ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2009 года по МПК H01L31/04 

Изобретение относится к области разработки и производства фотопреобразователей света и может быть использовано для преобразования мощности света в электрическую мощность.

Известны способы создания фотопреобразователей и их конструкций на основе использования пластин монокристаллического кремния, содержащих участки различного типа проводимости (см., например, С.Зи, Физика полупроводниковых приборов, М., Мир, 1984, том 2, глава 14). Однако обычные фотопреобразователи (типа солнечных элементов) вырабатывают при освещении ток низкого напряжения (для кремниевых элементов порядка 0,5-0,7 В), а на основе последовательного соединения обычных фотопреобразователей (типа солнечных элементов в солнечных батареях) трудно получить высоковольтный источник тока малых габаритов, так как последовательное соединение солнечных элементов будет занимать большую площадь и объем.

В качестве прототипа предлагаемой конструкции используется фотопреобразователь, представляющий собой твердотельную матрицу из последовательно соединенных p-n переходов, так называемый «фотовольт», в которой вертикальные p-п переходы расположены перпендикулярно облучаемой поверхности. Это приводит к уменьшению тока, но к росту снимаемого при облучении напряжения (см. Физика и техника полупроводников, 1998 г., т.32, №7, с.886-888). Однако указанная конструкция является сложной и трудоемкой при изготовлении, и на ее основе трудно создать фотопреобразователь, позволяющий получать напряжение свыше 1000 В.

Техническим результатом изобретения является обеспечение получения высокого напряжения (свыше 1000 В), снимаемого с фотопреобразователя при его освещении, при одновременном упрощении конструкции и технологии изготовления фотопреобразователя.

Поставленный технический результат реализуются таким образом, что в конструкции, состоящей из диэлектрической подложки и монокристаллических слоев кремния, содержащих участки различного типа проводимости, включенных последовательно, эти монокристаллические слои кремния имеют заданную толщину, лежащую в пределах от 5 мкм до 15 мкм, что превышает глубину поглощения света, которым освещается фотопреобразователь, расположены планарно на одной диэлектрической подложке, изолированы друг от друга, а участки одного типа проводимости каждого монокристаллического слоя кремния соединены с участками противоположного типа проводимости одного из соседних слоев монокристаллического кремния металлическими перемычками, и, кроме того, конструкция дополняется тем, что участок монокристаллического слоя кремния одного типа проводимости и участок монокристаллического слоя кремния противоположного типа проводимости имеют контактные выводы.

Как указано выше, фотопреобразователь отличается тем, что толщина слоев монокристаллического кремния может быть выбрана для конкретных изделий от 5 мкм до 15 мкм. Толщина 5 мкм, по крайней мере, в 4-5 раз превышает глубину поглощения зеленого света, где интенсивность прошедшего света уменьшается в «е» раз. Толщина 15 мкм, по крайней мере, в 4-5 раз превышает глубину поглощения красного света, где интенсивность прошедшего света уменьшается в «е» раз.

На фиг.1 и фиг.2 представлена схематическая конструкция фотопреобразователя.

На фиг.1 показан вид сверху, а на фиг.2 показано поперечное сечение фотопреобразователя. Здесь 1 - слои монокристаллического кремния с участками различного типа проводимости, 2 - диэлектрическая подложка, 3 - сильнолегированные слои электронной и дырочной проводимости (для слоя монокристаллического кремния Р-типа проводимости N⁺-Р - электронно-дырочный переход, а Р⁺-Р - контакт с сильно легированным слоем того же типа проводимости, что и подложка), 4 - промежутки, разделяющие слои монокристаллического кремния, 5 - металлические перемычки, соединяющие последовательно участки различного типа проводимости соседних слоев монокристаллического кремния, 6 - контактные выводы.

Пример №1

Фотопреобразователи изготавливали методами планарной технологии. На пластине кремния Р-типа проводимости с кристаллографической ориентацией (100) с удельным сопротивлением 20 Ом·см и диффузионной длиной неосновных носителей заряда более 100 мкм с одной стороны пластины проводилась диффузия бора и создавался нижний (см. фиг.2) P⁺-P-контакт. Затем пластина соединялась методом термопрессионной сварки с диэлектрической подложкой (в качестве которой использовалась другая пластина кремния, покрытая толстым (порядка 2 мкм) слоем диоксида кремния) таким образом, чтобы к диэлектрической подложке примыкал P⁺-слой. Далее пластину утоняли до толщины ˜ 5 мкм. При использовании фотолитографии и диффузии на поверхности пластины создавали P⁺- и N⁺-слои и сверху наносили просветляющий слой из диоксида кремния толщиной 0,09 мкм, в котором методом фотолитографии и травления вскрывали «окна» для формирования последующих металлических контактов к N⁺ и P⁺ областям. Далее при использовании фотолитографии и метода ориентационного селективного травления вытравливали разделительные канавки, которые при травлении пластины до диэлектрической подложки изолировали монокристаллические слои кремния друг от друга. Металлические перемычки выполняли методом напыления алюминия и формировали методами фотолитографии и травления. На заключительном этапе производили разделение пластины на чипы методом алмазной резки, после чего к каждому чипу методом термокомпрессии присоединяли выводы.

При площади чипа 1 см² на нем было сформировано 2500 изолированных друг от друга слоев или «островков» монокристаллического кремния.

Эффективность фотопреобразователя при его освещении светодиодами зеленого цвета составляет 60-65% в зависимости от вариаций параметров пластин монокристаллического кремния после термической обработки. При мощности освещения 100 мВт/см², полученного от матрицы светодиодов зеленого свечения, с фотопреобразователей снимали напряжение свыше 1000 В.

Пример №2.

Изготавливали фотопреобразователи по технологии примера №1 с тем отличием, что толщина монокристаллических слоев кремния составляла ˜15 мкм, а толщина просветляющего слоя из диоксида кремния составляла 0,11 мкм. При мощности освещения 100 мВт/см², полученного от матрицы светодиодов красного свечения, с фотопреобразователей снимали напряжение свыше 1000 В. Эффективность фотопреобразователей при этом составляла 65-70% в зависимости от вариаций параметров пластин кремния после термических операций.

Новизна предложенной конструкции заключается в том, что слои монокристаллического кремния, содержащие участки различного типа проводимости, расположены планарно на одной диэлектрической подложке, изолированы друг от друга, а участки одного типа проводимости каждого слоя монокристаллического кремния соединены с участками противоположного типа проводимости одного из соседних слоев монокристаллического кремния металлическими перемычками, и, кроме того, на одном участке монокристаллического слоя кремния одного типа проводимости и на другом участке монокристаллического слоя кремния противоположного типа проводимости сформированы контактные выводы.

Изобретательский уровень заключается в следующем. Предложенная конструкция при освещении обычным солнечным светом будет обладать крайне малой эффективностью, так как для получения эффективности преобразования 15-18% толщина слоев кремния должна быть не менее 100-200 мкм, тогда как в предложенном фотопреобразователе толщина слоев кремния, по крайней мере, в 10-20 раз меньше. Однако при освещении фотопреобразователя светодиодами (или лазерами) красного или зеленого света эффективность преобразования составляет десятки процентов, так как практически весь падающий на фотопреобразователь поток излучения поглощается на указанной толщине слоя кремния, а неосновные носители без потерь диффундируют к P-N-переходу, так как диффузионная длина неосновных носителей заряда значительно превышает толщину образца. Это и позволяет получать фотопреобразователь с высокой эффективностью преобразования при освещении его поверхности монохроматическим светом выбранной длины волны. Кроме того, можно уменьшить коэффициент отражения света, так как для монохроматического освещения легко реализовать близкий к нулю коэффициент отражения, используя четвертьволновый просветляющий слой необходимой толщины.

При использовании предложенной конструкции могут быть созданы фотопреобразователи на разное напряжение. Фотопреобразователи могут использоваться в качестве источников питания фотоумножителей, ЭОПов и других приборов.

Фотопреобразователь содержит диэлектрическую подложку, включенные последовательно слои монокристаллического кремния, с участками различного типа проводимости. Слои монокристаллического кремния толщиной 5-15 мкм расположены планарно на диэлектрической подложке и изолированы друг от друга. Участки одного типа проводимости каждого слоя монокристаллического кремния соединены с участками противоположного типа проводимости одного из соседних слоев монокристаллического кремния металлическими перемычками. На одном участке монокристаллического слоя кремния одного типа проводимости и на другом участке монокристаллического слоя кремния противоположного типа проводимости сформированы контактные выводы. Фотопреобразователи согласно изобретению при освещении красным светом или зеленым светом при мощности облучения 100 мВт/см² могут развивать выходное напряжение свыше 1000 В. 2 ил.

Фотопреобразователь, содержащий диэлектрическую подложку, включенные последовательно слои монокристаллического кремния, с участками различного типа проводимости, отличающийся тем, что эти слои толщиной 5-15 мкм расположены планарно на диэлектрической подложке и изолированы друг от друга, а участки одного типа проводимости каждого слоя монокристаллического кремния соединены с участками противоположного типа проводимости одного из соседних слоев монокристаллического кремния металлическими перемычками и, кроме того, на одном участке монокристаллического слоя кремния одного типа проводимости и на другом участке монокристаллического слоя кремния противоположного типа проводимости сформированы контактные выводы.