СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НА ОСНОВЕ GaSb Российский патент 2016 года по МПК H01L31/18 

Изобретение относится к возобновляемой энергетике, а более конкретно к способам изготовления фотопреобразователей на основе соединений ΑIIIΒV.

В зависимости от применения фотопреобразователя в системах с преобразованием концентраторного солнечного или лазерного излучения в процессе эпитаксии есть возможность вырастить необходимую гетероструктуру, например, с тыльным потенциальным барьером, широкозонным окном и контактным слоем. С другой стороны, диффузионные p-n-переходы обладают встроенным электрическим полем, образованным плавным распределением примеси в процессе легирования, что позволяет увеличить коэффициент собирания носителей.

Известен способ изготовления каскадного фотопреобразователя (патент US 5091018, МПК H01L 31/052, опубликован 25.02.1992), основанный на механической стыковке GaAs- и GaSb-фотоэлементов. Способ включает нанесение на лицевую поверхность подложки GaSb n-типа маски из изолирующего материала, диффузию цинка из газовой фазы, удаление слоя р-типа проводимости с тыльной поверхности подложки и нанесение на нее металлических контактов, осаждение фронтальных контактов на лицевую поверхность подложки, утончение p-n-перехода на светочувствительных участках травлением и нанесение антиотражающего покрытия.

К недостаткам известного способа следует отнести снижение получаемого кпд при высоких уровнях засветки, т.к. структура фотоэлемента на основе GaSb оптимизирована для использования в условиях небольшой и средней (~100) кратности концентрирования солнечного излучения. К тому же при финишном утончении p-n-перехода на светочувствительных участках не исключается возможность бокового травления подконтактных областей фотоэлектрического преобразователя.

Известен способ изготовления фотопреобразователя на основе n-GaSb (см. патент CN 103474501 A, МПК H01L 25/04; H01L 31/0216, опубликован 25.12.2013), включающий нанесение на подложку n-GaSb диэлектрической маски диоксида кремния для локальной диффузии Zn, проведение диффузии в GaSb из ZnGa сплава в атмосфере аргона при давлении 5-10 Па около 3 часов при температуре 450-500°C, удаление тыльного p-n-перехода, нанесение тыльного и лицевого контактов, разделительное травление структуры на чипы и нанесение антиотражающего покрытия из нитрида кремния.

К недостаткам известного способа изготовления фотоэлектрического преобразователя можно отнести длительность процесса легирования, а также использование неоптимального антиотражающего покрытия из нитрида кремния.

Известен способ изготовления фотопреобразователя на основе GaSb (см. патент RU 2437186, H01L 31/18, В82В 3/00, опубликован 20.12.2011), совпадающий с заявляемым техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Способ включает нанесение на периферийную область подложки из n-GaSb диэлектрической маски, формирование на участках фронтальной поверхности подложки, не защищенных диэлектрической маской, высоколегированного слоя р-типа проводимости диффузией цинка из газовой фазы при температуре 450-490ºC, удаление с тыльной стороны подложки образовавшегося в результате диффузии слоя p-GaSb и формирование тыльного контакта. Затем проводят очистку фронтальной поверхности подложки методом ионно-лучевого травления на глубину 5-30 нм и формирование на ней маски фоторезиста, формирование омического контакта, удаление маски фоторезиста, разделительное травление структуры на отдельные фотоэлементы и нанесение антиотражающего покрытия.

Недостатком данного способа изготовления фотопреобразователя является недостаточно высокая эффективность преобразования излучения при высоких плотностях падающего излучения.

Задачей настоящего изобретения являлась разработка такого способа изготовления фотопреобразователя на основе GaSb, который бы обеспечивал получение фотопреобразователей, имеющих более высокую эффективность преобразования солнечного, инфракрасного и лазерного излучения при его большой плотности в диапазоне фоточувствительности 0,5-1,8 мкм.

Поставленная задача решается тем, что способ изготовления фотопреобразователя на основе GaSb включает эпитаксиальное выращивание на подложке GaSb n-типа проводимости тыльного высоколегированного контактного слоя n+-GaSb с концентрацией легирующей примеси Те 1018-1019 ат/см³ и буферного слоя n-GaSb с концентрацией легирующей примеси Те (1-6)∙1017 ат/см³ со стороны лицевой поверхности подложки n-GaSb; нанесение на лицевую поверхность буферного слоя n-GaSb диэлектрической маски, соответствующей топологии p-n-перехода; легирование буферного слоя n-GaSb через диэлектрическую маску диффузией цинка из газовой фазы в квазизамкнутом контейнере с образованием p-n-перехода; удаление на тыльной стороне подложки p-n перехода; формирование тыльного и фронтального омических контактов; разделительное травление структуры на отдельные фотоэлементы и нанесение антиотражающего покрытия.

Новым в настоящем способе является эпитаксиальное выращивание на тыльной стороне GaSb подложки n-типа проводимости высоколегированного контактного слоя n+-GaSb с концентрацией легирующей примеси Те 1018-1019 ат/см³ и буферного слоя n-GaSb с концентрацией легирующей примеси Те (1-6)∙1017 ат/см³ и осуществление газовой диффузии цинка в выращенный на лицевой стороне подложки GaSb эпитаксиальный буферный слой, что позволяет получать фотоэлементы с улучшенными рабочими характеристиками в диапазоне фоточувствительности 0,5-1,8 мкм.

Эпитаксиальное выращивание тыльного высоколегированного контактного слоя n+-GaSb можно проводить при начальной температуре 500ºC и конечной температуре 400ºC.

Эпитаксиальное выращивание буферного слоя n-GaSb можно проводить при начальной температуре 550ºC и конечной температуре 450ºC.

Настоящий способ поясняется чертежами, где

на фиг. 1 показан вид сверху на фотоэлектрический преобразователь, изготовленный настоящим способом;

на фиг. 2 приведен вид сбоку в разрезе по А-А фотоэлектрического преобразователя, показанного на фиг. 1.

Фотоэлектрический преобразователь (см. фиг. 1, фиг. 2) содержит полупроводниковую подложку 1 из GaSb n-типа проводимости; тыльный контактный слой 2 n+-GaSb; эпитаксиальный буферный слой 3 n-GaSb; диффузионный слой 4 р-типа проводимости (p-n-переход) p-GaSb; диэлектрическую маску 5, например, из нитрида кремния Si₃N₄; тыльный омический контакт 6, например, из Au(Ge)-Au; фронтальный омический контакт 7, например, из Cr-Au. На лицевую поверхность подложки нанесено антиотражающее покрытие 8, выполненное, например, из ZnS/MgF₂.

Настоящий способ изготовления фотопреобразователя на основе GaSb включает эпитаксиальное выращивание на подложке 1 из GaSb n-типа проводимости, например, при начальной температуре 500ºC и конечной температуре 400ºC тыльного высоколегированного контактного слоя 2 n+-GaSb с концентрацией легирующей примеси Те 1018-1019 ат/см³, снижающего сопротивление растекания и контактное сопротивление фотопреобразователя, и эпитаксиальное выращивание при температуре 550-450ºC на лицевой поверхности подложки буферного слоя 3 n-GaSb с концентрацией легирующей примеси Те (1-6)∙1017 ат/см³, имеющего более бездефектную структуру по сравнению с подложкой 1. Эпитаксиальное выращивание может быть осуществлено методом жидкофазной эпитаксии в графитовой кассете, например, поршневого типа в кварцевом проточном реакторе в атмосфере очищенного водорода при скорости охлаждения расплава Vохл=0,3-2,0º/мин. Такие скорости охлаждения раствора-расплава позволяют контролировать толщину и состав растущего слоя, а также выращивать слои с наименьшим количеством дефектов. При скорости охлаждения расплава меньше 0,3º/мин значительно увеличивается время эпитаксиального выращивания слоя и снижается концентрация легирующей примеси. При скорости охлаждения расплава больше 2,0º/мин увеличивается вероятность образования дефектов в процессе роста. При концентрации легирующей примеси Те в контактном слое 2 n+-GaSb меньше 1018 ат/см³ увеличивается сопротивление растекания и контактное сопротивление при создании омического контакта 6. В качестве легирующей примеси при выращивании n-GaSb и n+-GaSb эпитаксиальных слоев 2, 3 выбрали теллур, поскольку он является мелким акцептором. При концентрации легирующей примеси Те в контактном слое 2 больше 1019 ат/см³ увеличивается вероятность образования дефектов в процессе роста и снижается подвижность носителей тока. При концентрации легирующей примеси Те в буферном слое 3 n-GaSb меньше 1017 ат/см³ увеличивается вероятность образования p-GaSb, поскольку нелегированные кристаллы GaSb имеют электропроводность р-типа. При концентрации легирующей примеси Те в буферном слое 3 n-GaSb больше 6∙1017 ат/см³ увеличиваются токи утечки, что приводит к снижению напряжения холостого хода. В качестве металла-растворителя при эпитаксиальном выращивании из жидкой фазы GaSb используют галлий. Выращивание эпитаксиальных слоев 2, 3 может быть осуществлено также методом молекулярно-пучковой эпитаксии, или методом газофазной эпитаксии, или иным методом эпитаксиального выращивания. Далее наносят со стороны лицевой поверхности подложки 1 диэлектрическую маску 5, соответствующую топологии p-n-перехода, например, из оксида кремния SiO₂ или нитрида кремния Si₃N₄. Легируют через диэлектрическую маску 5 буферный слой 3 n-GaSb диффузией цинка из газовой фазы в квазизамкнутом контейнере с образованием р-n-перехода. В качестве газовой фазы при диффузионном легировании можно использовать водород для предотвращения окисления подложки. Источником диффузии может быть чистый цинк, который при температуре выше 350ºC начинает активно испаряться и переходить в газовую фазу. Диффузию цинка можно проводить в квазизамкнутом контейнере в интервале температур 450-550ºC. При использовании низкотемпературной диффузии при использовании в качестве легирующей примеси Zn снижается вероятность появления структурных дефектов в буферном слое 3 GaSb. При этом при локальном легировании через диэлектрическую маску 5 p-n-переход не выходит на боковую поверхность структуры (см. фиг. 2). Затем удаляют на тыльной стороне подложки 1 p-n-переход, формируют тыльный и фронтальный омические контакты 6, 7 с последующим их отжигом. Тыльный омический контакт 6 можно создавать последовательным напылением слоя из сплава Au(Ge) и слоя Au. Отжиг осажденного тыльного контакта 6 в атмосфере водорода предпочтительно проводить при температуре 220-250ºC. Фронтальный омический контакт 7 можно создавать последовательным нанесением Cr и Au. Отжиг осажденного фронтального омического контакта 7 в атмосфере водорода предпочтительно проводить при температуре 200-220ºC. Может быть проведена дополнительная металлизация фронтального омического контакта 7 гальваническим осаждением через маску из фоторезиста при одновременном гальваническом осаждении золота на тыльную поверхность. Далее проводят разделительное травление структуры на отдельные фотоэлементы и наносят антиотражающее покрытие 8, например, из слоя сульфида цинка ZnS, покрытого слоем дифторида магния MgF₂.

Пример 1. Изготавливали фотопреобразователь на основе GaSb. Выращивали на монокристаллической подложке антимонида галлия n-типа проводимости методом жидкофазной эпитаксии тыльный контактный слой n+-GaSb толщиной 10 мкм при начальной температуре 450°C и конечной температуре 400ºC, на лицевой поверхности подложки выращивали буферный слой n-GaSb толщиной 20 мкм при начальной температуре 550ºC. Скорость охлаждения составляла 1,5º/мин. Процесс проводили в кварцевом проточном реакторе в атмосфере очищенного водорода в графитовой кассете поршневого типа. Для обеспечения локальности диффузионного процесса сформировали защитную маску на поверхности структуры GaSb. Для этого методом плазмохимического осаждения наносили диэлектрическую пленку Si₃N₄, в которой при помощи техники фотолитографии вскрывали окна под светочувствительную поверхность подложки и производили их травление. Проводили газовую диффузию цинка в квазизамкнутом контейнере в атмосфере водорода при температуре 450-470ºC в течение 40 минут для создания р-n-перехода. Затем удаляли тыльный p-n-переход с помощью механической шлифовки, осаждали тыльный омический контакт методом термического вакуумного испарения и отжигали его в атмосфере водорода. Создавали маску из фоторезиста посредством фотолитографии для формирования фронтального омического контакта, осаждали его методом термического вакуумного испарения, удаляли фоторезист с помощью техники взрывной фотолитографии и отжигали фронтальный омический контакт в атмосфере водорода. Создавали маску из фоторезиста посредством фотолитографии для гальванического осаждения золота на фронтальную поверхность и проводили это осаждение. Одновременно проводилось гальваническое осаждение золота на тыльную поверхность. Проводили процесс фотолитографии с целью разделительного травления структуры на чипы и самотравление. На светочувствительной поверхности структуры осаждали антиотражающее покрытие (ZnS/MgF₂).

Использование в настоящем способе преимуществ эпитаксиального и диффузионного методов изготовления приборных структур позволяет получать фотопреобразователи с улучшенными значениями рабочих характеристик.

При изготовлении фотопреобразователя согласно изобретению на тыльной стороне подложки GaSb n-типа проводимости выращивают методом эпитаксии высоколегированный контактный слой n⁺-GaSb, а на лицевой стороне подложки - буферный слой n-GaSb. Наносят на лицевую поверхность подложки диэлектрическую пленку. Создают химическим травлением окна в диэлектрической пленке. Легируют диффузией цинка из газовой фазы в квазизамкнутом контейнере поверхностный слой структуры GaSb фотопреобразователя. Удаляют на тыльной стороне подложки p-n-переход. Осаждают тыльный и лицевой контакты и отжигают их. Разделяют структуру травлением на отдельные фотоэлементы и наносят антиотражающее покрытие. Изобретение позволяет увеличить КПД фотопреобразователей на основе GaSb при высоких плотностях падающего излучения. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 пр.

1. Способ изготовления фотопреобразователя на основе GaSb, включающий эпитаксиальное выращивание при скорости охлаждения расплава Vохл=0,3-2,0°/мин на подложке из GaSb n-типа проводимости тыльного высоколегированного контактного слоя n+-GaSb с концентрацией легирующей примеси Те 1018-1019 ат/см³ и буферного слоя n-GaSb с концентрацией легирующей примеси Те (1-6)·1017 ат/см³ со стороны лицевой поверхности подложки n-GaSb; нанесение на лицевую поверхность буферного слоя n-GaSb диэлектрической маски, соответствующей топологии p-n-перехода; легирование буферного слоя n-GaSb через диэлектрическую маску диффузией цинка из газовой фазы в квазизамкнутом контейнере с образованием p-n-перехода; удаление на тыльной стороне подложки p-n-перехода; формирование тыльного и фронтального омических контактов с последующим их отжигом; разделительное травление структуры на отдельные фотоэлементы и нанесение антиотражающего покрытия.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что эпитаксиальное выращивание тыльного высоколегированного контактного слоя n+-GaSb проводят при начальной температуре 500°С и конечной температуре 400°С.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что эпитаксиальное выращивание буферного слоя n-GaSb проводят при начальной температуре 550°С и конечной температуре 450°С.