ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
PHOTO ELECTRIC CONVERTER (VERSIONS) AND METHOD OF ITS FABRICATION (VERSIONS)

Изобретение относится к области конструкции и технологии изготовления оптоэлектронных приборов, а именно полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей (ФП).
Известна конструкция и способ изготовления кремниевых ФП в виде диодной структуры с p-n-переходом на всей рабочей поверхности, токосъемными металлическими контактами к легированному слою в форме гребенки, сплошным тыльным контактом и антиотражающим покрытием на лицевой (рабочей) стороне (книга «Полупроводниковые фотопреобразователи» Васильев A.M., Ландсман А.П. - М.: Советское Радио, 1971 г.). Процесс изготовления ФП основан на диффузионном легировании рабочей поверхности фосфором, химическом осаждении никелевого контакта, избирательном травлении контактного рисунка и нанесении антиотражающего покрытия. Недостатком получаемых ФП является сравнительно большая глубина p-n-перехода и, как следствие, невысокое значение их кпд.
Известна конструкция и способ изготовления кремниевых ФП с мелкозалегающим p-n-переходом на большей части рабочей поверхности и глубоким p-n-переходом под металлическими контактами на рабочей поверхности (Green M.A., Blakers A.W. et al. Improvements in flat-plate and concentrator silicon solar cell efficiency // 19th IEEE Photovolt. Spec. Conf., New Orleans, 1987. - P.49-52). Процесс изготовления включает проведение следующих операций на рабочей поверхности: диффузионное легирование на глубину менее 0,5 мкм, термическое окисление, лазерное скрайбирование канавок, химическое травление кремния в канавках, диффузионное легирование поверхности канавок на глубину более 1 мкм и электрохимическое осаждение никеля и меди в канавки. Недостатком получаемых ФП является поглощение коротковолновой части падающего излучения легированным слоем, имеющим низкий коэффициент собирания носителей тока к p-n-переходу и, как следствие, недостаточно высокое кпд ФП.
th
Известна конструкция и способ изготовления ФП с пассивирующей антиотражающей (просветляющей) пленкой на фоточувствительной поверхности, свободной от легированных слоев и контактов, которые создаются на тыльной стороне в виде чередующихся, сильно легированных областей, образующих p-n-переходы и изотипные переходы (Sinton R.A., Swanson R.M. An optimization study of Si point-contact concentrator solar cell // 19 IEEE Photovolt. Spec. Conf., New Orleans, 1987. N.Y., 1987. - P.1201-1208.). Недостатком этих ФП является необходимость неоднократного проведения операций фотолитографического травления с совмещением рисунка шаблона, что усложняет процесс изготовления и повышает стоимость ФП.
rd
Известна конструкция и способ изготовления ФП из кремния с гетеропереходом на лицевой стороне и изотипном гетеропереходом на обратной стороне (Kanno H. at ol. Over 22% efficient HIT solar cell // 23 European Photovoltaic Solar Energy Conference, 1-5 September 2008, Valencia. Spain, p.1136-1139.). Широкозонные слои из аморфного кремния наносят на пластины кремния из паровой фазы активированной плазменным разрядом. Сверху наносят прозрачную электропроводящую просветляющую пленку и сетчатые токосъемные контакты. Недостатком этих ФП является не фотоактивное поглощение излучения в широкозонных слоях, что снижает величину фототока и кпд ФП.
+
+
+
+
+
В качестве прототипа принята конструкция и способ изготовления ФП (патент РФ №2331139) с двухсторонней фоточувствительной рабочей поверхностью с диодной n-p-pструктурой, у которого конфигурация и площадь контактов на тыльной стороне совпадают в плане и не превышают 10% общей площади, а толщина фотопреобразователя соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, диодные структуры выполнены в виде отдельных скоммутированных контактами участков, совмещены в плане на рабочей и тыльной поверхности с участками, на которые нанесены контакты, расстояние между отдельными соседними участками с n-p (p-n) переходами на рабочей поверхности не превышает удвоенную диффузионную длину неосновных носителей тока в базовой области и на рабочей поверхности, свободной от n-p (p-n) перехода, расположена пассивирующая, антиотражающая пленка.
Недостатком прототипа являются повышенные потери на сопротивлении металлических контактов и недостаточно высокое значение напряжения на р-п-переходе, что снижает величину кпд, а также необходимость использования при изготовлении высоких температур и дорогостоящего кремния высокой степени чистоты, который должен иметь большую величину диффузионной длины неосновных носителей тока.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение кпд и снижение стоимости изготовления ФП.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Технический результат достигается тем, что в полупроводниковом фотопреобразователе, содержащем участки с n-p или (p-n) переходом и слоями nили (p), полностью покрытые металлическими контактами, а на фоточувствительной поверхности базовую область p- или n-типа проводимости с нанесенной пассивирующей просветляющей пленкой, n-p или (p-n) переход выполнен в виде гетероперехода с широкозонным nили (p) слоем и имеет множество периодически повторяющихся микроучастков шириной 0,1-30 мкм, промежутки между микроучастками 10-300 мкм содержат базовую область со скоростью поверхностной рекомбинации ниже 200 см/с, при этом расстояние между уровнями расположения n-p (p-n) перехода и фоточувствительной поверхностью не превышает 50 мкм, а ширина микроучастков меньше промежутков по меньшей мере в 10 раз.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
В варианте конструкции полупроводникового фотопреобразователя с двумя фоточувствительными сторонами, содержащего участки диодных структур с n-p или (p-n) переходом на одной стороне и изотипным p-pили (n-n) переходом на другой стороне со слоями nили (p), полностью покрытыми металлическими контактами, и базовую область p- или n-типа проводимости с нанесенной на ней пассивирующей просветляющей пленкой, n-p или (p-n) переход диодной структуры на одной стороне и изотипный p-p(n-n) переход на противоположной стороне, выполнены в виде гетероперехода с широкозонным nили (p) слоем и имеют множество периодически повторяющихся микроучастков диодных структур шириной 0,1-30 мкм, промежутки между микроучастками 10-300 мкм содержат базовую область со скоростью поверхностной рекомбинации ниже 200 см/с, при этом расстояние от уровня расположения n-p (p-n) перехода и изотипного p-p(n-n) перехода диодных структур до фоточувствительной поверхности не превышает 50 мкм. а ширина микроучастков меньше промежутков по меньшей мере в 10 раз.
+
+
+
+
Дополнительное повышение кпд полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что базовая область выполнена из кремния или германия с металлическими контактами в качестве верхнего слоя из алюминия, меди или никеля толщиной свыше 0,5 мкм, а свободная от n-p (p-n) переходов и изотипных p-p(n-n) переходов фоточувствительная поверхность базовой области текстурирована и покрыта пассивирующей антиотражающей пленкой на основе нитрида кремния, легированной водородом.
+
+
Дополнительное снижение себестоимости изготовления полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что широкозонный пили (р) слой выполнен из легированной донорной или акцепторной примесями пленки аморфного или микрокристаллического кремния или карбида кремния с подслоем туннельно-тонкой пленки собственной проводимости.
Дополнительное снижение себестоимости изготовления полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что базовая область выполнена из кремния с поликристаллической структурой с размерами зерен, превышающими ширину промежутков между микроучастками не менее 10 раз.
Еще большее снижение себестоимости изготовления полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что базовая область выполнена из пленки кремния толщиной 1-30 мкм.
Повышение кпд при использовании концентрированного солнечного излучения достигается тем, что базовая область выполнена в виде узкой полосы, ширина которой много меньше ее длины и микроучастки направлены поперек полосы.
Стабилизация высокого кпд полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что пассивирующая антиотражающая пленка содержит защитную прозрачную пленку толщиной более 0,1 мкм.
+
+
В способе изготовления полупроводникового фотопреобразователя, включающем химическое травление и очистку поверхности базовой области, нанесение широкозонных nили (p) слоев, легированных донорной и акцепторной примесями, нанесение контактов в форме сетки и создание на поверхности базовой области пассивирующей, антиотражающей пленки, широкозонные слои наносят толщиной более 0,2 мкм, покрывают эти слои металлическими контактами из алюминия, меди или никеля, формируют контактную сетку, в промежутках контактной сетки химическим путем травят поверхность до базовой области, наносят пассивирующую просветляющую пленку, например, на основе нитрида кремния, легированного водородом, и наносят прозрачную защитную пленку, например двуокись кремния.
Дополнительное снижение себестоимости изготовления полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что рисунок металлической контактной сетки формируют из пленки фоторезиста методом импринт-литографии.
Дополнительное снижение себестоимости изготовления полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что металлическую контактную сетку формируют методом лазерного гравирования.
Дополнительное снижение себестоимости изготовления полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что металлическую контактную сетку формируют методом механического фрезерования.
Дополнительное снижение себестоимости изготовления полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что металлическую контактную сетку формируют методом аэрозольной струйной печати металлосодержащей пасты толщиной свыше 1 мкм с последующим вжиганием контакта.
Дополнительное уменьшение вредных отходов при изготовлении полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что химическую обработку поверхности выполняют плазмохимическим путем.
Дополнительное увеличение кпд полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что при химической обработке поверхности базовой области выполняют текстурирование поверхности.
Дополнительное увеличение кпд полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что пассивирующую пленку на основе окиси кремния или нитрида кремния создают атомно-слоевым осаждением.
+
+
+
+
В варианте способа изготовления полупроводникового фотопреобразователя, включающего химическое травление и очистку поверхности базовой области, нанесение широкозонных nили (p) слоев, легированных донорной и акцепторной примесями, нанесение контактов в форме сетки и создание на поверхности базовой области пассивирующей антиотражающей пленки, пассивирующую антиотражающую пленку на основе окиси кремния или нитрида кремния, наносят после химического травления и очистки поверхности базовой области при температуре 200-850°С, покрывают упомянутую пленку защитным слоем, создают в пленке и защитном слое окна в форме контактной сетки наносят широкозонные n или (p) слои при температуре ниже 300°С и всю поверхность окон покрывают металлическим контактом с верхним слоем из алюминия, меди или серебра.
Дополнительное увеличение кпд полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что пассивирующую антиотражающую пленку на основе окиси кремния или нитрида кремния создают атомно-слоевым осаждением.
Дополнительное повышение кпд полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что при химическом травлении выполняют текстурирование поверхности.
Дополнительное уменьшение вредных отходов при изготовлении полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что химическую обработку поверхности выполняют плазмохимическим путем.
Дополнительное снижение себестоимости изготовления полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что окна контактной сетки формируют из пленки фоторезиста методом импринт-литографии.
Дополнительное снижение себестоимости изготовления полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что окна контактной сетки формируют методом лазерного гравирования.
+
+
Дополнительное повышение кпд полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что широкозонные nили (p) слои наносят плазмохимическим методом.
Сущность изобретения поясняется фиг.1-6, где на фиг.1 и 3 в сечении показаны основные элементы конструкции двух вариантов ФП, имеющих одну фоточувствительную поверхность с изотипным гетеропереходом по всей тыльной поверхности; на фиг.2 и 4 представлены основные элементы конструкции двух вариантов ФП с фоточувствительной поверхностью на двух сторонах; на фиг.5 - фрагменты сечения фоточувствительной поверхности ФП из текстурированного кремния, на фиг.6 - вид фоточувствительной стороны ФП для концентрированного излучения.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
1
1
n
p
На фиг.1-6 ФП состоят из кристаллического полупроводника с базовой областью l, n-p или (p-n) гетероперехода 2, изотипного p-p или (n-n) гетероперехода 3, широкозонных nили (p) слоев 4, металлических контактов 5 к широкозонным nили (p) слоям. Металлические контакты 5 поверх n-p или (p-n) гетеропереходов 2 выполнены в виде множества периодически повторяющихся микроучастков шириной l=0,1-30 мкм, промежутки между микроучастками шириной L=10-300 мкм содержат базовую область l со скоростью поверхностной рекомбинации ниже 100 см/с, при этом расстояние h между уровнями расположения n-p или (p-n) гетероперехода 2 и фоточувствительной поверхностью 6 не превышает 50 мкм. Суммарная величина L+h не превышает диффузионную длину неосновных носителей тока L или L в любом участке базовой области.
Низкая скорость поверхностной рекомбинации на фоточувствительной поверхности 6 достигается с помощью пассивирующей антиотражающей пленки 7 из окиси или нитрида кремния. Для стабилизации свойств поверхности базовой области 1 пленка 7 покрыта достаточно толстым (более 0,1 мкм) прозрачным слоем 8, например, из двуокиси кремния или кремнеорганики.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
1
2
n
p
1
2
n
p
n
p
1
2
ФП на фиг.2 и 4 обладают фоточувствительными поверхностями на двух сторонах. Это достигается тем, что конфигурация и площадь контактов 5 на обеих сторонах совпадают в плане между собой и с конфигурацией и площадью участков с широкозонными nили (p) слоями 4 поверх p-n или (n-p) гетеропереходов 2 и изотипных p-pили (n-n) гетеропереходов 3. Металлические контакты 5 поверх широкозонных nили (p) слоев 4 выполнены в виде множества периодически повторяющихся микроучастков шириной l=0,1-30 мкм, промежутки между микроучастками шириной L=10-300 мкм содержат базовую область 1 со скоростью поверхностной рекомбинации ниже 100 см/с. Низкая скорость поверхностной рекомбинации на фоточувствительной поверхности 6 достигается с помощью пассивирующей антиотражающей пленки 7 из окиси или нитрида кремния. При этом расстояние h и h от уровней расположения p-n или (n-p) гетероперехода 2 и изотипного p-p(n-n) гетероперехода 3 до фоточувствительной поверхности 6 не превышает 50 мкм. Толщина базовой области 1 не превышает диффузионную длину электронов L в базовой области 1 p-типа или диффузионную длину дырок L в базовой области 1 п-типа, а суммы величин L+h и L+h не превышают диффузионную длину неосновных носителей тока L или L в любом участке базовой области. В случае снижения диффузионной длины неосновных носителей тока L или Lв любом из объемов базовой области это сопровождается соответствующим уменьшением величин L, h, h и l.
ФП на фиг.5 отличается формированием на фоточувствительной поверхности 6 базовой области 1 текстуры, что повышает кпд ФП. Нанесенные пассивирущая антиотражающая пленка 7 и защитный слой 8 повторяют рельеф текстуры.
Для эффективной работы в условиях концентрированного светового излучения ФП на фиг.6 выполнен в виде узкой полосы, где микроучастки шириной l с промежутком L расположены поперек полосы.
Примеры изготовления ФП.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Пример 1. При изготовлении ФП, соответствующих фиг.1 и 2, используются пластины из моно- или мультикристаллического кремния или германия толщиной 200-300 мкм р- или п-типа проводимости с диффузионной длиной в базовой области не менее 200 мкм. Осаждением из паровой фазы инициированном плазменным разрядом или методом молекулярной эпитаксии наносят широкозонные слои из аморфного или микрокристаллического кремния на обе стороны пластины кремния. Для образования p-n или (n-p) гетероперехода с одной стороны и изотипного p-p(n-n) гетероперехода на другой стороне вначале создают нелегированный туннельно-тонкий слой аморфного кремния собственной проводимости толщиной около 4 нм, а затем сильно легированный широкозонный nили (p) слой толщиной свыше 0,5 мкм. На обе стороны наносят сплошной слой контакта с верхним слоем из алюминия, меди или никеля толщиной более 0,5 мкм. С фоточувствительной стороны с помощью приемов фотолитографии, а для размеров микроучастков ниже 1 мкм с применением импринт-литографии избирательно стравливают слои контакта и широкозонные nили (p) слои кремния, создавая множество чередующихся микроучастков шириной 5-10 мкм с промежутками размером 100-150 мкм. Плазмохимическим травлением создают текстурированную поверхность (см. фиг.5, область а]). При этом суммарные толщины широкозонных nили (p) слоев и травления базовой области кремния таковы, что расстояние от уровня расположения n-p (p-n) гетероперехода и изотипного p-p(n-n) гетероперехода (см. фиг.2) до фоточувствительной поверхности не превышает 50 мкм. Для снижения скорости поверхностной рекомбинации ниже 100 см/с на фоточувствительную поверхность базовой области наносят пассивирующую антиотражающую пленку, например, на основе нитрида кремния, легированного водородом, а сверху покрывают прозрачной защитной пленкой, например двуокисью кремния или кремний полимером. В результате получаются ФП с кпд выше 20% с повышенной до 680 мВ величиной фото-эдс.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Пример 2. При изготовлении ФП, соответствующих фиг.3 и 4, используются пластины из моно- или мультикристаллического кремния толщиной 200-300 мкм p- или п-типа проводимости с диффузионной длиной в базовой области не менее 200 мкм. Поверхность кремния травят для удаления механически нарушенного слоя и создания текстуры. С фточувствительной стороны с помощью активации плазменным разрядом и нагревания до температуры 250-850°С наносят пассивирующую антиотражающую пленку, например, на основе нитрида кремния, легированного водородом, а сверху покрывают защитной легко растворимой пленкой, например двуокисью германия толщиной свыше 0,1 мкм. Лазерной гравировкой прорезают вышеуказанные пленки на поверхности кремния и создают в базовой области множество чередующихся канавок (микроучастков) шириной 5-15 мкм, глубиной около 10 мкм с промежутками 100-150 мкм. Стенки канавок травят химически и очищают, далее осаждением из паровой фазы, инициированной плазменным разрядом, или методом молекулярной эпитаксии наносят широкозонные слои из аморфного или микрокристаллического кремния на обе стороны пластины кремния. Для образования p-n или (n-p) гетероперехода с одной стороны и изотипного p-p(n-n) гетероперехода на другой стороне вначале создают нелегированный туннельно-тонкий слой аморфного кремния собственной проводимости толщиной около 4 нм, а затем сильно легированный широкозонный nили (p) слой толщиной свыше 0,5 мкм. При этом суммарные толщины лазерного гравирования, травления и нанесения широкозонных nили (p) слоев аморфного кремния таковы, что расстояние между уровнями расположения n-p (p-n) перехода и изотипного p-p(n-n) перехода (см. фиг.4) и фоточувствительной поверхностью не превышает 50 мкм. Травлением пленки двуокиси германия удаляют широкозонные nили (p) слои из промежутков диодных структур и на микроучастки широкозонных nили (p) слоев избирательно наносят металлические контакты с верхним слоем из алюминия, меди или серебра толщиной более 0,5 мкм. В результате получаются ФП с кпд выше 20% с повышенным до 700 мВ значением фото-эдс.
В обоих примерах изготовления выход p-n гетероперехода на поверхность защищается пассивирующей просветляющей пленкой.
Аналогично аморфному кремнию гетеропереходы на кремнии можно создавать с помощью нанесения слоев аморфного или микрокристаллического карбида кремния.
В случае использования базовой области из кристаллического германия в примерах 1 и 2 гетереопереход получают путем эпитаксиального осаждения широкозонной кристаллической пленки арсенида галлия толщиной свыше 0,5 мкм. В результате получается ФП с более широкой, чем у кремния областью спектральной чувствительности и повышенным до 500 мВ значением фото-ЭДС.
Пример 3. Для работы в условиях концентрированного светового излучения изготовляются ФП в форме узкой полосы (см. фиг.6) с увеличенной толщиной контактного слоя до 2-4 мкм, состоящего из меди или серебра. В остальном процесс изготовления аналогичен примерам 1 и 2. В результате получаются ФП с кпд 25% в условиях 20-кратной концентрации излучения света.
Пример 4. При использовании дешевого солнечного кремния с невысокой степенью чистоты получается мультикристаллический кремний с низким значением (10-100 мкм) диффузионной длины неосновных носителей тока в базовой области. В этом случае размер микроучастков снижают до минимальной величины (менее 5 мкм, что много меньше размера кристаллических зерен в базовой области и меньше диффузионной длины неосновных носителей тока в базовой области) и при их формировании используют технологию фотолитографии, в том числе импринт-литографии. Это обеспечивает получение ФП с КПД выше 15%.
Пример 5. При использовании в качестве базовой области тонких пленок эпитаксиального кремния толщиной менее 30 мкм на дешевой подложке процесс изготовления соответствует примеру 4, но обязательно проводят текстурирование поверхности для повышения коэффициента поглощения света в базовой области. Это обеспечивает получение ФП с кпд более 15%.
Во всех примерах изготовления ФП ключевыми технологическими процессами являются осаждение широкозонных слоев аморфного или микрокристаллического кремния из паровой фазы (или карбида кремния), инициированного плазменным разрядом, или методом молекулярной эпитаксии, а также пассивация поверхности базовой области на фоточувствительной поверхности. В этой связи предпочтение отдается известным методам, обеспечивающим получение достаточно высокого потенциального барьера на р-п гетеропереходе. Улучшить пассивирующие свойства поверхности кремния можно с помощью известного процесса атомно-слоевого осаждения пленки.
При химическом травлении базовой области для снижения расхода химических реагентов и повышения избирательности процесса обработку поверхности кремния целесообразно вести методом плазмохимического травления.
Рассмотренные конструкции и технологии изготовления ФП позволяют создавать ФП с двухсторонней рабочей поверхностью, у которых фототек и кпд отличаются при освещении с каждой стороны не более чем на 10%, а также ФП, прозрачные для инфракрасной части спектра излучения, лежащей за краем собственного поглощения, для изготовления фотодиодов и детекторов заряженных частиц.
+
ФП работает следующим образом. Излучение попадает на одну или обе поверхности ФП, проникает в базовую область 1 и создает неравновесные пары носителей заряда: электроны и дырки. Генерированные избыточные неравновесные неосновные носители заряда ускоряются электрическим полем изотипного p-pгетероперехода 3 по направлению к р-п гетеропереходу 2, разделяются в электрическом поле р-п гетероперехода 2 и через контактные участки 5 поступают в электрическую цепь.
Достоинством предложенных конструкций и способов изготовления ФП является снижение себестоимости изготовления и достижение высокого кпд с высоким процентом выхода годных, в том числе из дешевого кристаллического кремния и пленок кремния.