Способ изготовления фотопреобразователя на утоняемой германиевой подложке с выводом тыльного контакта на лицевой стороне полупроводниковой структуры
METHOD OF MAKING A PHOTOCONVERTER ON A GERMANIUM SUBSTRATE WITH A REAR CONTACT OUTPUT ON THE FRONT SIDE OF THE SEMICONDUCTOR STRUCTURE

Изобретение относится к области конструкции и технологии оптоэлектронных приборов, в частности, к способам изготовления фотопреобразователей на многокаскадных эпитаксиальных структурах, выращенных на германиевой подложке.
Известен способ получения отверстий в монокристаллических пластинах кремния (см. патент РФ №2569551, опубл. 20.07.2015 г.), принятый за аналог, в котором сквозные отверстия создаются за счет химического газофазного травления по схеме кристалл→жидкая капля→пар, под действием поперечного, направленного от лицевой к тыльной стороне пластины градиента температуры. Полученные отверстия диаметром ∅20÷25 мкм имеют цилиндрическую или конусную форму и проходят через всю толщину пластины.
Способ позволяет создавать отверстия в кремниевых пластинах солнечных элементов с вертикальными р/n переходами, выводить коллекторные контакты с лицевой на тыльную сторону пластины в кремниевых односторонних фотоэлектрических преобразователях.
Недостаток способа, применительно к изготовлению фотопреобразователей на германиевой подложке, заключается в невозможности локального расплавления подложки без повреждения р/n переходов эпитаксиальной структуры.
Признак, общий с предлагаемым способом изготовления фотопреобразователя на утоняемой германиевой подложке с выводом тыльного контакта на лицевой стороне полупроводниковой структуры, следующий: создание сквозных отверстий.
Известен способ создания сквозных микро- и субмикронных каналов в кристалле кремния (см. патент РФ №2592732, опубл. 27.07.2016 г.), принятый за аналог, в котором для создания чипов с возможностью охлаждения внутренних слоев, прошивают отверстия в кристалле кремния лазерным методом за счет наведения фокального пятна на поверхность кристалла и многоступенчатого перемещения этого пятна в направлении к входной поверхности, при этом для получения микроканалов с диаметрами микронных и субмикронных размеров в кристалле кремния используют инфракрасный фемтосекундный хром-форстерит лазер с длиной волны из-излучения 1240 нм.
Недостаток способа применительно к технологии изготовления фотопреобразователей на германиевой подложке, заключается в том, что для формирования металлизированных отверстий в полупроводниковой структуре необходимо химическое вытравливание шлакового материала с поверхности углублений.
Известен способ изготовления фотопреобразователя со встроенным диодом на германиевой подложке (см. патент РФ №2672760, опубл. 19.11.2018 г.), принятый за аналог, в котором на германиевой подложке с выращенными эпитаксиальными слоями создают фоторезистивную маску с окнами под лицевые контакты фотопреобразователя и диода, вытравливают диодную площадку, напыляют слои лицевой металлизации, удаляют фоторезист, создают фоторезистивую маску под меза-травление, вытравливают мезу. Далее напыляют слои тыльной металлизации, отжигают контакты, выпрямляют металлизированную подложку в парах азота, выполняют разделение эпитаксиальной структуры лазерной резкой по металлизированному тылу подложки на глубину 70÷80 мкм с последующим разделением на чипы путем раскалывания эпитаксиальной структуры по надрезу в металлизированном тыле. Затем вскрывают оптическое окно травлением, напыляют просветляющее покрытие, стравливают дефекты торцевой поверхности фотопреобразователя, выпрямляют фотопреобразователь посредством охлаждения.
Недостаток способа аналога заключается в том, что для вывода тыльного контакта на лицевую поверхность полупроводниковой структуры целесообразно утонение германиевой подложки.
Признаки аналога, общие с предлагаемым способом изготовления фотопреобразователя на утоняемой германиевой подложке с выводом тыльного контакта на лицевой стороне полупроводниковой структуры, следующие: создание на германиевой подложке с выращенными эпитаксиальными слоями фоторезистивной маски с окнами под лицевые контакты фотопреобразователя и диода, вытравливание диодной площадки, напыление лицевой металлизации, создание фоторезистивной маски под меза-травление, вытравливание мезы, напыление слоев тыльной металлизации, отжиг контактов, разделение пластины лазерной резкой на чипы фотопреобразователей, вскрытие оптического окна травлением, напыление просветляющего покрытия, выпрямление фотопреобразователя посредством охлаждения.
Известен способ изготовления фотопреобразователя со встроенным диодом (см. патент РФ №2515420, опубл. 10.05.2014 г. ), принятый за прототип, в котором создают на германиевой подложке с выращенными эпитаксиальными слоями фоторезистивную маску с окнами под лицевые контакты фотопреобразователя и диода; вытравливают диодную площадку; напыляют слои лицевой металлизации; удаляют фоторезист; создают фоторезистивную маску с окнами под меза-изоляцию; вытравливают мезу; наносят защитное покрытие; стравливают германиевую подложку; удаляют защитное покрытие; напыляют слои тыльной металлизации; отжигают контакты; вскрывают оптическое окно травлением; наносят просветляющее покрытие; вырезают из пластины фотопреобразователь со встроенным диодом; выпрямляют фотопреобразователь путем охлаждения в жидком азоте.
Недостаток способа прототипа заключается в том, что, при изготовлении данным способом фотопреобразователей с утонением германиевой подложки до толщины менее 50 мкм наблюдается интенсивное трещинообразование, обусловленное дефектами края полупроводниковой структуры от механического травмирования, в том числе при удалении защитной пленки хлорвинилового клея. Сварка по тыльной стороне фотопреобразователя на сверхтонкой подложке сопровождается деформацией эпитаксиальных слоев в связи с давлением электрода на узкий лицевой контакт. Для вывода тыльного контакта на лицевую сторону полупроводниковой структуры необходимо формирование сквозных отверстий.
Признаки, предлагаемого способа, общие с признаками способа-прототипа, следующие: создание на германиевой подложке с выращенными эпитаксиальными слоями фоторезистивной маски с окнами под лицевые контакты фотопреобразователя и диода; вытравливание диодной площадки; напыление слоев лицевой металлизации; удаление фоторезиста; создание фоторезистивной маски с окнами под меза-изоляцию; вытравливание мезы; нанесение защитного покрытия; стравливание подложки; удаление защитного покрытия; напыление слоев тыльной металлизации; отжиг контактов; разделение пластины; вскрытие оптического окна; напыление просветляющего покрытия; выпрямление фотопреобразователя со встроенным диодом путем охлаждения в азоте.
Отличительные признаки предлагаемого способа изготовления фотопреобразователя на утоняемой германиевой подложке с выводом тыльного контакта на лицевой стороне полупроводниковой структуры, обеспечивающие ему соответствие критерию «новизна», следующие: создание дополнительно меза-изолированной контактной площадки для вывода тыльного контакта фотопреобразователя, формирование лазером углубления под вышеназванной меза-изолированной контактной площадкой и по периметру фотопреобразователя, нанесение защитного покрытия формированием последовательно слоев позитивного и негативного фоторезистов методом центрифугирования и слоя быстросохнущей эмали методом распыления, наклеивание пластины защитным покрытием на выступы диска-носителя, стравливание подложки до эпитаксиальных слоев в углублениях с одновременным разделением пластины на чипы фотопреобразователей, вытравливание эпитаксиальных слоев в углублениях, после напыления слоев тыльной металлизации удаление защитного покрытия с одновременным откреплением чипов фотопреобразователей от диска-носителя, выпрямление чипов после отжига контактов и напыления просветляющего покрытия.
Технический результат, достигаемый в предлагаемом способе изготовления фотопреобразователя на утоняемой германиевой подложке с выводом тыльного контакта на лицевой стороне полупроводниковой структуры, заключается: в повышении выхода годных фотопреобразователей на подложке толщиной менее 50 мкм за счет устранения факторов травмирования края путем разделения полупроводниковой структуры на чипы в процессе утонения подложки; в упрощении технологии электрического соединения внешних выводов с тыльной металлизацией за счет выполнения сварки с выводом тыльного контакта по лицевой стороне фотопреобразователя. В случае сварки по тыльной стороне фотопреобразователя, изготавливаемого на сверхтонкой подложке, возрастает вероятность продавливания эпитаксиальной структуры сварочным электродом, так как опорой при этом служат узкие лицевые контакты, что приводит к снижению параметров и трещинообразованию. Кроме того, при сварке по лицевой стороне облегчается коммутация фотопреобразователей в составе солнечной батареи.
Для обоснования соответствия предлагаемого способа изготовления фотопреобразователя на утоняемой германиевой подложке с выводом тыльного контакта на лицевой стороне полупроводниковой структуры критерию «изобретательский уровень» был проведен анализ известных технических решений по литературным источникам, в результате которого не обнаружено технических решений, содержащих совокупность известных и отличительных признаков предлагаемого способа, дающих вышеуказанный технический результат. Поэтому, по мнению авторов, предлагаемый способ соответствует критерию «изобретательский уровень».
Достигается это тем, что создают на германиевой подложке с выращенными эпитаксиальными слоями фоторезистивную маску с окнами под лицевые контакты фотопреобразователя и диода, вытравливают диодную площадку, напыляют слои лицевой металлизации, удаляют фоторезист, создают фоторезистивную маску с окнами под меза-изоляцию фотопреобразователя и диода, вытравливают мезу, наносят защитное покрытие, стравливают подложку, удаляют защитное покрытие, напыляют слои тыльной металлизации, отжигают контакты, разделяют пластину, вскрывают оптическое окно, напыляют просветляющее покрытие, выпрямляют фотопреобразователь со встроенным диодом путем охлаждения в азоте, создают дополнительно меза-изолированную контактную площадку для вывода тыльного контакта фотопреобразователя, формируют лазером углубления под вышеназванной меза-изолированной контактной площадкой и по периметру фотопреобразователя, наносят защитное покрытие формированием последовательно слоев позитивного и негативного фоторезистов методом центрифугирования и слоя быстросохнущей эмали методом распыления, наклеивают пластину 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.
Предлагаемый способ изготовления фотопреобразователя на утоняемой германиевой подложке с выводом тыльного контакта на лицевой стороне полупроводниковой структуры иллюстрирован фотографиями (фиг. 1; 3а,б; 4а,б; 5а,б) и чертежом (фиг. 2). На фиг. 1 представлен вид германиевой подложки с лазерным углублением. На фиг. 2 представлен общий вид полупроводниковой структуры с защитным покрытием. На фиг. 3а,б представлен скол германиевой подложки вдоль лазерного углубления: а) - до травления; б) - после стравливания полупроводникового слоя толщиной ~80 мкм. На фиг. 4а,б представлен вид отверстий в полупроводниковой структуре: а) - после вытравливания; б) - после напыления тыльной металлизации. На фиг. 5а,б представлены: а) - вид поперечного сечения; б) - вольт-амперная характеристика изготовленного фотопреобразователя.
2
2
2
2
2
3
В качестве конкретного примера реализации предлагаемого способа создают на германиевой подложке диаметром ∅100 мм, толщиной 145÷155 мкм с выращенными эпитаксиальными слоями трехкаскадной структуры GaInP/GaInAs/Ge фоторезистивную маску с окнами под лицевые контакты фотопреобразователя, диода и контактную площадку для вывода. тыльного контакта фотопреобразователя. Вытравливают диодную площадку диода. Напыляют слои лицевой металлизации на основе серебра. Удаляют фоторезист с напыленной пленкой металлизации. Создают фоторезистивную маску ФП9120-2 с окнами под меза-изоляцию фотопреобразователя, встроенного диода и контактной площадки для вывода тыльного контакта фотопреобразователя. Вытравливают мезу. Удаляют фоторезист. Формируют лазером углубления в германиевой подложке под контактной площадкой для вывода тыльного контакта и по периметру фотопреобразователя. Для совмещения рисунка углублений с рисунком лицевой металлизации предварительно создают метки в нерабочих областях пластины. Используют лазерную установку ЭМ-250 с длиной волны излучения равной λ=1,06 мкм. Величина углублений, заполненных шлаковым расплавом, составляет ~90 мкм, (см. фиг.1; 3а). В последующем процессе стравливания германиевой подложки происходит очистка лазерных углублений от шлакового материала (см. фиг. 3б). Наносят защитное покрытие, формируя последовательно слои позитивного фоторезиста ФП9120-2 и негативного фоторезиста Aznlof 2070 методом центрифугирования. В силу различия растворителей перемешивание фоторезистивных слоев происходит незначительно. Суммарная толщина фоторезистивных слоев составляет ~12 мкм. Затем наносят слой быстросохнущей эмали «Universal» методом распыления поверх фоторезистивных слоев защитного покрытия (см. фиг. 2). Нанесение слоя эмали предотвращает растрескивание защитного покрытия при соприкосновении с воздухом после стравливания германиевой подложки. Формирование защитного покрытия после выполнения лазерных углублений обусловлено тем, что при термическом воздействии лазера, ухудшается адгезия фоторезиста. Наклеивают пластину защитным покрытием на выступы диска-носителя, выполненного на основе кремниевой полупроводниковой пластины, используя эпоксидный клей «Контакт». Выступы обеспечивают доступ растворителя при последующем удалении защитного покрытия. Фиксацией пластины на диске-носителе устраняется возможность травмирования края полупроводниковой структуры в процессе стравливания подложки. Стравливают германиевую подложку до эпитаксиальных слоев в углублениях химико-динамически в водном растворе плавиковой кислоты и перекиси водорода HF÷НО÷НО=1÷1÷4 при этом остаточная толщина подложки составляет ~30 мкм. Одновременно с этим полупроводниковая пластина разделяется на два чипа фотопреобразователя с габаритными размерами 40×80 мм. Вытравливают эпитаксиальные слои в углублениях, используя растворы для травления мезы (см. фиг. 4а). Напыляют электронно-лучевым методом слои тыльной металлизации на основе серебра (см. фиг. 4б). Удаляют защитное покрытие в растворителях с одновременным откреплением чипов фотопреобразователей от диска носителя. Применение диска-носителя на основе кремниевой полупроводниковой пластины обусловлено близостью коэффициентов термического расширения кремния и германия, что необходимо во избежание коробления утоненной полупроводниковой структуры. Отжигают контакты. Выпрямляют чипы фотопреобразователей путем охлаждения в азоте. Вскрывают оптическое окно травлением по маске лицевой металлизации. Напыляют просветляющее покрытие на основе TiO/AlO. Выпрямляют фотопреобразователь со встроенным диодом посредством охлаждения. При отжиге и выпрямлении чипы фотопреобразователей располагают между кремниевыми пластинами для предотвращения деформации и трещинообразования.
Вес изготовленных фотопреобразователей с толщиной германиевой подложки менее 50 мкм составил 0,6÷0,8 г, коэффициент полезного действия КПД более 29%, (см. фиг. 5а,б).
В отверстиях полупроводниковой структуры под меза-изолированной контактной площадкой для вывода тыльного контакта фотопреобразователя осуществлено смыкание слоев лицевой и тыльной металлизации.
Сопротивление вывода тыльного контакта составило менее 0,001 Ом, что позволяет выполнять сварное соединение с внешними выводами по лицевой стороне фотопреобразователя с минимальным риском повреждения эпитаксиальной структуры и упростить коммутацию фотопреобразователей в составе солнечной батареи.
Разделение утоненной полупроводниковой структуры на чипы фотопреобразователей посредством химического травления снижает вероятность трещинообразования, способствует увеличению выхода годных приборов.