Brevet FR2370362A1 — publié le 19780602

La presente invention concerne des perfectionnements apportés aux cellules photo-électriques. Il existe de nombreuses applications, dans la technique actuelle qui nécessitent des courants et des tensions plus importants que ceux que peuvent fournir des cellules individuelles. Puisque les convertisseurs photo-électriques fournissent une sortie de seulement 0,5 a 1,0 volt, il est souvent nécessaire de connecter plusieurs convertisseurs en séries de façon a obtenir la tension de sortie désirée. Les convertisseurs individuels, cependant, perdent leur efficacité lorsque leur température croit de sorte qu'il est aussi souhaitable de relier chaque convertisseur a un puits de chaleur important qui est en général réalisé avec un matériau électriquement conducteur, mais chaque cellule doit en être isolée électriquement.La fabrication des dispositifs de I'art ntérieur, permettant d'obtenir des tensions plus importantes, a jusqU'ici nécessité ainsi un assemblage complexe et pose des problèmes de choix de matériaux. Un exemple d'un tel assemblage est décrit dans le brevet des E.U.A No. 3 833 425 dans lequel des convertisseurs distincts sont assemblés par des isolateurs électriques distincts et l'ensemble est placé sur un substrat métallique de grande taille pour permettre l'évacuation de la chaleur. La demande de brevet français No. 77 29889 déposée par la demanderesse le 29 09 . 1977, décrit une technique dans laquelle des convertísses,*s photo-électriques distincts sont réalisés sur un matériau isolant electrique, qui sert à la fois d'isolateur électrique et de conducteur thermique. La présente invention a pour objet des réseaux de cellules photoélectriques qui peuvent être fabriqués en utilisant la technologie de circuits intégrés planaires, c'est- -dire, des techniques de croissance epitaxiale, de lithographie et de masquage, des étapes de diffusion et d'alliage sur un substrat composé d'un matériau isolant électrique pour fournir un réseau qui permette l'obtention optimum de la conductivité de la chaleur, de l'isolation électrique, de la souplesse pour réaliser la combinaison des cellules et de l'espace attribué aux électrodes des cellules. D'autres objets, caracteristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de l'exposé qui suit, fait en référence aux dessins annexés a ce texte, qui représentent un mode de réalisation préféré de celle-ci. La figure 1 représente un réseau de cellule de conversion photo electrique intégré La figure 2 représente sous forme de coupe une cellule de photo électrique selon l'invention. La figure 3 représente les régions de contact et d'isolation de la cellule photo-electrique. Conformément à l'invention, les cellules sont fabriquées in situ sur un substrat de grande taille par des techniques de circuits Intégrés, en utilisant des étapes de masquage, d'exposition photo-chimique, d'oxydation et/ou nitridation pour commander l'introduction horizontale précise par diffusion ou par implantation ionique et pour permettre la commande verticale précise des impuretés déterminant le type de conductivité, et des étapes d'isolation entre les cellules, de commande du positionnement et de la profondeur de pénétration des contacts sur les cellules et de la configuration électrique du réseau par dépôt de métal par vaporisation. Le substrat de grande taille est équipé d'une région composée d'un matériau d'isolation présentant des propriétés de résistivité électrique adéquates pour permettre une bonne isolation électrique et présentant une épaisseur suffisamment faible pour permettre la dissipation dechaleur efficace vers un puits de chaleur de grande taille La technique qui permet d'utiliser le matériau d'isolation réalisé par dépôt épitaxial est connue dans le brevet sus-mentionne. En se référant à la figure 1, le substrat 1 est représenté de façon schématique comme une tranche semi-conductrice monocristalline. La tranche est réalisée à partir d'un produit de fabrication intermédiaire semi-conducteur classique très utilisé. D'autres produits intermédiaires manufacturés de grandes surfaces, tels que des feuilles dendritiques, des rubans, des couches semi-conductrices à films minces réalisées sur des substrats isolants, ont été utilisés dans l'art antérieur. Le substrat de grande taille présente une région active 1A dans laquelle a lieu la conversion photo-électrique et une région d'isolation 1B qui sert à isoler électriquement les cellules individuelles de l'élément 2 servant de puits de chaleur et de support.Bien que la démarcation entre les régions 1A et 1B soit représentée par une ligne, il y a des cas où celle-ci n'est pas déterminée de façon précise, par exemple, si on utilise un matériau semi-conducteur, tel que de l'arseniure de gallium (GaAs). Ce matériau est capable de présenter des propriétés isolantes par commande de sa concentration en impuretés. Il en résulte qu'il y aura une variation plus ou moins continue de la concentration et du type d'impureté requis, lors de la réalisation de la tranche, pour obtenir la région 1A servant à la conversion photowelectrique et la région d'isolation IB, de telle sorte qu'on ne peut pas obtenir une ligne de démarcation précise.L'arseniure de gallium de résistivité élevée (GaAs) est connue dans l'art comme étant de l'arseniure de gallium semi-isolant (GaAs). L'élément 2 constituant le puits de chaleur sert à la fois de support physique et de conducteur thermique. En général il est métallique. Le substrat 1 de grande taille peut être très mince, de l'ordre de 0,25mm, de sorte que le support physique est nécessaire. Une bonne con ductivité thermique est essentielle pour maintenir la commande de temperatu re. Ces exigences sont satisfaites en utilisant un métal qui, a son tour, peut être équipé d'un circuit supplémentaire de conduction de la chaleur par convection ou par radiation tel que des ailettes ou des tubes contenant du liquide. Il doit avoir une compatibilité de dilastation raisonnable entre l'élément de puits de chaleur 2 et le substrat I, cette exigence n'est pas aussi rigoureuse qu'elle devrait l'être si la région active était plus proche de l'élément 2. Une liaison métallique à bas point de fusion, tel que de la soudure, est en général satisfaisante. Les cellules des dispositifs individuels sont représentées, de façon schématique, disposées en rangées et colonnes bien qu'avec la souplesse et la technologie des circuits intégrés, aucune configuration spécifique n'est exigée. En outre, le réseau peut occuper seulement une partie de l'élément 1 de substrat de grande taille, les autres parties pouvant être allouées a des dispositifs utilisés dans d'autres buts. Conformément à l'invention, les régions d'isolation 4 sont prévues entre les cellules Il existe différentes techniques pour réaliser les régions d'isolation dans la technologie des dispositifs semi-conducteurs intégrés telle que l'utilisation de jonctions p-n, l'introduction de diélectriques, et l'utilisation d'impuretés obtenues par diffusion ou implantation. L'isolation donne une possibilité d'interconnexion souple des configurations de câblage. Sur la figure 1, les regions d'isolation 4 sont représentées comme des canaux remplis d'un matériau diélectrique, par exemple un oxyde, dont la profondeur atteint la région active. Lorsque la région active est à la surface ou proche de la surface, cas où-l'on utilise, par exemple un effet de barrière de Schottky pour le convertisseur photo-électrique, il n'est pas nécessaire que la région d'isolation pénétre dans la surface à une profondeur supérieure à 1 ou 2 microns. Les cellules composées de dispositifs individuels et représentées de façon schématique sur la figure 1, sont connectées en série, par l'intermédiaire des électrodes 6, pour réaliser des trajets permettant l'addition des tensions, ces trajets étant à leur tour connectés en parallèle pour permettre l'addition des courants. Les détails concernant la structure des cellules pourront être mieux appréciés en se référant aux figures 2 et 3. La figure 2 représente la métallisation des contacts et la passivation des cellules. La figure 3, represente, sous forme de coupe, une cellule individuelle dans laquelle sont représentées la région active, et la région de passivation, l'électrode oe surface et les zones de traversée. En se référant à la figure 2, la cellule de conversion photoélectrique est conçue pour permettre l'utilisation efficace des paires électron-trou produites par la lumière incidente, en vue d'obtenir une tension entre les bornes. Les meilleurs conditions sont celles où la jonction semi-conductrice est située à l'intérieur de la région de diffusion des porteurs produits par une intensité lumineuse appropriée dans le matériau choisi.La technologie des circuits intégrés fournit des solutions à ce but désiré en rendant possible la réalisation d'un matériau d'une qualité telle que, par diffusion ou implantation ionique, on puisse obtenir une jonction p-n à l'intérieur de la région de diffusion des porteurs produits par une intensité lumineuse appropriée au-dessous de la surface, ou dans l'autre cas, par un contact de jonction, tel qu'une barrière de Schottky, à la surface. Ceci est illustré sur la figure 2 par l'élément 7. L'élément 7 est représente comme une jonction p-n placée, par exemple, par diffusion, de façon précise sur un plan optimum situé sous la surface 8 pour une efficacité de conversion photo-électrique maximum. Un contact de traversée 6A fournit une connexion ohmique avec la région 9 de type n.Ce contact est réalisé soit en déposant un métal en fusion, ledit métal étant dopé par une impureté de type n, et en permettant d'allier par un cycle de température la région 10 de type p à la région 9 de type n, soit par l'implantation ionique d'une impureté adéquate. La partie 11 du contact de surface 6 présente plusieurs doigts dont le but est de réduire au minimum les résistances en série. Un revêtement de passivation 12 recouvre et protége la surface. La figure 3 représente la métallisation dans laquelle les conducteurs 6 relient le contact de traversée 6A et le contact de surface 6B. Les conducteurs 6 chevauchent la région d'isolation 4 et la couche de passivation 12 et arrivent jusqu'aux contacts 6A et 6B. Les conducteurs 6 peuvent être déposés par des techniques de métallisation, telles que le dépôt sous vide, en prenant des précautions pour éviter la réalisation de conducteurs trop minces aux endroits non plans. Il a été décrit une technique de réalisation des dispositifs de conversion photo-électrique qui permet de fabriquer des cellules planaires par des techniques d'assemblage de circuits intégrés pour résoudre, de façon avantageuse, les contraintes entrant parfois en conflit dans la fabrication des réseaux de conversion photo-électrique. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur les dessins les caractéristiques essentielles de l'invention appliquées a un mode de ralisation préféré de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles, sans pour autant sortir du cadre de ladite invention. REVENDICATIONS 1.- Réseau de cellules photo-électriques caractérisé en ce qu'il comporte: un puits de chaleur, un substrat relativement grand et comportant des. première et seconde surfaces principales, la première surface étant reliée thermiquement au puits de chaleur par une liaison thermique, ledit substrat comportant une première région isolante adjacente à la liaison thermique, des moyens d'isolation qui divisent la seconde surface principale du substrat en plusieurs cellules de conversion photo-électrique > chaque cellule comportant une jonction de conversion photo-électrique qui définit des première et seconde régions électriques monocristallines, des contacts électriques reliés a chacune des régions électriques des jonctions photo-électriques et, des conducteurs électriques pour connecter les cellules en série et en parallèle selon une configuration déterminée. 2.- Réseau selon la revendication 1 caractérisé en ce que le substrat est en arseniure de gallium (GaAs). 3.- Réseau selon la revendication 2 caractérisé en ce que les cellules photo-électriques sont formées par des couches d'arseniure de gallium et d'aluminium Ga1 xAlxAs, ou O 2 x e 1. 4.- Réseau de cellules photo-électriques caractérisé en ce qu'il comporte: un substrat isolant relativement grand, comportant une première surface principale reliée thermiquement à un puits de chaleur et une seconde surface principale sur laquelle est déposée épitaxialement un matériau semiconducteur, ce dernier étant divisé, par des régions d'isolation, en plusieurs cellules photo-électriques > chaque cellule comportant deux régions définissant une jonction de conversion photo-electrique, des bornes électriques, chaque borne contactant une région de cellules, des conducteurs pour relier électriquement les cellules en série et en parallèle selon une configuration déterminée. 5.- Réseau selon la revendication 4 caractérisé en ce que le substrat est en arseniure de gallium semi-isolant (GaAs). o.- Réseau selon l'une des revendications 4 ou 5 caractérisé en ce que la jonction est une jonction P-N. 7.- Réseau selon l'une des revendications 4 ou 5 caractérisé en ce que la jonction est une barrière de Schottky. 8.- Réseau selon l'une quelconque des revendications 4 a 7 caractérisé en ce que la jonction est réalisée dans de l'arseniure de gallium et d'aluminium (Gal-xAlxAs) où O s x s 1.