КАСКАДНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С НАНОСТРУКТУРНЫМ ПРОСВЕТЛЯЮЩИМ ПОКРЫТИЕМ Российский патент 2011 года по МПК H01L31/04 B82B1/00 

Изобретение относится к области конструкции и технологии изготовления оптоэлектронных приборов, а именно к конструкции фотоэлектрических преобразователей.

Известен фотоэлектрический преобразователь (см. “The future of high efficiency, multi-junction space solar cells”, Paul R. Sharps, Art Cornfeld, Mark Stan, Aaron Korostyshevsky, Vance Ley, Benjamin Cho, Tansen Varghese, Jacqueline Diaz, и Dan Aiken Emcore Photovoltaics, 10420 Research Rd. SE, Albuquerque, NM 87123) на основе многослойной полупроводниковой структуры GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенной на германиевой подложке, с двухслойным просветляющим покрытием TiO_x/Al₂O₃.

Недостатком известного фотоэлектрического преобразователя является высокий коэффициент отражения при преобразовании длинноволнового солнечного излучения, что приводит к падению КПД фотоэлектрического преобразователя.

Известен фотоэлектрический преобразователь (см. “Field-aided collection in GaInP top solar cells”, M.B.Chena, R.Q.Cuia, Z.W.Zhangb, J.F.Lub, L.X.Wangb, W.Y.Chib, X.B.Xiangc, X.B.Liaoc, Beijing 100083, Китай, опубликовано 30.05.2003) на основе двухпереходной монолитной структуры GaInP/GaAs, включающий лицевой омический контакт TiPdAg, тыльный омический контакт AuGeNi/Au, двухслойное просветляющее покрытие TiO₂/SiO₂.

Недостатком известного фотоэлектрического преобразователя является высокий коэффициент отражения при преобразовании длинноволнового солнечного излучения, что ведет к дополнительным потерям на отражение и уменьшению КПД преобразования солнечного излучения.

Известен фотоэлектрический преобразователь с наноструктурным просветляющим покрытием (см. заявка JP8274358, МПК H01L 31/04; H01L 31/04; H01L 31/04, опубликована 18.10.1996) на основе полупроводниковой структуры с двухслойным просветляющим покрытием ZnS/MgF₂, сформированным в местах, свободных то омических контактов.

Недостатком известного фотоэлектрического преобразователя является высокий коэффициент отражения просветляющего покрытия при преобразовании длинноволнового солнечного излучения, что приводит к значительным потерям на отражение и уменьшению КПД фотоэлектрического преобразования.

Известен каскадный фотоэлектрический преобразователь с наноструктурным просветляющим покрытием (см. патент RU 2368038, МПК H01L 31/18, опубликован 20.09.2009), совпадающий с заявляемым техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Каскадный фотоэлектрический преобразователь выполнен на основе многослойной полупроводниковой структуры GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенной на германиевой подложке, и включает лицевой омический контакт Au(Ge)/Ni/Au, тыльный омический контакт AgMn/Ni/Au, просветляющее покрытие на поверхности фронтального слоя GaInP в свободных от омических контактов местах, при этом просветляющее покрытие выполнено двухслойным и включает последовательно нанесенные слои MgF₂ и ZnS.

Недостатками известного фотоэлектрического преобразователя являются высокий коэффициент отражения при преобразовании длинноволнового солнечного излучения и, как следствие, уменьшение КПД преобразования солнечного излучения.

Задачей заявляемого изобретения является разработка такой конструкции каскадного фотоэлектрического преобразователя с наноструктурным просветляющим покрытием, который бы имел повышенный КПД и низкий коэффициент отражения в коротковолновой и длинноволновой области солнечного спектра.

Поставленная задача достигается тем, что каскадный фотоэлектрический преобразователь с наноструктурным просветляющим покрытием включает полупроводниковую структуру AlGaInP/GaInP/Ga(In)As/Ge с фронтальным слоем AlGaInP и контактным слоем GaAs, лицевой и тыльный омические контакты, просветляющее покрытие на поверхности фронтального слоя в свободных от омических контактов местах. Фронтальный слой AlGaInP полупроводниковой структуры имеет состав Al_xGa_yIn_1-х-yP, где х=0,53, y=0,47, толщиной 30-40 нм. Просветляющее покрытие выполнено трехслойным и включает последовательно нанесенные слои SiO₂ толщиной 70-80 нм, Si₃N₄ толщиной 25-35 нм и TiO_x, где х=1,8-2,2, толщиной 20-30 нм.

Формирование просветляющего покрытия на фронтальной поверхности фотоэлектрических преобразователей необходимо для уменьшения потерь на отражение солнечного излучения. Учитывая широкий спектральный диапазон солнечного излучения (350-1800 нм), преобразуемого каскадным фотоэлектрическим преобразователем на основе трехпереходной полупроводниковой структуры AlGaInP/GaInP/Ga(In)As/Ge, к просветляющим покрытиям предъявляют требование обеспечения малого коэффициента отражения в данном диапазоне. Расширение спектра с малым коэффициентом отражения возможно только при использовании многослойных просветляющих покрытий. Выбор материалов для создания просветляющего покрытия SiO₂/Si₃N₄/TiO_x обусловлен тем, что в диапазоне длин волн 350-1800 нм коэффициент отражения заявляемого просветляющего покрытия обладает меньшим значением по сравнению с двухслойным покрытием, что приводит к значительному увеличению квантового выхода фотоэлектрического преобразователя и увеличению КПД преобразования солнечного излучения. При создании многослойного просветляющего покрытия материалы слоев необходимо подбирать с учетом значений показателей преломления. В заявленном просветляющем покрытии величина показателя преломления среднего слоя должна находиться в промежутке между величиной показателя преломления слоя SiO₂, равной примерно 1,5, и величиной показателя преломления слоя TiO_x, равной примерно 2,6. Наиболее подходящим соединением для этого слоя является Si₃N₄, показатель преломления которого равен примерно 2. Другим достоинством сочетания примененных материалов слоев является возможность их получения методом магнетронного распыления, что обеспечивает их технологическую совместимость.

Толщина фронтального слоя Al_xGa_yIn_1-х-yP, где х=0,53, y=0,47, выбрана равной 30-40 нм, что наилучшим образом соответствует спектральным характеристикам фотоэлектрического преобразователя и обеспечивает минимальные потери на поглощение солнечного излучения.

Толщины слоев просветляющего покрытия обусловлены тем, что при толщине SiO₂ меньше 70 нм происходит существенное возрастание отражения в видимой области спектра, при толщине SiO₂ больше 80 нм происходит существенное возрастание отражения в инфракрасной области спектра. При толщине TiO_x, с составом х=1,8-2,2, меньшей 20 нм, происходит существенное возрастание отражения в видимой области спектра, а при толщине, большей 30 нм, происходит существенное возрастание отражения в инфракрасной области спектра. По тем же самым причинам выбран интервал толщин Si₃N₄ 25-35 нм.

Состав TiO_x, где х=1,8-2,2, соответствует необходимому показателю преломления, диапазон значения х обусловлен особенностями роста данного слоя и сложностью идентификации точного значения х.

Заявляемый каскадный фотоэлектрический преобразователь поясняется чертежом, на котором схематически показан его поперечный разрез.

Каскадный фотоэлектрический преобразователь содержит полупроводниковую структуру 1 AlGaInP/GaInP/Ga(In)As/Ge, включающую германиевую подложку со слоями структуры GaInP/Ga(In)As 2 и фронтальный слой 3 AlGaInP с контактным слоем 4 GaAs, лицевой омический контакт 5 и тыльный омический контакт 6, и просветляющее покрытие 7 на поверхности фронтального слоя 3 в свободных от омического контакта 5 местах. Фронтальный слой 3 каскадного фотоэлектрического преобразователя имеет состав Al_xGa_yIn_1-х-yP, где х=0,53, у=0,47, и толщину 30-40 нм. Трехслойное просветляющее покрытие 7 состоит из нижнего слоя 8 SiO₂ толщиной 70-80 нм, промежуточного слоя 9 Si₃N₄ толщиной 25-35 нм и верхнего слоя 10 TiO_x с составом х=1,8-2,2 и толщиной 20-30 нм. Процесс изготовления фотопреобразователя проводят в несколько стадий. Вначале осуществляют химическое травление тыльной стороны германиевой подложки 2 на глубину 2-3 нм. Проводят очистку фронтальной поверхности полупроводниковой структуры 1 методом ионно-лучевого травления на установке ионно-лучевого травления Rokappa IBE на глубину 0,0005-0,01 нм. Напыляют через маску фоторезиста слой 11 лицевого омического контакта 5 толщиной 0,02-0,04 нм. Проводят очистку тыльной поверхности германиевой подложки 2 методом ионно-лучевого травления на установке ионно-лучевого травления Rokappa IBE на глубину 0,0005-0,01 нм, осуществляют напыление слоя 12 тыльного омического контакта 6 толщиной 0,04-0,05 нм. Проводят вжигание слоев 11, 12 при температуре 360-370°С в течение 10-60 с. Проводят электрохимическое утолщение тыльного и лицевого омических контактов 4 и 6 до 0,16-0,55 нм. Проводят локальное химическое травление контактного слоя 4 GaAs в местах, свободных от омического контакта 5. Создают трехслойное просветляющее покрытие 7 через маску фоторезиста последовательным нанесением слоя 8 SiO₂ толщиной 70-80 нм, слоя 9 Si₃N₄ толщиной 25-35 нм и слоя 10 TiO_x с составом х=1,8-2,2 толщиной 20-30 нм методом магнетронного распыления. Осуществляют разделение полученной структуры на чипы.

Пример 1. Каскадный фотоэлектрический преобразователь был изготовлен на основе многослойной полупроводниковой структуры AlGaInP/GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенной на германиевой подложке р-типа, с фронтальным слоем, имеющим состав Al_xGa_yIn_1-х-yP, где х=0,53, y=0,47, толщиной 30 нм и контактным слоем GaAs. Для создания каскадного фотоэлектрического преобразователя на первой стадии проведено химическое травление тыльной стороны структуры в травителе СР4 на глубину 2 нм, осуществлена очистка фронтальной поверхности структуры на установке ионно-лучевого травления Rokappa IBE на глубину 0,0005 нм, осуществлено напыление на поверхность полупроводниковой структуры через маску фоторезиста слоя омического контакта толщиной 0,02 нм, состоящего последовательным напылением слоев сплава (золото 90 мас.% и германий 10 мас.%), никеля и золота. На второй стадии проведена очистка тыльной поверхности структуры на установке ионно-лучевого травления Rokappa IBE на глубину 0,005 мкм, осуществлено напыление слоя тыльного омического контакта толщиной 0,05 нм последовательным напылением слоев сплава (серебро 95 мас.% и марганец 5 мас.%), никеля и золота. Проведено вжигание слоев омических контактов при температуре 370°С в течение 10 с. На следующей стадии проведено утолщение омических контактов путем электрохимического осаждения через маску фоторезиста последовательно слоев золота, никеля и вновь золота, общей толщиной 0,35 нм. Затем проведено локальное химическое травление контактного слоя GaAs в местах, свободных от омического контакта. Создано трехслойное просветляющее покрытие через маску фоторезиста последовательным нанесением слоев SiO₂ толщиной 75 нм, Si₃N₄ толщиной 30 нм, TiO_x толщиной 28 нм методом магнетронного распыления. Осуществлено разделение полученной структуры на чипы.

Пример 2. Каскадный фотоэлектрический преобразователь был изготовлен на основе многослойной полупроводниковой структуры AlGaInP/GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенной на германиевой подложке р-типа, с фронтальным слоем Al_xGa_yIn_1-х-yP, где х=0,53, y=0,47, толщиной 40 нм и контактным слоем GaAs. Для создания фотоэлектрического преобразователя на первой стадии проведено химическое травление тыльной стороны структуры в травителе СР4 на глубину 3 нм, осуществлена очистка фронтальной поверхности структуры на установке ионно-лучевого травления Rokappa IBE на глубину 0,01 нм, осуществлено напыление омического контакта толщиной 0,03 нм на фронтальную поверхность структуры через маску фоторезиста последовательным напылением слоев сплава, содержащего золото 90 мас.% и германий 10 мас.%, никеля и золота. На второй стадии проведена очистка тыльной поверхности структуры на установке ионно-лучевого травления Rokappa IBE на глубину 0,05 мкм, осуществлено напыление тыльного омического контакта толщиной 0,04 нм последовательным напылением слоев сплава, содержащего серебро 95 мас.% и марганец 5 мас.%, никеля и золота. Проведено вжигание омических контактов при температуре 360°С в течение 15 с. На следующей стадии проведено утолщение омических контактов путем электрохимического осаждения через маску фоторезиста слоя серебра толщиной 0,55 нм. Затем проведено локальное химическое травление контактного слоя GaAs в местах, свободных от омического контакта. Создано трехслойное просветляющее покрытие через маску фоторезиста последовательным нанесением SiO₂ толщиной 75 нм, Si₃N₄ толщиной 25 нм, TiO_x толщиной 27 нм толщиной 150 нм методом магнетронного распыления. Осуществлено разделение полученной структуры на чипы.

Пример 3. Фотоэлектрический преобразователь изготовлен на основе многослойной полупроводниковой структуры AlGaInP/GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенной на германиевой подложке n-типа, с фронтальным слоем Al_xGa_yIn_1-х-уР, где х=0,53, y=0,47, толщиной 35 нм и контактным слоем GaAs. Для создания фотоэлектрического преобразователя на первой стадии проведено химическое травление тыльной стороны структуры в травителе СР4 на глубину 2,5 нм, осуществлена очистка фронтальной поверхности структуры на установке ионно-лучевого травления Rokappa IBE на глубину 0,001 нм, осуществлено напыление омического контакта на фронтальную поверхность структуры через маску фоторезиста последовательным напылением слоев сплава, содержащего серебро 95 мас.% и марганец 5 мас.%, никеля и золота, общей толщиной 0,035 нм. На второй стадии проведена очистка тыльной поверхности структуры на установке ионно-лучевого травления Rokappa IBE на глубину 0,001 нм, осуществлено напыление омического контакта толщиной 0,044 нм на тыльную поверхность структуры последовательным напылением слоев сплава, содержащего золото 90 мас.% и германий 10 мас.%, никеля и золота. Проведено вжигание омических контактов при температуре 360°С в течение 15 с. На следующей стадии проведено утолщение омических контактов путем электрохимического осаждения через маску фоторезиста слоя серебра толщиной 0,55 нм. Затем проведено локальное химическое травление контактного слоя GaAs в местах, свободных от омического контакта. Создано трехслойное просветляющее покрытие через маску фоторезиста последовательным нанесением слоев SiO₂ толщиной 75 нм, Si₃N₄ толщиной 25 нм, TiO_x толщиной 25 нм методом магнетронного распыления. Осуществлено разделение полученной структуры на чипы.

Пример 4. Фотоэлектрический преобразователь изготовлен на основе многослойной полупроводниковой структуры AlGaInP/GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенной на германиевой подложке n-типа, с фронтальным слоем Al_xGa_yIn_1-х-уР, где х=0,53, y=0,47, толщиной 33 нм и контактным слоем GaAs. Для создания фотоэлектрического преобразователя на первой стадии проведено химическое травление тыльной стороны структуры в травителе СР4 на глубину 2,5 нм, осуществлена очистка фронтальной поверхности структуры на установке ионно-лучевого травления Rokappa IBE на глубину 0,003 нм, осуществлено напыление омического контакта на фронтальную поверхность структуры через маску фоторезиста последовательным напылением слоев сплава, содержащего серебро 95 мас.% и марганец 5 мас.%, никеля и золота, общей толщиной 0,032 нм. На второй стадии проведена очистка тыльной поверхности структуры на установке ионно-лучевого травления Rokappa IBE на глубину 0,003 нм, осуществлено напыление омического контакта толщиной 0,047 нм на тыльную поверхность структуры последовательным напылением слоев сплава, содержащего золото 90 мас.% и германий 10 мас.%, никеля и золота. Проведено вжигание омических контактов при температуре 360°С в течение 15 с. На следующей стадии проведено утолщение омических контактов путем электрохимического осаждения через маску фоторезиста слоя серебра толщиной 0,52 нм. Затем проведено локальное химическое травление контактного слоя GaAs в местах, свободных от омического контакта. Создано трехслойное просветляющее покрытие через маску фоторезиста последовательным нанесением слоев SiO₂ толщиной 80 нм, Si₃N₄ толщиной 35 нм, TiO_x методом магнетронного распыления. Осуществлено разделение полученной структуры на чипы.

Пример 5. Фотоэлектрический преобразователь изготовлен на основе многослойной полупроводниковой структуры AlGaInP/GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенной на германиевой подложке n-типа, с фронтальным слоем Al_xGa_yIn_1-х-уР, где х=0,53, y=0,47, толщиной 38 нм и контактным слоем GaAs. Для создания фотоэлектрического преобразователя на первой стадии проведено химическое травление тыльной стороны структуры в травителе СР4 на глубину 2,3 нм, осуществлена очистка фронтальной поверхности структуры на установке ионно-лучевого травления Rokappa IBE на глубину 0,006 нм, осуществлено напыление омического контакта на фронтальную поверхность структуры через маску фоторезиста последовательным напылением слоев сплава, содержащего серебро 95 мас.% и марганец 5 мас.%, никеля и золота, общей толщиной 0,029 нм. На второй стадии проведена очистка тыльной поверхности структуры на установке ионно-лучевого травления Rokappa IBE на глубину 0,001 нм, осуществлено напыление омического контакта толщиной 0,049 нм на тыльную поверхность структуры последовательным напылением слоев сплава, содержащего золото 90 мас.% и германий 10 мас.%, никеля и золота. Проведено вжигание омических контактов при температуре 360°С в течение 25 с. На следующей стадии проведено утолщение омических контактов путем электрохимического осаждения через маску фоторезиста слоя серебра толщиной 0,55 нм. Затем проведено локальное химическое травление контактного слоя GaAs в местах, свободных от омического контакта. Создано трехслойное просветляющее покрытие через маску фоторезиста последовательным нанесением слоев SiO₂ толщиной 70 нм, Si₃N₄ толщиной 25 нм, TiO_x толщиной 20 нм методом магнетронного распыления. Осуществлено разделение полученной структуры на чипы.

Заявляемый каскадный фотоэлектрический преобразователь с трехслойным просветляющим покрытием имеет низкий коэффициент отражения во всем спектре преобразования солнечного излучения, в частности коэффициент отражения в основной области чувствительности нижнего каскада (900-1600 нм) значительно снижен (10-20%) по сравнению с двухслойным просветляющим покрытием (20-35%) и не превышает 2% в области спектрального диапазона основной чувствительности двух верхних каскадов фотоэлектрического преобразователя (400-900 нм), что приводит к получению максимального КПД преобразования солнечной энергии в электрическую.

Каскадный фотоэлектрический преобразователь с наноструктурным просветляющим покрытием изготовлен на основе многослойной полупроводниковой структуры AlGaInP/GaInP/Ga(In)As/Ge. Фотоэлектрический преобразователь содержит тыльный и лицевой омические контакты и многослойное наноструктурное просветляющее покрытие, сформированное на фронтальной поверхности структуры в свободных от омических контактов местах, состоящее из трех слоев: SiO₂ толщиной 70-80, Si₃N₄ толщиной 25-35 нм и TiO_x, где х=1,8-2,2, толщиной 20-30 нм. Каскадный фотоэлектрический преобразователь имеет повышенный КПД и низкий коэффициент отражения в коротковолновой и длинноволновой области солнечного спектра. 1 ил.

Каскадный фотоэлектрический преобразователь с наноструктурным просветляющим покрытием, включающий полупроводниковую структуру AlGaInP/GaInP/Ga(In)As/Ge с фронтальным слоем AlGaInP и контактным слоем GaAs, лицевой омический контакт, тыльный омический контакт и просветляющее покрытие на поверхности фронтального слоя в свободных от омических контактов местах, при этом фронтальный слой AlGaInP полупроводниковой структуры имеет состав Al_xGa_yIn_1-x-yP, где х=0,53, y=0,47, толщиной 30-40 нм, а просветляющее покрытие выполнено трехслойным и включает последовательно нанесенные слои SiO₂ толщиной 70-80 нм, Si₃N₄ толщиной 25-35 нм и TiO_x, где х=1,8-2,2, толщиной 20-30 нм.