СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Российский патент 2009 года по МПК H01L31/18 

Изобретение относится к области создания полупроводниковых приборов, чувствительных к излучению, в частности к изготовлению фотоэлектрических преобразователей на основе полупроводников А³В⁵, и может использоваться для создания узкозонных фотопреобразователей на основе антимонида галлия, которые являются частью каскадных солнечных элементов и термофотопреобразователей, применяемых в системах автономного энергоснабжения.

Для реализации узкозонных солнечных элементов каскадных фотопреобразователей необходима разработка структур на основе полупроводниковых материалов с малой шириной запрещенной зоны, в первую очередь - на основе антимонида галлия (GaSb). Эти структуры также могут использоваться в перспективных в настоящее время термофотоэлектрических (ТФЭ) генераторах. При этом метод диффузии (одностадийной или в две стадии) является одним из основных, поскольку он обеспечивает высокую производительность, относительную простоту и дешевизну.

Известен способ изготовления термофотоэлектрического источника путем одностадийной диффузии (Journal of Electronic materials, Vol.32, No.11, p.1317, 2003, G.Rajagopalan, N.S.Reddy, etc., «A simple single-step diffusion and etching process for high-efficiency gallium-antimonide thermovoltaic devices»), включающий нанесение диэлектрического покрытия на подложку и создание маски, диффузию цинка из паровой фазы при высокой температуре и многостадийное травление диффузионного р-n перехода в активной области устройства с измерением напряжения холостого хода и тока короткого замыкания.

Способ позволяет получить устройство, характеризующееся высоким значением тока короткого замыкания, что обеспечивает достаточно высокую электрическую мощность фотопреобразователя.

Недостатком способа является усложненная технология утоньшения диффузионного р-n перехода (травление должно происходить в течение всего лишь 10 секунд).

Известен способ изготовления каскадного фотоэлектрического преобразователя (патент США №5091018, H01L 31/052), который содержит способы создания солнечного элемента на основе GaAs и фотопреобразователя на основе антимонида галлия (GaSb) с одностадийной диффузией. Способ изготовления фотопреобразователя на основе антимонида галлия, взятый за прототип предлагаемого способа, включает нанесение на лицевую поверхность подложки GaSb n-типа изолирующего слоя, последующее нанесение слоя фоторезиста для создания маски, экспонирование этого слоя, удаление его участков травлением и получение маски, диффузию р-типа диффузанта (Zn), нанесение защитного слоя на участки диффузии, вытравливание тыльной поверхности подложки от р-типа диффузанта и нанесение на нее металлических контактов, нанесение слоя фоторезиста на лицевую поверхность подложки, «вскрытие» его на местах будущих контактов и нанесение металла, утоньшение р-n перехода на светочувствительных участках травлением и нанесение антиотражающего покрытия.

Способ позволяет улучшить коэффициенты преобразования энергии (КПД) оптического излучения созданного устройства.

Его недостатками являются сложная многошаговая и дорогостоящая технология, необходимость использования специального оборудования.

Предлагаемый способ решает задачу упрощения технологии изготовления фотопреобразователей на основе антимонида галлия.

Задача решается способом изготовления фотоэлектрического преобразователя, включающим нанесение на лицевую поверхность подложки n-типа GaSb диэлектрического покрытия, последующее нанесение на него слоя фоторезиста, создание маски и травление через маску диэлектрического покрытия на светочувствительных участках подложки, диффузию Zn в подложку в атмосфере водорода, нанесение на лицевую поверхность подложки металла через маску из фоторезиста для создания на ней лицевых электрических контактов с последующим удалением фоторезиста, удаление образовавшегося в результате диффузии р-слоя на тыльной поверхности подложки, нанесение на нее слоя металла для создания тыльных электрических контактов и создание тыльных и лицевых электрических контактов, в котором перед упомянутой диффузией создают маску из фоторезиста на лицевой поверхности подложки для создания подконтактных областей, производят анодное окисление этих областей до получения слоя анодного оксида толщиной не более 0.25 мкм в электролите, не вступающем в химическую реакцию с фоторезистом, после чего удаляют фоторезист.

В фотоэлектрическом преобразователе требуется более глубокий р-n переход под контактными областями в отличие от остальных участков лицевой поверхности во избежание проплавления р-n перехода при вжигании контактов. Его создание в известных способах требует использования немалого количества довольно сложных технологических процедур.

Авторы впервые предложили при изготовлении фотоэлектрического преобразователя путем одностадийной диффузии р-типа диффузанта (Zn) из газовой фазы в подложку GaSb получать требуемый рельеф активной области, используя избирательно создаваемую на поверхности пленку анодного оксида (на участках лицевой поверхности подложки под будущими полосковыми контактами), что, как доказано экспериментально, увеличивает глубину залегания р-n перехода под контактными областями за счет ускорения процесса диффузии р-типа диффузанта (Zn) в подложку в этих областях, при этом на открытой поверхности структуры формируется тонкий фотоактивный слой, причем, в отличие от других известных способов, все это происходит в едином технологическом процессе, что позволяет быстрее и проще изготовить качественный фотопреобразователь, исключив некоторые операции прототипа.

Проведение анодного окисления до получения слоя анодного оксида толщиной не более 0.25 мкм, как показали эксперименты, позволяет сформировать более глубокий р-n переход под контактными областями в отличие от остальных участков лицевой фоточувствительной поверхности. Если толщина слоя анодного оксида будет больше 0.25 мкм, то не весь слой анодного оксида будет восстановлен, что приведет к существенному ухудшению адгезии металла к полупроводнику. Минимальная толщина слоя анодного оксида определяется только технологическими возможностями используемых устройств.

Использование электролита, не вступающего в химическую реакцию с фоторезистом, необходимо для получения анодного окисления именно на поверхности под будущими контактами.

Сущность способа поясняется чертежами (Фиг.1-8), где обозначено:

1 - диэлектрическое покрытие;

2 - полупроводниковая подложка n-GaSb;

3 - анодный оксид;

4 - фоторезист;

5 - диффузионный слой p-GaSb (р-n переход);

6 - пары цинка;

7 - тыльный контакт;

8 - лицевой контакт.

На Фиг.1 показана структура с осажденнным диэлектрическим покрытием 1 на подложке 2 n-GaSb; на Фиг.2 - структура после травления диэлектрического покрытия 1 в светочувствительных участках структуры через маску из фоторезиста; на Фиг.3 показана структура при создании маски из фоторезиста 4 (посредством фотолитографии) для окисления подконтактной области 3 GaSb и окислении подконтактной области 3 GaSb; на Фиг.4 показано удаление фоторезиста 4; на Фиг.5 показано проведение диффузии цинка в антимонид галлия из газовой фазы 6 через анодный оксид 3 на местах будущего контакта и в фоточувствительную поверхность элемента без анодного оксида и создание лицевого и тыльного р-n переходов 5; на Фиг.6 показана структура с удаленным тыльным р-n переходом 5 (с помощью механической шлифовки или химического травления); на Фиг.7 показана структура с полученным тыльным контактом 7 (производят осаждение и последующий отжиг); на Фиг.8 показана структура с созданным лицевым контактом 8 (создают маску из фоторезиста, например, посредством взрывной фотолитографии, для осаждения лицевого контакта, производят осаждение и последующий его отжиг).

Способ осуществляется следующим образом.

Наносят на лицевую поверхность подложки n-типа GaSb диэлектрическое покрытие, например оксид или нитрид кремния. Затем на него наносят слой фоторезиста. Создают маску и осуществляют травление через маску диэлектрического покрытия на светочувствительных участках подложки, создают маску из фоторезиста на лицевой поверхности подложки для создания подконтактных областей, производят анодное окисление этих областей до получения слоя анодного оксида не более 0.25 мкм в электролите, не вступающем в химическую реакцию с фоторезистом, удаляют фоторезист, производят диффузию Zn в подложку, удаляют образовавшийся в результате диффузии р-слой на тыльной поверхности подложки, наносят на нее слой металла для создания тыльных электрических контактов, наносят на лицевую поверхность подложки металл через маску из фоторезиста для создания на ней лицевых электрических контактов и удаляют фоторезист.

Во время диффузии Zn в подложку, происходящей в атмосфере водорода, слой анодного оксида восстанавливается, и происходит углубление р-n-перехода в подконтактных областях.

В случае недостаточной толщины созданных контактов возможно также дополнительно создание маски из фоторезиста посредством фотолитографии для гальванического осаждения золота (посредством взрывной фотолитографии) и гальваническое осаждение золота с целью увеличения толщины контакта и улучшения его омических свойств.

Также дополнительно проводят фотолитографию с целью проведения разделительного травления, разделительное травление структуры, травление диэлектрического покрытия на светочувствительной поверхности GaSb-элемента и осаждение антиотражающего покрытия (например, ZnS/MgF₂), резку структуры на отдельные элементы.

Пример.

Для обеспечения локальности диффузионного процесса сформировали защитную маску на лицевой поверхности подложки 2 из монокристаллической пластины GaSb n-типа, легированной теллуром, предотвращающую выход р-n перехода на боковую поверхность образца. Для этого методом плазмохимического осаждения при пониженном давлении наносили диэлектрическую пленку 1, в которой при помощи техники фотолитографии вскрывали окна под светочувствительную поверхность элемента и производили их травление. Затем посредством фотолитографии создавали маску из фоторезиста 4 для окисления подконтактных областей 3 GaSb и производили их окисление при напряжении 50В в течение (5÷10)мин. до полного анодного окисления в электролите, состоящем из 1 ч. смеси гидрата аммония и винной кислоты с рН=(5.6÷6.4) и 3 ч. этиленгликоля. При этом получался слой анодного оксида толщиной 0.15 мкм. Удаляли фоторезист 4 кипячением в ацетоне, проводили диффузию цинка из газовой фазы 6 в подложку 2 с открытой фоточувствительной поверхностью и в покрытые анодным оксидом 3 подконтактные области. Затем удаляли тыльный р-n переход 5 с помощью механической шлифовки или химического травления, осаждали тыльный контакт 7 методом термического вакуумного напыления и отжигали его в атмосфере водорода. Создавали маску из фоторезиста посредством фотолитографии для формирования лицевого контакта, осаждали его методом термического вакуумного испарения, удаляли фоторезист с помощью техники взрывной фотолитографии и отжигали лицевой контакт 8 в атмосфере водорода. Создавали маску из фоторезиста посредством фотолитографии для гальванического осаждения золота и проводили это осаждение. Осуществляли процесс фотолитографии с целью разделительного травления структуры, проводили это травление и осаждали антиотражающее покрытие Zn/MgF₂.

Предлагаемая технология позволяет создавать фотоэлектрические преобразователи путем одностадийной диффузии р-типа диффузанта (Zn) проще, т.к. исключается операция травления фоточувствительной поверхности через контакты (утоньшение эмиттера) на последней стадии изготовления устройства, входящая в способ-прототип, и, следовательно, дешевле, по сравнению с прототипом, не ухудшая параметры приборов.

Изобретение может быть использовано для создания узкозонных фотопреобразователей на основе антимонида галлия, которые являются частью каскадных солнечных элементов и термофотопреобразователей, применяемых в системах автономного энергоснабжения. При создании фотоэлектрического преобразователя для решения задачи упрощения технологии наносят на лицевую поверхность подложки (2) n-типа GaSb диэлектрическое покрытие (1), затем слой фоторезиста, создают маску и производят травление через маску диэлектрического покрытия на светочувствительных участках подложки (2). Создают маску из фоторезиста (4) на лицевой поверхности подложки для создания подконтактных областей, производят анодное окисление этих областей (3) до получения слоя анодного оксида толщиной не более 0.25 мкм в электролите, не вступающем в химическую реакцию с фоторезистом, и удаляют фоторезист (4). Затем осуществляют диффузию Zn из газовой фазы (6) в подложку (2) в атмосфере водорода. Удаляют р-слой (5) на тыльной поверхности подложки (2) и наносят на нее слой металла для создания тыльных электрических контактов (7). Наносят на лицевую поверхность подложки металл через маску из фоторезиста для создания на ней лицевых электрических контактов (8) с последующим удалением фоторезиста. 8 ил.

Способ изготовления фотоэлектрического преобразователя, включающий нанесение на лицевую поверхность подложки n-типа GaSb диэлектрического покрытия, последующее нанесение на него слоя фоторезиста, создание маски и травление через маску диэлектрического покрытия на светочувствительных участках подложки, диффузию Zn в подложку в атмосфере водорода, нанесение на лицевую поверхность подложки металла через маску из фоторезиста для создания на ней лицевых электрических контактов с последующим удалением фоторезиста, удаление образовавшегося в результате диффузии р-слоя на тыльной поверхности подложки, нанесение на нее слоя металла для создания тыльных электрических контактов и создание тыльных и лицевых электрических контактов, отличающийся тем, что перед упомянутой диффузией создают маску из фоторезиста на лицевой поверхности подложки для создания подконтактных областей, производят анодное окисление этих областей до получения слоя анодного оксида толщиной не более 0,25 мкм в электролите, не вступающем в химическую реакцию с фоторезистом, после чего удаляют фоторезист.