ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК H01L31/42 B82B1/00 B82B3/00 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к приборам, преобразующим энергию электромагнитного излучения в электрическую, и технологии их изготовления, в частности к полупроводниковым фотоэлектрическим генераторам.

Известен матричный фотоэлектрический генератор (патент РФ №2265915, 2005, МПК Н01L 31/18), в котором на полупроводниковой подложке расположены эпитаксиальные слои n и р-типа, а запирающий эффект обратносмещенных переходов устранен путем импульсного пробоя.

Недостатком указанного преобразователя является недостаточно высокий КПД при однократной интенсивности освещения, невозможность их использования в стандартной технологии фотоэлектрических модулей на основе планарных фотопреобразователей.

Известен преобразователь солнечной энергии в электрическую (патент РФ №2217845, 2003 г., МПК Н01L 31/04) на основе фоточувствительного слоя на металлической пластине, содержащий металлические наночастицы в n-слое полупроводникового полимера и полупроводниковые нанокристаллы р-типа. Недостатком указанного преобразователя является нестабильность параметров из-за эффекта фотонной деградации и потери в n-области.

В качестве прототипа принята конструкция фотоэлектрического генератора (Васильев A.M., Ландсман А.П. Полупроводниковые фотопреобразователи. - М.: Советское радио, 1971), содержащего подложку, диодную структуру из полупроводниковых слоев, просветляющее покрытие, металлические контакты.

Недостатком указанного преобразователя является низкая эффективность преобразования электромагнитного излучения.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности преобразования электромагнитного излучения.

Вышеуказанный результат достигается тем, что полупроводниковый фотоэлектрический генератор, содержащий подложку, диодную структуру из полупроводниковых слоев, просветляющее покрытие, металлические контакты, состоит из множества осажденных на подложке слоев, образующих диодные планарные n⁺-p-p⁺ (р⁺-n-n⁺); n-р структуры, соединенные последовательно по направлению распространения излучения, при этом слои одного типа содержат металлические нанокластеры размером 5÷38 нм с концентрацией нанокластеров в указанных слоях не более (1÷10)·10^-2 объемных долей, а расстояние между нанокластерами и представляющими полупроводниковые нанокристаллы слоями другого типа не более 1200 нм, при этом один или два линейных размера каждой диодной структуры не превышают диффузионной длины неосновных носителей тока в базовой области, а толщина диодной структуры в направлении распространения излучения обратно пропорциональна максимальному коэффициенту поглощения излучения в полупроводниковом материале.

В способе изготовления полупроводникового фотоэлектрического генератора, включающем создание диодной структуры из полупроводниковых слоев на полупроводниковой подложке, нанесение просветляющего покрытия, металлизацию, путем последовательного осаждения полупроводниковых слоев создают множество слоев толщиной 8 нм-20 мкм, образующих диодные планарные n⁺-p-p⁺ (р⁺-n-n⁺); n-р структуры, при этом в слои одного типа вводят металлические нанокластеры размером 5÷38 нм с концентрацией нанокластеров в указанных слоях не более (1÷10)·10^-2 объемных долей, а слои другого типа выполняют в виде полупроводниковых нанокристаллов, при этом расстояние между нанокластерами и указанными нанокристаллами не более 1200 нм, при этом один или два линейных размера каждой диодной структуры не превышают диффузионной длины неосновных носителей тока в базовой области, а толщины диодных структур в направлении распространения излучения обратно пропорциональны максимальному коэффициенту поглощения излучения в полупроводниковом материале, при этом устраняют запирающий эффект обратносмещенных переходов, образуя последовательное соединение структур по направлению распространения излучения.

Также увеличение эффективности преобразования достигается тем, что проводится дополнительная термообработка. Запирающий эффект обратносмещенных переходов могут устранять тем, что на полученную многослойную планарную матрицу подают импульсное напряжение и пробивают обратносмещенные переходы, образуя последовательное соединение структур по направлению распространения излучения. А множество слоев могут создавать путем проведения последовательной эпитаксии.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

На чертеже показаны основные элементы конструкции планарных полупроводниковых фотоэлектрических генераторов с нанокластерами для варианта структур с n-р переходами.

На чертеже фотоэлектрический генератор состоит из полупроводниковой подложки 1, множества диодных планарных структур 2, включающих эпитаксиальные слои: р-типа 3, n-типа 4, n-р переходы 5, устраненные пробоем обратносмещенных р-n переходов 6, тыльного контакта 7, просветляющего покрытия 8, лицевого контакта 9, нанокластеров 10.

Нанокластеры 10 расположены в слоях n-типа 4, размер нанокластеров 10 5÷38 нм, а их концентрация в слоях 4 не более (1÷10)·10^-2 объемных долей. Тыльный металлический контакт 7 выполнен в виде сплошного слоя, лицевой металлический контакт 10 - в виде гребенки.

Устройство работает следующим образом.

Через просветляющее покрытие 8 электромагнитное излучение поступает на соединенные последовательно структуры 2 с, например, устраненными пробоем, обратносмещенными переходами 6, перпендикулярно или под некоторым углом плоскости р-n перехода. Происходит поглощение фотонов в структурах 2, сопровождающееся образованием электронно-дырочных пар и появлением избыточных носителей заряда. Толщина эпитаксиальных слоев 3, 4 обеспечивает прозрачность и прохождение излучения, которое поступает на все структуры 2. Электронно-дырочные пары разделяются полем, что вызывает фототок, направленный в структурах 2 к базовым областям - слоям 3, и во внешней цепи фототок, направленный к подложке 1, с суммарным напряжением структур.

Одновременно излучение поступает на нанокластеры 10. При этом частота плазменного резонанса нанокластеров 10 в готовом фотопреобразователе находится вблизи максимума спектра поглощения полупроводниковых нанокристаллических слоев 3 и/или прошедшего через просветляющее покрытие 8 излучения, и/или частота плазменного резонанса нанокластеров 10 вызывает резонанс внутри структуры, увеличивая диэлектрическую проницаемость среды слоев 4, происходит резкое увеличение генерированных электронно-дырочных пар и, следовательно, рост функции генерации.

Наличие нанокластеров 10 увеличивает эффективность преобразования соответствующего спектра длин волн падающего электромагнитного излучения. Электромагнитное излучение, поступающее на слои, например, n-типа 4 с нанокластерами 10 металла, например золота, вызывает колебания свободных электронов нанокластеров 10. Возбуждение колебаний имеет резонансный характер на частоте плазменного резонанса, определяемой природой материала, формой и размерами нанокластеров и природой полупроводника.

Таким образом конструкция планарного полупроводникового фотоэлектрического генератора с нанокластерами в последовательно соединенных структурах позволяет увеличить функцию генерации, т.е. повысить эффективность преобразования электромагнитного излучения, при этом эпитаксиальные слои обладают идентичностью кристаллической структуры, т.е. обеспечивается однородность характеристик структур.

Применение после создания структуры пробоя стабилизирует рабочее состояние фотогенератора, оптимизируя структурный состав и устраняя точечные дефекты. Одновременно в ряде случаев подбор типа полупроводника подложки 1, примесей и нанокластеров 10 позволяет расширить зону максимума спектра поглощения и варьировать выходные спектральные характеристики фотогенератора.

Пример изготовления фотогенератора.

На подложке из кремния n-типа марки КДБ 0,5(0.1) ионно-молекулярной эпитаксией создают многослойную эпитаксиальную n⁺-р-p⁺-n⁺…-р⁺ структуру из 2-100 структур с n⁺-р-р⁺ переходами, проводя поочередно легирование бором и фосфором, при этом толщина слоев 8-20 мкм.

После создания n-слоев путем термического распыления через ядерный фильтр с порами диаметром 25-50 нм наносится слой нанокластеров, например атомов золота, таким образом, что концентрация нанокластеров в легированном слое достигает (1÷10)·10^-2 объемных долей. При этом слои р-типа представляют собой полупроводниковые нанокристаллы, структура которых повторяет структуру подложки, и расстояние между ними и нанокластерами не более 1200 нм.

Возможен вариант введения нанокластеров в один слой в несколько этапов: эпитаксия-введение нанокластеров- … -введение нанокластеров. Но не более 4-х повторений, т.к. при усложнении процесса изготовления большее количество этапов не приводит к существенному увеличению равномерности распределения нанокластеров при указанных размерах. Количество этапов определяется параметрами оборудования, чистотой слоев, характеристиками нанокластеров и влиянием дополнительных термообработок.

Затем на рабочей поверхности формируют просветляющее покрытие: например, покрывают при нагревании пленкой нитрида кремния типа Si_xN_y осаждением из парогазовой фазы, содержащей моносилан и азот. Металлизацию осуществляют напылением в вакууме или химическим осаждением металла. Далее на матрицы заготовки подают импульсное напряжение величиной 0,5-1,2 В на один р-n переход при емкости 1,5·10^-2-10·10^-2Ф и пробивают обратносмещенные переходы, создавая последовательное соединение планарных структур.

В результате получается конструкция фотоэлектрического генератора, представленная на чертеже.

Создание структуры последовательной эпитаксией позволяет увеличить равномерность распределения нанокластеров, вводить нанокластеры в один этап. Проведение дополнительной термообработки после создания структуры и между операциями позволяет в ряде случаев добиться более равномерного распределения нанокластеров в объеме легированных слоев.

Полупроводниковый фотоэлектрический генератор содержит подложку, диодную структуру из полупроводниковых слоев, просветляющее покрытие, металлические контакты, состоит из множества осажденных на подложке слоев, образующих диодные планарные n⁺-p-p⁺ (р⁺-n-n⁺); n-р структуры, соединенные последовательно по направлению распространения излучения. Слои одного типа содержат металлические нанокластеры размером 5÷38 нм с концентрацией нанокластеров в указанных слоях не более (1÷10)·10^-2 объемных долей. Расстояние между нанокластерами и представляющими полупроводниковые нанокристаллы слоями другого типа не более 1200 нм. Один или два линейных размера каждой диодной структуры не превышают диффузионной длины неосновных носителей тока в базовой области, а толщина диодной структуры в направлении распространения излучения обратно пропорциональна максимальному коэффициенту поглощения излучения в полупроводниковом материале. Способ изготовления планарного полупроводникового фотоэлектрического генератора включает создание диодной структуры из полупроводниковых слоев на полупроводниковой подложке, нанесение просветляющего покрытия, металлизацию. Путем последовательного осаждения полупроводниковых слоев создают множество слоев толщиной 8 нм - 20 мкм, образующих диодные планарные n⁺-р-р⁺ (p⁺-n-n⁺); n-p структуры. В слои одного типа вводят металлические нанокластеры размером 5÷38 нм с концентрацией нанокластеров в указанных слоях не более (1÷10)·10^-2 объемных долей, а слои другого типа выполняют в виде полупроводниковых нанокристаллов, при этом расстояние между нанокластерами и указанными нанокристаллами не более 1200 нм, при этом один или два линейных размера каждой диодной структуры не превышают диффузионной длины неосновных носителей тока в базовой области, а толщины диодных структур в направлении распространения излучения обратно-пропорциональны максимальному коэффициенту поглощения излучения в полупроводниковом материале, при этом устраняют запирающий эффект обратносмещенных переходов, образуя последовательное соединение структур по направлению распространения излучения. Запирающий эффект обратносмещенных переходов могут устранять тем, что на полученную многослойную планарную матрицу подают импульсное напряжение и пробивают обратносмещенные переходы, образуя последовательное соединение структур по направлению распространения излучения. Изобретение обеспечивает повышение эффективности преобразования электромагнитного излучения. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Полупроводниковый фотоэлектрический генератор, содержащий подложку, диодную структуру из полупроводниковых слоев, просветляющее покрытие, металлические контакты, отличающийся тем, что он состоит из множества осажденных на подложке слоев, образующих диодные планарные n⁺-p-p⁺ (р⁺-n-n⁺); n-р структуры, соединенные последовательно по направлению распространения излучения, при этом слои одного типа содержат металлические нанокластеры размером 5÷38 нм с концентрацией нанокластеров в указанных слоях не более (1÷10)·10^-2 объемных долей, а расстояние между нанокластерами и представляющими полупроводниковые нанокристаллы слоями другого типа не более 1200 нм, при этом один или два линейных размера каждой диодной структуры не превышают диффузионной длины неосновных носителей тока в базовой области, а толщина диодной структуры в направлении распространения излучения обратно пропорциональна максимальному коэффициенту поглощения излучения в полупроводниковом материале.

2. Способ изготовления планарного полупроводникового фотоэлектрического генератора, включающий создание диодной структуры из полупроводниковых слоев на полупроводниковой подложке, нанесение просветляющего покрытия, металлизацию, отличающийся тем, что путем последовательного осаждения полупроводниковых слоев создают множество слоев толщиной 8 нм - 20 мкм, образующих диодные планарные n⁺-p-p⁺ (р⁺-n-n⁺); n-р структуры, при этом в слои одного типа вводят металлические нанокластеры размером 5÷38 нм с концентрацией нанокластеров в указанных слоях не более (1÷10)·10^-2 объемных долей, а слои другого типа выполняют в виде полупроводниковых нанокристаллов, при этом расстояние между нанокластерами и указанными нанокристаллами не более 1200 нм, при этом один или два линейных размера каждой диодной структуры не превышают диффузионной длины неосновных носителей тока в базовой области, а толщины диодных структур в направлении распространения излучения обратно пропорциональны максимальному коэффициенту поглощения излучения в полупроводниковом материале, при этом устраняют запирающий эффект обратносмещенных переходов, образуя последовательное соединение структур по направлению распространения излучения.

3. Способ изготовления планарного полупроводникового фотоэлектрического генератора по п.2, отличающийся тем, что запирающий эффект обратносмещенных переходов устраняют тем, что на полученную многослойную планарную матрицу подают импульсное напряжение и пробивают обратносмещенные переходы, образуя последовательное соединение структур по направлению распространения излучения.

4. Способ изготовления планарного полупроводникового фотоэлектрического генератора по п.2 или 3, отличающийся тем, что проводится дополнительная термообработка.

5. Способ изготовления планарного полупроводникового фотоэлектрического генератора по п.2 или 3, отличающийся тем, что множество слоев создают путем проведения последовательной эпитаксии.