреобразователей.

Способ изготовления фотопреобразователя для космических аппаратов, включающий создание на германиевой подложке с выращенными эпитаксиальными слоями трехкаскадной структуры лицевого и тыльного контактов на основе серебра, выполнение мезаизоляции, отжиг контактов, выпрямление металлизированной подложки охлаждением в парах азота, выполнение дисковой резки эпитаксиальной структуры, вскрытие оптического окна травлением, напыление просветляющего покрытия электронно-лучевым методом без применения плазмы, химико-динамическое травление просветляющего покрытия в растворе гидроокиси тетраметиламмония, перекиси водорода и воды, выпрямление фотопреобразователя в парах азота, отличающийся тем, что химико-динамическое травление областей реза германиевой подложки выполняют с одновременным вскрытием оптического окна, напыляют просветляющее покрытие из последовательных слоев ТiO₂, ZrO₂, Al₂O₃, причем толщину слоя ZrO₂ выбирают в диапазоне 7÷20 нм, кроме того, дисковую резку выполняют с отделением сегментов эпитаксиальной структуры от вертикальных и горизонтальных сторон чипов, а после химико-динамического травления просветляющего покрытия отделяют сегменты эпитаксиальной структуры от фасок чипов.