ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2012 года по МПК H01L27/142 H01L31/18 

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

Известны конструкция и способ изготовления кремниевых ФП в виде диодной структуры с р-n-переходом на лицевой стороне, токосъемными металлическими контактами к легированному слою в форме гребенки, сплошным тыльным контактом и антиотражающим покрытием на лицевой (рабочей) стороне (книга: Васильев A.M., Ландсман А.П. Полупроводниковые фотопреобразователи. - М.: Советское Радио, 1971 г.). Процесс изготовления ФП основан на диффузионном легировании лицевой стороны фосфором, химическом осаждении никелевого контакта, избирательном травлении контактного рисунка и нанесении антиотражающего покрытия. Недостатком получаемых ФП является сравнительно большая глубина р-n-перехода и, как следствие, невысокое значение их КПД.

Известны конструкция и способ изготовления кремниевых ФП в виде двухсторонней твердотельной матрицы из последовательно скоммутированных микроэлементов, у которых два линейных размера - ширина и высота микроэлементов - не превышают диффузионной длины неосновных носителей тока в базовой области, р-n-переходы и изотипные переходы расположены на двух противоположных гранях микроэлементов, перпендикулярных рабочей поверхности (авт. свид. СССР №288163, БИ №36, 1970).

Для изготовления известного ФП проводят диффузию фосфора и бора в противоположные стороны пластины кремния, металлизированные пластины спаивают в столбик с соблюдением полярности, столбик разрезают на матрицы перпендикулярно плоскости р-n-переходов, удаляют нарушенные при резке слои и наносят просветляющее покрытие на обе поверхности матрицы.

Недостатками известного ФП являются низкий фототок и низкая спектральная чувствительность в коротковолновой области спектра из-за высокой скорости поверхностной рекомбинации на рабочих поверхностях.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение фототока и снижение потерь на поверхностную рекомбинацию.

В результате использования предлагаемого изобретения повышается эффективность полупроводникового фотопреобразователя.

Технический результат достигается тем, что в полупроводниковом фотопреобразователе, выполненном в виде двухсторонней матрицы из скоммутированных последовательно с помощью контактов микроэлементов с диодными структурами n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺), плоскости p-n-переходов и контактов которых перпендикулярны рабочей поверхности, на которую падает излучение, два или три линейных размера микроэлементов соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, каждый микроэлемент на обеих рабочих поверхностях содержит изолированную область с дополнительным изотипным p-p⁺ (n-n⁺)-переходом, плоскость которого параллельна рабочей поверхности, а участки базовой и легированной области диодных структур, свободные от контакта, содержат пассивирующую просветляющую пленку, на одну из сторон матрицы нанесена электроизолирующая теплопроводящая пленка и поглощающее покрытие с низкой теплоемкостью.

В варианте полупроводникового фотопреобразователя на обе стороны фотопреобразователя нанесены электроизолирующие теплопроводящие пленки и теплопоглощающее покрытие с низкой теплоемкостью.

В варианте полупроводникового фотопреобразователя, выполненного в виде двухсторонней матрицы из скоммутированных последовательно с помощью контактов микроэлементов с диодными структурами n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺), плоскости p-n-переходов и контактов которых перпендикулярны рабочей поверхности, на которую падает излучение, два или три линейных размера микроэлементов соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, каждый микроэлемент на обеих рабочих поверхностях содержит изолированную область с дополнительным p⁺-n (n⁺-p)-переходом, плоскость которого параллельна рабочей поверхности, участки базовой и легированной области диодных структур, свободные от контакта, содержат пассивирующую просветляющую пленку, на одну из сторон матрицы нанесены электроизолирующая теплопроводящая пленка и поглощающее покрытие с низкой теплоемкостью.

В другом варианте полупроводникового фотопреобразователя, выполненного в виде двухсторонней матрицы из скоммутированных последовательно с помощью контактов микроэлементов с диодными структурами n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺), плоскости p-n-переходов и контактов которых перпендикулярны рабочей поверхности, на которую падает излучение, два или три линейных размера микроэлементов соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, каждый микроэлемент на одной рабочей поверхности содержит изолированную область с дополнительным изотипным p-p⁺ (n-n⁺)-переходом, плоскость которого параллельна рабочей поверхности, а на другой рабочей поверхности содержит изолированную область с дополнительным p⁺-n (n⁺-p)-переходом, плоскость которого параллельна рабочей поверхности, а участки базовой и легированной области диодных структур, свободные от контакта, содержат пассивирующую просветляющую пленку.

В варианте полупроводникового фотопреобразователя на одну из сторон матрицы нанесены электроизолирующая теплопроводящая пленка и поглощающее покрытие с низкой теплоемкостью.

В варианте полупроводникового фотопреобразователя, выполненного в виде двухсторонней матрицы из скоммутированных последовательно с помощью контактов микроэлементов с диодными структурами n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺), плоскости p-n-переходов и контактов которых перпендикулярны рабочей поверхности, на которую падает излучение, два или три линейных размера микроэлементов соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, каждый микроэлемент на одной рабочей поверхности содержит изолированную область с дополнительным изотипным p-p⁺ (n-n⁺)-переходом, плоскость которого параллельна рабочей поверхности, а на другой рабочей поверхности содержит область с дополнительным p⁺-n (n⁺-p)-переходом, соединенным с p⁺-n (n⁺-p)-переходом диодной структуры, а участки базовой и легированной области диодных структур, свободные от контакта, содержат пассивирующую просветляющую пленку.

В варианте полупроводникового фотопреобразователя на одну из сторон матрицы нанесены электроизолирующая теплопроводящая пленка и поглощающее покрытие с низкой теплоемкостью.

В варианте полупроводникового фотопреобразователя, выполненного в виде двухсторонней матрицы из скоммутированных последовательно с помощью контактов микроэлементов с диодными n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺)-структурами, плоскости p-n-переходов и контактов в которых перпендикулярны рабочей поверхности, на которую падает излучение, два или три линейных размера микроэлементов соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей заряда в базовой области, каждый микроэлемент на обеих рабочих поверхностях базовой области содержит изолированную область с дополнительным изотипным p-p⁺ (n-n⁺)-переходом, плоскость которого параллельна рабочей поверхности, на рабочие поверхности фотопреобразователя нанесена окисная пленка толщиной 10-30 нм и нанокластеры размером 10-30 нм с плотностью 300-600 мкм^-2, а сверху - пассивирующая просветляющая пленка со встроенными зарядами, знак которых противоположен типу проводимости базовой области.

Еще в одном варианте полупроводникового фотопреобразователя на одну из рабочих поверхностей нанесены электроизолирующая теплопроводящая пленка и поглощающее покрытие с низкой теплоемкостью.

В варианте полупроводникового фотопреобразователя, выполненного в виде двухсторонней матрицы из скоммутированных последовательно с помощью контактов микроэлементов с диодными структурами n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺), плоскости p-n-переходов и контактов которых перпендикулярны рабочей поверхности, на которую падает излучение, два или три линейных размера микроэлементов соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, каждый микроэлемент на обеих рабочих поверхностях содержит изолированную область с дополнительным изотипным p-p⁺ (n-n⁺)-переходом, плоскость которого параллельна рабочей поверхности, на области с дополнительным изотипным переходом нанесены окисная пассивирующая пленка и контактная полоса, которая соединена с помощью изолированного контакта с контактом к легированному слою с противоположным типом проводимости, участки базовой и легированной области диодных структур, свободные от контакта, содержат пассивирующую просветляющую пленку.

В варианте полупроводникового фотопреобразователя на одну из рабочих поверхностей нанесены электроизолирующая теплопроводящая пленка и поглощающее покрытие с низкой теплоемкостью.

В другом варианте полупроводникового фотопреобразователя, выполненного в виде двухсторонней матрицы из скоммутированных последовательно с помощью контактов микроэлементов с диодными n⁺-p⁺ (p⁺-n-n⁺)-структурами, плоскости p-n-переходов и контактов в которых перпендикулярны рабочей поверхности, на которую падает излучение, два или три линейных размера микроэлементов соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей заряда в базовой области, каждый микроэлемент на обеих рабочих поверхностях базовой области содержит изолированную область с дополнительным изотипным p-p⁺ (n-n⁺)-переходом, плоскость которого параллельна рабочей поверхности, на область с дополнительным изотипным нанесены окисная пассивирующая пленка и контактная полоса, которая соединена с помощью изолированного контакта с контактом к легированному слою с противоположным типом проводимости, на рабочую поверхность фотопреобразователя нанесены окисная пленка толщиной 10-30 нм и нанокластеры размером 10-30 нм с плотностью 300-600 мкм^-2, а сверху - пассивирующая просветляющая пленка со встроенными зарядами, знак которых противоположен типу проводимости базовой области.

В варианте полупроводникового фотопреобразователя на одну из рабочих поверхностей нанесены электроизолирующая теплопроводящая пленка и поглощающее покрытие с низкой теплоемкостью.

В варианте полупроводникового фотопреобразователя, выполненного в виде двухсторонней матрицы из скоммутированных последовательно с помощью контактов микроэлементов с диодными структурами n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺), плоскости которых перпендикулярны рабочей поверхности, на которую падает излучение, два или три линейных размера микроэлементов соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей заряда в базовой области, каждая диодная структура на обеих рабочих поверхностях содержит дополнительный, изотипный p⁺-p (n-n⁺)-переход, изолированный от основного изотипного перехода диодной структуры, плоскость дополнительного изотипного перехода параллельна рабочей поверхности, рабочая поверхность фотопреобразователя содержит пассивирующую электроизолирующую просветляющую пленку, на которую нанесено прозрачное покрытие с электропроводящей пленкой, например, на основе легированных соединений окиси индия и олова, электропроводящая пленка соединена с токовыводом источника питания, имеющим полярность напряжения, противоположную по отношению к типу проводимости дополнительного изотипного перехода.

В варианте полупроводникового фотопреобразователя с одной рабочей поверхностью вместо прозрачной электропроводящей пленки нанесена поглощающая проводящая пленка, которая соединена с токовыводом источника питания с полярностью напряжения, противоположной по отношению к типу проводимости дополнительного изотипного перехода.

В варианте полупроводникового фотопреобразователя прозрачная и поглощающая электропроводящие пленки присоединены к легированному слою фотопреобразователя с противоположным типом проводимости по отношению к типу проводимости изотипного перехода.

В варианте полупроводникового фотопреобразователя прозрачная и поглощающая электропроводящие пленки присоединены к токовыводу дополнительного фотопреобразователя.

В варианте полупроводникового фотопреобразователя прозрачная и поглощающая электропроводящие пленки присоединены через выпрямляющий диод к однопроводниковой резонансной системе питания, содержащей полупроводниковый фотопреобразователь, преобразователь частоты, резонансный контур и трансформатор Тесла.

В способе изготовления полупроводникового фотопреобразователя, включающем диффузионное легирование полупроводниковых пластин с образованием диодных n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺)-структур, металлизацию легированных n⁺ (p⁺)-слоев, последовательное соединение пластин в столбик через металлические прослойки, резку столбика на матрицы, травление рабочих сторон, на которые падает излучение, и нанесение просветляющего покрытия, на обеих сторонах создают изолированные области с дополнительными изотипными p-p⁺ (n-n⁺)-переходами путем локального легирования методом импульсной лазерной диффузии или ионной имплантации с лазерным импульсным отжигом, отделенные от n⁺-p (p⁺-n)-переходов и изотипных p-p⁺ (n-n⁺)-переходов, а со стороны, противоположной рабочей поверхности, наносят электроизолирующий слой и теплопоглощающее покрытие с низкой теплоемкостью.

В варианте способа изготовления полупроводникового фотопреобразователя, включающем диффузионное легирование полупроводниковых пластин с образованием диодных n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺)-структур, металлизацию легированных n⁺ (p⁺)-слоев, последовательное соединение пластин в столбик через металлические прослойки, резку столбика на матрицы, травление рабочих сторон, на которые падает излучение, и нанесение просветляющего покрытия, на обеих сторонах матрицы создают изолированные области с дополнительными n⁺-p (p⁺-n)-переходами путем локального легирования методом импульсной лазерной диффузии или ионной имплантации с лазерным импульсным отжигом, отделенные от n⁺-p (p⁺-n)-переходов и изотипных p-p⁺ (n-n⁺)-переходов, а со стороны, противоположной рабочей поверхности, наносят электроизолирующий слой и теплопоглощающее покрытие с низкой теплоемкостью.

В варианте способа изготовления полупроводникового фотопреобразователя, включающем диффузионное легирование полупроводниковых пластин с образованием диодных n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺)-структур, металлизацию легированных n⁺ (p⁺)-слоев, последовательное соединение пластин в столбик через металлические прослойки, резку столбика на матрицы, травление рабочих сторон, на которые падает излучение, и нанесение просветляющего покрытия, на рабочей стороне матрицы создают изолированные области с дополнительными изотипными p-p⁺ (n-n⁺)-переходами, а на другой рабочей поверхности создают изолированные области с дополнительными n⁺-p (p⁺-n)-переходами, отделенные от n⁺-p (p⁺-n)-переходов и изотипных p-p⁺ (n-n⁺)-переходов диодных структур путем локального легирования методом импульсной лазерной диффузии или ионной имплантации с лазерным импульсным отжигом.

В варианте способа изготовления полупроводникового фотопреобразователя на одну из поверхностей фотопреобразователя наносят электроизолирующую теплопроводящую пленку и поглощающее покрытие с низкой теплоемкостью.

В варианте способа изготовления полупроводникового фотопреобразователя, включающем диффузионное легирование полупроводниковых пластин с образованием диодных n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺)-структур, металлизацию легированных n⁺ (p⁺)-слоев, последовательное соединение пластин в столбик через металлические прослойки, резку столбика на матрицы, травление рабочих сторон, на которые падает излучение, и нанесение просветляющего покрытия, на рабочей стороне матрицы создают изолированные области с дополнительными изотипными p-p⁺ (n-n⁺)-переходами, отделенные от n⁺-p (p⁺-n)-переходов и изотипных p-p⁺ (n-n⁺)-переходов, а на другой рабочей поверхности фотопреобразователя создают области с дополнительными n⁺-p (p⁺-n)-переходами, соединенными с n⁺-p (p⁺-n)-переходами диодных структур путем локального легирования методом импульсной лазерной диффузии или ионной имплантации с лазерным импульсным отжигом, а со стороны, противоположной рабочей поверхности, наносят электроизолирующий слой и теплопоглощающее покрытие с низкой теплоемкостью.

В варианте способа изготовления полупроводникового фотопреобразователя на поверхность фотопреобразователя, содержащую области с р-n-переходами, наносят электроизолирующую теплопроводящую пленку и поглощающее покрытие с низкой теплоемкостью.

В варианте способа изготовления полупроводникового фотопреобразователя на рабочую сторону наносят окисную пленку толщиной 10-30 нм с нанокластерами размером 10-30 нм с плотностью 300-600 мкм^-2, а сверху - пассивирующую просветляющую пленку со встроенными зарядами, знак которых противоположен знаку основных носителей заряда легированного слоя дополнительных изотипных переходов.

В варианте способа изготовления полупроводникового фотопреобразователя на рабочей стороне на дополнительные изотипные переходы наносят окисную пассивирующую пленку и контактную полосу, которую соединяют с контактом к легированным областям n⁺-p-n⁺ (p⁺-n-p⁺)-структур с противоположным типом проводимости.

В варианте способа изготовления полупроводникового фотопреобразователя на рабочей стороне на дополнительные изотипные переходы наносят окисную пассивирующую пленку и контактную полосу, которую соединяют с контактом к легированным областям n⁺-p-n⁺ (p⁺-n-p⁺)-структур с противоположным типом проводимости, на рабочую сторону наносят окисную пленку толщиной 10-30 нм с нанокластерами размером 10-30 нм с плотностью 300-600 мкм^-2, а сверху - пассивирующую просветляющую пленку со встроенными зарядами, знак которых противоположен знаку основных носителей заряда легированного слоя дополнительных изотипных переходов.

В варианте способа изготовления полупроводникового фотопреобразователя на рабочую сторону наносят пассивирующую электроизолирующую просветляющую пленку, на которую наносят прозрачное покрытие с электропроводящей пленкой, например, на основе соединений окисей индия и олова, электропроводящую пленку соединяют с дополнительными изотопными переходами и с токовыводом источника электропитания противоположной полярности по отношению к знаку основных носителей заряда легированного слоя дополнительных изотипных переходов.

В варианте способа изготовления полупроводникового фотопреобразователя на рабочую сторону наносят электроизолирующую просветляющую пленку, на которую наносят прозрачное покрытие с электропроводящей пленкой, например, на основе соединений окисей индия и олова, электропроводящую пленку соединяют с дополнительным изотопным переходом и присоединяют через выпрямляющий диод к однопроводной резонансной системе питания, содержащей дополнительный полупроводниковый фотопреобразователь, преобразователь частоты, резонансный контур и трансформатор Тесла.

Изобретение поясняется фиг.1, 2, 3, 4, где на фиг.1 представлена конструкция полупроводникового фотопреобразователя в виде двухсторонней матрицы из скоммутированных последовательно микроэлементов с дополнительным р-р⁺-переходом на обеих рабочих поверхностях, электроизолирующей пленкой и теплопоглощающим покрытием с низкой теплоемкостью на одной из рабочих поверхностей, например, на основе тонкой пленки из углерода, поперечное сечение и вид полупроводникового фотопреобразователя в плане; на фиг.2 - конструкция полупроводникового фотопреобразователя с нанокластерами на рабочих поверхностях, поперечное сечение; на фиг.3 - конструкция полупроводникового фотопреобразователя с изолированным контактом к изолированной p⁺-области, соединенным с контактом фотопреобразователя к n⁺-области - поперечное сечение и вид полупроводникового фотопреобразователя в плане; на фиг.4 - конструкция полупроводникового фотопреобразователя с электропроводящим покрытием, поперечное сечение и вид полупроводникового фотопреобразователя в плане.

На фиг.1 полупроводниковый фотопреобразователь выполнен в виде двухсторонней твердотельной матрицы из скоммутированных последовательно микроэлементов, каждый из которых содержит базовую область 1 p-типа, легированные области n⁺-типа 2 и p⁺-типа 3, образующие n⁺-p-переходы 4 и изотипные p-p⁺-переходы 5. На n⁺ области нанесены контакты 6, а к p⁺-области контакты 7. На поверхности базовой области 1 каждого микроэлемента расположены изолированные p⁺ области 8, которые образуют с p-областью 1 дополнительные изотипные p-p⁺-переходы 9, не связанные с основным изотипным p-p⁺-переходом 5. Рабочая поверхность 10 базовой области 1 имеет просветляющее пассивирующее покрытие 11. На одну из рабочих поверхностей нанесена электроизолирующая окисная пленка 16 и теплопоглощающее непрозрачное покрытие 17. На фиг.1 также показано направление потока излучения 12 на поверхности 10 базовой области 1 и линии диффузионного 13 и дрейфового 14 перемещения неосновных носителей заряда (ННЗ) электронов 15 в базовой области 1.

На фиг.2 на рабочую поверхность 10 базовой области 1, на которую падает поток излучения 12, нанесена окисная пленка 16 толщиной 10-30 нм, на которую нанесен слой 18 нанокластеров 19 размером 10-30 нм с плотностью 300-600 мкм^-2 и пассивирующая просветляющая пленка 20 со встроенными отрицательными зарядами. На противоположной поверхности фотопреобразователя нанесена окисная пленка 16 и поглощающее покрытие 17.

На фиг.3 каждый микроэлемент фотопреобразователя содержит на рабочей поверхности 10 изолированную область 8 с дополнительным изотипным p-p⁺-переходом 9, плоскость которого параллельна рабочей поверхности 10, на изотипный переход 9 на рабочей поверхности 10 нанесена электроизолирующая окисная пленка 16 и контактная полоса 21, которая с помощью изолированного контакта 22 соединена с контактом 6 к легированной п⁺ области 2 с противоположным типом проводимости, а участки базовой области 1, свободные от контактов 21, содержат пассивирующую просветляющую пленку 20. На фиг.4 пунктиром обозначены границы изолированных областей 8 с изотипным р-р⁺-переходом 9 на рабочей поверхности 10 базовой области 1. Области 8 с изотипным переходом 9 имеют контактную полоску 21, которая соединена с контактом 6 с помощью изолированного контакта 22. Контактная полоска 21 и контакт 22 изолированы от рабочей поверхности 10 фотопреобразователя с помощью электроизолирующей окисной пленки 16 и просветляющего пассивирующего покрытия 20, расположенных под контактом 22. На стороне, противоположной рабочей поверхности 10, нанесены электроизолирующая теплопроводящая пленка 16 и поглощающее покрытие 17.

На фиг.4 на рабочую поверхность 10 базовой области 1 нанесена пассивирующая электроизолирующая окисная пленка 16, на которую нанесено прозрачное электропроводящее покрытие 23, например, на основе легированной фтором окиси индия. На покрытие 23 нанесена просветляющая пленка 20. Электропроводящее покрытие 23 имеет электрический контакт 24 с p⁺-областью 8 дополнительного изотипного p-p⁺-перехода 9. Электропроводящее покрытие 23 электрически изолировано от контакта 6 к n⁺-слою 2 на рабочей поверхности 10 с помощью участков 25 изолирующей окисной пленки 16. Прозрачное электропроводящее покрытие 23 с помощью коммутационной шины 26 присоединено к токовыводу 27 отрицательной полярности источника питания 28, содержащего генератор 29, преобразователь частоты 30, трансформатор Тесла с резонансным контуром, состоящим из емкости 31 и первичной обмотки 32, высоковольтную обмотку 33 и диод 34. В качестве генератора 29 может быть использован отдельный автономный фотопреобразователь.

Пример выполнения полупроводникового фотопреобразователя.

Базовая область 1 р-типа (фиг.1) имеет удельное сопротивление 10 Ом·см, ширину 300 мкм, длину 60 мм, толщину 400 мм, ширина контактов 6 и 7-10 мкм. Ширина дополнительных изотипных p⁺-областей 8 на двух рабочих поверхностях 10 составляет 200 мкм. На одну из рабочих поверхностей 10 нанесена изолирующая окисная пленка 16 из двуокиси кремния толщиной 5 мкм и поглощающее покрытие 17 из углерода толщиной 3 мкм. На фиг.2 на окисную пленку 16 нанесен слой нанокластеров из серебра с размером 10-30 нм. Дополнительный изотипный p-p⁺-переход 9 изолирован от n⁺-p-переходов 4 окисной пленкой 16 на рабочей поверхности 10.

Пример осуществления способа изготовления полупроводникового фотопреобразователя.

Пластину кремния р-типа (фиг.1) обрабатывают в растворе щелочи для удаления нарушенного слоя, и очищают поверхности пластины от загрязнений. В диффузионной печи проводят одновременную диффузию бора и фосфора на противоположные поверхности пластины при температуре 1100°С в течение 30 мин и создают на пластине диодную n⁺-p-p⁺-структуру, на обе поверхности пластины наносят контакты на основе никеля, собирают последовательно пластины в столбик с соблюдением полярности и производят пайку столбика с помощью припоя на основе олова. Разрезают столбик перпендикулярно или под некоторым углом к поверхности основания на заготовки. Заготовки травят для удаления шунтов. На рабочих поверхностях 10 создают изолированные изотипные области 8 с p-p⁺-переходами 9 с помощью локального ионного легирования или локальной лазерной импульсной диффузии. На рабочую поверхность 10 наносят просветляющее покрытие 11 и присоединяют токовыводы к контактам 6 и 7 фотопреобразователя.

В варианте способа изготовления полупроводникового фотопреобразователя после разрезания скоммутированного столбика на заготовки и травления нарушенного слоя создают с обеих сторон заготовки изотипные p-p⁺ переходы 9 методом ионной имплантации с лазерным отжигом или импульсной лазерной диффузии. На рабочие поверхности 10 наносят окисную изолирующую пленку 16 толщиной 10-30 нм. Затем на окисную пленку,16 наносят слой 18 нанокластеров 19 из серебра размером 10-30 нм с плотностью 300-600 мкм^-2 и сверху наносят просветляющее покрытие 20 из нитрида кремния, двуокиси титана или сульфида цинка (фиг.2).

В варианте способа изготовления полупроводникового фотопреобразователя на фиг.4 на поверхности окисной пленки 16 и p⁺ области создают изолированную с помощью изоляции 25 от базовой области 1 и от контактов 6 к n⁺-области 2 прозрачную проводящую пленку 23 на основе легированных соединений индия и олова. Участки с проводящей прозрачной пленкой 23 коммутируют с помощью поперечной коммутационной шины 26 (фиг.4), изолированной от контактов 6 к n⁺-области 2 с помощью изолирующих слоев 25 и окисной пленки 16. Коммутационную шину 26 присоединяют к отрицательному токовыводу 27 источника питания 28, содержащего отдельный фотопреобразователь 29, преобразователь частоты 30, последовательный резонансный контур с емкостью 31 и первичной обмоткой 32, высоковольтной обмоткой 33 трансформатора Тесла, диодом 34.

Полупроводниковый фотопреобразователь работает следующим образом. При освещении рабочей поверхности 10 на фиг.1 потоком излучения 12 в базовой области 1 генерируются электронно-дырочные пары. Неосновные носители заряда - электроны 15 в базовой области 1 двигаются за счет диффузии (траектория 13), однако при приближении к дополнительному изотипному p-p⁺-переходу 9 электроны отталкиваются электрическим полем изотипного перехода и дрейфуют (траектория 14) к n⁺-p-переходу. За счет дрейфа происходит более полное собирание ННЗ, что приводит к увеличению фототока и КПД. При освещении полупроводникового фотопреобразователя на фиг.1 импульсным потоком солнечного излучения 30% солнечного излучения с длиной волны более 1,15 мкм проходит через базовую область 1 и поглощается в покрытии 17, которое нагревается, и создается градиент температур в базовой области. Низкая теплоемкость поглощающего покрытия обеспечивается за счет снижения толщины электроизолирующей теплопроводящей пленки и поглощающего покрытия до величины 1-5 мкм. Поглощающее покрытие с низкой теплоемкостью быстро нагревается при воздействии излучения, и градиент температур в полупроводниковом фотопреобразователе увеличивается до 10¹-10³ К/см. При этом возникают горячие электроны, которые увеличивают фототок в 1,5-2 раза. Горячие носители заряда дают вклад в фототок при условии, что время остывания носителей должно превышать время перемещения носителей от места генерации до p-n-перехода, т.е. носители должны оставаться горячими при их разделении электрическим полем p-n-перехода (Гуревич Ю.Г., Юрченко В.Б. Фотовольтаический эффект на горячих носителях тока. 8-е международное совещание по фотоэлектрическим и оптическим явлениям в твердых телах. Варна, 26-30.05.1986 г. Тезисы докладов, 1986, стр.120).

В предлагаемой конструкции полупроводникового фотопреобразователя время перемещения электронов в базовой области 1 снижается за счет создания изолированных областей 8 с изотопными переходами 9. Электрическое поле изотопных p-p⁺-переходов ускоряет ННЗ 15 при их движении к p-n-переходам 4. Обратное смещение изотопных переходов 9 на фиг.3 и 4 увеличивает электрическое поле p-p⁺-перехода и увеличивает скорость дрейфа электронов 15 к p-n-переходам 4. Рассмотренный механизм генерации и дрейфа горячих электронов увеличивает фототок и КПД полупроводникового фотопреобразователя в 1,5-2 раза и дает возможность использовать фотопреобразователь для преобразования в электрическую энергию теплового инфракрасного излучения с длиной волны за пределами полосы собственного поглощения 0,4-1,15 мкм для кремния. При этом освещение фотопреобразователя может производиться со стороны, содержащей поглощающее покрытие 17, или с двух сторон. Градиент температур может быть создан при импульсном облучении в нестационарном режиме работы фотопреобразователя, а также при непрерывном освещении, при искусственном охлаждении стороны фотопреобразователя, противоположной освещаемой стороне.

Полупроводниковый фотопреобразователь с поглощающим покрытием на двух рабочих поверхностях может быть использован как микрокалориметр и датчик импульсного теплового и лазерного излучения. Дополнительное увеличение КПД достигается за счет плазменного резонанса нанокластеров 19 (фиг.2) и увеличения спектральной чувствительности. Использование обратного смещения на фиг.3 и 4 и прозрачного электропроводящего покрытия 23 на фиг.4 и дополнительного источника питания 28 с генератором 29 и преобразователем частоты 30 и трансформатором Тесла с обмотками 32 и 33 позволяет увеличить обратное смещение на дополнительном изотопном p-p⁺-переходе 9 и регулировать с помощью генератора 28 скорость дрейфа ННЗ в базовой области 1, что приводит к увеличению эффективности собирания ННЗ, фототока и КПД.

Изобретение относится к области конструкции и технологии изготовления оптоэлектронных приборов, а именно фотоэлектрических преобразователей (ФП). Полупроводниковый фотопреобразователь, выполненный в виде двухсторонней матрицы из скоммутированных последовательно с помощью контактов микроэлементов с диодными структурами n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺), плоскости p-n-переходов и контактов которых перпендикулярны рабочей поверхности, на которую падает излучение, два или три линейных размера микроэлементов соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области. Каждый микроэлемент на обеих рабочих поверхностях содержит изолированную область с дополнительным изотипным p-p⁺ (n-n⁺) переходом, плоскость которого параллельна рабочей поверхности, а участки базовой и легированной области диодных структур, свободные от контакта, содержат пассивирующую просветляющую пленку, на одну из сторон матрицы нанесены электроизолирующая теплопроводящая пленка и поглощающее покрытие с низкой теплоемкостью. Также предложены еще несколько вариантов описанного выше фотопреобразователя и способы изготовления. Изобретение обеспечивает повышение фототока и снижение потерь на поверхностную рекомбинацию, что в свою очередь обеспечивает повышаение эффективности полупроводникового фотопреобразователя. 12 н. и 17 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Полупроводниковый фотопреобразователь, выполненный в виде двухсторонней матрицы из скоммутированных последовательно с помощью контактов микроэлементов с диодными структурами n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺), плоскости p-n-переходов и контактов которых перпендикулярны рабочей поверхности, на которую падает излучение, два или три линейных размера микроэлементов соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, отличающийся тем, что каждый микроэлемент на обеих рабочих поверхностях содержит изолированную область с дополнительным изотипным p-p⁺ (n-n⁺)-переходом, плоскость которого параллельна рабочей поверхности, участки базовой и легированной области диодных структур, свободные от контакта, содержат пассивирующую просветляющую пленку, на одну из сторон фотопреобразователя нанесена электроизолирующая теплопроводящая пленка и поглощающее покрытие с низкой теплоемкостью.

2. Полупроводниковый фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что на обе стороны фотопреобразователя нанесены электроизолирующие теплопроводящие пленки и поглощающее покрытие с низкой теплоемкостью.

3. Полупроводниковый фотопреобразователь, выполненный в виде двухсторонней матрицы из скоммутированных последовательно с помощью контактов микроэлементов с диодными структурами n⁺-p⁺ (p⁺-n-n⁺), плоскости p-n-переходов и контактов которых перпендикулярны рабочей поверхности, на которую падает излучение, два или три линейных размера микроэлементов соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, отличающийся тем, что каждый микроэлемент на обеих рабочих поверхностях содержит изолированные области с дополнительным p⁺-n (n⁺-n)-переходом, плоскость которого параллельна рабочей поверхности, участки базовой и легированной области диодных структур, свободные от контакта, содержат пассивирующую просветляющую пленку, на одну из сторон фотопреобразователя нанесена электроизолирующая теплопроводящая пленка и поглощающее покрытие с низкой теплоемкостью.

4. Полупроводниковый фотопреобразователь, выполненный в виде двухсторонней матрицы из скоммутированных последовательно с помощью контактов микроэлементов с диодными структурами n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺), плоскости p-n-переходов и контактов которых перпендикулярны рабочей поверхности, на которую падает излучение, два или три линейных размера микроэлементов соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, отличающийся тем, что каждый микроэлемент на одной рабочей поверхности содержит изолированную область с дополнительным изотипным p-p⁺ (n-n⁺)-переходом, плоскость которого параллельна рабочей поверхности, а на другой рабочей поверхности содержит изолированную область с дополнительным p⁺-n (n⁺-p)-переходом, плоскость которого параллельна рабочей поверхности, участки базовой и легированной области диодных структур, свободные от контакта, содержат пассивирующую просветляющую пленку.

5. Полупроводниковый фотопреобразователь по п.2, отличающийся тем, что на одну из рабочих поверхностей фотопреобразователя нанесена электроизолирующая теплопроводящая пленка и поглощающее покрытие с низкой теплоемкостью.

6. Полупроводниковый фотопреобразователь, выполненный в виде двухсторонней матрицы из скоммутированных последовательно с помощью контактов микроэлементов с диодными структурами n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺), плоскости p-n-переходов и контактов которых перпендикулярны рабочей поверхности, на которую падает излучение, два или три линейных размера микроэлементов соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, отличающийся тем, что каждый микроэлемент на одной рабочей поверхности содержит изолированную область с дополнительным изотипным p-p⁺ (n-n⁺)-переходом, плоскость которого параллельна рабочей поверхности, а на другой рабочей поверхности содержит область с дополнительным p⁺-n (n⁺-p)-переходом, соединенным с p⁺-n (n⁺-p)-переходом диодной структуры, участки базовой и легированной области диодных структур, свободные от контакта, содержат пассивирующую просветляющую пленку.

7. Полупроводниковый фотопреобразователь по п.4, отличающийся тем, что на одну из рабочих поверхностей фотопреобразователя нанесена электроизолирующая теплопроводящая пленка и поглощающее покрытие с низкой теплоемкостью.

8. Полупроводниковый фотопреобразователь, выполненный в виде двухсторонней матрицы из скоммутированных последовательно с помощью контактов микроэлементов с диодными n⁺-p⁺ (p⁺-n-n⁺)-структурами, плоскости p-n-переходов и контактов в которых перпендикулярны рабочей поверхности, на которую падает излучение, два или три линейных размера микроэлементов соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей заряда в базовой области, отличающийся тем, что каждый микроэлемент на обеих рабочих поверхностях базовой области содержит изолированную область с дополнительным изотипным p-p⁺ (n-n⁺)-переходом, плоскость которого параллельна рабочей поверхности, на рабочие поверхности фотопреобразователя нанесена окисная пленка толщиной 10-30 нм и нанокластеры размером 10-30 нм с плотностью 300-600 мкм^-2, а сверху пассивирующая просветляющая пленка со встроенными зарядами, знак которых противоположен типу проводимости базовой области.

9. Полупроводниковый фотопреобразователь по п.8, отличающийся тем, что на одну из рабочих поверхностей нанесена электроизолирующая теплопроводящая пленка и поглощающее покрытие с низкой теплоемкостью.

10. Полупроводниковый фотопреобразователь, выполненный в виде двухсторонней матрицы из скоммутированных последовательно с помощью контактов микроэлементов с диодными структурами n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺), плоскости p-n-переходов и контактов которых перпендикулярны рабочей поверхности, на которую падает излучение, два или три линейных размера микроэлементов соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, отличающийся тем, что каждый микроэлемент на обеих рабочих поверхностях содержит изолированную область с дополнительным изотипным p-p⁺ (n-n⁺)-переходом, плоскость которого параллельна рабочей поверхности, на области с дополнительным изотипным переходом нанесена окисная пассивирующая пленка и контактная полоса, которая соединена с помощью изолированного контакта с контактом к легированному слою с противоположным типом проводимости, участки базовой и легированной области диодных структур, свободные от контакта, содержат пассивирующую просветляющую пленку.

11. Полупроводниковый фотопреобразователь по п.10, отличающийся тем, что на одну из рабочих поверхностей нанесена электроизолирующая теплопроводящая пленка и поглощающее покрытие с низкой теплоемкостью.

12. Полупроводниковый фотопреобразователь, выполненный в виде двухсторонней матрицы из скоммутированных последовательно с помощью контактов микроэлементов с диодными n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺)-структурами, плоскости p-n-переходов и контактов в которых перпендикулярны рабочей поверхности, на которую падает излучение, два или три линейных размера микроэлементов соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей заряда в базовой области, отличающийся тем, что каждый микроэлемент на обеих рабочих поверхностях базовой области содержит изолированную область с дополнительным изотипным p-p⁺ (n-n⁺)-переходом, плоскость которого параллельна рабочей поверхности, на область с дополнительным изотипным переходом нанесена окисная пассивирующая пленка и контактная полоса, которая соединена с помощью изолированного контакта с контактом к легированному слою с противоположным типом проводимости, на рабочую поверхность фотопреобразователя нанесена окисная пленка толщиной 10-30 нм и нанокластеры размером 10-30 нм с плотностью 300-600 мкм^-2, а сверху пассивирующая просветляющая пленка со встроенными зарядами, знак которых противоположен типу проводимости базовой области.

13. Полупроводниковый фотопреобразователь по п.12, отличающийся тем, что на одну из рабочих поверхностей нанесена электроизолирующая теплопроводящая пленка и поглощающее покрытие с низкой теплоемкостью.

14. Полупроводниковый фотопреобразователь, выполненный в виде двухсторонней матрицы из скоммутированных последовательно с помощью контактов микроэлементов с диодными структурами n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺), плоскости которых перпендикулярны рабочей поверхности, на которую падает излучение, два или три линейных размера микроэлементов соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей заряда в базовой области, отличающийся тем, что каждая диодная структура на обеих рабочих поверхностях содержит дополнительный изотипный p-p⁺ (n-n⁺)-переход, изолированный от основного изотипного перехода диодной структуры, плоскость дополнительного изотипного перехода параллельна рабочей поверхности, рабочая поверхность фотопреобразователя содержит пассивирующую электроизолирующую просветляющую пленку, на которую нанесено прозрачное покрытие с электропроводящей пленкой, например, на основе легированных соединений окиси индия и олова, электропроводящая пленка соединена с токовыводом источника питания, имеющим полярность напряжения, противоположную по отношению к типу проводимости дополнительного изотипного перехода.

15. Полупроводниковый фотопреобразователь по п.14, отличающийся тем, что с одной рабочей поверхности вместо прозрачной электропроводящей пленки нанесена поглощающая проводящая пленка, которая соединена с токовыводом источника питания с полярностью напряжения, противоположной по отношению к типу проводимости дополнительного изотипного перехода.

16. Полупроводниковый фотопреобразователь по п.14 или 15, отличающийся тем, что прозрачная и поглощающая электропроводящие пленки присоединены к легированному слою фотопреобразователя с противоположным типом проводимости по отношению к типу проводимости изотипного перехода.

17. Полупроводниковый фотопреобразователь по п.14 или 15, отличающийся тем, что прозрачная и поглощающая электропроводящие пленки присоединены к токовыводу дополнительного фотопреобразователя.

18. Полупроводниковый фотопреобразователь по п.14 или 15, отличающийся тем, что прозрачная и поглощающая электропроводящие пленки присоединены через выпрямляющий диод к однопроводниковой резонансной системе питания, содержащей полупроводниковый фотопреобразователь, преобразователь частоты, резонансный контур и трансформатор Тесла.

19. Способ изготовления полупроводникового фотопреобразователя, включающий диффузионное легирование полупроводниковых пластин с образованием диодных n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺)-структур, металлизацию легированных n⁺ (p⁺)-слоев, последовательное соединение пластин в столбик через металлические прослойки, резку столбика на матрицы, травление рабочих сторон, на которые падает излучение, и нанесение просветляющего покрытия, отличающийся тем, что на обеих сторонах создают изолированные области с дополнительными изотипными p-p⁺ (n-n⁺)-переходами путем локального легирования методом импульсной лазерной диффузии или ионной имплантации с лазерным импульсным отжигом, отделенные от n⁺-p (p⁺-n)-переходов и изотипных p-p⁺ (n-n⁺)-переходов, а со стороны, противоположной рабочей поверхности, наносят электроизолирующий слой и теплопоглощающее покрытие с низкой теплоемкостью.

20. Способ изготовления полупроводникового фотопреобразователя, включающий диффузионное легирование полупроводниковых пластин с образованием диодных n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺)-структур, металлизацию легированных n⁺ (p⁺) слоев, последовательное соединение пластин в столбик через металлические прослойки, резку столбика на матрицы, травление рабочих сторон, на которые падает излучение, и нанесение просветляющего покрытия, отличающийся тем, что на обеих сторонах матрицы создают изолированные области с дополнительными n⁺-p (p⁺-n)-переходами путем локального легирования методом импульсной лазерной диффузии или ионной имплантации с лазерным импульсным отжигом, отделенные от n⁺-p (p⁺-n)-переходов и изотипных p-p⁺ (n-n⁺)-переходов, а со стороны, противоположной рабочей поверхности, наносят электроизолирующий слой и теплопоглощающее покрытие.

21. Способ изготовления полупроводникового фотопреобразователя, включающий диффузионное легирование полупроводниковых пластин с образованием диодных n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺)-структур, металлизацию легированных n⁺ (p⁺)-слоев, последовательное соединение пластин в столбик через металлические прослойки, резку столбика на матрицы, травление рабочих сторон, на которые падает излучение, и нанесение просветляющего покрытия, отличающийся тем, что на рабочей стороне матрицы создают изолированные области с дополнительными изотипными p-p⁺ (n-n⁺)-переходами, а на другой рабочей поверхности создают изолированные области с дополнительными n⁺-p (p⁺-n)-переходами, отделенные от n⁺-p (p⁺-n)-переходов и изотипных p-p⁺ (n-n⁺)-переходов диодных структур путем локального легирования методом импульсной лазерной диффузии или ионной имплантации с лазерным импульсным отжигом.

22. Способ изготовления полупроводникового фотопреобразователя по п.21, отличающийся тем, что на одну из поверхностей фотопреобразователя наносят электроизолирующую теплопроводящую пленку и поглощающее покрытие с низкой теплоемкостью.

23. Способ изготовления полупроводникового фотопреобразователя, включающий диффузионное легирование полупроводниковых пластин с образованием диодных n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺)-структур, металлизацию легированных n⁺ (p⁺)-слоев, последовательное соединение пластин в столбик через металлические прослойки, резку столбика на матрицы, травление рабочих сторон, на которые падает излучение, и нанесение просветляющего покрытия, отличающийся тем, что на рабочей стороне матрицы создают изолированные области с дополнительными изотипными p-p⁺ (n-n⁺)-переходами, отделенные от n⁺-p (p⁺-n)-переходов и изотипных p-p⁺ (n-n⁺)-переходов, а на другой рабочей поверхности создают области с дополнительными n⁺-p (p⁺-n)-переходами, соединенными с n⁺-p (p⁺-n)-переходами диодных структур путем локального легирования методом импульсной лазерной диффузии или ионной имплантации с лазерным импульсным отжигом, а со стороны, противоположной рабочей поверхности, наносят электроизолирующий слой и теплопоглощающее покрытие с низкой теплоемкостью.

24. Способ изготовления полупроводникового фотопреобразователя по п.23, отличающийся тем, что на поверхность фотопреобразователя, содержащую области с p-n-переходами, наносят электроизолирующую теплопроводящую пленку и поглощающее покрытие с низкой теплоемкостью.

25. Способ изготовления полупроводникового фотопреобразователя по п.23 или 24, отличающийся тем, что на рабочую сторону наносят окисную пленку толщиной 10-30 нм с нанокластерами размером 10-30 нм с плотностью 300-600 мкм^-2, а сверху пассивирующую просветляющую пленку со встроенными зарядами, знак которых противоположен знаку основных носителей заряда легированного слоя дополнительных изотипных переходов.

26. Способ изготовления полупроводникового фотопреобразователя по п.23 или 24, отличающийся тем, что на рабочей стороне на дополнительные изотипные переходы наносят окисную пассивирующую пленку и контактную полосу, которую соединяют с контактом к легированным областям n⁺-p-n⁺ (p⁺-n-p⁺)-структур с противоположным типом проводимости.

27. Способ изготовления полупроводникового фотопреобразователя по п.23 или 24, отличающийся тем, что на рабочей стороне на дополнительные изотипные переходы наносят окисную пассивирующую пленку и контактную полосу, которую соединяют с контактом к легированным областям n⁺-p-n⁺ (p⁺-n-p⁺)-структур с противоположным типом проводимости, на рабочую сторону наносят окисную пленку толщиной 10-30 нм с нанокластерами размером 10-30 нм с плотностью 300-600 мкм^-2, а сверху пассивирующую просветляющую пленку со встроенными зарядами, знак которых противоположен знаку основных носителей заряда легированного слоя дополнительных изотипных переходов.

28. Сособ изготовления полупроводникового фотопреобразователя по п.23 или 24, отличающийся тем, что на рабочую сторону наносят пассивирующую электроизолирующую просветляющую пленку, на которую наносят прозрачное покрытие с электропроводящей пленкой, например, на основе соединений окисей индия и олова, электропроводящую пленку соединяют с дополнительными изотипными переходами и с токовыводом источника электропитания противоположной полярности по отношению к знаку основных носителей заряда легированного слоя дополнительных изотипных переходов.

29. Способ изготовления полупроводникового фотопреобразователя по п.23 или 24, отличающийся тем, что на рабочую сторону наносят электроизолирующую просветляющую пленку, на которую наносят прозрачное покрытие с электропроводящей пленкой, например, на основе соединений окисей индия и олова, электропроводящую пленку соединяют с дополнительным изотипным переходом и присоединяют через выпрямляющий диод к однопроводной резонансной системе питания, содержащей дополнительный полупроводниковый фотопреобразователь, преобразователь частоты, резонансный контур и трансформатор Тесла.