КОНСТРУКЦИЯ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕМНИЕВОГО ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С ДВУСТОРОННЕЙ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ
STRUCTURE AND METHOD OF MAKING SILICON PHOTOCONVERTER WITH TWO-SIDED PHOTOSENSITIVITY

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 высокий 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 односторонняя фоточувствительность и сложный процесс изготовления, повышающий стоимость ФП.
+
+
В качестве прототипа принята конструкция и способ изготовления ФП с двусторонней рабочей поверхностью с диодной n-р-р структурой и просветляющим покрытием, у которого конфигурация и площадь контактов на тыльной стороне совпадают в плане с конфигурацией и площадью контактов с рабочей стороны, а толщина базовой области не превышает диффузионную длину неосновных носителей заряда, вдоль рабочей стороны расположен р-n переход, а вдоль тыльной стороны изотипный переход, созданные методом диффузионного легирования (патент США №3948682, кл. 136/84, от 06.04.1976 г.). Недостатком прототипа является наличие на всей тыльной поверхности сильно легированного слоя кремния, верхние слои которого имеют очень низкую диффузионную длину неосновных носителей заряда, что снижает КПД ФП при освещении с тыльной стороны, а также высокая трудоемкость изготовления по сравнению с изготовлением ФП с односторонней рабочей поверхностью.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение КПД и снижение стоимости изготовления ФП.
+
+
+
+
11
-2
+
+
+
+
Технический результат достигается тем, что в кремниевом фотопреобразователе с двусторонней фоточувствительностью, у которого толщина соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, содержащий n-р (р-n) переход на лицевой стороне, изотипный р-р (n-n) переход в базовой области на тыльной стороне, просветляющую пленку и металлическую контактную сетку на лицевой и тыльной сторонах, просветляющая пленка содержит плотность встроенного электрического заряда не менее 1·10см, знак которого совпадает со знаком заряда основных носителей тока в базовой области, причем n-р (р-n) переход и изотипный р-р (n-n) переход под контактной сеткой выполнены на большей глубине, чем в промежутках контактной сетки.
Дополнительное снижение трудоемкости изготовления кремниевого фотопреобразователя достигается тем, что встроенный электрический заряд содержит пленка нитрида кремния.
Дополнительное повышение КПД кремниевого фотопреобразователя достигается тем, что встроенный электрический заряд содержится под пленкой нитрида кремния в пленке оксида алюминия толщиной не более 20 нм.
+
+
+
+
11
-2
+
+
Технический результат достигается также тем, что в кремниевом фотопреобразователе с двусторонней фоточувствительностью, у которого толщина соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, содержащий n-р (р-n) переход на лицевой стороне, изотипный р-р (n-n) переход в базовой области на тыльной стороне, просветляющую пленку и металлическую контактную сетку на лицевой и тыльной сторонах, просветляющая пленка содержит плотность встроенного электрического заряда не менее 1·10 см, знак которого совпадает со знаком заряда основных носителей тока в базовой области, причем изотипный р-р (n-n) переход под контактной сеткой выполнен из легированных слоев, а в промежутках контактной сетки из слоев с носителями тока, наведенных встроенным электрическим зарядом.
Дополнительное снижение трудоемкости изготовления кремниевого фотопреобразователя достигается тем, что встроенный электрический заряд содержит пленка нитрида кремния.
Дополнительное повышение КПД кремниевого фотопреобразователя достигается тем, что встроенный электрический заряд содержится под пленкой нитрида кремния в пленке оксида алюминия толщиной не более 20 нм.
11
-2
Технический результат достигается также тем, что в способе изготовления кремниевого фотопреобразователя с двусторонней фоточувствительностью, включающем диффузионное легирование базовой области фотопреобразователя донорной и акцепторной примесями, нанесение пассивирущей просветляющей пленки и сетки металлических контактов на обе стороны, химическим травлением уменьшают толщину легированных слоев на лицевой и тыльной сторонах в промежутках металлической контактной сетки и создают просветляющую пленку на лицевой и тыльной сторонах с встроенным электрическим зарядом плотностью не менее 1·10 см, знак которого совпадает со знаком заряда основных носителей тока в прилегающем слое кремния.
Дополнительное повышение КПД и снижение стоимости изготовления кремниевого фотопреобразователя с двусторонней фоточувствительностью достигается тем, что встроенный электрический заряд создают путем плазмохимического осаждения пленки нитрида кремния.
Еще большее повышение КПД кремниевого фотопреобразователя с двусторонней фоточувствительностью достигается тем, что встроенный электрический заряд создают путем атомно-слоевого осаждения на поверхность кремния пленки оксида алюминия, а затем нитрида кремния.
Дополнительное снижение стоимости изготовления кремниевого фотопреобразователя с двусторонней фоточувствительностью достигается тем, что встроенный электрический заряд создают путем магнетронного нанесения на поверхность кремния пленки оксида алюминия, а затем нитрида кремния.
11
-2
+
+
+
+
В способе изготовления кремниевого фотопреобразователя с двусторонней фоточувствительностью, включающем диффузионное легирование базовой области фотопреобразователя донорной и акцепторной примесями, нанесение пассивирущей просветляющей пленки и сетки металлических контактов на обе стороны, просветляющую пленку создают на обеих сторонах с встроенным электрическим зарядом плотностью не менее 1·10см, знак которого совпадает со знаком заряда основных носителей тока в прилегающем слое кремния, лазерной диффузией создают локально легированные слои n-р (p-n) перехода и изотипного p-р (n-n) перехода и на эти легированные слои наносят металлическую контактную сетку.
Дополнительное повышение КПД и снижение стоимости изготовления кремниевого фотопреобразователя с двусторонней фоточувствительностью достигается тем, что встроенный электрический заряд создают путем плазмохимического осаждения пленки нитрида кремния.
Еще большее повышение КПД кремниевого фотопреобразователя с двусторонней фоточувствительностью достигается тем, что встроенный электрический заряд создают путем атомно-слоевого осаждения на поверхность кремния пленки оксида алюминия, а затем нитрида кремния.
Дополнительное снижение стоимости изготовления кремниевого фотопреобразователя с двусторонней фоточувствительностью достигается тем, что встроенный электрический заряд создают путем магнетронного нанесения на поверхность кремния пленки оксида алюминия, а затем нитрида кремния.
Сущность изобретения поясняется фиг.1-6, где в сечении показаны основные элементы конструкции двусторонних ФП.
+
+
+
+
20
-3
++
20
-3
++
+
+
11
-2
11
-2
2
3
2
3
На фиг.1 ФП состоит из пластины кристаллического кремния с базовой областью 1 р-типа проводимости, легированного слоя 2 n-типа, образующего n-р переход 3, и легированного слоя 4 p-типа, образующего изотипный р-р переход 5. На сильно легированных фосфором (порядка 10см) n слоях 6 нанесены в виде сетки металлические контакты 7, а к сильно легированным бором (порядка 10см) р слоям 8 металлические контакты 9. Толщина легированных слоев под металлическими контактами 7 и 9 на лицевой и тыльной сторонах больше глубины залегания от поверхности n-р перехода 3 и изотипного р-р перехода 5 в промежутках контактов. Это превышение соответствует толщине сильно легированных слоев 6 и 8. Лицевая сторона 10 ФП содержит пассивирующую просветляющую пленку 11 с встроенными положительными зарядами 12 плотностью не менее 10 см, например, из нитрида кремния. Для повышения КПД ФП поверхность кремния на лицевой и тыльной сторонах имеет микротекстуру. На тыльной стороне 13 на поверхность кремния нанесена пленка 14 из AlO с встроенными отрицательными электрическими зарядами 15 плотностью не менее 10 см. Пленка 14 из AlO с встроенным отрицательным зарядом имеет толщину не более 20 нм, а поверх пленки 14 нанесена просветляющая пленка 16, например, нитрида кремния толщиной около 80 нм с показателем преломления не менее 2,0.
+
+
+
+
20
-3
++
20
-3
++
+
+
11
-2
11
-2
2
3
На фиг.2 ФП состоит из пластины кристаллического кремния с базовой областью 1 n-типа проводимости, легированного слоя 2 р-типа, образующего р-n переход 3, и легированного слоя 4 n-типа, образующего изотипный n-n переход 5. На сильно легированных бором (порядка 10см) р слоях 6 нанесены в виде сетки металлические контакты 7, а к сильно легированным фосфором (порядка 10см) n слоям 8 металлические контакты 9. Толщина легированных слоев под металлическими контактами 7 и 9 на лицевой и тыльной сторонах больше глубины залегания от поверхности р-n перехода 3 и изотипного n-n перехода 5 в промежутках контактов. Это превышение соответствует толщине сильно легированных слоев 6 и 8. Лицевая сторона 10 ФП содержит пассивирующую пленку 14, например, из AlO с встроенными отрицательными электрическими зарядами 15 плотностью не менее 10см, поверх которой нанесена просветляющая пленка 16, например, из нитрида кремния. Для повышения КПД ФП целесообразно использовать текстурирование поверхности кремния на лицевой и тыльной сторонах. На тыльной стороне 13 на поверхность кремния нанесена пассивирующая, просветляющая пленка 11 с встроенными положительными зарядами 12 плотностью не менее 10 см, например, из нитрида кремния. Просветляющая, пассивирующая пленка 11 из нитрида кремния имеет толщину около 80 нм и показатель преломления не менее 2,0.
+
+
+
+
20
-3
++
20
-3
++
11
-2
11
-2
+
+
+
+
+
2
3
На фиг.3 ФП состоит из пластины кристаллического кремния с базовой областью 1 p-типа проводимости, легированного слоя 2 n-типа, образующего n-р переход 3 и легированных слоев 4 и 4* p-типа, образующих изотипный p-p переход 5. На сильно легированных фосфором (порядка 10см) n слоях 6 нанесены в виде сетки металлические контакты 7, а к сильно легированным бором (порядка 10см) р слоям 8 металлические контакты 9. Лицевая сторона 10 ФП содержит пассивирующую просветляющую пленку 11 с встроенными положительными зарядами 12 плотностью не менее 10см, например, из нитрида кремния. Для повышения КПД ФП поверхность кремния на лицевой 10 и тыльной 13 сторонах имеет микротекстуру. На тыльной стороне 13 на поверхность кремния нанесена пленка 14 из AlO с встроенными отрицательными электрическими зарядами 15 плотностью не менее 10 см, которая создает в прилегающем кремнии слои 4* p-типа с носителями тока, наведенными встроенным отрицательным электрическим зарядом. Поверх пленки 14 нанесена просветляющая пленка 16, например, нитрида кремния толщиной около 80 нм с показателем преломления не менее 2,0. Толщина легированных слоев под металлическими контактами 7 на лицевой стороне больше глубины залегания от поверхности n-р перехода 3 в промежутках контактов. Это превышение соответствует толщине сильно легированных слоев 6. Толщина легированных слоев под металлическими контактами 9 на тыльной стороне больше глубины залегания от поверхности изотипного р-р перехода 5 в промежутках контактов. Это превышение соответствует толщине сильно легированных слоев 8 и разницы толщины легированных слоев 4 p-типа и слоев 4* p-типа с носителями тока, наведенными встроенным отрицательным электрическим зарядом.
+
+
+
+
20
-3
++
20
-3
++
11
-2
11
-2
+
+
+
+
+
2
3
На фиг.4 ФП состоит из пластины кристаллического кремния с базовой областью 1 n-типа проводимости, легированного слоя 2 p-типа, образующего p-n переход 3 и легированных слоев 4 и 4* n-типа, образующих изотипный n-n переход 5. На сильно легированных бором (порядка 10см) р слоях 6 нанесены в виде сетки металлические контакты 7, а к сильно легированным фосфором (порядка 10см) n слоям 8 металлические контакты 9. Лицевая сторона 10 ФП содержит пассивирующую пленку 14, например, из AlO с встроенными отрицательными электрическими зарядами 15 плотностью не менее 10см, поверх которой нанесена просветляющая пленка 16, например, из нитрида кремния. Для повышения КПД ФП целесообразно использовать текстурирование поверхности кремния на лицевой и тыльной сторонах. На тыльной стороне 13 на поверхность кремния нанесена пассивирующая, просветляющая пленка 11 с встроенными положительными зарядами 12 плотностью не менее 10 см, например, из нитрида кремния, которая создает в прилегающем кремнии слои 4* n типа с носителями тока, наведенными встроенным положительным электрическим зарядом. Толщина легированных слоев под металлическими контактами 7 на лицевой стороне больше глубины залегания от поверхности р-n перехода 3 в промежутках контактов. Это превышение соответствует толщине сильно легированных слоев 6. Толщина легированных слоев под металлическими контактами 9 на тыльной стороне больше глубины залегания от поверхности изотипного n-n перехода 5 в промежутках контактов. Это превышение соответствует толщине сильно легированных слоев 8 и разницы толщины легированных слоев 4 n-типа и слоев 4* n-типа с носителями тока, наведенными встроенным положительным электрическим зарядом.
+
+
+
+
20
-3
++
20
-3
++
11
-2
11
-2
+
+
++
+
+
++
+
+
2
3
На фиг.5 ФП состоит из пластины кристаллического кремния с базовой областью 1 р-типа проводимости, легированных слоев 2 и 2* n-типа, образующих n-р переход 3 и легированных слоев 4 и 4* р-типа, образующих изотипный р-р переход 5. На сильно легированных фосфором (порядка 10см) n слоях 6 нанесены в виде сетки металлические контакты 7, а к сильно легированным бором (порядка 10 см) р слоям 8 металлические контакты 9. Лицевая сторона 10 ФП содержит пассивирующую просветляющую пленку 11 с встроенными положительными зарядами 12 плотностью не менее 10 см, например, из нитрида кремния. Для повышения КПД ФП поверхность кремния на лицевой 10 и тыльной 13 сторонах имеет микротекстуру. На тыльной стороне 13 на поверхность кремния нанесена пленка 14 из AlO с встроенными отрицательными электрическими зарядами 15 плотностью не менее 10см, которая создает в прилегающем кремнии слои 4* р-типа с носителями тока, наведенными встроенным отрицательным электрическим зарядом. Поверх пленки 14 нанесена просветляющая пленка 16, например, нитрида кремния толщиной около 80 нм с показателем преломления не менее 2,0. Толщина легированных слоев под металлическими контактами 7 на лицевой стороне больше глубины залегания от поверхности n-р перехода 3 в промежутках контактов. Это превышение соответствует толщине сильно легированных n слоев 6 и разницы толщины легированных n слоев 2 и 2*, созданных разными методами диффузии. Толщина легированных слоев под металлическими контактами 9 на тыльной стороне больше глубины залегания от поверхности изотипного р-р перехода 5 в промежутках контактов. Это превышение соответствует толщине сильно легированных р слоев 8 и разницы толщины легированных слоев 4 р-типа и слоев 4* р-типа с носителями тока, наведенными встроенным отрицательным электрическим зарядом.
+
+
+
+
20
-3
++
20
-3
++
11
-2
11
-2
+
+
+
+
+
+
2
3
На фиг.6 ФП состоит из пластины кристаллического кремния с базовой областью 1 n-типа проводимости, легированных слоев 2 и 2* p-типа, образующих p-n переход 3 и легированных слоев 4 и 4* n-типа, образующих изотипный n-n переход 5. На сильно легированных бором (порядка 10см) р слоях 6 нанесены в виде сетки металлические контакты 7, а к сильно легированным фосфором (порядка 10см) n слоям 8 металлические контакты 9. Лицевая сторона 10 ФП содержит пассивирующую пленку 14, например, из AlO с встроенными отрицательными электрическими зарядами 15 плотностью не менее 10 см, поверх которой нанесена просветляющая пленка 16, например, из нитрида кремния. Для повышения КПД ФП целесообразно использовать текстурирование поверхности кремния на лицевой и тыльной сторонах. На тыльной стороне 13 на поверхность кремния нанесена пассивирующая, просветляющая пленка 11 с встроенными положительными зарядами 12 плотностью не менее 10 см, например, из нитрида кремния, которая создает в прилегающем кремнии слои 4* n типа с носителями тока, наведенными встроенным положительным электрическим зарядом. Толщина легированных слоев под металлическими контактами 7 на лицевой стороне больше глубины залегания от поверхности p-n перехода 3 в промежутках контактов. Это превышение соответствует толщине сильно легированных слоев 6 и разницы толщины легированных pслоев 2 и 2*, созданных разными методами диффузии. Толщина легированных слоев под металлическими контактами 9 на тыльной стороне больше глубины залегания от поверхности изотипного n-n перехода 5 в промежутках контактов. Это превышение соответствует толщине сильно легированных слоев 8 и разницы толщины легированных слоев 4 n-типа и слоев 4* n-типа с носителями тока, наведенными встроенным положительным электрическим зарядом.
ФП из кремния изготовляются следующим образом.
20
-3
++
++
11
13
-2
2
3
2
3
Пример 1. ФП с конструкцией на фиг.1 изготовляют из пластин кремния толщиной около 200 мкм р-типа проводимости с диффузионной длиной неосновных носителей тока (ННТ) более 300 мкм. После удаления механически нарушенного слоя проводят текстурирование обеих сторон пластин. Лицевую сторону легируют диффузией фосфора, а тыльную сторону диффузией бора, получая р-n переход и изотипный переход. Трафаретной печатью наносят с двух сторон металлическую контактную сетку. Избирательным химическим травлением удаляют с обеих сторон сильно легированные (порядка 10см) слои n- и р-типа в промежутке между контактами. На тыльную сторону наносят пленку AlO, а затем на лицевую и тыльную стороны методом плазмохимического осаждения наносят пленку нитрида кремния с положительным встроенным зарядом. Пленку AlO с встроенным отрицательным зарядом плотностью от 10 до 10 см предпочтительно наносить методом атомно-слоевого осаждения или магнетронного распыления.
2
3
Пример 2. ФП с конструкцией на фиг.2 изготовляют из пластин кремния n-типа аналогично примеру 1. Отличие состоит в том, что лицевую сторону легируют диффузией бора, а тыльную сторону диффузией фосфора и пленку AlO наносят с лицевой стороны.
++
+
Пример 3. ФП с конструкцией на фиг.3 изготовляют из пластин кремния р-типа аналогично примеру 1. Отличие состоит в том, что при избирательном химическом травлении с тыльной стороны удаляют в промежутке между контактами не только сильно легированный слой р, но и pлегированный слой.
2
3
Пример 4. ФП с конструкцией на фиг.4 изготовляют из пластин кремния n-типа аналогично примеру 3. Отличие состоит в том, что лицевую сторону легируют диффузией бора, а тыльную сторону диффузией фосфора и пленку AlO наносят с лицевой стороны.
+
++
+
++
+
2
3
Пример 5. ФП с конструкцией на фиг.5 изготовляют из пластин кремния толщиной около 200 мкм р-типа проводимости с диффузионной длиной ННТ более 300 мкм. После удаления механически нарушенного слоя проводят текстурирование обеих сторон пластин. Лицевую сторону легируют диффузией фосфора, создавая n слой. Тыльную сторону химически травят, очищают поверхность и наносят пленку AlO. На обе стороны наносят пленку нитрида кремния. Затем методом лазерной диффузии создают локально легированные бором или алюминием слои p и р-типа на тыльной стороне и легированные фосфором слои n и n-типа на лицевой стороне. При воздействии лазера в пленках нитрида кремния и окиси алюминия происходит образование окон и канавок в кремнии, которые заполняют химическим осаждением контактов из никеля и меди+олова.
2
3
Пример 6. ФП с конструкцией на фиг.6 изготовляют из пластин кремния n-типа аналогично примеру 5. Отличие состоит в том, что лицевую сторону легируют диффузией бора, а тыльную сторону диффузией фосфора и пленку AlO наносят с лицевой стороны.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
ФП действует следующим образом. Тонкие (менее 0,5 мкм) nи pслои на лицевой и тыльной сторонах в промежутке между контактами обладают низким поглощением света, поэтому при освещении потоком светового излучения фоточувствительных сторон 10 и 13 на фиг.1-6 электронно-дырочные пары генерируются в основном в базовой области 1. ННТ, возникшие в nи р слоях, двигаются к n-p (p-n) переходу под действием электрического поля, образованного градиентом концентрации основных носителей. Наведенные встроенным зарядом nили pслои на тыльной стороне не имеют структурных дефектов, свойственных легированным слоям, и поэтому способствуют увеличению собирания ННТ из базовой области при освещении тыльной стороны. ННТ, возникшие в базовой области 1, двигаются за счет диффузии, однако при приближении к изотипному р-р (n-n) переходу 5, отталкиваются электрическим полем изотипного перехода и дрейфуют к n-p (p-n) переходу. При условии малой толщины базовой области (меньше диффузионной длины ННТ) происходит практически полное собирание ННТ, что приводит к увеличению фототока и КПД и равной эффективности, как при освещении лицевой, так и тыльной сторон. По сравнению с прототипом предлагаемые двусторонние ФП имеют низкую себестоимость изготовления и обладают на 20% большей эффективностью при освещении с тыльной стороны.