СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОМИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Российский патент 2021 года по МПК H01L31/18 

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

При изготовлении фотоэлектрического преобразователя на стадии постростовой обработки важным фактором является высокая равномерность формирования омических контактов. Стандартный размер космического каскадного фотоэлектрического преобразователя 4×8 см² приводит к существенному усложнению технологии постростовой обработки гетероструктур при создании шин омических контактов длиной порядка 4 см, обладающих хорошей адгезией, низким омическим сопротивлением, высокой электрической проводимостью и высокой степенью равномерности по толщине на всей площади фотоэлектрического преобразователя.

Известен способ изготовления омических контактов полупроводникового прибора (см. патент US 6033976, МПК H01L 21/285, H01L 29/40, H01L 29/45, опубликован 07.03.2000), включающий формирование на поверхности n⁺-GaAs слоя полупроводниковой пластины фоторезистивной маски с рисунком контактов полупроводникового прибора, напыление слоев контактной металлизации никеля, золота, германия, удаление фоторезистивной маски, проведение термообработки полупроводниковой пластины при температуре (400-750)°С. Вместо золота может быть использовано серебро, платина, палладий.

В известном способе изготовления омических контактов образующийся после термообработки композиционный слой Ni-Ge не обеспечивает адгезии последующего электрохимически наращиваемого слоя серебра, что приводит к отслаиванию токосъемной шины фотоэлектрического преобразователя.

Известен способ изготовления омических контактов фотоэлектрического преобразователя (см. патент US 9269784, МПК H01L 29/7786, опубликован 23.02.2016), включающий формирование на подложке из GaAs первого полупроводникового слоя, второго полупроводникового слоя, контактного слоя и проводящего слоя омического контакта. Создание омического контакта проводят осаждением слоев металлов из следующей группы: Ti, Al, Ni, W, Ge, Pt, Pd, Cu или их комбинации, или их сплавов.

Недостатком известного способа изготовления омических контактов фотоэлектрического преобразователя является малая толщина омического контакта, и, как следствие, низкая электрическая проводимость контакта, что ведет к увеличению омических потерь и снижению мощности преобразуемого излучения.

Известен способ изготовления омических контактов фотоэлектрического преобразователя (см. патент CN 104733556, МПК H01L 31/0216, H01L 31/18, опубликован 01.02.2017), включающий создание на полупроводниковой гетероструктуре антиотражающего покрытия, фронтального омического контакта путем последовательного электронно-лучевого испарения Au, AuGeNi, Au, Ag, Au, общей толщиной порядка 5 мкм с использованием технологии взрывной фотолитографии, тыльного омического контакта путем последовательного электронно-лучевого испарения Ti, Pd, Ag, общей толщиной порядка 3 мкм.

Недостатком известного способа изготовления омических контактов фотоэлектрического преобразователя является большой расход дорогостоящих материалов омических контактов при использовании технологии электроннолучевого испарения, а также сложность проведения взрывной фотолитографии при напылении слоев более 3 мкм.

Известен способ изготовления омических контактов фотоэлектрического преобразователя (см. патент RU 2687851, МПК H01L 31/18, опубликован 26.05.2019), включающий напыление на гетероструктуру А³В⁵ основы фронтального омического контакта через первую фоторезистивную маску с рисунком фронтального омического контакта и основы тыльного омического контакта, термообработку полученной структуры, формирование фронтального омического контакта через вторую фоторезистивную маску и тыльного омического контакта путем электрохимического осаждения золота в импульсном режиме при частоте импульсного сигнала (30-200) Гц, коэффициенте заполнения 0,2-0,5 сначала при плотности тока (0,002-0,005) мА/мм² (1-2) минуты, а затем при плотности тока (0,02-0,05) мА/мм² до заданной толщины. При этом фронтальный омический контакт формируют через вторую фоторезистивную маску с суженным на (0,5-1,0) мкм рисунком фронтального омического контакта.

Недостатком известного способа изготовления омических контактов каскадного фотопреобразователя является низкая равномерность по толщине омического контакта при обработке гетероструктур большой площади.

Известен способ изготовления омических контактов фотоэлектрического преобразователя (см. патент RU 2730050, МПК H01L 31/18, опубликован 25.04.2019), включающий создание на германиевой подложке с выращенными эпитаксиальными слоями трехкаскадной структуры GaInP/GaInAs/Ge фоторезистивной маски с рисунком фронтального омического контакта, напыление фронтального омического контакта, удаление фоторезиста, напыление слоев тыльного омического контакта и отжиг контактов. Напыление фронтального и тыльного омических контактов проводят путем последовательного нанесения слоев титана толщиной (5-10) нм, золота толщиной (100-120) нм, серебра толщиной (5-6) мкм, золота 200 нм (Ti/Au/Ag/Au) методом термического испарения в вакууме. Известный способ обеспечивает сокращение времени изготовления фотоэлектрических преобразователей и упрощение процесса создания контактов.

Недостатком известного способа изготовления омических контактов фотоэлектрического преобразователя является сложность проведения взрывной фотолитографии при термическом напылении материалов фронтального омического контакта толщиной более 5 мкм, а также большой расход испаряемых дорогостоящих материалов.

Известен способ изготовления омических контактов фотоэлектрического преобразователя (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-прототип включает напыление на полупроводниковую пластину основы тыльного омического контакта, наращивание основы тыльного омического контакта электрохимическим осаждением серебра, создание первой фоторезистивной маски с рисунком фронтального омического контакта фотоэлектрического преобразователя, напыление основы фронтального омического контакта, удаление первой фоторезистивной маски, проведение термообработки полупроводниковой пластины, создание второй фоторезистивной маски с расширенным рисунком фронтального омического контакта фотоэлектрического преобразователя, наращивание фронтального омического контакта электрохимическим осаждением серебра. Раздельное наращивание основы фронтального и тыльного омических контактов проводят в импульсном режиме при горизонтальном расположении пластины над поверхностью электролита, причем после осаждения серебра наращивают защитный слой золота.

Недостатком известного способа-прототипа является низкая равномерность толщины электрохимически осаждаемого слоя серебра при диаметре пластины более 2,5 см при стационарном расположении пластины над поверхностью электролита, а также низкая технологичность производственного процесса при раздельном наращивании основы фронтального и тыльного омических контактов.

Задачей настоящего технического решения является снижение омических потерь путем увеличения равномерности толщины омических контактов фотопреобразователя по всей площади полупроводниковой пластины, при сниженной стоимости технологического процесса.

Поставленная задача достигается тем, что способ изготовления омических контактов фотопреобразователя включает напыление на полупроводниковую пластину основы тыльного омического контакта, основы фронтального омического контакта через первую фоторезистивную маску с рисунком фронтального омического контакта, удаление первой фоторезистивной маски, термообработку полупроводниковой пластины, формирование фронтального омического контакта через вторую фоторезистивную маску и тыльного омического контакта путем электрохимического осаждения слоя серебра и защитного слоя золота при горизонтальном расположении гетероструктуры и удаление второй фоторезистивной маски. Новым в способе является то, что электрохимическое осаждение слоя серебра осуществляют при постоянном токе и перемешивании электролита одновременно на фронтальную и тыльную стороны полупроводниковой пластины, расположенной под анодом и обращенной к нему фронтальной стороной, анод возвратно поступательно перемещают со скоростью (1-5) см/мин на расстояние (5-10) см относительно полупроводниковой пластины, при этом полупроводниковую пластину и анод вращают вокруг вертикальной оси со скоростью (2-60) об/ч при периодическом изменении направления вращения.

Омические контакты могут быть нанесены на полупроводниковую пластину, выполненную в виде гетероструктуры А³В⁵.

Комбинированное перемешивание электролита при электрохимическом осаждении, включающее в себя вращение полупроводниковой пластины и анода вокруг вертикальной оси с одновременной циркуляцией электролита и возвратно поступательным перемещением анода со скоростью (1-5) см/мин на расстояние (5-10) см относительно полупроводниковой пластины, а также горизонтальное расположение полупроводниковой пластины с обращенной к аноду фронтальной стороной обеспечивает увеличение равномерности толщины осаждаемого слоя серебра на большой площади полупроводниковой пластины, диаметр которой может достигать (2,5-10,0) см.

Одновременное осаждение слоя серебра на фронтальную и тыльную сторону полупроводниковой пластины уменьшает число технологических операций, увеличивает технологичность пост-ростового маршрута, что особенно важно при обработке пластин большой площади.

Осаждение слоя серебра на постоянном токе способствует равномерному наращиванию омических контактов без образования дендритов на полупроводниковой пластине даже на тыльной стороне при одновременном осаждении серебра.

Горизонтальное расположение полупроводниковой пластины под анодом с обращенной к нему фронтальной стороной обеспечивает увеличение равномерности толщины осаждаемого слоя серебра за счет отсутствия на поверхности полупроводниковой пластины пузырьков водорода, образующихся при выделении водорода в ходе протекания электрохимических реакций. В способе-прототипе расположение полупроводниковой пластины над анодом и электролитом приводит к тому, что образующиеся пузырьки водорода поднимаются на поверхность электролита и скапливаются на полупроводниковой пластине, расположенной фронтальной стороной вниз на поверхности электролита, что препятствует равномерному наращиванию омического контакта.

Возвратно поступательное перемещение анода со скоростью (1-5) см/мин на расстояние (5-10) см относительно полупроводниковой пластины обусловлено тем, что перемещение анода со скоростью менее 1 см/мин не оказывает необходимого влияния на протекание процесса, а перемещение анода со скоростью более 5 см/мин ведет к направленному движению электролита с большой скоростью, что негативно сказывается на равномерности наращивания омического контакта, при расстоянии менее 5 см осуществляется искажение силовых линий, что ведет к снижению равномерности наращиваемого слоя серебра, а при расстоянии более 10 см происходит снижение скорости процесса, что технологически нецелесообразно.

Вращение полупроводниковой пластины и анода вокруг вертикальной оси со скоростью (2-60) об/ч обусловлено тем, что вращение менее 2 об/ч не оказывает необходимого влияния на протекание процесса, а вращение более 60 об/ч ведет к направленному движению электролита с большой скоростью, что негативно сказывается на равномерности наращивания омического контакта.

Настоящий способ изготовления омических контактов фотоэлектрического преобразователя осуществляют следующим образом. На полупроводниковую пластину, например, фоточувствительную полупроводниковую гетероструктуру А³В⁵ напыляют основу тыльного омического контакта. Далее создают первую фоторезистивную маску с рисунком основы фронтального омического контакта. Напыляют основу фронтального омического контакта, затем удаляют первую фоторезистивную маску вместе с напыленными на нее слоями основы фронтального омического контакта. Проводят термообработку полученной полупроводниковой пластины при температуре (360-400)°С в течение (30-60) сек. Затем создают вторую фоторезистивную маску с рисунком фронтального омического контакта. Устанавливают полупроводниковую пластину и анод в ванне с электролитом параллельно друг другу, при этом полупроводниковую пластину располагают фронтальной стороной вверх под анодом. Анод возвратно поступательно перемещают со скоростью (1-5) см/мин на расстояние (5-10) см относительно полупроводниковой пластины. Возвратно поступательное перемещение задают, например, шаговым двигателем. Одновременно анод и пластину вращают вокруг вертикальной оси со скоростью (2-60) оборотов в час при периодическом изменении направления вращения и осуществляют циркуляцию электролита. Проводят формирование фронтального и тыльного омических контактов путем электрохимического осаждения слоя серебра на постоянном токе, например, при плотности тока (0,01-0,03) мА/мм² до толщины (5-7) мкм. Проводят электрохимическое осаждение защитного слоя золота в режиме импульсного тока при плотности тока, например, (0,03-0,05) мА/мм² до толщины (0,1-0,2) мкм, после чего удаляют вторую фоторезистивную маску.

Пример 1. На полупроводниковую пластину в виде фоточувствительной полупроводниковой гетероструктуры GaInP/GaInAs/Ge, выращенной на подложке германия р-типа проводимости, напылили основу тыльного омического контакта Ag(Mn)/Ni/Au. Сформировали первую фоторезистивную маску с рисунком основы фронтального омического контакта и напылили основу фронтального омического контакта Au(Ge)/Ni/Au. Удалили первую фоторезистивную маску вместе с напыленной на нее основой фронтального омического контакта. Провели термообработку полученной структуры при температуре 360°С в течение 30 секунд. Затем сформировали вторую фоторезистивную маску с рисунком фронтального омического контакта. Расположили в ванне с электролитом гетероструктуру и анод параллельно друг другу, при этом гетероструктура была расположена фронтальной стороной вверх под анодом. Установили значения вертикального колебания анода со скоростью 1 см/мин при переменном расстоянии между анодом и гетероструктурой в диапазоне (5-10) см, задали частоту вращения анода и гетероструктуры вокруг вертикальной оси 2 об/ч при периодическом изменении направления вращения и осуществили циркуляцию электролита в ванне. Провели формирование фронтального омического контакта через вторую фоторезистивную маску и тыльного омического контакта путем электрохимического осаждения серебра из электролита серебрения на постоянном токе при плотности тока 0,01 мА/мм² до толщины 5 мкм. Провели электрохимическое осаждение слоя золота из цианистого электролита золочения в режиме импульсного тока при плотности тока 0,03 мА/мм² до толщины 0,1 мкм и затем удалили вторую фоторезистивную маску.

Пример 2. На полупроводниковую пластину в виде фоточувствительной полупроводниковой гетероструктура GaInP/GaInAs/Ge, выращенной на подложке германия р-типа проводимости, напылили основу тыльного омического контакта Cr/Au. Сформировали первую фоторезистивную маску с рисунком основы фронтального омического контакта и напылили основу фронтального омического контакта Au(Ge)/Ni/Au. Удалили первую фоторезистивную маску вместе с напыленной на нее основой фронтального омического контакта. Провели термообработку полученной структуры при температуре 400°С в течение 30 секунд. Затем сформировали вторую фоторезистивную маску с рисунком фронтального омического контакта. Расположили в ванне с электролитом гетероструктуру и анод параллельно друг другу, при этом гетероструктура была расположена фронтальной стороной вверх под анодом. Установили значения вертикального колебания анода со скоростью 2 см/мин при переменном расстоянии между анодом и гетероструктурой в диапазоне (6-9) см, задали частоту вращения анода и гетероструктуры вокруг вертикальной оси 60 об/ч при периодическом изменении направления вращения и осуществили циркуляцию электролита в ванне. Провели формирование фронтального омического контакта через вторую фоторезистивную маску и тыльного омического контакта путем электрохимического осаждения серебра из электролита серебрения на постоянном токе при плотности тока 0,02 мА/мм² до толщины 7 мкм. Провели электрохимическое осаждение слоя золота из цианистого электролита золочения в режиме импульсного тока при плотности тока 0,05 мА/мм² до толщины 0,2 мкм и затем удалили вторую фоторезистивную маску.

Пример 3. На полупроводниковую пластину в виде фоточувствительной полупроводниковой гетероструктуры AlGaAs/GaAs, выращенной на подложке арсенида галлия n-типа проводимости, напылили основу тыльного омического контакта Au(Ge)/Ni/Au. Сформировали первую фоторезистивную маску с рисунком основы фронтального омического контакта и напылили основу фронтального омического контакта Ag(Mn)/Ni/Au. Удалили первую фоторезистивную маску вместе с напыленной на нее основой фронтального омического контакта. Провели термообработку полученной структуры при температуре 370°С в течение 60 секунд. Затем сформировали вторую фоторезистивную маску с рисунком фронтального омического контакта. Расположили в ванне с электролитом гетероструктуру и анод параллельно друг другу, при этом гетероструктура была расположена фронтальной стороной вверх под анодом. Установили значения вертикального колебания анода со скоростью 5 см/мин при переменном расстоянии между анодом и гетероструктурой в диапазоне (5-8) см, задали частоту вращения анода и гетероструктуры вокруг вертикальной оси 5 об/ч при периодическом изменении направления вращения и осуществили циркуляцию электролита в ванне. Сформировали фронтальный омический контакт через вторую фоторезистивную маску и тыльный омический контакт путем электрохимического осаждения серебра из электролита серебрения на постоянном токе при плотности тока 0,03 мА/мм² до толщины 6 мкм. Провели электрохимическое осаждение слоя золота из цианистого электролита золочения в режиме импульсного тока при плотности тока 0,04 мА/мм² до толщины 0,15 мкм и затем удалили вторую фоторезистивную маску.

Настоящий способ изготовления омических контактов фотоэлектрического преобразователя позволил снизить омические потери за счет увеличения равномерности толщины омических контактов до (0,1-0,2) мкм при толщине (5-7) мкм по всей площади гетероструктуры диаметром (2,5-10,0) см. При этом достигнуто улучшение технологичности процесса постростовой обработки гетероструктур путем снижения стоимости и количества технологических операции при единовременном наращивании фронтального и тыльного контактов фотоэлектрического преобразователя.

Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности к способу изготовления фотоэлектрических преобразователей, и может быть использовано в электронной промышленности для преобразования световой энергии в электрическую. Предложенный способ изготовления омических контактов фотопреобразователя включает напыление на полупроводниковую пластину основы тыльного омического контакта, основы фронтального омического контакта, термообработку гетероструктуры, формирование фронтального и тыльного омических контактов электрохимическим осаждением слоя серебра, при этом электрохимическое осаждение слоя серебра осуществляют при постоянном токе и перемешивании электролита одновременно на фронтальную и тыльную стороны полупроводниковой пластины, расположенной под анодом и обращенной к нему фронтальной стороной, при этом анод возвратно поступательно перемещают со скоростью 1-5 см/мин на расстояние 5-10 см относительно полупроводниковой пластины, а полупроводниковую пластину и анод вращают вокруг вертикальной оси со скоростью 2-60 об/ч с переменным направлением вращения. Технический результат заключается в снижении омических потерь путем увеличения равномерности толщины омических контактов фотопреобразователя по всей площади полупроводниковой пластины при сниженной стоимости технологического процесса. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ изготовления омических контактов фотоэлектрического преобразователя, включающий напыление на полупроводниковую пластину основы тыльного омического контакта, основы фронтального омического контакта через первую фоторезистивную маску с рисунком фронтального омического контакта, удаление фоторезиста, термообработку полупроводниковой пластины, формирование фронтального омического контакта через вторую фоторезистивную маску и тыльного омического контакта путем электрохимического осаждения слоя серебра и защитного слоя золота при горизонтальном расположении гетероструктуры и удаление фоторезиста, отличающийся тем, что электрохимическое осаждение слоя серебра осуществляют при постоянном токе и перемешивании электролита одновременно на фронтальную и тыльную стороны полупроводниковой пластины, расположенной под анодом и обращенной к нему фронтальной стороной, анод возвратно-поступательно перемещают со скоростью 1-5 см/мин на расстояние 5-10 см относительно полупроводниковой пластины, при этом полупроводниковую пластину и анод вращают вокруг вертикальной оси со скоростью 2-60 об/ч при периодическом изменении направления вращения.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что омические контакты наносят на полупроводниковую пластину в виде гетероструктуры А³В⁵.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что электрохимическое осаждение слоя серебра осуществляют при плотности постоянного тока 0,01-0,03 мА/мм².