СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ СТРУКТУРЫ МНОГОПЕРЕХОДНОГО ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
METHOD FOR MANUFACTURING A SEMICONDUCTOR STRUCTURE OF A MULTIJUNK PHOTOCONVERTER

Изобретение относится к электронной технике, а именно к способам изготовления полупроводниковых структур многокаскадных (многопереходных) фотоэлектрических преобразователей оптического излучения с соединительными элементами между переходами.
В связи с повышением темпов развития концентраторной фотовольтаики и радиофотоники появляется необходимость в разработке высокоэффективных фотоэлектрических устройств, преобразующих мощное оптическое излучение. К таким устройствам относятся, например, концентраторные многопереходные солнечные элементы и многопереходные фотоприемники. Важной задачей при эпитаксиальном росте многопереходных гетероструктур является создание монолитно интегрированных соединительных элементов с низкими оптическими потерями и удельным сопротивлением и высокими пиковыми плотностями туннельного тока.
Известен способ изготовления полупроводникового фотоэлектрического генератора (см. патент RU 265915, МПК H01L 31/18, опубликован 10.12.2005), включающий формирование многослойной n-p-структуры методом эпитаксиального выращивания слоев n- и р-типа на полупроводниковой подложке, формирование металлизации, резание заготовки на матрицы, нанесения просветляющего покрытия и присоединения токоотводов. Перед присоединением токоотводов на матрицы подают импульсное напряжение и пробивают обратносмещенные р-n-переходы.
При применении известного способа изготовления полупроводникового фотоэлектрического генератора для изготовления каскадных гетероструктур выходит из строя вся система каскадов.
Известен способ изготовления многопереходной солнечной батареи (см. патент CN 102299159, МПК H01L 27/142, H01L 31/0352, H01L 31/0304, H01L 31/18, опубликован 20.11.2013), включающий формирование многослойной n-p-структуры на подложке InP из слоев InGaAsP/InGaAs, согласованных кристаллической решетками, при этом две p-n-переходные батареи соединены последовательно посредством выращивания переходного слоя.
В известном способе изготовления многопереходной солнечной батареи для соединения каскадов используются туннельные р-n переходы, которые обладают ограниченной пропускной способностью и при подаче мощного светового потока у них резко возрастает сопротивление.
Известен способ изготовления полупроводниковой структуры многопереходного фотопреобразователя (см. заявка KR 1020070078191, МПК H01L 33/00, опубликована 31.07.2007), включающий последовательное формирование на подложке нижнего слоя n-InP, активного слоя, выполненного в виде чередующихся слоев InGaAs и барьерных слоев InGaAsP, верхнего слоя р-InP и электродного слоя InGaAs. На подконтактном слое InGaAs формируют защитный слой InP для предотвращения загрязнения верхней поверхности подконтактного слоя InGaAs и формирования вакансий из-за отклонения Ga в составе подконтактного слоя InGaAs.
Известным способом изготовления полупроводниковой структуры невозможно изготавливать многокаскадные структуры.
Известен способ изготовления полупроводниковой структуры многопереходного фотопреобразователя (см. патент RU 2461093, МПК H01L 31/04, опубликован 10.09.2012), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Способ-прототип включает последовательное формирование на полупроводниковой подложке методом эпитаксиального выращивания слоев n-типа проводимости и р-типа проводимости, образующих не менее двух сопряженных друг с другом двухслойных компонентов с n-р или р-n переходами между двумя р-n переходами посредством введенных в зону сопряжения компонентов микрочастиц из проводящего или полупроводникового материала, размеры которых превышают толщину области пространственного заряда в рассматриваемой зоне сопряжения, а ширина запрещенной зоны материала микрочастиц больше ширины запрещенной зоны материала р-n или n-р переходов. Однако в случае выращивания над зоной сопряжения из компонентов микрочастиц GaP слоя из InP, слой InP растет с большим количеством дефектов, что отрицательно сказывается на качестве слоев, что влияет эффективность фотопреобразования.
Задачей настоящего технического решения является разработка способа изготовления полупроводниковой структуры многопереходного фотопреобразователя, который бы обеспечивал повышенную эффективность фотопреобразования изготовленной полупроводниковой структуры за счет улучшения качества слоев InP на микрокристаллах GaP.
Поставленная задача достигается тем, что способ изготовления полупроводниковой структуры многопереходного фотопреобразователя включает последовательное формирование на полупроводниковой подложке методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений слоев n-типа проводимости и р-типа проводимости, образующих не менее двух n-р или р-n диодов, сопряженных друг с другом посредством введенных в зону сопряжения компонентов микрочастиц из проводящего или полупроводникового материала, размеры которых превышают толщину области пространственного заряда в рассматриваемой зоне сопряжения, а ширина запрещенной зоны материала микрочастиц больше ширины запрещенной зоны материала р-n или n-р переходов. Новым в способе является то, что выращивание расположенного на слое микрочастиц слоя диода осуществляют путем выращивания субслоев толщиной (50-150) нм с прерыванием подачи металлоорганических соединений на (10-15) секунд при постоянной подаче водорода.
Полупроводниковая подложка может быть выполнена из фосфида индия InP.
Слой микрочастиц может быть выполнен из микрокристаллов GaP.
Выполнение каждого субслоя толщиной (50-150) нм обусловлено тем, что первый на GaP субслой толщиной менее 50 нм обладает очень большим количеством дефектов, а при выращивании первого субслоя толщиной более 150 нм большинство дефектов прорастают по всей толщине.
Прерывание подачи металлоорганических соединений на (10-15) секунд обусловлено тем, что при прерывании подачи металлоорганических соединений менее 10 секунд полная замена атмосферы в реакторе не выполняется, а при прерывании подачи металлоорганических соединений более 15 секунд с поверхности начинают улетать легколетучие компоненты, что приводит к увеличению дислокаций.
Настоящий способ изготовления полупроводниковой структуры многопереходного фотопреобразователя осуществляют следующим образом.
На полупроводниковой подложке, например, из n-InP, методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений, например, триметилиндия, триэтилгаллия, фосфина, арсина, осуществляют формирование слоев n-типа проводимости и р-типа проводимости, например, слоев р-InP и n-InP, образующих не менее двух n-р или р-n диодов. При этом в зону сопряжения друг с другом слоев n-р или р-n диодов вводят компоненты микрочастиц из проводящего или полупроводникового материала, например, подачей потоков триэтилгалия и фосфина, с образованием микрочастиц, например, GaP, размеры которых превышают толщину области пространственного заряда в рассматриваемой зоне сопряжения, а ширина запрещенной зоны материала микрочастиц больше ширины запрещенной зоны материала р-n или n-р переходов. При этом выращивание расположенного на слое микрочастиц слоя диода осуществляют субслоями толщиной (50-150) нм с прерыванием подачи металлоорганических соединений на (10-15) секунд при постоянной подаче водорода.
Эффективность фотопреобразования р-n перехода на микрокристаллах GaP изготовленной настоящим способом близка к эффективности р-n перехода выращенного на подложке InP.
Пример 1. На полупроводниковой подложке из n-InP (001), которая во время роста вращалась со скоростью 100 об/мин, методом газофазной эпитаксии на установке AIXTRON-200 с реактором горизонтального типа при давлении в реакторе 100 мбар в суммарном потоке через реактор 5,5 л/мин водорода с точкой росы не хуже 100°С из источников элементов: триметилиндия, триэтилгаллия, фосфина, арсина и источников легирующих примесей силана и диэтилцинка при температуре роста 600°С осуществляли формирование слоев р-InP и n-InP, образующих два n-р и р-n диода. При этом в зону сопряжения друг с другом слоев n-р и р-n диодов вводили компоненты микрочастиц подачей потоков триэтилгалия и фосфина при соотношении потоков 300, с образованием слоя микрочастиц GaP толщиной 80 нм. Выращивание расположенного на слое микрочастиц слоя диода осуществляли субслоями толщиной 50 нм с прерыванием подачи металлоорганических соединений на 10 секунд при постоянной подаче водорода.
Качество материала InP выращенного на поверхности микрокристаллов GaP, сопоставима по данным фотолюминесценции и рентгеновской дифрактометрии с качеством InP выращенным на подложке InP. Кроме того, эффективность преобразования излучения в 2-х каскадном элементе полностью соответствует расчетам.
Пример 2. На полупроводниковой подложке из n-InP (001), которая во время роста вращалась со скоростью 100 об/мин, методом газофазной эпитаксии на установке AIXTRON-200 с реактором горизонтального типа при давлении в реакторе 110 мбар в суммарном потоке через реактор 5,5 л/мин водорода с точкой росы не хуже 100°С из источников элементов: триметилиндия, триэтилгаллия, фосфина, арсина и источников легирующих примесей силана и диэтилцинка при температуре роста 650°С осуществляли формирование слоев р-InP и n-InP, образующих два n-р и р-n диода. В зону сопряжения друг с другом слоев n-р и р-n диодов вводили компоненты микрочастиц подачей потоков триэтилгалия и фосфина при соотношении потоков 300, с образованием слоя микрочастиц GaP толщиной 90 нм. Выращивание расположенного на слое микрочастиц слоя диода осуществляли субслоями толщиной 150 нм с прерыванием подачи металлоорганических соединений на 15 секунд при постоянной подаче водорода.
Эффективность фотопреобразования р-n перехода на микрокристаллах GaP изготовленной настоящим способом близка к эффективности р-n перехода выращенного на подложке InP.