СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С АНТИОТРАЖАЮЩИМ ПОКРЫТИЕМ Российский патент 2019 года по МПК H01L31/18 

Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности, к способу изготовления фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), и может быть использовано в электронной промышленности для преобразования световой энергии в электрическую энергию.

При изготовлении фотоэлектрического преобразователя важным аспектом является возможность создания его элементов малого размера 2-3 мм², что приводит к ряду проблем из-за технологической сложности снижения степени затенения фоточувствительной поверхности.

Известен способ изготовления фотоэлектрического преобразователя с антиотражающим покрытием (см. патент RU 2417481, МПК H01L 31/18, МПК H01L 31/042, опубликован 27.04.2011), включающий химическое травление и очистку поверхности базовой области, нанесение широкозонных n⁺ или р⁺ слоев, легированных донорной и акцепторной примесями, нанесение контактов в форме сетки и создание на поверхности базовой области пассивирующей, просветляющей пленки. Широкозонные слои наносят толщиной более 0,2 мкм, покрывают эти слои металлическими контактами из алюминия, меди или серебра, формируют контактную сетку, в промежутках контактной сетки химическим путем травят поверхность до базовой области, наносят пассивирующую антиотражающую пленку, например, на основе нитрида кремния, легированного водородом, и наносят прозрачную защитную пленку, например, двуокись кремния.

Недостатком известного способа изготовления фотоэлектрического преобразователя является нанесение антиотражающего покрытия на заключительной стадии пост-ростовой технологии, что приводит к снижению точности задания топологии прибора, ухудшению адгезии покрытия и к увеличению оптических потерь.

Известен способ изготовления фотоэлектрического преобразователя с антиотражающим покрытием (см. заявку US 20140360584, МПК H01L 31/18 опубликован 11.12.2014), включающий создание на подложке первого полупроводящего слоя и второго полупроводящего слоя с противоположными типами проводимости, формирование пассивирующего слоя оксида графена на поверхности второго полупроводящего слоя путем обработки подложки в растворе оксида графена, создание первого электрода на поверхности первого полупроводящего слоя, создание второго электрода на поверхности второго полупроводящего слоя. При этом слой оксида графена выполняет функцию пассивирующего слоя для снижения скорости поверхностной рекомбинации и функцию антиотражающего покрытия для снижения коэффициента отражения падающего излучения.

Недостатком известного способа изготовления фотоэлектрического преобразователя является недостаточная адгезия антиотражающего покрытия, приводящая к уменьшению выхода годных приборов.

Известен способ изготовления фотоэлектрического преобразователя с антиотражающим покрытием (см. патент CN 104733556, МПК H01L 31/0216, H01L 31/18, опубликован 01.02.2017), включающий создание на полупроводниковой гетероструктуре фронтального и тыльного омических контактов, формирование антиотражающего покрытия непосредственно после жидкостного химического травления поверхности гетероструктуры.

Недостатком известного способа изготовления фотоэлектрического преобразователя является невысокое качество антиотражающего покрытия и недостаточная адгезия осаждаемого антиотражающего покрытия к поверхности гетероструктуры, что приводит к снижению коэффициента отражения.

Известен способ изготовления фотоэлектрического преобразователя с антиотражающим покрытием (см. патент RU 2357326, МПК H01L 31/18 опубликован 27.05.2009), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Способ изготовления фотоэлектрического преобразователя заключается в том, что на фоточувствительную полупроводниковую гетероструктуру А³В⁵, включающую пассивирующий и контактный слои, напыляют слой тыльного омического контакта, наращивают тыльный контакт электрохимическим осаждением серебра, создают фоторезистивную маску с рисунком фронтального контакта, напыляют слои фронтального омического контакта, удаляют фоторезист, создают фоторезистивную маску с расширенным на 1-2 мкм рисунком фронтального контакта, наращивают фронтальный контакт электрохимическим осаждением серебра с защитным слоем золота в импульсном режиме и проводят термообработку пластины. Вскрывают пассивирующий слой стравливанием контактного слоя по маске утолщенного контакта и создают антиотражающее покрытие.

Недостатками известного способа-прототипа являются большие оптические потери изготовленного фотоэлектрического преобразователя. При использовании расширенной на 1-2 мкм маски фоторезиста для проведения электрохимического утолщения фронтального омического контакта происходит разрастание контакта на фоточувствительную область и, соответственно, увеличение степени затенения фоточувствительной области фотоэлектрического преобразователя. При осаждении антиотражающего покрытия на гетерогранице антиотражающее покрытие - полупроводниковая структура остаются загрязнения и слой естественного окисла, приводящие к увеличению коэффициента отражения и, соответственно к увеличению оптических потерь.

Задачей настоящего технического решения является улучшение параметров фотоэлектрического преобразователя за счет уменьшения оптических потерь.

Поставленная задача достигается тем, что способ изготовления фотоэлектрического преобразователя с антиотражающим покрытием включает последовательное формирование фоточувствительной полупроводниковой гетероструктуры А³В⁵ с пассивирующим слоем и контактным слоем GaAs, удаление контактного слоя над фотоприемными участками полупроводниковой гетероструктуры химическим травлением через первую фоторезистивную маску, обработку открытых поверхностей пассивирующего слоя ионно-лучевым травлением, осаждение антиотражающего покрытия, удаление первой фоторезистивной маски и лежащих на ней участков антиотражающего покрытия, формирование фронтального и тыльного омических контактов, при этом фронтальный омический контакт формируют, по меньшей мере, через одну вторую фоторезистивную маску, содержащую подслой из антиотражающего покрытия.

Пассивирующий слой может быть выполнен толщиной 30-40 нм из соединения Al_xIn_1-xP, где х=0,5-0,55.

Пассивирующий слой может быть выполнен толщиной 30-40 нм из соединения Al_xGa_1-xAs, где х=0,б-0,8.

Ионно-лучевое травление поверхности пассивирующего слоя может быть выполнено на глубину 10-15 нм при ускоряющем напряжении 90-110 В, плотности ионного тока 0,45-0,55 мА/см², при направлении ионного пучка перпендикулярно полупроводниковой гетероструктуре, вращении многослойной полупроводниковой структуры со скоростью 2-3 об/мин.

Новым в настоящем техническом решении является то, что создание антиотражающего покрытия осуществляют на первом этапе пост-ростовой обработки полупроводниковой гетероструктуры и проводят дополнительную обработку ионно-лучевым травлением поверхности пассивирующего слоя полупроводниковой гетероструктуры непосредственно перед осаждением антиотражающего покрытия, при этом вторая маска содержит подслой из антиотражающего покрытия.

Создание антиотражающего покрытия на первом этапе пост-ростовой обработки, выполняющего защитную функцию фоточувствительной области и являющегося частью второй маски для создания фронтального омического контакта, приводит к тому, что топология фронтального омического контакта в точности повторяет топологию контактного слоя, что снижает степень затенения фоточувствительной области ФЭП и уменьшает оптические потери. Дополнительная обработка методом ионно-лучевого травления поверхности пассивирующего слоя полупроводниковой гетероструктуры непосредственно перед осаждением антиотражающего покрытия приводит к удалению загрязнений и слоя естественного окисла, и к активации поверхности, что увеличивает качество осаждаемого покрытия и ведет к снижению коэффициента отражения падающего излучения, что также приводит к уменьшению оптических потерь.

Локальное удаление контактного слоя GaAs над фотоприемными участками полупроводниковой гетероструктуры для открытия нижележащего пассивирующего слоя проводят на первой стадии изготовления фотоэлектрического преобразователя с целью увеличения качества поверхности травления и точности задания топологии ФЭП. Травление контактного слоя выполняют через первую фоторезистивную маску, что позволяет провести формирование полосок контактного слоя с высокой точностью (до 0,1-0,2 мкм). Использование метода жидкостного химического травления обеспечивает высокое качество поверхности травления и высокую селективность травления материалов контактного и пассивирующего слоев. Толщина и состав пассивирующего слоя из Al_xIn_1-xP (где х=0,5-0,55) или из Al_yGa_1-xAs (где х=0,6-0,8) 30-40 нм, выполняющего функцию стоп-слоя, обусловлена его физико-химическими свойствами и параметрами селективности жидкостного химического метода травления. При толщине менее 30 нм функция стоп-слоя может быть нарушена, толщина более 40 нм технологически нецелесообразна.

На поверхности открытого пассивирующего слоя непосредственно после травления контактного слоя остаются загрязнения (частицы компонентов травителей и продуктов химической реакции), а также образуется слой естественного окисла, которые оказывает большое влияние на параметры и качество осаждаемого покрытия. При использовании полупроводниковых структур с пассивирующим слоем из АИпР или из AIGaAs качество поверхности значительно снижается из-за физико-химических свойств соединений, в состав которых входит алюминий. Для удаления естественного окисла пассивирующего слоя проводят дополнительную обработку поверхности ионно-лучевым травлением на глубину 10-15 нм непосредственно перед осаждением антиотражающего покрытия. При глубине травления менее 10 нм не происходит полное равномерное стравливание слоя естественного окисла, глубина травления более 15 нм является нецелесообразной и может вызывать радиационные нарушения в полупроводниковой гетероструктуре, за счет бомбардировки поверхности активными ионами. Ускоряющее напряжение 90-110 В, плотность ионного тока 0,45-0,55 мА/см², направление ионного пучка перпендикулярно полупроводниковой гетероструктуре, вращение образца многослойной полупроводниковой структуры со скоростью 2-3 об/мин обусловлены тем, что травление при этих условиях идет равномерно по всей поверхности полупроводниковой гетероструктуры. Применение ускоряющего напряжения меньше 90 В, плотности ионного тока меньше 0,45 мА/см², скорости вращения образца меньше 2 об/мин приводит к уменьшению скорости травления и к ухудшению однородности травления. При увеличении ускоряющего напряжения больше 110 В, плотности ионного тока больше 0,55 мА/см², скорости вращения образца больше 3 об/мин ухудшаются параметры воспроизводимости процесса травления, возможно образование локальных протравов пассивирующего слоя. Отклонение ионного пучка от перпендикулярного направления приводит к ухудшению качества поверхности травления. Обработка поверхности ионным пучком не только удаляет слой поверхностного окисла и очищает поверхность от загрязнений, а также активирует ее. При проведении ионно-лучевого травления на поверхности образуются свободные связи, которые при нанесении пленки становятся искусственными центрами зародышеобразования, что приводит к значительному увеличению адгезии осаждаемого антиотражающего покрытия и к увеличению выхода годных ФЭП. Все вышеперечисленные параметры ведут к увеличению качества осаждаемого антиотражающего покрытия, к снижению коэффициента отражения излучения от поверхности гетероструктуры, и соответственно к уменьшению оптических потерь.

Антиотражающее покрытие создают на начальной стадии постростовой обработки гетероструктуры до процесса формирования омических контактов, таким образом, оно является подслоем второй маски для создания фронтального омического контакта. Формирование фронтального омического контакта проводят в несколько стадий: напыляют основу омического контакта через вторую фоторезистивную маску, содержащую подслой антиотражающего покрытия, удаляют фоторезистивный слой маски, проводят вжигание контакта, выполняют электрохимическое наращивание основы омического контакта через следующую вторую фоторезистивную маску с подслоем антиотражающего покрытия. За счет диэлектрических свойств антиотражающего покрытия не происходит разрастания лицевого омического контакта на фоточувствительную область ФЭП при электрохимическом наращивании основы омического контакта, что ведет к увеличению точности задания топологии контакта до 0,1-0,2 мкм. При использовании однослойной фоторезистивной маски для электрохимического наращивания основы омических контактов возможно нарушение адгезии маски и подрастание материала омического контакта на фоточувствительную область ФЭП за счет электрической проводимости полупроводниковой гетероструктуры. Данное технологическое решение приводит к снижению степени затенения фоточувствительной области ФЭП и, соответственно, к снижению оптических потерь.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 приведено схематическое изображение фоточувствительной полупроводниковой гетероструктуры А³В⁵;

на фиг. 2 показан этап формирование окон в контактном слое;

на фиг. 3 приведен этап осаждения антиотражающего покрытия;

на фиг. 4 приведен этап удаления первой маски и лежащих на ней участков антиотражающего покрытия;

на фиг. 5 показан этап напыления основы фронтального и тыльного омических контактов;

на фиг. 6 приведен этап наращивания фронтального и тыльного омических контактов;

на фиг. 7 показан этап создания разделительной мезы.

Настоящий способ изготовления фотоэлектрического преобразователя с антиотражающим покрытием выполняют на основе фоточувствительной полупроводниковой гетероструктуры 1 А³В⁵ (см. фиг. 1), включающей пассивирующий слой 2 из Al_xIn_1-хР или из Al_yGa_1-yAs (толщиной 30-40 нм, где х=0,5-0,55; у=0,б-0,8) и контактный слой 3 из GaAs, в несколько этапов. На первом этапе проводят локальное удаление контактного слоя 3 с поверхности пассивирующего слоя 2 над фотоприемными участками полупроводниковой гетероструктуры 1 через первую фоторезистивную маску 4 для формирования окон в контактном слое 3 (см. фиг. 2) методом жидкостного химического травлением в водном травителе, содержащем NH₄OH и H₂O₂ при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:

NH₄OH 0,2-1,3 H₂O₂ 0,5-29 вода остальное.

Далее проводят дополнительную обработку открытых поверхностей пассивирующего слоя 2 ионно-лучевым травлением. Ионно-лучевое травление поверхности пассивирующего слоя 2 может быть выполнено на глубину 10-15 нм при ускоряющем напряжении 90-110 В, плотности ионного тока 0,45-0,55 мА/см², при направлении ионного пучка перпендикулярно полупроводниковой гетероструктуре, вращении многослойной полупроводниковой структуры со скоростью 2-3 об/мин. Далее непосредственно после травления на открытую поверхность пассивирующего слоя 2 осаждают антиотражающее покрытие 5 (см. фиг. 3), которое в дальнейшем является подслоем для второй маски 6 для создания фронтального омического контакта. Далее удаляют фоторезистивный слой первой маски 4 и лежащие на ней участки антиотражающего покрытия 5 в органических растворителях (см. фиг. 4). На следующем этапе создают фронтальный и тыльный омические контакты. Напыляют основу 7 фронтального омического контакта на поверхность контактного слоя 3 через вторую фоторезистивную маску 6 с подслоем антиотражающего покрытия 5 (см. фиг. 5). Напыляют основу 8 тыльного омического контакта на тыльную поверхность полупроводниковой гетероструктуры 1. Проводят вжигание основ 7 и 8 при температуре 360-370°С в течение 30-60 сек. Затем наращивают основу 7 фронтального омического контакта через следующую вторую фоторезистивную маску 9 с подслоем антиотражающего покрытия 5 путем электрохимического осаждения слоя 12 золота или серебра (см. фиг. 6), и основу 8 тыльного омического контакта путем электрохимического осаждения слоя 13 золота или серебра. Осуществляют вытравливание разделительной мезы 14 для электрической изоляции активной области фотопреобразователя (см. фиг. 7).

Пример 1. Был изготовлен фотоэлектрический преобразователь с антиотражающим покрытием на основе фоточувствительной полупроводниковой гетероструктуры А³В⁵, включающей пассивирующий слой из А1_0,52In_0,48Р, толщиной 30 нм, и контактный слой из GaAs в несколько стадий. На первой стадии проводили локальное удаление контактного слоя с фронтальной поверхности полупроводниковой структуры через первую фоторезистивную маску для открытия нижележащего пассивирующего слоя и формирования окон в контактном слое методом жидкостного химического травления в водном травителе, содержащем NH₄OH и H₂O₂ при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:

NH₄OH 1,3 H₂O₂ 29 вода остальное.

Далее проводили дополнительную обработку поверхности пассивирующего слоя ионно-лучевым травлением на глубину 10 нм при ускоряющем напряжении 90 В, плотности ионного тока 0,45 мА/см², при направлении ионного пучка перпендикулярно полупроводниковой гетероструктуре, вращении полупроводниковой структуры со скоростью 2 об/мин. Далее непосредственно после травления на поверхность пассивирующего слоя осадили антиотражающее покрытие, которое входит в структуру второй маски для создания фронтального омического контакта. На следующей стадии создавали фронтальный и тыльный омические контакты: напыляли основу фронтального омического контакта на поверхность контактного слоя через вторую маску с подслоем антиотражающего покрытия. Напыляли основу тыльного омического контакта на тыльную поверхность полупроводниковой структуры. Провели вжигание основы фронтального и тыльного омических контактов при температуре 360°С в течение 30 секунд. Затем наращивали основу фронтального омического контакта через вторую маску с подслоем антиотражающего покрытия, и основу тыльного омического контакта путем электрохимического осаждения слоя золота. Осуществляли вытравливание разделительной мезы для электрической изоляции активной области фотопреобразователя через фоторезистивную маску.

Пример 2. Был изготовлен фотоэлектрический преобразователь с антиотражающим покрытием способом, описанном в примере 1, со следующими отличиями: пассивирующий слой выполнен из Al_0,6Ga_0,4As, толщиной 40 нм. На первой стадии проводили локальное удаление контактного слоя с фронтальной поверхности полупроводниковой структуры через первую фоторезистивную маску для открытия нижележащего пассивирующего слоя и формирования окон в контактном слое методом жидкостного химического травления в водном травителе, содержащем NH₄OH и H₂O₂ при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

NH₄OH 0,2 H₂O₂ 0,5 вода остальное.

Ионно-лучевое травление поверхности пассивирующего слоя выполняли на глубину 15 нм при ускоряющем напряжении 110 В, плотности ионного тока 0,55 мА/см², при направлении ионного пучка перпендикулярно полупроводниковой гетероструктуре, вращении полупроводниковой структуры со скоростью 2 об/минут. Вжигание основы фронтального и тыльного омических контактов выполняли при температуре 370°С в течение 60 секунд. Наращивание основы фронтального омического контакта через вторую маску и основы тыльного омического контакта выполняли путем электрохимического осаждения слоя серебра.

Пример 3. Был изготовлен фотоэлектрический преобразователь с антиотражающим покрытием способом, описанном в примере 1, со следующими отличиями: пассивирующий слой был выполнен из Al_0,8Ga₀,₂As, толщиной 30 нм. На первой стадии удалили контактный слой с фронтальной поверхности полупроводниковой структуры через первую фоторезистивную маску для открытия нижележащего пассивирующего слоя и формирования полосок контактного слоя методом жидкостного химического травления в водном травителе, содержащем NH₄OH и H₂O₂ при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:

1МН₄ОН 0,5 H₂O₂ 1,1 вода остальное.

Ионно-лучевое травление поверхности пассивирующего слоя выполняли на глубину 12 нм при ускоряющем напряжении 100 В, плотности ионного тока 0,5 мА/см², при направлении ионного пучка перпендикулярно полупроводниковой гетероструктуре, вращении полупроводниковой структуры со скоростью 2 об/минут.Вжигание основы фронтального и тыльного омических контактов выполняли при температуре 365°С в течение 40 секунд. Наращивание основы фронтального омического контакта через вторую маску и основы тыльного омического контакта выполняли путем электрохимического осаждения слоя серебра.

Пример 4. Был изготовлен фотоэлектрический преобразователь с антиотражающим покрытием способом, описанном в примере 1, со следующими отличиями: пассивирующий слой был выполнен из А1₀,₅₃In_0,47Р, толщиной 40 нм. На первой стадии проводили локальное удаление контактного слоя с фронтальной поверхности полупроводниковой структуры через первую фоторезистивную маску для открытия нижележащего пассивирующего слоя и формирования окон в контактном слое методом жидкостного химического травления в водном травителе, содержащем NH₄OH и H₂O₂ при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:

NH₄OH 0,8 H₂O₂ 20 вода остальное.

Ионно-лучевое травление поверхности пассивирующего слоя выполнено на глубину 11 нм при ускоряющем напряжении 95 В, плотности ионного тока 0,53 мА/см², при направлении ионного пучка перпендикулярно полупроводниковой гетероструктуре, вращении полупроводниковой структуры со скоростью 2 об/минут. Вжигание основы фронтального и тыльного омических контактов выполняли при температуре 370°С в течение 30 секунд. Наращивание основы фронтального омического контакта через вторую маску и основы тыльного омического контакта выполняли путем импульсного электрохимического осаждения слоя золота.

Результатом процесса изготовления фотоэлектрического преобразователя с антиотражающим покрытием стало улучшение параметров ФЭП путем снижения оптических потерь. Уменьшена степень затенения фоточувствительной области, увеличена адгезия антиотражающего покрытия и снижен коэффициент отражения падающего излучения, увеличен выход годных ФЭП.

Изобретение относится к солнечной энергетике. Способ изготовления фотоэлектрического преобразователя включает последовательное формирование фоточувствительной полупроводниковой гетероструктуры А³В⁵ с пассивирующим слоем и контактным слоем GaAs, удаление контактного слоя над фотоприемными участками полупроводниковой гетероструктуры химическим травлением через первую фоторезистивную маску, обработку открытых поверхностей пассивирующего слоя ионно-лучевым травлением, осаждение антиотражающего покрытия, удаление первой фоторезистивной маски и лежащих на ней участков диэлектрического антиотражающего покрытия, формирование тыльного омического контакта и формирование фронтального омического контакта по меньшей мере через одну вторую фоторезистивную маску, содержащую подслой из антиотражающего покрытия. Изготовленный фотоэлектрический преобразователь имеет сниженные оптические потери. 3 з.п. ф-лы, 4 пр., 7 ил.

1. Способ изготовления фотоэлектрического преобразователя, включающий последовательное формирование фоточувствительной полупроводниковой гетероструктуры А³В⁵ с пассивирующим слоем и контактным слоем GaAs, удаление контактного слоя над фотоприемными участками полупроводниковой гетероструктуры химическим травлением через первую фоторезистивную маску, обработку открытых поверхностей пассивирующего слоя ионно-лучевым травлением, осаждение антиотражающего покрытия, удаление первой фоторезистивной маски и лежащих на ней участков антиотражающего покрытия, формирование фронтального и тыльного омических контактов, при этом фронтальный омический контакт формируют по меньшей мере через одну вторую фоторезистивную маску, содержащую подслой из антиотражающего покрытия.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пассивирующий слой выполняют толщиной 30÷40 нм из Al_xIn_1-xP, где х=0,5÷0,55.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пассивирующий слой выполняют толщиной 30÷40 нм из Al_xGa_1-xAs, где х=0,6÷0,8.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ионно-лучевое травление поверхности пассивирующего слоя выполняют на глубину 10÷15 нм при ускоряющем напряжении 90÷110 В, плотности ионного тока 0,45÷0,55 мА/см², вращении полупроводниковой гетероструктуры со скоростью 2÷3 об/мин.