ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
PHOTOELECTRIC CONVERTER

Изобретение относится к области конструкции и технологии изготовления фотоэлектрических преобразователей (ФП).
19
-3
Известен ФП электромагнитного излучения [1, стр.400] в виде кремниевой пластины p-типа, имеющей мелкий p-n-переход глубиной 250-1000 нм, созданный у поверхности (например, с помощью диффузии), лицевой омический полосковый электрод, тыльный омический полосковый электрод и просветляющее покрытие на лицевой поверхности. Недостатком данного ФП является сравнительно большая глубина p-n-перехода и большая концентрация, например 5×10 см [1, стр.404], легирующей примеси в n-слое, что является причиной высоких скоростей поверхностной и объемной рекомбинаций в области p-n-перехода и, как следствие, низкого кпд данного ФП.
Известна конструкция кремниевых ФП с мелкозалегающим p-n-переходом на большей части лицевой стороны и глубоким p-n-переходом под металлическими контактами на этой стороне [2]. Недостатками таких ФП являются наличие сплошного p-n-перехода на всей лицевой стороне и увеличение толщины первоначально созданного мелкозалегающего легированного слоя в процессе диффузионного легирования областей глубоких p-n-переходов под металлическими контактами и, как следствие, недостаточно высокий кпд ФП.
+
+
Известна конструкция ФП с двумя рабочими поверхностями с диодной np-p-структурой, у которого конфигурация и площадь контактов на тыльной стороне совпадают в плане с конфигурацией и площадью контактов на рабочей стороне, а толщина базовой области не превышает диффузионную длину неосновных носителей заряда [3]. Недостатком данной конструкции является наличие на всей поверхности рабочей и тыльной сторон сильно легированных слоев, приповерхностные области которых имеют очень низкую диффузионную длину неосновных носителей заряда, что снижает кпд таких ФП.
Известны конструкция и способ изготовления ФП с «точечными контактами» [4-6] со слоем оксида на лицевой стороне, свободной от легированных слоев и контактов, которые создаются на тыльной стороне в виде чередующихся точечных сильно легированных областей, образующих p-n-переходы и изотипные переходы. Недостатком этих ФП является необходимость неоднократного проведения операций фотолитографического травления, что усложняет процесс изготовления и повышает стоимость ФП.
Известен также ФП [7], содержащий, по крайней мере, один фоточувствительный слой, обеспечивающий генерацию фототока при поглощении электромагнитного излучения, а также токосъемные электроды и металлические наночастицы размером порядка или менее длины волны в максимуме спектра падающего излучения, обеспечивающие концентрирование падающего излучения в ближней зоне около наночастиц и генерацию фототока при поглощении указанного излучения. Недостатком ФП [7] является наличие фоточувствительного слоя (слоев) в котором, как и в случае ФП [1-3], имеет место сильная объемная рекомбинация носителей.
+
+
+
+
+
+
+
+
В качестве прототипа принята конструкция ФП [8] с двумя рабочими поверхностями, содержащего диодные структуры, каждая с n-p (p-n)-переходом на лицевой поверхности кремниевой пластины и изотипным p-p (n-n)-переходом в базовой области на тыльной поверхности пластины, у которого площади и конфигурации металлических контактов на лицевой и тыльной поверхностях совпадают в плане, толщина ФП соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, диодные структуры выполнены в виде отдельных коммутированных контактами участков, совмещенных на лицевой и тыльной поверхностях с участками, на которые нанесены контакты, расстояние между отдельными соседними участками с n-p (p-n)-переходами на лицевой поверхности не превышает удвоенную диффузионную длину неосновных носителей тока в базовой области, а на лицевой поверхности, свободной от n-p(p-n)-переходов, и на тыльной поверхности, свободной от контактов, расположена пассивирующая, антиотражающая пленка.
В варианте ФП [8] на указанную антиотражающую пленку нанесены нанокластеры из атомов металлов с линейным размером 10-100 нм, причем расстояние между нанокластерами в 2-4 раза превышает их размеры. Согласно описанию механизма действия ФП [8] нанокластеры играют роль резонаторов и переизлучают падающее излучение в базовую область, увеличивая функцию генерации в базовой области.
Недостатками ФП [8] являются:
- относительно большая площадь рабочей поверхности ФП, закрытая металлическими электродами;
2
1/2
p
D
p
- сложная структура электродов на рабочей поверхности ФП, включающая большое число переодически расположенных длинных (несколько сантиметров) металлических нитей очень малой ширины (1-50 мкм, согласно [8]), находящихся на малом расстоянии l друг от друга (для коэффициента диффузии носителей D=25 см/с и их времени жизни τ=100 мкс, l должно быть меньше удвоенной длины диффузии L=(Dτ)=500 мкм [9], т.е. l<1000 мкм); такая сложная структура электродов трудна в изготовлении и ненадежна; и
- конструкция ФП [8] не позволяет собирать фотоиндуцированные носители, генерированные за счет фотоэмиссии из металлических наночастиц в полупроводник или при поглощении света в полупроводнике в окрестности этих наночастиц и разделении носителей на барьере Шотки [1, стр.423]. Это приводит к недостаточно высокому кпд ФП конструкции [8].
Задачей предлагаемого изобретения является снижение трудоемкости и стоимости изготовления, повышение кпд и надежности ФП.
+
+
+
+
+
+
+
+
Технический результат достигается тем, что в фотопреобразователе с двумя рабочими поверхностями, содержащем диодные структуры, каждая с n-p (p-n)-переходом на лицевой поверхности кремниевой пластины и изотипным p-p (n-n)-переходом в базовой области на тыльной поверхности пластины, толщина фотопреобразователя соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, диодные структуры с n-p (p-n)-переходами на лицевой поверхности ФП и с изотипными p-p (n-n)-переходами на тыльной поверхности ФП выполнены в виде отдельных не коммутированных металлическими контактами друг с другом участков, размер диодной структуры в плоскости рабочей поверхности ФП много меньше диффузионной длины неосновных носителей тока в базовой области, металлические микроконтакты имеются только на поверхности самих диодных структур, расстояние между соседними диодными структурами с металлическими микроконтактами на поверхности не превышает удвоенную диффузионную длину неосновных носителей тока в базовой области; на участках лицевой и тыльной поверхностей, свободных от диодных структур с микроконтактами, расположено изолирующее диэлектрическое покрытие, поверх которого на всю поверхность нанесен прозрачный проводящий слой, коммутирующий указанные диодные структуры между собой и соединяющий их с токосъемным электродом, который наносится на проводящий слой, например, в виде рамки по краям ФП; указанное диэлектрическое покрытие изолирует прозрачный проводящий слой от кремниевой пластины в областях, где диодные структуры отсутствуют, и является также пассивирующим, указанный прозрачный проводящий слой является также просветляющим покрытием.
2
2
-4
Дополнительное увеличение кпд достигается тем, что площадь поверхностей указанных диодных структур с микроконтактами составляет пренебрежимо малую часть общей площади поверхностей ФП. Например, если площадь поверхности диодной структуры и металлического микроконтакта на ней составляет 100 мкм, а длина диффузии неосновных носителей в базовой области ФП составляет 400 мкм (как и в [8]), то указанные диодные структуры с контактами, расположенные на расстоянии 400 мкм друг от друга, закрывают 100/400=6,15×10 часть рабочих поверхностей ФП, в то время как в случае [8] диодные структуры с контактами закрывают 10% рабочей поверхности. Соответственно, в ФП предлагаемой конструкции уменьшаются скорости объемной и поверхностной рекомбинаций фотоиндуцированных носителей за счет уменьшения общего объема высоколегированных областей ФП. Дополнительное увеличение кпд ФП возникает из-за того, что расстояние между соседними диодными структурами с микроконтактами может быть значительно меньше длины диффузии неосновных носителей в базовой области ФП при все еще пренебрежимо малой площади поверхности ФП, закрываемой диодными структурами с контактами; дополнительное увеличение кпд ФП возникает, так как указанные изолирующий диэлектрический и прозрачный проводящий слои являются также пассивирущим и просветляющим соответственно.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1, где цифрами указаны: 1 - металлические микроконтакты, 2 - области p-n-переходов под микроконтактами на верхней стороне ФП, 3 - области изотипных переходов под микроконтактами на тыльной стороне ФП, 4 - прозрачный проводящий слой, 5 - изолирующий слой диэлектрика, 6 - базовая область ФП, 7 - токосьемная рамка.
x
y
На обеих сторонах ФП, изображенного на фиг.1, микроконтакты и расположенные под ними участки с p-n (изотипными) переходами занимают менее 1% площади поверхности, несмотря на то что расстояние между соседними микроконтактами может быть существенно (на порядок) меньше длины диффузии неосновных носителей в базовой области, что повышает эффективность сбора носителей по сравнению с прототипом [8]. Каждый p-n-переход ограничен в плоскости кремниевой пластины пассивирующей пленкой диэлектрика, что обеспечивает малый ток утечки ФП. Практически вся площадь лицевой и тыльной сторон ФП свободна от легированных слоев и имеет низкую скорость поверхностной рекомбинации за счет пассивирующих свойств диэлектрической пленки (например, из SiN). Высокий кпд и большой фототок обеспечиваются низкой скоростью поверхностной и объемной рекомбинаций неосновных носителей заряда, диффундирующих из областей в промежутках между микроконтактами, поскольку большинство носителей успевает дойти до p-n (изотипных) переходов, размещенных под микроконтактами и на расстоянии друг от друга, существенно меньшем диффузионной длины неосновных носителей заряда в базовой области ФП.
В варианте изготовления ФП площади и конфигурации металлических микроконтактов и легированных областей под ними на лицевой и тыльной поверхностях ФП совпадают в плане.
В варианте изготовления ФП на его лицевую поверхность с p-n-переходами наносятся между микроконтактами металлические наночастицы 8 размером ~100 нм (см. фиг.2) из благородных металлов, например золота, или такие же наночастицы в тонкой (несколько нм) диэлектрической оболочке, которая препятствует окислению наночастиц; между наночастицами создается изолирующий слой, и затем на всю лицевую поверхность наносится прозрачный проводящий слой. Изолирующий слой между наночастицами создается, например, с помощью термического окисления поверхности кремния. Новым фактором повышения кпд ФП является наличие дополнительного каскада фотопреобразования, в котором фотоиндуцированные носители возникают за счет фотоэмиссии из наночастиц и за счет поглощения света в областях полупроводника в окрестности наночастиц, диэлектрический слой естественного оксида кремния толщиной в несколько нм между наночастицами и полупроводником позволяет носителям, возникающим в результате фотоэмиссии из наночастиц, проникать в базовую область ФП за счет туннелирования и не препятствует образованию барьеров Шотки 10 [1, стр.423] в полупроводнике в окрестности металлических наночастиц; на барьерах Шотки происходит разделение фотоиндуцированных носителей, в т.ч. поглощенных полупроводником; диэлектрический слой является также пассивирующим для поверхности ФП, он препятствует утечке носителей из прозрачного проводящего слоя обратно в полупроводник и рекомбинации носителей на поверхности полупроводника в областях, где наночастицы отсутствуют; поверхностная плотность наночастиц (менее 1%) такова, что расстояние между барьерами Шотки, относящимися к соседним наночастицам, не превышает удвоенную диффузионную длину неосновных носителей тока в базовой области, и, кроме того, наночастицы не препятствуют прохождению света в полупроводник; слой 4 оптически прозрачного проводника, нанесенного поверх наночастиц, электрически соединяет наночастицы, микроэлектроды и токосьемные электроды, расположенные, например, по периметру ФП, и обеспечивает отвод фотоиндуцированных носителей во внешнюю цепь; дополнительным фактором повышения кпд является меньшая высота барьеров Шотки по сравнению с энргией запрещенной зоны полупроводника, что позволяет получать фотоиндуцированные носители за счет фотоэмиссии из наночастиц при поглощении света ИК-области спектра за пределами красной границы поглощения в полупроводнике; металлические наночастицы повышают проводимость проводящего слоя 4; слой 4 является также просветляющим покрытием; дополнительным фактором повышения кпд ФП является концентрация электромагнитного поля в окрестности и внутри металлических наночастиц.
Примеры изготовления ФП
Пример 1. Используются пластины из моно- или поликристаллического кремния толщиной d=200 мкм p- или n-типа проводимости с диффузионной длиной ~200 мкм.
x
y
4
1. Обе поверхности кремниевой пластины текстурируют травлением в щелочном растворе и покрывают при нагревании диэлектрической пленкой-изолятором, например пленкой нитрида кремния состава SiN осаждением из газовой фазы, содержащей силан SiH и азот.
2. Создается лицевая сторона ФП, для чего на одной из поверхностей полученной по п.1 структуры с помощью стандартного процесса фотолитографии [10] вскрываются «окна» в пленке диэлектрика под легируемые области.
3. Через окна в слое диэлектрика в кремниевой пластине создается p-n-переход, для чего производится легирование поверхности кремния, например, термической диффузией, причем тип легирующей примеси противоположен типу примеси, использованной для легирования базовой области ФП. Обеспечивается создание p-n-перехода на глубине 1-2 мкм. Области поверхности ФП, где нет окон для легирования, защищены от легирования слоем диэлектрика.
4. С обеих поверхностей кремния удаляются слои диэлектрика.
5. Создается тыльная сторона ФП, для чего обе поверхности кремниевой пластины покрывают диэлектрической пленкой-изолятором по п.1 и с помощью стандартного процесса фотолитографии формируют окна в этой пленке с тыльной стороны (без p-n-перехода) пластины. Затем, с целью создания изотипного перехода с тыльной стороны в базовой области кремниевой пластины, через окна в слое диэлектрика осуществляется диффузия легирующей примеси, изотипной базовой области. Обеспечивается создание изотипного перехода на глубине 1-2 мкм.
6. С обеих поверхностей кремниевой пластины удаляются диэлектрические слои.
7. На обеих поверхностях пластины создаются слои диэлектрика, причем они должны иметь такую толщину, чтобы после нанесения на них прозрачного проводящего слоя в структуре достигался эффект просветления.
8. С помощью фотолитографии в диэлектрических пленках вскрываются окна в области p-n-перехода и изотипного перехода, причем фоторезист после вскрытия окон с остальной части поверхности диэлектрика не удаляется.
9. Производится металлизация обеих поверхностей ФП последовательным химическим или электрохимическим осаждением слоев никеля, меди и олова.
10. Остатки фоторезиста удаляются, унося с собой слои металлов, под которыми он располагался, с помощью т.н. взрывной фотолитографии. На легированных окнах, где фоторезиста не было, слои металлов сохраняются, образуя микроэлектроды. Между электродами остается изолирующий слой диэлектрика.
11. На обе поверхности пластины наносится прозрачный проводящий слой, например, смешанного оксида индия и олова (ITO), который коммутирует микроэлектроды.
12. Поверх прозрачного проводящего слоя на обе поверхности пластины наносятся токосъемные электроды, например, в виде рамки по периметру пластины.
В результате получается конструкция ФП, представленная на фиг.1а, б.
Пример 2. Используются те же кремниевые пластины, что и в примере 1.
1. Выполняются пункты 2-6 Примера 1.
2
2. На поверхность кремниевой пластины, на слой естественного оксида кремния наносятся адсорбцией или осаждением в центробежном поле из коллоидного раствора наночастицы благородного металла (например, золота) или такие же наночастицы в тонкой (несколько нм) диэлектрической оболочке (например, из SiO), препятствующей их окислению, или наночастицы благородного металла (например, золота) формируются путем отжига островковой пленки, нанесенной на поверхность ФП методом вакуумного испарения,
3. Выполняются пункты 7-12 Примера 1.
В результате получается конструкция ФП, представленная на фиг.2а, б.
ФП работает следующим образом (фиг.1). Излучение попадает на одну или обе поверхности ФП, проникает в базовую область 6 и создает неравновесные пары носителей заряда: электроны и дырки. Генерированные избыточные неравновесные неосновные носители заряда диффундируют по направлению к p-n-переходам 2, разделяются в электрических полях p-n-переходов 2 и через микроэлектроды 1 поступают в прозрачный проводящий слой 4 и затем на токосъемный электрод 7 и в электрическую цепь (на фиг.1 не показана), замыкаясь затем, аналогичным образом, на нижних микроэлектродах 1, находящихся на областях тыльной поверхности ФП с изотипными переходами. При наличии металлических наночастиц (фиг.2) часть светового излучения, падающего на поверхность ФП, концентрируется около наночастиц и внутри них, поглощается наночастицами, вызывая эмиссию носителей одного знака (для случая фиг.2 - дырок) из наночастиц в базовую область ФП, а носителей другого знака (для случая фиг.2 - электронов) - в прозрачный проводящий слой, разделение носителей происходит с участием барьеров Шотки в окрестности наночастиц, на этих же барьерах разделяются также фотоиндуцированные носители, генерированые в полупроводнике, фотоэмиссия из наночастиц происходит в т.ч. при поглощении части спектра света за пределами красной границы поглощеия в кремнии.
Следует отметить, что указанные примеры осуществления никак не ограничивают притязания заявителя, которые могут быть определены прилагаемой формулой изобретения, различные модификации и усовершенствования могут быть сделаны в рамках настоящего изобретения.
Источники информации
1. С.Зи «Физика полупроводниковых приборов», том 2. - М.: Мир, 1984.
2. 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.
3. Патент США №3948682, кл.136/84 от 06.04.1976 г.
4. E.V.Kerschaver and G. Beaucame «Back-contact Solar Cells: A Review» Prog. Photovolt: Res. Appl.; 14 107-123 (2006).
5. В.Kramer, «Advances in solid state physics» Springer, 2001, p.43.
th
6. 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.
7. Проценко И.Е., Займидорога О.А., Рудой В.М. «Преобразователь электромагнитного излучения» патент РФ 2331141 от 2007.02.22.
8. Стребков Д.С. Шеповалова О.В. Заддэ В.В. «Полупроводниковый фотоэлектрический генератор», патент РФ 2336596 от 2007.04.11.
9. Р.Смит «Полупроводники». - М.: Мир, 1982, стр.212.
10. С.Зи «Технология СБИС», том 1, М.: Мир, 1986, стр.354.