СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НА УТОНЯЕМОЙ ГЕРМАНИЕВОЙ ПОДЛОЖКЕ
METHOD FOR MANUFACTURING A PHOTOELECTRIC CONVERTER ON A TAPERED GERMANIUM SUBSTRATE

Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности к способу изготовления фотоэлектрических преобразователей, и может быть использовано в электронной промышленности при производстве элементов и устройств для преобразования световой энергии в электрическую энергию.
Известен способ изготовления фотоэлектрического преобразователя (см. патент RU 2354009, МПК H01L 31/18, опубликован 27.04.2009), включающий нанесение омических контактов на тыльную и фронтальную поверхность многослойной полупроводниковой структуры GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенной на германиевой подложке, разделение структуры на чипы, пассивацию боковой поверхности чипов диэлектриком, удаление части фронтального контактного слоя структуры и нанесение антиотражающего покрытия на фронтальную поверхность структуры. Разделение структуры на чипы проводят через маску фоторезиста со стороны фронтальной поверхности структуры на глубину (15-50) мкм в две стадии: на первой стадии осуществляют химическое травление структуры до германиевой подложки, а на второй стадии проводят электрохимическое травление германиевой подложки.
Недостатками известного способа изготовления фотоэлектрического преобразователя являются повышенные массогабаритные параметры фотоэлектрического преобразователя.
Известен способ изготовления фотоэлектрического преобразователя (см. заявка US 20140360584, МПК H01L 31/18 опубликована 11.12.2014), включающий создание на подложке первого полупроводящего слоя и второго полупроводящего слоя с противоположными типами проводимости, формирование пассивирующего слоя оксида графена на поверхности второго полупроводящего слоя путем обработки подложки в растворе оксида графена, создание первого электрода на поверхности первого полупроводящего слоя, создание второго электрода на поверхности второго полупроводящего слоя. При этом слой оксида графена выполняет функцию пассивирующего слоя для снижения скорости поверхностной рекомбинации и функцию антиотражающего покрытия для снижения коэффициента отражения падающего излучения.
Недостатком известного способа изготовления фотоэлектрического преобразователя является низкая адгезия оксида графена, приводящая к уменьшению выхода годных приборов, а также повышенные массогабаритные параметры фотоэлектрического преобразователя.
2
2
3
Известен способ изготовления утоненного фотоэлектрического преобразователя (см. патент CN 104347754, МПК H01L 31/0687, H01L 31/18, опубликован 11.02.2015), включающий осаждение из паровой фазы полоскового фронтального контакта Au(Ge)/Ag/Au на фронтальную поверхность эпитаксиальной гетероструктуры GaInP/GaAs/Ge, осаждение из паровой фазы тыльного контакта Au(Ge)/Ag на тыльную поверхность, осаждения из паровой фазы антиотражающего покрытия ΤiΟ/ΑlΟ на фронтальную поверхность. При этом подложку эпитаксиальной гетероструктуры толщиной 180 мкм протравливают до толщины менее 140 мкм, для повышения ее гибкости и, соответственно, увеличения срока службы, снижения веса фотоэлектрического преобразователя и увеличения соотношения мощность/вес.
Недостатками известного способа изготовления утоненного фотоэлектрического преобразователя являются относительно большая остаточная толщина подложки в 140 мкм, что приводит к повышенным массогабаритным параметрам фотоэлектрического преобразователя, а также препятствует эффективному отводу тепла от области p-n-перехода фотоэлектрического преобразователя в силу высокого теплового сопротивления материала германия.
Известен способ изготовления фотоэлектрического преобразователя на утоняемой германиевой подложке (см. патент RU 2703820, МПК H01L 31/18, опубликован 22.10.2019), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Способ изготовления фотоэлектрического преобразователя включает создание на германиевой подложке с выращенными эпитаксиальными слоями фоторезистивной маски с окнами под лицевые контакты; напыление слоев лицевой металлизации; удаление фоторезиста; создание фоторезистивной маски с окнами под меза-изоляцию; вытравливание мезы; создание меза-изолированной контактной площадки для вывода тыльного контакта фотопреобразователя, формирование лазером углубления под меза-изолированной контактной площадкой и по периметру фотопреобразователя и нанесение защитного покрытия формированием последовательно слоев позитивного и негативного фоторезистов методом центрифугирования и слоя быстросохнущей эмали методом распыления. Пластину наклеивают защитным покрытием на выступы диска-носителя, стравливают подложку до эпитаксиальных слоев в углублениях с одновременным разделением пластины на чипы фотопреобразователей, вытравливают эпитаксиальные слои в углублениях, а после напыления слоев тыльной металлизации удаляют защитное покрытие с одновременным откреплением чипов фотопреобразователей от диска-носителя, выпрямляют чипы после отжига контактов и напыления просветляющего покрытия.
2
Недостатком известного способа-прототипа является относительно большая остаточная толщина германиевой подложки, при которой не достигаются показатели по удельной массе для фотоэлектрического преобразователя менее 0,03 г/см и не обеспечивается эффективный отвод тепла от p-n-перехода фотоэлектрического преобразователя, что является необходимым при проектировании и изготовлении перспективных высокоэффективных солнечных батарей.
Задачей настоящего технического решения является снижение удельной массы GaInP/Ga(In)As/Ge фотоэлектрического преобразователя за счет значительного утонения германиевой подложки с сохранением спектральной чувствительности германиевого p-n-перехода в инфракрасном диапазоне спектра и его фототока и эффективности GaInP/Ga(In)As/Ge фотоэлектрического преобразователя в целом, в том числе и за счет снижения сопротивления отводу тепловой энергии от p-n-перехода фотоэлектрического преобразователя к теплорассеивающим элементам.
Поставленная задача достигается тем, что способ изготовления фотоэлектрического преобразователя на утоняемой германиевой подложке, включающий создание на германиевой подложке с выращенными эпитаксиальными слоями полупроводниковой структуры фоторезистивной маски с окнами под лицевые омические контакты, напыление слоев лицевой металлизации, удаление фоторезиста, создание фоторезистивной маски с окнами под оптические окна, вскрытие оптических окон, напыление просветляющего покрытия, удаление фоторезиста, создание фоторезистивной маски с окнами под меза-изоляцию, вытравливание мезы, нанесение диэлектрического покрытия через фоторезистивную маску на боковую поверхность мезы, удаление фоторезиста, создание фоторезистивной маски с окнами под контактные площадки тыльных омических контактов, напыление слоев металлизации на области контактных площадок, отжиг омических контактов, нанесение защитного покрытия, наклеивание пластины защитным покрытием на диск-носитель, стравливание германиевой подложки, удаление защитного покрытия с одновременным откреплением пластины от диска-носителя и разделением пластины на чипы. Новым в способе является то, что выполняют матирование тыльной стороны утоненной германиевой подложки жидкостным химическим травлением, последовательно осаждают на тыльную сторону утоненной германиевой подложки диэлектрическое покрытие и светоотражающее покрытие, тыльный омический контакт к германиевой подложке формируют с фронтальной стороны гетероструктуры в мезе, наносят диэлектрическое покрытие на боковую поверхность мезы, закрепляют чипы тыльной стороной на носителях-теплоотводах.
Защитное покрытие может быть выполнено из фоторезиста.
Защитное покрытие может быть выполнено из воска.
Защитное покрытие может быть выполнено последовательным формированием слоя фоторезиста и слоя воска.
Германиевая подложка может быть стравлена до толщины менее 20 мкм.
3
4
2
2
Утонение германиевой подложки может быть выполнено травителем, содержащем ортофосфорную кислоту HPO, перекись водорода HO и воду при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:
H<sub>3</sub>PO<sub>4</sub>
73-74
H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>
8-9
вода
остальное
Матирование германиевой подложки может быть выполнено трехкратной последовательной обработкой в течение (10-15) секунд в травителе, содержащем фтористый водород HF и воду при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:
HF
32-34
вода
остальное
4
2
2
2
4
и в течение (110-130) секунд в травителе, содержащем церия(IV) сульфат тетрагидрат Ce(SO)⋅4HO, серную кислоту HSO и воду при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:
Ce(SO<sub>4</sub>)<sub>2</sub>⋅4H<sub>2</sub>O
25-35
H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>
4-5
вода
остальное
Светоотражающее покрытие может быть выполнено из золота или из серебра с защитным слоем золота.
2
Утонение германиевой подложки до толщины менее 20 мкм обеспечивает снижение удельной массы для фотоэлектрического преобразователя до величины менее 0,015 г/см, что является необходимым при изготовлении высокоэффективных солнечных батарей.
Матирование утоненной германиевой подложки обеспечивает формирование на тыльной стороне структуры фотоэлектрического преобразователя диффузно отражающей поверхности для длинноволнового излучения, прошедшего сквозь утоненную до толщины менее 20 мкм структуру без поглощения. Это излучение рассеивается на диффузной поверхности и, отражаясь от светоотражающего покрытия, направляется внутрь объема фотоэлектрического преобразователя под углами, не обеспечивающими выход данного излучения из фотоэлектрического преобразователя через лицевую поверхность в силу соблюдения условия полного внутреннего отражения для лучей, падающих на границу раздела оптических сред под большими углами.
Таким образом, за счет эффективного поглощения длинноволнового излучения в германиевом p-n-переходе после утонения подложки его фототок остается без изменений. Соответственно коэффициент полезного действия, утоненного GaInP/Ga(In)As/Ge фотоэлектрического преобразователя остается на начальном (до утонения) уровне при значительно улучшенных массогабаритных параметрах, что является ключевым аспектом при создании легких гибких солнечных батарей.
Пассивация утоненной германиевой подложки путем осаждения диэлектрического покрытия выполняет защитную функцию, а также обеспечивает формирование зеркальной гладкой тыльной поверхности. Напыление светоотражающего покрытия на поверхность диэлектрического покрытия осуществляют для увеличения степени отражения излучения от тыльной поверхности германиевой подложки, при этом зеркальность поверхности диэлектрического покрытия приводит к дополнительному увеличению коэффициента отражения. Выполнение светоотражающего покрытия из золота или из серебра с защитным слоем золота обусловлено высоким коэффициентом отражения излучения (до 98%). Использование серебра ведет к снижению стоимости фотоэлектрического преобразователя, защитный слой золота необходим для увеличения стойкости покрытия к воздействию факторов окружающей среды.
Формирование мезы путем травления на толщину слоев гетероструктуры обеспечивает открытие фронтальной поверхности германиевой подложки. Последующее травление мезы на глубину (2-3) мкм в германиевой подложке обеспечивает надежное разделение p-n-перехода и формирование планарной поверхности германия, необходимой для последующей стадии формирования тыльного омического контакта к подложке с фронтальной стороны в мезе. При травлении на глубину менее 2 мкм разделение p-n-перехода может произойти не полностью, что приведет к короткому замыканию в германиевом p-n-переходе. При травлении на глубину более 3 мкм снижется прочность германиевой подложки, что может привести к снижению выхода годных чипов при последующем процессе утонения германиевой подложки. Нанесение диэлектрического покрытия на боковую поверхность мезы обеспечивает надежную пассивацию p-n-перехода, что предотвращает возникновение короткого замыкания в германиевом p-n-переходе при формировании контакта в мезе.
Формирование контакта к германиевой подложке с фронтальной стороны гетероструктуры в мезе обеспечивает снижение числа технологических операций на утоненной германиевой подложке, что приводит к увеличению выхода годных фотоэлектрических преобразователей, а также обеспечивает возможность матирования и пассивации тыльной стороны германиевой подложки для увеличения чувствительности германиевого p-n-перехода.
Утонение германиевой подложки до толщины менее 20 мкм жидкостным химическим травлением обеспечивает высокую надежность процесса за счет отсутствия механического воздействия на утоняемую подложку, обладающую повышенной хрупкостью, что обеспечивает увеличение выхода годных элементов.
3
4
2
2
Утонение германиевой подложки травителем на основе HPO и HO обеспечивает высокую равномерность и качество поверхности травления.
4
2
2
2
4
4
2
2
2
4
4
2
2
2
4
Матирование германиевой подложки путем трехкратной последовательной обработки травителями на основе HF и на основе Ce(SO)⋅4HO и HSO обеспечивает высокую однородность шероховатости поверхности. При обработке травителем на основе HF в течение (10-15) секунд происходит удаление окисла на поверхности германия. При обработке менее 10 секунд не происходит полного удаления окисла, обработка более 15 секунд технологически нецелесообразна. Обработка в травителе на основе Ce(SO)⋅4HO и HSO в течение (110-130) секунд приводит к увеличению шероховатости поверхности, необходимой для рассеяния отраженного излучения. Обработка менее 110 секунд приводит к уменьшению величины и однородности шероховатости поверхности. При обработке более 130 секунд происходит окисление германиевой подложки, что блокирует протекание химических реакций. Снятие окисла происходит в травителе на основе HF, после чего проводят дальнейшее матирование подложки в травителе на основе Ce(SO)⋅4HO и HSO. Трехкратная последовательная обработка обеспечивает формирование равномерной шероховатости поверхности заданной топологии.
3
4
2
2
Настоящий способ изготовления фотоэлектрического преобразователя на утоняемой германиевой подложке выполняют на основе фоточувствительной полупроводниковой структуры, например, трехпереходной эпитаксиальной гетероструктуры GaInP/Ga(In)As/Ge с фронтальным контактным слоем n-GaAs, выращенной на германиевой подложке р-типа проводимости толщиной, например, (140-180) мкм. Проводят формирование лицевых омических контактов на поверхности контактного слоя n-GaAs через фоторезистивную маску с окнами под лицевые омические контакты. Осуществляют вскрытие оптических окон в местах свободных от лицевых омических контактов жидкостным химическим травлением и проводят напыление просветляющего покрытия через фоторезистивную маску, которую затем удаляют. Создают фоторезистивную маску с окнами под меза-изоляцию, закрывающую оптические окна и лицевые омические контакты, и вытравливают мезу на толщину слоев гетероструктуры и на (2-3) мкм германиевой подложки. Наносят диэлектрическое покрытие через фоторезистивную маску на боковую поверхность мезы, затем удаляют фоторезист.Формируют тыльные омические контакты к германиевой подложке в мезе через фоторезистивную маску с окнами под контактные площадки, закрывающую оптические окна, лицевые омические контакты и боковую поверхность мезы. Проводят отжиг лицевых и тыльных омических контактов. Наносят защитное покрытие из воска или из фоторезиста, или из слоя фоторезиста и слоя воска на фронтальную поверхность гетероструктуры, приклеивают гетероструктуру защитным покрытием на диск-носитель. Проводят утонение тыльной стороны германиевой подложки до толщины менее 20 мкм методом жидкостного химического травления в травителе, например, содержащем ортофосфорную кислоту HPO, перекись водорода HO и воду при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:
H<sub>3</sub>PO<sub>4</sub>
73-74
H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>
8-9
вода
остальное
Проводят матирование тыльной стороны утоненной германиевой подложки методом жидкостного химического травления путем трехкратной последовательной обработки в течение (10-15) секунд в травителе, например, содержащем фтористый водород HF и воду при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:
HF
32-34
вода
остальное
4
2
2
2
4
и в течение (110-130) секунд в травителе, например, содержащем церия(IV) сульфат тетрагидрат Ce(SO)⋅4HO, серную кислоту HSO и воду при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:
Ce(SO<sub>4</sub>)<sub>2</sub>⋅4H<sub>2</sub>O
25-35
H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>
4-5
вода
остальное
Осуществляют пассивацию тыльной стороны утоненной германиевой подложки осаждением диэлектрического покрытия. Осаждают светоотражающее покрытие путем напыления слоя золота или серебра с защитным слоем золота на поверхность диэлектрического покрытия. Удаляют защитное покрытие с одновременным откреплением пластины от диска-носителя и разделением пластины на чипы. Закрепляют чипы тыльной стороной на носителях-теплоотводах
x
2
3
4
3
4
2
2
Пример 1. Был изготовлен утоненный фотоэлектрический преобразователь на основе трехпереходной фоточувствительной эпитаксиальной гетероструктуры GaInP/Ga(In)As/Ge с фронтальным контактным слоем n-GaAs, выращенной на германиевой подложке р-типа проводимости толщиной (140-180) мкм. Был сформирован омический контакт на поверхности контактного слоя n-GaAs путем напыления слоев Au(Ge)/Ni/Au через фоторезистивную маску. Осуществили вскрытие оптического окна в местах свободных от омического контакта методом жидкостного химического травления и напылили просветляющее покрытие TiO/SiO через фоторезистивную маску. Затем создали мезу путем травления на толщину слоев гетероструктуры и на 2 мкм германиевой подложки через фоторезистивную маску. Нанесли через фоторезистивную маску слой диэлектрика SiN. Напыли омический контакт Ag(Mn)/Ni/Au к германиевой подложке в мезе через фоторезистивную маску. Отожгли омические контакты в атмосфере водорода при температуре 370°С в течение 30 секунд. После нанесения защитного покрытия на фронтальную поверхность гетероструктуры, она была приклеена защитным покрытием на диск-носитель. Затем было выполнено утонение тыльной стороны германиевой подложки до толщины 20 мкм жидкостным химическим травлением в травителе, содержащем ортофосфорную кислоту HPO, перекись водорода HO и воду при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:
Н<sub>3</sub>РО<sub>4</sub>
73
H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>
8
вода
остальное
Затем осуществили матирование тыльной стороны утоненной германиевой подложки жидкостным химическим травлением путем трехкратной последовательной обработки в течение 10 секунд в травителе, содержащем фтористый водород HF и воду при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:
HF
32
вода
остальное
4
2
2
2
4
и в течение 110 секунд в травителе содержащем церия(IV) сульфат тетрагидрат Ce(SO)⋅4HO, серную кислоту HSO и воду при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:
Ce(SO<sub>4</sub>)<sub>2</sub>⋅4H<sub>2</sub>O
25
H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>
4
вода
остальное
3
4
Провели пассивацию тыльной стороны германиевой подложки путем осаждения диэлектрического покрытия SiN. Сформировали светоотражающее покрытие путем напыления слоя золота на поверхность диэлектрического покрытия. Осуществили перенос фотоэлектрического преобразователя на постоянный носитель (теплоотвод) и зафиксировали на нем. Отклеили гетероструктуру от диска-носителя и удалили защитное покрытие.
3
4
2
2
Пример 2. Был изготовлен утоненный фотоэлектрический преобразователь способом, описанном в примере 1, со следующими отличиями: сформировали мезу путем травления на толщину слоев гетероструктуры и на 3 мкм германиевой подложки через фоторезистивную маску. Провели утонение тыльной стороны германиевой подложки до толщины 15 мкм жидкостным химическим травлением в травителе, содержащем ортофосфорную кислоту HPO, перекись водорода HO и воду при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:
H<sub>3</sub>PO<sub>4</sub>
74
H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>
9
вода
остальное
Провели матирование тыльной стороны утоненной германиевой подложки жидкостным химическим травлением путем трехкратной последовательной обработки: в течение 15 секунд в травителе, содержащем фтористый водород HF и воду при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:
HF
34
вода
остальное
4
2
2
2
4
и в течение 130 секунд в травителе, содержащем церия(IV) сульфат тетрагидрат Ce(SO)⋅4HO, серную кислоту HSO и воду при следующем их соотношении, мас. ч.:
Ce(SO<sub>4</sub>)<sub>2</sub>⋅4H<sub>2</sub>O
35
H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>
5
вода
остальное
2
5
Провели пассивацию тыльной стороны утоненной германиевой подложки путем осаждения диэлектрического покрытия TaO. Сформировали светоотражающее покрытие путем напыления слоя серебра с защитным слоем золота на поверхность диэлектрического покрытия.
3
4
2
2
Пример 3. Был изготовлен утоненный фотоэлектрический преобразователь способом, описанном в примере 1, со следующими отличиями: сформирована меза путем травления на толщину слоев гетероструктуры и на 2 мкм германиевой подложки через фоторезистивную маску. Провели утонение тыльной стороны германиевой подложки до толщины 10 мкм жидкостным химическим травлением в травителе, содержащем ортофосфорную кислоту HPO, перекись водорода HO и воду при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:
H<sub>3</sub>PO<sub>4</sub>
73
H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>
9
вода
остальное
Провели матирование тыльной стороны утоненной германиевой подложки жидкостным химическим травлением путем трехкратной последовательной обработки в течение 15 секунд в травителе, содержащем фтористый водород HF и воду при следующем их соотношении компонентов, мас. ч.:
HF
33
вода
остальное
4
2
2
2
4
и в течение 130 секунд в травителе, содержащем церия(IV) сульфат тетрагидрат Ce(SO)⋅4HO, серную кислоту HSO и воду при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:
Ce(SO<sub>4</sub>)<sub>2</sub>⋅4H<sub>2</sub>O
34
H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>
5
вода
остальное
3
4
Осуществили пассивацию тыльной стороны германиевой подложки путем осаждения диэлектрического покрытия SiN. Сформировали светоотражающее покрытие путем напыления слоя золота на поверхность диэлектрического покрытия.
Результатом технического решения стало снижение удельной массы GaInP/Ga(In)As/Ge фотоэлектрического преобразователя. При этом сохранена спектральная чувствительность и фототок германиевого p-n-перехода после утонения подложки до (10-20) мкм, а также эффективность GaInP/Ga(In)As/Ge фотоэлектрического преобразователя.