СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГЕТЕРОСТРУКТУРНОГО СОЛНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА Российский патент 2016 года по МПК H01L31/18 

Изобретение относится к возобновляемой энергетике, а именно к изготовлению гетероструктурных солнечных элементов на основе полупроводниковой гетероструктуры, в частности метаморфной гетероструктуры, для преобразования солнечного излучения в электрическую энергию.

Изготовляемые в настоящее время полупроводниковые гетероструктуры состоят из более чем 20 слоев, для оптимизации по фототоку создаются напряженные метаморфные гетероструктуры, без четкого согласования по параметрам решетки отдельных слоев, что вносит дополнительные особенности в постростовую обработку данных гетероструктур, в частности в процесс химического травления разделительной мезы. При проведении химического травления велика вероятность возникновения протравов по тонким напряженным слоям, что может привести к выходу прибора из строя и уменьшению выхода годных элементов.

Известен способ изготовления солнечного элемента на основе многослойной гетероструктуры GaAs/AlGaAs (см. заявка RU 94021123, МПК H01L 31/18, опубликована 20.04.1996). Способ заключается в нанесении на подложку из полуизолирующего арсенида галлия последовательности слоев: проводящего n+GaAs слоя, многослойной периодической структуры GaAs/AlGaAs и второго проводящего n+GaAs слоя, с последующим травлением верхнего проводящего n+GaAs слоя и многослойной гетероструктуры в водном растворе перекиси водорода, содержащем органическую кислоту.

Способ позволяет увеличить точность и прецизионность травления при изготовлении солнечных элементов, увеличить выход годных изделий и снизить стоимость изготовления. Недостатком известного способа является использование подложки арсенида галлия, что приводит к ухудшению параметров солнечного элемента, так как не обеспечивает поглощение длинноволновой части спектра солнечного излучения. Отсутствие процесса пассивации боковой поверхности солнечного элемента уменьшает срок эксплуатации.

Известен способ изготовления многопереходного солнечного элемента (см. заявка DE 102008034701, МПК H01L 31/0304, опубликована 08.04.2010), выполненного в виде многопереходной гетероструктуры, содержащей не менее чем 22 слоя, состоящих из комбинаций элементов III и V групп Периодической таблицы Менделеева, выращенных на подложке из арсенида галлия (GaAs), германия (Ge) или других подходящих материалов. Способ изготовления включает в себя формирование на полупроводниковой подложке широкозонного элемента, затем на нем формируют средний элемент, ширина запрещенной зоны которого меньше, чем ширина запрещенной зоны верхнего элемента. Метаморфный слой формируют на среднем элементе. Нижний солнечный элемент с меньшей шириной запрещенной зоны, согласован по атомарной решетке со средним элементом. Для нанесения контактов на сформированную таким образом структуру многопереходного солнечного элемента последовательно осаждают слои металлов Ti/Au/Ag/Au. Для разделения на отдельные элементы - чипы и формирования мезаструктуры создаваемого солнечного элемента в пластине выращенной полупроводниковой структуры вытравливают разделительные канавки.

Известный способ изготовления солнечного элемента предусматривает использование нескольких подложек, одна из которых, ростовая, предназначена для последовательного осаждения на подложку слоев полупроводниковых материалов AIIIBV, формирующих солнечный элемент. Затем производят присоединение второй подложки (суррогатной) к верхнему эпитаксиальному слою с удалением методом травления ростовой подложки. Изготовление инвертированного метаморфного солнечного элемента, кроме удаления ростовой подложки, включает в себя на финальном этапе и вытравливание канавок для формирования мезаструктуры создаваемого солнечного элемента.

Недостатком известного способа изготовления многопереходного солнечного элемента является использование минимум двух подложек (первой - ростовой и второй - суррогатной), с несколькими операциями травления в различных по составу травителях, а также необходимость выращивания дополнительных эпитаксиальных стоп-слоев, что приводит к значительному технологическому усложнению процесса производства и увеличению затрат при изготовлении монолитных многопереходных солнечных элементов.

Известен способ изготовления солнечного элемента (см. патент US 5330585, МПК H01L 31/068, опубликован 19.07.1994), включающий создание фоточувствительной многослойной гетероструктуры, нанесение пассивирующего слоя или окна из чувствительного к окружающей среде материала (AlGaAs) на поверхности фоточувствительной многослойной структуры, создание контактного слоя из нечувствительного к окружающей среде материала, обладающего электрической проводимостью, на поверхности пассивирующего слоя. Затем удаляют часть контактного слоя для открытия части нижележащего пассивирующего слоя таким образом, чтобы оставшаяся часть контактного слоя осталась на поверхности пассивирующего слоя, наносят просветляющее покрытие из нечувствительного к окружающей среде электрически непроводящего материала на вышеуказанной открытой части пассивирующего слоя таким образом, чтобы оставшаяся часть контактного слоя не была закрыта просветляющим покрытием и чтобы покрытие вместе с оставшейся частью контактного слоя полностью закрывали пассивирующий слой. Создают омический контакт из материала, обладающего электрической проводимостью на поверхности оставшейся части контактного слоя.

Недостатком известного способа изготовления солнечного элемента является образование разделительной мезы с неровной боковой поверхностью, что ведет к увеличению токов утечки по боковой поверхности мезы.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков является способ изготовления гетероструктурного солнечного элемента, принятый за прототип (см. патент RU 2292610, МПК H01L 31/18, опубликован 27.01.2007). Солнечный элемент изготавливают на основе полупроводниковой гетероструктуры, включающей n-Ge подложку, n-GaAs буферный слой, n-GaAs базовый слой, p-GaAs эмиттерный слой, p+-GaAIAs широкозонный слой, p+-GaAs контактный слой. Способ включает нанесение омического контакта на тыльную поверхность полупроводниковой гетероструктуры, нанесение омического контакта через маску на ее фронтальную поверхность. Далее вытравливают слои арсенида галлия до германиевой подложки через маску фоторезиста с рисунком окон по периметрам солнечных элементов. Стравливают p+-GaAs слой за пределами контактных областей и наносят просветляющее покрытие.

Недостатком известного способа-прототипа является увеличенная величина токов утечки по боковой поверхности изготовленного солнечного элемента, что ведет к снижению надежности эксплуатации и к уменьшению выхода годных элементов.

Задачей заявляемого технического решения является увеличение выхода годных солнечных элементов и увеличение надежности их эксплуатации, особенно в условиях космического пространства.

Поставленная задача достигается тем, что способ изготовления гетероструктурного солнечного элемента включает выращивание на германиевой подложке полупроводниковой гетероструктуры GalnP/Ga(ln)As/Ge с контактным слоем, нанесение омического контакта на тыльную поверхность германиевой подложки, нанесение омического контакта через маску на контактный слой на фронтальной поверхности полупроводниковой гетероструктуры, удаление химическим травлением контактного слоя с фронтальной поверхности гетероструктуры вне омического контакта и нанесение на нее через маску просветляющего покрытия и создание разделительной мезы травлением через маску из фоторезиста первой канавки в полупроводниковой гетероструктуре до германиевой подложки. Новым в способе является покрытие фоторезистом перед травлением первой канавки тыльного омического контакта и боковой поверхности гетероструктуры, после создания первой канавки осуществление пассивации поверхности канавки диэлектриком, травление через маску фоторезиста второй канавки в германиевой подложке глубиной не менее 2 мкм и шириной на 5-10 мкм уже ширины первой канавки и покрытие второй канавки диэлектриком.

Травление первой канавки в полупроводниковой гетероструктуре и второй канавки в германиевой подложке может быть осуществлено при температуре 28-34°C в травителе, содержащем компоненты при следующем их соотношении, мас.ч.:

бромистый водород 8,0-12,0 перекись водорода 1-1,10 вода остальное

Нанесение фоторезиста на тыльный омический контакт и боковые поверхности гетероструктуры перед травлением первой канавки предназначено для полного закрытия металлических материалов омических контактов, так как при наличии гетерограницы метал - травитель происходит изменение энергии активации химической реакции травления полупроводниковой гетероструктуры, в результате скорость травления тонких напряженных слоев гетероструктуры возрастает, образуются протравы по данным слоям, снижается выход годных солнечных элементов.

Глубина травления второй канавки составляет не менее 2 мкм, так как необходимо, чтобы глубина канавки превышала глубину залегания p-n-перехода в германиевой подложке, для обеспечения надежной защиты p-n-перехода последующим нанесением диэлектрика, и тем самым для снижения токов утечки по боковой поверхности солнечного элемента. Травление германиевой подложки на глубину более 50 мкм технологически нецелесообразно.

При ширине второй канавки на 5-10 мкм уже ширины первой канавки обеспечивается надежная защита маской фоторезиста боковой поверхности слоев гетероструктуры. При уменьшении разницы ширин первой и второй канавок менее 5 мкм возникают протравы по отдельным слоям гетероструктуры, образуются разрывы диэлектрического покрытия, в результате чего снижается надежность солнечного элемента, уменьшается выход годных изделий. Разница ширин первой и второй канавок более 10 мкм является не технологичной, так как затрудняется процесс резки гетероструктуры при разделении пластины на чипы.

При травлении первой канавки и второй канавки в одном травителе на основе бромистого водорода и перекиси водорода, при температуре травления меньше 28°C скорость реакции резко падает, снижается технологичность процесса создания разделительной мезы. При °температуре травления выше 34°C уменьшается стойкость маски фоторезиста, увеличивается вероятность возникновения протравов под маску фоторезиста, снижается выход годных элементов. При содержании бромистого водорода меньше 8,0 и при содержании перекиси водорода меньше 1,0, скорость травления падает, происходит быстрое расходование химического реактива, изменяется соотношение скоростей травления отдельных слоев структуры, происходит формирование неровной боковой поверхности разделительной мезы.

При содержании бромистого водорода больше 12,0 и при содержании перекиси водорода больше 1,1 скорости реакции травления отдельных слоев гетероструктуры различаются, происходит формирование неровной боковой поверхности мезы.

Использование травителя на основе бромистого водорода и перекиси водорода обусловлено высоким качеством поверхности травления полупроводниковой гетероструктуры и германиевой подложки, созданием ровной боковой поверхности разделительной мезы без протравов по отдельным слоям гетероструктуры за счет равенства скоростей травления слоев гетероструктуры и германиевой подложки.

Заявляемое техническое решение поясняется иллюстрациями, где:

на фиг. 1 приведена схема солнечного элемента;

на фиг. 2 приведена фотография фрагмента солнечного элемента с разделительной мезой после травления полупроводниковой гетероструктуры и германиевой подложки.

На фиг. 1 - фиг. 2 указаны: 1 - полупроводниковая гетероструктура GalnP/Ga(ln)As, 2 - германиевая подложка, 3 - контактный слой, 4 - омический контакт, 5 - просветляющее покрытие, 6 - первая канавка, 7 - вторая канавка, 8 - диэлектрик.

Настоящий способ изготовления гетероструктурного солнечного элемента включает эпитаксиальное выращивание последовательно полупроводниковой гетероструктуры GalnP/Ga(ln)As и контактного слоя на германиевой подложке. Далее наносят омический контакт на тыльную поверхность германиевой подложки вакуумно-термическим напылением и электрохимическим осаждением, например, одного или комбинации следующих материалов: Au, Ag(Mn), Ag, Ni. Наносят омический контакт через маску на контактный слой на фронтальной поверхности гетероструктуры вакуумно-термическим напылением и электрохимическим осаждением, например, одного или комбинации следующих материалов: Au, Cr, Ni, Au(Ge), Ag. Проводят термическое вжигание омических контактов. Удаляют контактный слой на фронтальной поверхности полупроводниковой гетероструктуры химическим травлением и наносят через маску из фоторезиста просветляющее покрытие на фронтальную поверхность гетероструктуры осаждением, например, одного или комбинации следующих материалов: TiO₂, SiO₂, Si₃N₄. Создают маску из фоторезиста для травления первой канавки в полупроводниковой гетероструктуре, покрывают фоторезистом тыльный омический контакт и боковые поверхности гетероструктуры. Образуют первую канавку травлением полупроводниковой гетероструктуры GalnP/Ga(ln)As до германиевой подложки преимущественно при температуре 28-34°C в травителе, содержащем компоненты при следующем их соотношении, мас.ч.:

бромистый водород 8,0-12,0 перекись водорода 1,0-1,10 вода остальное

Осуществляют пассивацию поверхности первой канавки диэлектриком, например осаждением одного из следующих материалов: Si₃N₄, SiO₂. Создают маску из фоторезиста для образования второй канавки с шириной на 5-10 мкм меньше ширины первой канавки. Проводят травление германиевой подложки на глубину не менее 2 мкм преимущественно при температуре 28-34°C в травителе, содержащем компоненты при следующем их соотношении, мас.ч.:

бромистый водород 8,0-12,0 перекись водорода 1,0-1,10 вода остальное

Осуществляют пассивацию поверхности второй канавки диэлектриком, например осаждением одного из следующих материалов: Si₃N₄, SiO₂.

Пример 1. Был изготовлен гетероструктурный солнечный элемент путем проведения следующих технологических операций. Была выращена последовательно полупроводниковая гетероструктура GalnP/Ga(ln)As и контактный слой на германиевой подложке. Проведено нанесение омического контакта на тыльную поверхность германиевой подложке методами вакуумно-термического напыления и электрохимического осаждения последовательно Ag(Mn), Ni, Au. Осуществлено нанесение омического контакта через маску из фоторезиста на контактный слой на фронтальной поверхности гетероструктуры методами вакуумно-термического напыления и электрохимического осаждения последовательно Au(Ge), Ni, Au. Проведено термическое вжигание омических контактов. Был удален контактный слой на фронтальной поверхности гетероструктуры вне омического контакта методом химического травления и нанесение через маску просветляющего покрытия на фронтальную поверхность гетероструктуры последовательным осаждением TiO₂, SiO₂. Была создана маска из фоторезиста для травления первой канавки в полупроводниковой гетероструктуре, покрыты фоторезистом тыльный омический контакт и боковые поверхности гетероструктуры. Осуществлено травление полупроводниковой гетероструктуры GalnP/Ga(ln)As до германиевой подложки при температуре 28°C в травителе, содержащем компоненты при следующем их соотношении, мас.ч.:

бромистый водород 8,0 перекись водорода 1,0 вода остальное

Осуществлена пассивация поверхности первой канавки диэлектриком Si₃N₄. Затем была создана маска из фоторезиста для образования второй канавки с шириной канавки на 5 мкм меньше ширины первой канавки. Проведено травление германиевой подложки на глубину 2 мкм при температуре 28°C в травителе, содержащем компоненты при следующем их соотношении, мас.ч.:

бромистый водород 8,0 перекись водорода 1,0 вода остальное

Осуществлена пассивация поверхности второй канавки диэлектриком Si₃N₄.

Пример 2. Был изготовлен гетероструктурный солнечный элемент способом, описанном в примере 1, со следующими отличиями. Создание омического контакта со стороны тыльной поверхности подложки выполнено °осаждением последовательно Ag(Mn), Ni, Au, Ag. Нанесение омического контакта через маску на контактный слой на фронтальной поверхности гетероструктуры выполнено последовательным осаждением Cr, Au. Нанесение просветляющего покрытия на фронтальную поверхность гетероструктуры вне омического контакта выполнено последовательным осаждением TiO₂, SiO₂. Травление полупроводниковой гетероструктуры GalnP/Ga(ln)As до германиевой подложки выполнено при температуре 34°C в травителе, содержащем компоненты при следующем их соотношении, мас.ч.:

бромистый водород 12,0 перекись водорода 1,10 вода остальное

Осуществлена пассивация поверхности первой канавки диэлектриком SiO₂. Была создана маска из фоторезиста для образования второй канавки с шириной на 10 мкм меньше ширины первой канавки. Травление германиевой подложки проведено на глубину 30 мкм при температуре 34°C в травителе, содержащем компоненты при следующем их соотношении, мас.ч.:

бромистый водород 12,0 перекись водорода 1,10 вода остальное

Осуществлена пассивация поверхности канавки диэлектриком SiO₂.

Пример 3. Изготовлен гетероструктурный солнечный элемент способом, описанном в примере 1, со следующими отличиями. Создание омического контакта со стороны тыльной поверхности подложки выполнено последовательным осаждением Ag(Mn), Ni, Au. Нанесение омического контакта через маску на контактный слой выполнено последовательным осаждением Au(Ge), Ni, Ag. Нанесение просветляющего покрытия на фронтальную поверхность гетероструктуры вне омического контакта выполнено последовательным осаждением TiO₂, SiO₂, Si₃N₄. Травление полупроводниковой гетероструктуры GalnP/Ga(ln)As до германиевой подложки выполнено при температуре 31°C в травителе, содержащем компоненты при следующем их соотношении, мас.ч.:

бромистый водород 9,0 перекись водорода 1,10 вода остальное

Осуществлена пассивация поверхности первой канавки диэлектриком SiO₂. Была создана маска из фоторезиста для образования второй канавки с шириной на 10 мкм меньше ширины первой канавки. Травление германиевой подложки проведено на глубину 30 мкм при температуре 32°C в травителе, содержащем компоненты при следующем их соотношении, мас.ч.:

бромистый водород 1,0 перекись водорода 1,10 вода остальное.

Осуществлена пассивация поверхности второй канавки диэлектриком Si₃N₄.

Пример 4. Был изготовлен гетероструктурный солнечный элемент способом, описанном в примере 1, со следующими отличиями. Создание омического контакта со стороны тыльной поверхности подложки выполнено осаждением Au. Нанесение омического контакта через маску на контактный слой выполнено последовательным осаждением Cr, Au. Нанесение просветляющего покрытия на фронтальную поверхность гетероструктуры выполнено последовательным осаждением TiO₂, SiO₂. Травление полупроводниковой гетероструктуры GalnP/Ga(ln)As до германиевой подложки выполнено при температуре 33°C в травителе, содержащем компоненты при следующем их соотношении, мас.ч.:

бромистый водород 11,0 перекись водорода 1,00 вода остальное

Осуществлена пассивация поверхности первой канавки диэлектриком Si₃N₄. Была создана маска из фоторезиста для образования второй канавки с шириной на 9 мкм меньше ширины первой канавки. Травление германиевой подложки проведено на глубину 15 мкм при температуре 29°C в травителе, содержащем компоненты при следующем их соотношении, мас.ч.:

бромистый водород 12,0 перекись водорода 1,10 вода остальное

Осуществлена пассивация поверхности второй канавки диэлектриком Si₃N₄.

Пример 5. Был зготовлен гетероструктурный солнечный элемент способом, описанном в примере 1, со следующими отличиями. Создание омического контакта со стороны тыльной поверхности подложки выполнено последовательным осаждением Au, Ag. Нанесение омического контакта через маску на контактный слой выполнено последовательным осаждением Au(Ge), Ni, Au. Нанесение просветляющего покрытия на фронтальную поверхность гетероструктуры выполнено последовательным осаждением TiO₂, SiO₂. Травление полупроводниковой гетероструктуры GalnP/Ga(ln)As до германиевой подложки выполнено при температуре 34°C в травителе, содержащем компоненты при следующем их соотношении, мас.ч.:

бромистый водород 10,0 перекись водорода 1,00 вода остальное

Осуществлена пассивация поверхности первой канавки диэлектриком SiO₂. Была создана маска из фоторезиста для образования второй канавки с шириной канавки на 10 мкм меньше ширины первой канавки. Травление германиевой подложки проведено на глубину 20 мкм при температуре 32°C в травителе, содержащем компоненты при следующем их соотношении, мас.ч.:

бромистый водород 12,0 перекись водорода 1,10 вода остальное

Осуществлена пассивация поверхности второй канавки диэлектриком SiO₂.

Настоящее изобретение позволяет изготавливать гетероструктурный солнечный элемент на основе полупроводниковой гетероструктуры с модифицированной разделительной мезой, имеющей вертикальную стенку без протравов по отдельным слоям гетероструктуры, в частности метаморфной, с пассивацией боковой поверхности мезы слоем диэлектрика. В результате увеличена надежность эксплуатации солнечного элемента, особенно в условиях космического пространства при больших перепадах температур, увеличен выход годных солнечных элементов с 70-80% до 90-95%.

Способ изготовления гетероструктурного солнечного элемента включает выращивание полупроводниковой гетероструктуры на германиевой подложке, создание омических контактов со стороны тыльной поверхности германиевой подложки и со стороны фронтальной поверхности гетероструктуры, нанесение просветляющего покрытия на фронтальную поверхность гетероструктуры, создание разделительной мезы через маску фоторезиста путем травления первой канавки в полупроводниковой гетероструктуре до германиевой подложки. После создания первой канавки осуществляют пассивацию поверхности первой канавки диэлектриком, после чего проводят травление через маску из фоторезиста второй канавки в германиевой подложке глубиной не менее 2 мкм и шириной на 5-10 мкм уже ширины первой канавки и покрывают вторую канавку диэлектриком. Способ согласно изобретению позволяет увеличить выход годных гетероструктурных солнечных элементов и повысить надежность их эксплуатации особенно в условиях космического пространства. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 5 пр.

1. Способ изготовления гетероструктурного солнечного элемента, включающий выращивание на германиевой подложке полупроводниковой гетероструктуры GalnP/Ga(ln)As/Ge с контактным слоем, нанесение омического контакта на тыльную поверхность германиевой подложки, нанесение омического контакта через маску на контактный слой на фронтальной поверхности полупроводниковой гетероструктуры, удаление химическим травлением с фронтальной поверхности гетероструктуры контактного слоя вне омического контакта и нанесение на нее через маску просветляющего покрытия и создание разделительной мезы травлением через маску фоторезиста первой канавки в полупроводниковой гетероструктуре до германиевой подложки, отличающийся тем, что перед травлением первой канавки покрывают фоторезистом тыльный омический контакт и боковые поверхности гетероструктуры, после создания первой канавки осуществляют пассивацию поверхности канавки диэлектриком, после чего проводят травление через маску фоторезиста второй канавки в германиевой подложке глубиной не менее 2 мкм и шириной на 5-10 мкм уже ширины первой канавки и покрывают вторую канавку диэлектриком.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что травление первой и второй канавок осуществляют при температуре 28-34°С в травителе, содержащем компоненты при следующем их соотношении, мас.ч.:
бромистый водород 8,0-12,0 перекись водорода 1,0-1,10 вода остальное