СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Российский патент 2020 года по МПК H01L31/18 

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

При изготовлении фотопреобразователя с высоким быстродействием важным аспектом является снижение емкости фотопреобразователя, которое может быть достигнуто путем уменьшения размера меза-структуры, ограничивающей p-n переход. Снижение рабочей площади возможно путем вывода фронтальной контактной площадки фотопреобразователя на диэлектрическое покрытие, что приводит к ряду технологических проблем, из-за сложности создания надежной пассивации p-n перехода.

Известен способ изготовления фотопреобразователя (см. патент RU 2469438, МПК H01L 31/0224, опубликован 10.12.2012), включающий формирование двух мез на подложке, поверхность одной из которых является чувствительной площадкой, а другой является контактной, создание тыльного и фронтального омических контактов. Тыльный контакт выполнен сплошным и нанесен со стороны подложки, а фронтальный выполнен в виде мостика, причем продольная ось мостика сориентирована под углом 40-50° к кристаллическому направлению {110} подложки А³В⁵. Мостик электрически изолирован от мезы с контактной площадкой анодным окислом и нанесенным на него по меньшей мере еще одним слоем диэлектрика. Способ изготовления фотопреобразователя обеспечивает возможность увеличения эффективности за счет одновременного увеличения быстродействия и обнаружительной способности прибора.

Недостатком известного способа изготовления фотопреобразователя является низкая механическая прочность и ненадежность фронтального омического контакта, выполненного в виде мостика.

Известен способ изготовления фотопреобразователя (см. полезную модель RU 162563, МПК G01T 1/20 опубликован 20.06.2016), включающий формирование на n⁺ подложке GaAs i-слоя GaAs с остаточной концентрацией примеси порядка 10¹² см^-3, слоя p-GaAs базы, слоя n⁺ Al_xGa_1-xAs широкозонного окна эмиттера, травление меза-структуры, пассивицию мезы полиимидом, формирование тыльного омического контакта к n⁺ подложке GaAs и фронтального омического контакта к широкозонному окну эмиттера.

Недостатком известного способа изготовления фотопреобразователя является низкая эффективность за счет отсутствия антиотражающего покрытия на фоточувствительной области, что приводит к увеличению степени отражения падающего излучения. Также недостатком является низкая мощность фотопреобразователя за счет отсутствия шин фронтального омического контакта. Пассивация только боковой поверхности мезы полиимидом приводит к снижению надежности и выхода годных приборов, за счет возможности подпыления материала фронтального омического контакта на боковую поверхность мезы при нарушении адгезии полиимида к структуре.

Известен способ изготовления фотопреобразователя (см. заявку WO 2009128678, МПК H01L 31/42, опубликована 22.10.2019), включающий формирование полупроводниковой гетероструктуры, токоотводящего электрода и пассивирующего слоя между гетероструктурой и электродом, при этом пассивирующий слой включает в себя первый слой, содержащий оксид кремния, второй слой, содержащий нитрид кремния, третий слой, содержащий оксид или оксинитрид кремния.

Недостатком известного способа изготовления фотопреобразователя является низкое быстродействие, за счет отсутствие этапа формирования меза-структуры и вывода контактной площадки за пределы меза-струткуры.

Известен способ изготовления фотопреобразователя (см. патент RU 2575972, МПК H01L 31/18, опубликован 27.02.2016), включающий эпитаксиальное выращивание на подложке GaSb n-типа проводимости тыльного высоколегированного контактного слоя n+-GaSb и буферного слоя n-GaSb со стороны лицевой поверхности подложки n-GaSb; нанесение на лицевую поверхность буферного слоя n-GaSb диэлектрической маски (например Si₃N₄) методом плазмохимического осаждения, 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.

Недостатком известного способа изготовления фотопреобразователя является низкая рабочая мощность и низкое быстродействие. Использование диэлектрической маски Si3N4 для пассивации p-n перехода возможно только при планарной поверхности структуры. При планаризации данным диэлектрическим покрытием вертикальной стенки мезы возможно снижение толщины пленки, образование проколов в диэлектрике и снижение выхода годных приборов.

Известен способ изготовления фотопреобразователя (см. заявка на патент RU 2680983, МПК H01L 31/18, опубликован 01.03.2019), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип, включающий формирование антиотражающего покрытия на фронтальной поверхности фоточувствительной полупроводниковой гетероструктуры А3В5, формирование шин и контактной площадки фронтального омического контакта, нанесение сплошного тыльного омического контакта, изготовление меза-структуры вне контактной площадки и фотоактивной области.

Недостатком известного способа изготовления фотопреобразователя является ограничение быстродействия прибора. Формирование фронтального омического контакта осуществляется только на поверхности меза-структуры. Поэтому для обеспечения приемлемых омических потерь и возможности крепления токосъемных электродов к контактной площадке размер меза-структуры должен быть существенно больше размера фотоактивной области, а значительная часть площади р-n перехода оказывается закрыта фронтальным омическим контактом. Следствием этого является высокая диффузионная емкость фотопреобразователя, что приводит к снижению быстродействия.

Задачей настоящего технического решения является увеличение быстродействия фотоэлектрического преобразователя, изготовленного заявляемым способом.

Поставленная задача достигается тем, что способ изготовления фотопреобразователя включает изготовление меза-структуры из полупроводниковой фоточувствительной гетероструктуры на основе соединений А₃В₅, при этом на фронтальную поверхность гетероструктуры наносят антиотражающее покрытие, формируют шины омического контакта на фронтальной поверхности, сплошной омический контакт на тыльной поверхности полупроводниковой фоточувствительной гетероструктуры и контактную площадку. Новым в заявляемом техническом решении является то, что меза-структуру формируют перед нанесением антиотражающего покрытия, наносят слой диэлектрика на боковую поверхность меза-структуры, а контактную площадку формируют на боковой поверхности меза-структуры, покрытой слоем диэлектрика.

Слой диэлектрика может быть выполнен из полиимида.

На боковую поверхность меза-структуры перед нанесением слоя диэлектрика может быть нанесено антиотражающее покрытие.

Фотопреобразователь формируют на основе меза-структуры, ограничивающей область p-n перехода полупроводниковой фоточувствительной гетероструктуры, и покрытой слоем диэлектрика, на который выводится контактная токоотводящая площадка фронтального омического контакта. Вывод части фронтального омического контакта за пределы меза-структуры и формирование контактной площадки на слое диэлектрика позволяет уменьшить его омическое сопротивление и сформировать площадки для приварки внешних токосъемных электродов без увеличения площади p-n перехода, а, следовательно, и диффузионной емкости. Возникающий при этом рост паразитной емкости за счет увеличения площади контактной площадки при рабочих напряжениях фотоэлектрического преобразователя на несколько порядков меньше диффузионной, а поэтому не оказывает заметного влияния на быстродействие.

Формирование меза-структуры выполняют на начальном этапе изготовления фотопреобразователя для ограничения площади p-n перехода и снижения диффузионной емкости фотопреобразователя. Пассивацию боковой поверхности меза-структуры слоем диэлектрика проводят для защиты и изоляции p-n перехода полупроводниковой гетероструктуры при проведении последующей операции формирования контактной площадки. Для увеличения надежности процесса изготовления фотопреобразователя можно дополнительно нанести слой диэлектрика на периферию фронтальной поверхности меза-структуры. Таким образом, при нанесении фронтального омического контакта исключается вероятность подпыления материала омического контакта на боковую поверхность меза-структуры даже при снижении адгезии слоя диэлектрика к структуре, что приводит к увеличению выхода годных приборов. Для увеличения надежности пассивации p-n перехода на боковой поверхности меза-структуры перед нанесением диэлектрического покрытия выполняют нанесение антиотражающего покрытия. Нанесение слоя антиотражающего покрытия проводят в едином технологическом цикле на фронтальную фоточувствительную поверхность гетероструктуры для снижения степени отражения падающего излучения, на периферию фоточувствительной области и на боковую поверхность меза-структуры для пассивации и изоляции p-n перехода. Использование полиимида в качестве слоя диэлектрика обеспечивает надежную изоляцию p-n перехода и высокую степень планаризации поверхности, позволяющей проводить формирование монолитного омического контакта.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 показана схема фотопреобразователя, изготовленного заявляемым способом;

на фиг. 2 показана зависимость относительного увеличения диффузионной емкости фотопреобразователя от отношения диаметра поверхности меза-структуры к диаметру фоточувствительной области.

На фиг. 1, 2 показаны: 1 - фоточувствительная полупроводниковая гетероструктура А3В5, 2 - меза-структура, 3 - антиотражающее покрытие, 4 - фоточувствительная область, 5 - диэлектрик, 6 - фронтальный омический контакт, 7 - тыльный омический контакт, 8 - шины фронтального омического контакта, 9 - контактная площадка; кривая 10 - отношение диаметра поверхности меза-структуры к диаметру фоточувствительной области равно 1,05, относительное увеличение диффузионной емкости фотопреобразователя составляет 1,2; кривая 11 - отношение диаметра поверхности меза-структуры к диаметру фоточувствительной области равно 1,2, относительное увеличение диффузионной емкости фотопреобразователя составляет 1,5; кривая 12 - отношение диаметра поверхности меза-структуры к диаметру фоточувствительной области 1-3, относительное увеличение диффузионной емкости фотопреобразователя составляет 1-7,5;.

Настоящий способ изготовления фотопреобразователя выполняют в несколько стадий: на полупроводниковой фоточувствительной гетероструктуре на основе соединений А3В5 1 (см. фиг 1) изготавливают меза-структуру 2. Далее проводят формирование антиотражающего покрытия 3 локально на фоточувствительную область 4. Возможно нанесение антиотражающего покрытия и на боковую поверхность меза-структуры 2. Наносят слой диэлектрика 5 локально на боковую поверхность меза-структуры. Далее проводят формирование фронтального омического контакта 6 и тыльного омического контакта 7 в несколько этапов. На фоточувствительной области 4 вне антиотражающего покрытия 3 формируют шины 8 фронтального омического контакта 6. На поверхности диэлектрика 5 формируют контактную площадку 9 фронтального омического контакта 6. На первом этапе формирования омических контактов проводят напыление слоев материалов омических контактов, затем выполняют их вжигание, далее проводят электрохимическое утолщение фронтального и тыльного омических для увеличению рабочей мощности фотопреобразователя, за счет увеличения электрической проводимости омических контактов, а также для увеличения однородности и монолитности фронтального омического контакта на гетерогранице гетероструктура - антиотражающее покрытие - диэлектрик. Топология фотопреобразователя выполнена при отношении диаметра поверхности меза-структуры к диаметру полученной фоточувствительной области, не закрытой омическим контактом, в диапазоне 1,05-1,2 (см. фиг 2), при этом относительное увеличение диффузионной емкости составляет 1,2-1,5 (кривые 10 и 11, см. фиг. 2). Отношение диаметра поверхности меза-структуры к диаметру полученной фоточувствительной области менее 1,05 приводит к увеличению омических потерь. Отношение диаметра поверхности меза-структуры к диаметру полученной фоточувствительной области более 1,2 приводит к относительному увеличению диффузионной емкости более 1,5, что соответствует кривой 12 на графике, что ведет к снижению быстродействия фотопреобразователя, а также росту рекомбинационных потерь.

Пример 1. Был изготовлен фотопреобразователь в несколько стадий: на полупроводниковой фоточувствительной гетероструктуре на основе соединений А3В5 сформирована меза-структура с диаметром поверхности 85 мкм.

Проведено формирование антиотражающего покрытия путем осаждения слоев TiO_x/SiO₂ (при x близком к 2) локально на фоточувствительную область и на боковую поверхность меза-структуры, при этом часть фоточувствительной области под создание шин фронтального омического контакта оставлена не закрытой антиотражающим покрытием. Нанесен слой полиимида локально на поверхность антиотражающего покрытия на боковой поверхности меза-структуры и на периферии фоточувствительной области.

На фоточувствительной области вне антиотражающего покрытия сформированы шины фронтального омического контакта. На фронтальной поверхности полиимида сформирована контактная площадка фронтального омического контакта. На фронтальную поверхность полупроводниковой фоточувствительной гетероструктуры n-типа проводимости проведено напыление слоев Au(Ge)/Ni/Au. На тыльную поверхность гетероструктуры p-типа проводимости выполнено напыление слоев Ag(Mn)/Ni/Au. Проведено вжигание омических контактов при температуре 360°С в течение 30 сек. Далее проведено электрохимическое утолщение фронтального и тыльного омических контактов путем осаждения слоя золота в импульсном режиме толщиной 2 мкм, слоя никеля толщиной 0,1 мкм и слоя золота толщиной 0,1 мкм. Топология фотопреобразователя выполнена при отношении диаметра поверхности меза-структуры к диаметру полученной фоточувствительной области, не закрытой омическим контактом, равном 1,2.

Пример 2. Был изготовлен фотопреобразователь способом, описанном в примере 1 со следующими отличительными признаками. Формирование меза-структуры выполнено с диаметром поверхности 530 мкм. Сформирован фронтальный омический контакт к гетероструктуры n-типа проводимости путем напыления слоев Au(Ge)/Ni/Au. Проведено формирование тыльного омического контакта к гетероструктуре p-типа проводимости путем напыления слоев Cr/Au. Выполнено вжигание омических контактов при температуре 370°С в течение 60 сек. Проведено электрохимическое наращивание фронтального и тыльного омических контактов путем осаждения слоя золота толщиной 4 мкм, осаждения слоя никеля толщиной 0,2 мкм и осаждения слоя золота толщиной 0,2 мкм. Отношение диаметра поверхности меза-структуры к диаметру полученной фоточувствительной области, не закрытой омическим контактом, составило 1,05.

Пример 3. Был изготовлен фотопреобразователь способом, описанном в примере 1 со следующими отличительными признаками. Формирование меза-структуры выполнено с диаметром поверхности 220 мкм. Выполнено вжигание омических контактов при температуре 365°С в течение 40 сек. Проведено электрохимическое наращивание фронтального и тыльного омических контактов путем осаждения слоя золота толщиной 3 мкм, осаждения слоя никеля толщиной 0,1 мкм и осаждения слоя золота толщиной 0,1 мкм. Отношение диаметра поверхности меза-структуры к диаметру полученной фоточувствительной области, не закрытой омическим контактом, составило 1,1.

Результатом процесса изготовления фотопреобразователя данным способом стало увеличение его быстродействия.

Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности к способу изготовления фотопреобразователей, и может быть использовано в электронной промышленности для преобразования световой энергии в электрическую энергию. Способ изготовления фотопреобразователя включает формирование меза-структуры из фоточувствительной полупроводниковой гетероструктуры А3В5, нанесение антиотражающего покрытия, формирование диэлектрического покрытия на периферии фоточувствительной области и на боковой поверхности меза-структуры, формирование шин омического контакта на фронтальной поверхности гетероструктуры и контактной площадки на боковой поверхности меза-структуры, покрытой слоем диэлектрика, формирование тыльного омического контакта. Изобретение позволяет увеличить быстродействие фотопреобразователя. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ изготовления фотопреобразователя, включающий изготовление меза-структуры из полупроводниковой фоточувствительной гетероструктуры на основе соединений А₃В₅, при этом на фронтальную поверхность гетероструктуры наносят антиотражающее покрытие, формируют шины омического контакта на фронтальной поверхности, сплошной омический контакт на тыльной поверхности полупроводниковой фоточувствительной гетероструктуры и контактную площадку, отличающийся тем, что меза-структуру формируют перед нанесением антиотражающего покрытия, наносят слой диэлектрика на боковую поверхность меза-структуры, а контактную площадку формируют на боковой поверхности меза-структуры, покрытой слоем диэлектрика.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что слой диэлектрика выполняют из полиимида.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на боковую поверхность меза-структуры перед нанесением слоя диэлектрика наносят антиотражающее покрытие.