СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НА ОСНОВЕ GaAs
FABRICATION OF GaAs-BASED PHOTO INVERTER

Настоящее изобретение относится к области изготовления фоточувствительных полупроводниковых приборов на основе GaAs, позволяющих преобразовывать мощное узкополосное излучение в электрическую энергию для энергоснабжения наземных и космических объектов.
2
Разработка GaAs фотопреобразователей обусловлена, в частности, тем, что GaAs в настоящее время стал основным материалом для изготовления каскадных солнечных элементов как в качестве материала подложки, так и в качестве широкозонного фотоактивного элемента каскада. С другой стороны, эти структуры также могут использоваться в перспективных в настоящее время преобразователях узкополосного, например, лазерного излучения в электроэнергию. При этом ширина запрещенной зоны AlGaAs оптимальна для эффективного преобразования узкополосного излучения в диапазоне 0,7-0,87 мкм. Теоретические данные показывают, что эффективность фотопреобразователей на основе GaAs может достигать 85-87% при мощности падающего излучения 100 Вт/см.
1-x
x
Известен способ изготовления фотопреобразователя на основе GaAs (см. заявка US 2003136442, МПК H01L 31/00; H01L 31/04, опубликована 24.07.2003), включающий последовательное выращивание на подложке p-GaAs методом химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD) буферного слоя p-GaAs, слоя p-InGaP, играющего роль тыльного потенциального барьера, градиентного слоя p-InGaAs (с изменением In от 0 до 0,15), эмиттерного слоя n-InGaAs, широкозонного окна n-AlInP и контактного слоя n-GaAs. Известный способ изготовления фотопреобразователя технологически достаточно сложен и требует использования токсичных газов, в частности металлорганических соединений.
+
+
+
Известен способ изготовления фотопреобразователя на основе GaAs (см. патент RU 2244986, МПК H01L 31/18, опубликован 21.01.2005), в соответствии с которым на лицевую сторону полупроводниковой пластины со структурой n-Ge подложка, n-GaAs буферный слой, n-GaAs базовый слой, p-GaAs эмиттерный слой, p-GaAlAs широкозонный слой, p-GaAs контактный слой наносят слой двуокиси кремния. Напыляют слой контактной металлизации на тыл пластины. Формируют защитный слой фоторезиста на слое двуокиси кремния и наращивают тыльный контакт электрохимическим осаждением. После удаления фоторезиста создают фоторезистивную маску с окнами над контактными областями фотопреобразователя. Затем вытравливают слой двуокиси кремния в окнах, после удаления фоторезиста напыляют последовательно слои контактной металлизации хрома. После создания фоторезистивной маски с рисунком контактов наращивают контакты электрохимическим осаждением серебра и защитного слоя никеля. После удаления фоторезиста стравливают напыленные слои контактной металлизации ионно-лучевым травлением, проводят термообработку пластины и создают фоторезистивную маску с рисунком окон по периметру фотопреобразователя. Затем удаляют слой двуокиси кремния в окнах и вытравливают слои арсенида галлия до германиевой подложки. После снятия фоторезиста удаляют слой двуокиси кремния, а после стравливания p-GaAs слоя за пределами контактных областей наносят просветляющее покрытие.
К недостаткам известного способа изготовления фотопреобразователя можно отнести то, что структура имеет дополнительный контактный слой GaAs, предназначенный для снижения контактного сопротивления GaAs фотопреобразователя. Следует также отметить, что наращивание толщины тыльного и лицевого контактов методом электрохимического осаждения осуществляется в две стадии.
+
+
+
++
2
++
0,5
0,5
х
2
Известен способ изготовления фотопреобразователя на основе GaAs (см. E. Oliva, F. Dimroth and A.W. Bett «Converters for High Power Densities of Laser Illumination» Prog. Photovolt: Res. Appl. 2008; 16: 289-295), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Способ-прототип включает последовательное выращивание на подложке n-GaAs методом МОС-гидридной эпитаксии тыльного потенциального барьера n-GaInP, базового слоя n-GaAs, эмиттерного слоя p-GaAs, слоя широкозонного окна p-GaInP и контактного слоя p-AlGaAs или p-AlGaInAs. Тыльный контакт к n-GaAs формируют напылением слоев Pd/Ge, а лицевой - напылением слоев Ti/Pd/Ag. Антиотражающее покрытие выполняют из двух слоев: ТаО и MgF. Эффективность таких фотопреобразователей варьируется от 52 до 54,9% при интенсивности падающего излучения ~40 Вт/см. Максимальная эффективность была измерена на фотоэлементе, выращенным на n-GaAs подложке, с широкозонным окном p-GaInP и контактным слоем p-AlGaInAs.
Недостатком способа-прототипа является необходимость выращивания как контактного слоя, предназначенного для снижения омических потерь, так и слоя широкозонного окна, снижающего оптические потери. При осуществлении известного способа необходимо использовать токсичные газы (в частности, арсин, фосфин и металлорганические соединения), особо чистые химические вещества, а также применять сложную и дорогостоящую аппаратуру.
Задачей настоящего изобретения являлось создание такого способа изготовления фотопреобразователя на основе GaAs, который был более простым, безопасным и позволял с меньшими затратами совместить в одном слое функции широкозонного окна и контактного слоя (снизить в этом слое сопротивление растекания) и тем самым увеличить кпд преобразования монохроматического (в частности лазерного) излучения.
Поставленная задача решается тем, что способ изготовления фотопреобразователя на основе GaAs включает последовательное выращивание методом жидкофазной эпитаксии на подложке n-GaAs буферного слоя n-GaAs, легированного оловом или теллуром, базового слоя n-GaAs, легированного оловом или теллуром, эмиттерного слоя p-GaAs, легированного магнием, и слоя p-AlGaAs, легированного магнием или германием, при содержании Al в твердой фазе 30-40 ат.% в начале роста слоя и при содержании Al в твердой фазе 10-15 ат.% в приповерхностной области слоя. Далее осуществляют осаждение тыльного контакта термическим вакуумным напылением, отжиг осажденного тыльного контакта в атмосфере водорода, осаждение через маску фоторезиста лицевого контакта термическим вакуумным испарением и отжиг осажденного лицевого контакта в атмосфере водорода. Проводят металлизацию лицевого контакта гальваническим осаждением через маску из фоторезиста, разделительное травление структуры на отдельные фотоэлементы и нанесение антиотражающего покрытия. Выбор магния обусловлен относительно малым удельным давлением его паров. Новым в настоящем изобретении является выращивание методом жидкофазной эпитаксии слоя p-AlGaAs, легированного магнием или германием, с содержанием Al в твердой фазе 30-40 ат.% в начале роста слоя и содержанием Al в твердой фазе 10-15 ат.% в приповерхностной области слоя, в результате выращенный слой p-AlGaAs является одновременно пассивирующим покрытием, играет роль широкозонного окна и контактного слоя. Изменение содержания Al в твердой фазе 30-40 ат.% до 10-15 ат.% в процессе роста из одной жидкой фазы обеспечивает как пассивацию поверхности фотоактивного слоя (Al в твердой фазе от 30-40 ат.%), так и возможность получения низкоомных контактов к поверхностному слою (Al в твердой фазе до 10-15 ат.%) структуры, а также прозрачность этого слоя для падающего лазерного излучения в диапазоне длин волн 0,8-0,87 мкм.
Буферный слой n-GaAs может быть выращен толщиной не менее 10 мкм при температуре 750-800°С, базовый слой n-GaAs - толщиной 3-5 мкм при температуре 740-750°С, эмиттерный слой p-GaAs - толщиной 1,5-2,0 мкм при температуре 735-740°С и слой p-AlGaAs - толщиной 3-30 мкм при температуре 550-735°С.
Тыльный контакт может быть получен последовательным напылением слоя сплава золота с германием Au(Ge) и слоя золота Au.
Отжиг осажденного тыльного контакта может быть проведен в атмосфере водорода при температуре 220-250°С.
Лицевой контакт может быть получен последовательным нанесением слоя хрома Cr и слоя золота Au.
Отжиг осажденного лицевого контакта может быть проведен в атмосфере водорода при температуре 200-220°С.
Может быть проведена дополнительная металлизация лицевого контакта гальваническим осаждением через маску из фоторезиста при одновременном гальваническом осаждении золота на тыльную поверхность.
2
На лицевую поверхность подложки может быть нанесено антиотражающее покрытие, например, из слоя сульфида цинка ZnS, покрытого слоем дифторида магния MgF.
2
Настоящий способ изготовления фотопреобразователя на основе GaAs проводят в кварцевом проточном реакторе в атмосфере очищенного водорода в графитовой кассете сдвигового типа. В качестве металла-растворителя используют галлий. Подложку арсенида галлия, n-типа проводимости, приводят в контакт с жидкой фазой. Выращивают посредством техники жидкофазной эпитаксии предпочтительно при температуре 750-800°С буферный слой n-GaAs, легированный оловом или теллуром, толщиной не менее 10 мкм, который позволяет уйти от дефектов подложки, далее базовый слой n-GaAs, легированный оловом или теллуром, при температуре преимущественно 740-750°С толщиной, например, 3-5 мкм и эмиттерный слой p-GaAs, легированный магнием, при температуре 735-740°С толщиной, например, 1,5-2,0 мкм, таким образом формируя p-n-переход. Далее выращивают слой p-AlGaAs, легированный магнием или германием, с содержанием Al в твердой фазе 30-40 ат.% в начале роста слоя и содержанием Al в твердой фазе 10-15 ат.% в приповерхностной области слоя, при температуре 550-735°С толщиной, например, 3-30 мкм, который является одновременно пассивирующим покрытием, играет роль широкозонного окна и контактного слоя. Тыльный контакт можно создавать последовательным напылением слоя из сплава Au(Ge) и слоя Au. Отжиг осажденного тыльного контакта в атмосфере водорода предпочтительно проводить при температуре 220-250°С. Наносят на лицевую поверхность подложки маску из фоторезиста, соответствующую топологии лицевого контакта, через которую термическим вакуумным испарением создают лицевой электрический контакт последовательным нанесением Cr и Au и удаляют фоторезист. Хром улучшает адгезию металлического контакта с полупроводником, золото снижает контактное сопротивление. Отжиг осажденного лицевого контакта в атмосфере водорода предпочтительно проводить при температуре 200-220°С. В случае недостаточной толщины созданных контактов возможно также дополнительно создание маски из фоторезиста посредством взрывной фотолитографии для гальванического осаждения золота с целью увеличения толщины контакта и улучшения его омических свойств. Настоящим способом может быть одновременно изготовлено несколько фотопреобразователей. В этом случае дополнительно проводят фотолитографию для создания соответствующего рисунка в маске фоторезиста с целью проведения разделительного травления структуры. На лицевую поверхность подложки можно наносить антиотражающее покрытие, например, из двух слоев: нижнего слоя из сульфида цинка ZnS и верхнего слоя из дифторида магния MgF для минимизации оптических потерь фотоэлемента. Завершающей операцией является резка структуры на отдельные фотоэлектрические преобразователи.
2
Пример 1. Выращивали на монокристаллической подложке арсенида галлия n-типа, легированной оловом, методом жидкофазной эпитаксии слои: буферный слой n-GaAs, легированный оловом, при температуре 780°С толщиной 10 мкм, базовый слой n-GaAs, легированный оловом, при температуре 750°С толщиной 3 мкм, эмиттерный слой p-GaAs, легированный магнием, при температуре 735°С толщиной 1,5 мкм, и слой p-AlGaAs, легированный магнием, с содержанием Al в твердой фазе 30 ат.% в начале роста слоя и содержанием Al в твердой фазе 10 ат.% в приповерхностной области слоя толщиной 11 мкм, при температуре окончания процесса роста 590°С. Процесс проводили в кварцевом проточном реакторе в атмосфере очищенного водорода в графитовой кассете сдвигового типа. Осаждали тыльный контакт из сплава золота с германием Au(Ge) и слоя золота Аи методом термического вакуумного испарения и отжигали его в атмосфере водорода при температуре 220°С. Создавали маску из фоторезиста посредством фотолитографии для формирования лицевого контакта, осаждали его методом термического вакуумного испарения последовательным нанесением Cr и Au, удаляли фоторезист с помощью техники взрывной фотолитографии и отжигали лицевой контакт в атмосфере водорода при температуре 200°С. Создавали маску из фоторезиста посредством фотолитографии для гальванического осаждения золота на лицевую поверхность и проводили это осаждение. Одновременно проводилось гальваническое осаждение золота на тыльную поверхность. Проводили процесс фотолитографии для создания рисунка в маске фоторезиста с целью разделительного травления структуры и осуществляли само травление. На светочувствительной поверхности структуры осаждали антиотражающее покрытие (ZnS/MgF).
2
Пример 2. Выращивали на монокристаллической подложке арсенида галлия n-типа, легированной теллуром, методом жидкофазной эпитаксии слои: буферный слой n-GaAs, легированный теллуром, при температуре 800°С толщиной 15 мкм, базовый слой n-GaAs, легированный теллуром, при температуре 750°С толщиной 5 мкм, эмиттерный слой p-GaAs, легированный магнием, при температуре 740°С толщиной 2,0 мкм, и слой p-AlGaAs, легированный германием, с содержанием Al в твердой фазе 40 ат.% в начале роста слоя и содержанием Al в твердой фазе 15 ат.% в приповерхностной области слоя, толщиной 8 мкм, при температуре окончания процесса роста 620°С. Процесс проводили в кварцевом проточном реакторе в атмосфере очищенного водорода в графитовой кассете сдвигового типа. Осаждали тыльный контакт из сплава золота с германием Au(Ge) и слоя золота Au методом термического вакуумного испарения и отжигали его в атмосфере водорода при температуре 250°С. Создавали маску из фоторезиста посредством фотолитографии для формирования лицевого контакта, осаждали его методом термического вакуумного испарения последовательным нанесением Cr и Au, удаляли фоторезист с помощью техники взрывной фотолитографии и отжигали лицевой контакт в атмосфере водорода при температуре 220°С. Создавали маску из фоторезиста посредством фотолитографии для гальванического осаждения золота на лицевую поверхность и проводили это осаждение. Одновременно проводилось гальваническое осаждение золота на тыльную поверхность. Проводили процесс фотолитографии для создания рисунка в маске фоторезиста с целью разделительного травления структуры и осуществляли само травление. На светочувствительной поверхности структуры осаждали антиотражающее покрытие (ZnS/MgF).
Были сняты нагрузочные характеристики полученных фотопреобразователей. Увеличение значения фактора заполнения нагрузочных характеристик полученных фотопреобразователей свидетельствует о том, что в данных структурах происходит снижение сопротивления растекания. Настоящий способ прост в осуществлении и безопасен, так как не требует использования токсичных веществ.