ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области конструкции и технологии изготовления оптоэлектронных приборов, а именно фотоэлектрических преобразователей (ФП).
Известна конструкция и способ изготовления кремниевых ФП в виде диодной структуры с p-n переходом на лицевой стороне, 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 лицевой стороны 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 лицевой стороны и глубоким p-n переходом под металлическими контактами (Green M.A., Blakers A.W. et al. Improvements in flat-plate and concentrator silicon solar cell efficiency // 19 th IEEE Photovolt. Spec. Conf., New Orleans, 1987. - P.49-52). Процесс изготовления включает проведение следующих операций на лицевой стороне: 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 увеличение толщины первоначально созданного легированного слоя во время диффузионного легирования канавок и, как следствие, недостаточно высокое КПД ФП.
th
Известна конструкция и способ изготовления ФП с окисной пленкой на лицевой стороне, свободной от легированных слоев и контактов, которые создаются на тыльной стороне в виде чередующихся, точечных, 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 необходимость неоднократного проведения операций фотолитографического травления, что усложняет процесс изготовления и повышает стоимость ФП.
+
+
Известна конструкция ФП с двухсторонней рабочей поверхностью с диодной n-p-р структурой, 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 (патент США №3948682, кл. 136/84, от 06.04.1976 г.). Недостатком конструкции является наличие на всей рабочей и тыльной поверхностях сильно легированного слоя, верхние слои которого имеют очень низкую диффузионную длину неосновных носителей заряда, что снижает КПД таких ФП.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
В качестве прототипа принята конструкция фотопреобразователя с двухсторонней рабочей поверхностью, содержащего диодные структуры с n-p (p-n) переходами на лицевой поверхности кремниевой пластины и изотипными p-p (n-n) переходами в базовой области на тыльной поверхности кремниевой пластины, у которого площади и конфигурации металлических контактов на лицевой и тыльной поверхностях совпадают в плане, а толщина фотопреобразователя соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, диодные структуры выполнены в виде отдельных скоммутированных контактами участков, совмещенных в плане на лицевой и тыльной поверхностях с участками, на которые нанесены контакты, расстояние между отдельными соседними участками с p-n (n-p) переходами, а также между отдельными соседними участками с p-p (n-n) изотипными переходами не превышает удвоенную диффузионную длину неосновных носителей тока в базовой области, на поверхностях, свободных от n-p (p-n) переходов и p-p (n-n) изотипных переходов, выполнена пассивирующая, диэлектрическая пленка.
x
y
x
y
В прототипе способа изготовления фотоэлектрических преобразователей с двухсторонней рабочей поверхностью из пластин кремния, включающем химическое травление поверхности, создание на лицевой стороне пассивирующей, антиотражающей пленки и окон в этой пленке, легирование кремния в окнах соответственно донорной и акцепторной примесью на глубину более 0,5 мкм для формирования p-n переходов с использованием термообработки и нанесение в окна металлического контакта, окна шириной 1-50 мкм создают в пассивирующей, антиотражающей пленке из SiN, размещают окна друг от друга на расстоянии, не превышающем удвоенную диффузионную длину, а от торца фотопреобразователя на расстоянии, не превышающем диффузионную длину неосновных носителей заряда в базовой области, и всю поверхность окон покрывают металлическим контактом, создают на тыльной стороне пассивирующую, антиотражающую пленку SiN, в пленке вскрывают окна шириной 1-50 мкм, совмещая в плане с окнами на лицевой поверхности, размещают окна друг от друга на расстоянии, не превышающем удвоенную диффузионную длину, а от торца фотопреобразователей на расстоянии, не превышающем диффузионную длину неосновных носителей заряда в базовой области, проводят легирование окон с использованием термообработки до образования изотипных переходов, всю поверхность кремния в окнах покрывают металлическим контактом (патент РФ №2331139 от 28.02.2007 г.).
Недостатком известной конструкции ФП является большое последовательное сопротивление в базовой области и снижение эффективности при преобразовании концентрированного излучения.
Целью предлагаемой полезной модели является повышение эффективности преобразования интенсивных потоков излучения.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Технический результат достигается тем, что в полупроводниковом фотопреобразователе, содержащем рабочую поверхность, на которую падает излучение, базовую область, выполненную в виде пластины полупроводникового материала p- или n-типа проводимости, диодные структуры с n-p (p-n) переходами на рабочей поверхности, на которую падает излучение, и изотипные p-p ((n-n) переходы на противоположной поверхности, плоскости p-n (n-p) переходов и изотипных переходов параллельны рабочей поверхности, p-n (n-p) переходы выполнены в виде отдельных участков, скоммутированных с помощью контактов к легированному слою, расстояние между отдельными участками с p-n (n-p) переходами не превышает удвоенную диффузионную длину неосновных носителей заряда в базовой области, фотопреобразователь на рабочей поверхности в базовой области, свободной от p-n (n-p) переходов, содержит изолированные области с дополнительными изотипными p-p (n-n) переходами, которые выполнены между каждыми двумя соседними участками с p-n (n-p) переходами, плоскости дополнительных изотипных переходов параллельны рабочей поверхности, над дополнительными изотипными переходами расположены контактные полосы, которые изолированы от дополнительных изотипных переходов пассивирующей окисной пленкой и соединены, изолированной от базовой области контактной полосой, с контактом к легированному слою диодных структур, а участки базовой области, свободные от контактов, содержат пассивирующую просветляющую пленку.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-2
В варианте конструкции полупроводникового фотопреобразователя, содержащего базовую область, выполненную в виде пластины полупроводникового материала p- или n-типа проводимости, диодные структуры с n-p (p-n) переходами на рабочей поверхности, на которую падает излучение, и изотипные p-p ((n-n) переходы на тыльной поверхности, плоскости p-n переходов и изотипных переходов параллельны рабочей поверхности, p-n (n-p) переходы выполнены в виде отдельных участков, скоммутированных с помощью контактов к легированному слою, расстояние между отдельными участками с p-n (n-p) переходами не превышает удвоенную диффузионную длину неосновных носителей заряда в базовой области, фотопреобразователь на рабочей поверхности в базовой области, свободной от p-n (n-p) переходов, содержит изолированные области с дополнительными изотопными p-p (n-n) переходами, которые выполнены между каждыми двумя соседними участками с p-n (n-p) переходами, плоскости дополнительных изотипных переходов параллельны рабочей поверхности, над дополнительными изотипными переходами расположены контактные полосы, которые изолированы от изотипных переходов и соединены с контактами к легированному слою противоположного типа проводимости, на рабочую поверхность фотопреобразователя нанесена окисная пленка толщиной 10-30 нм и нанокластеры размером 10-30 нм с плотностью 300-600 мкм, а сверху пассивирующая просветляющая пленка со встроенными зарядами, знак которых совпадает со знаком основных носителей тока легированного слоя диодных структур фотопреобразователя.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
В другом варианте конструкции полупроводникового фотопреобразователя, содержащего базовую область, выполненную в виде пластины полупроводникового материала p- или n-типа, диодные структуры с n-p (p-n) переходами на рабочей поверхности, на которую падает излучение, и изотипными p-p (n-n) переходами на тыльной поверхности, плоскости p-n (n-p) переходов и изотипных переходов параллельны рабочей поверхности, p-n (n-p) переходы выполнены в виде отдельных участков, скоммутированных с помощью контактов к легированному слою, расстояние между отдельными участками с p-n (n-p) переходами не превышает удвоенную диффузионную длину неосновных носителей заряда в базовой области, фотопреобразователь на рабочей поверхности в базовой области, свободной от p-n (n-p) переходов, содержит изолированные области с дополнительными изотипными p-p (n-n) переходами, которые выполнены между каждыми двумя соседними областями с p-n (n-p) переходами, плоскости дополнительных изотипных переходов параллельны рабочей поверхности, рабочая поверхность фотопреобразователя содержит пассивирующую электроизолирующую окисную пленку, на которую нанесено прозрачное покрытие с электропроводящей пленкой, например, на основе легированных соединений окиси индия и олова, электропроводящая пленка изолирована от дополнительного изотипного перехода и соединена с токовыводом источника электропитания с противоположной полярностью по отношению к основным носителям заряда дополнительного изотипного перехода.
В варианте конструкции полупроводникового фотопреобразователя окисная пассивирующая пленка является просветляющим покрытием.
В варианте конструкции полупроводникового фотопреобразователя электропроводящее покрытие является просветляющим покрытием.
Еще в одном варианте конструкции полупроводникового фотопреобразователя электропроводящая пленка соединена с контактом к легированному слою диодных структур.
В другом варианте конструкции полупроводникового фотопреобразователя электропроводящая пленка присоединена к токовыводу от дополнительного фотопреобразователя.
+
Полезная модель поясняется рисунками фиг.1, 2, 3, 5, 4, 6, где на фиг.1 представлена конструкция полупроводникового фотопреобразователя с дополнительным p-p переходом на рабочей поверхности, поперечное сечение, на фиг.2 - вид полупроводникового фотопреобразователя в плане, на фиг.3 - конструкция полупроводникового фотопреобразователя с нанокластерами на рабочей поверхности, поперечное сечение, на фиг.4 - вид полупроводникового фотопреобразователя в плане, на фиг.5 - конструкция полупроводникового фотопреобразователя с электропроводящим покрытием, поперечное сечение, на фиг.6 - вид полупроводникового фотопреобразователя в плане.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
На фиг.1 полупроводниковый фотопреобразователь содержит базовую область 1 p-типа, легированные области n-типа 2 и p-типа 3, образующие n-p переходы 4 и изотипные p-p переходы 5. На n-области нанесены контакты 6, а к p-областям контакты 7. Между каждыми двумя соседними участками с n-p переходами 4 изолированно расположены p-области 8, которые образуют с p-областью 1 дополнительные изотипные p-p переходы 9, не связанные с основным изотипным p-p переходом 5. Контакты 10 изолированы от дополнительных изотипных p-p переходов 9 и от базовой области 1 и соединены с контактами 6 к n-областям 2. Плоскости контактов 6 и 10 совмещены в плане с контактами 7 к основному изотипному p-p переходу 5 для снижения омических потерь и увеличения пропускания фотопреобразователя в фотонеактивной части спектра излучения, лежащей за краем основной полосы поглощения. Поверхности 11 и 12 базовой области 1, свободные от контактов, имеют просветляющее пассивирующее покрытие 13. На фиг.1 также показано направление потоков излучения 14 и 15 на поверхности 11 и 12 базовой области 1 и линии диффузионного 16 и дрейфового 17 перемещения неосновных носителей заряда (ННЗ) электронов 18 в базовой области 1.
+
На фиг.2 пунктиром обозначены изолированные области с дополнительным изотипным p-р переходом 8 на рабочей поверхности 11 базовой области 1. Области с изотипным переходом 8 по всей площади закрыты металлическим контактом 10, который изолирован от изотипного перехода 8 с помощью электроизолирующей окисной пленки 19 и соединен с контактом 6. Нелегированный участок базовой области 1, через который проходит контактная полоска 10, изолирован от контакта 10 с помощью окисной пленки 19 и просветляющего пассивирующего покрытия 13, расположенных под контактом 10.
+
-2
На фиг.3 контакт 7 к основному изотипному p-p переходу 5 выполнен ко всей площади изотипного перехода 5. На рабочую поверхность 11 базовой области 1, на которую падает поток излучения 14, нанесена окисная пленка 19 толщиной 10-30 нм, на которую нанесен слой 20 нанокластеров 21 размером 10-30 нм с плотностью 300-600 мкм и пассивирующая просветляющая пленка 22 со встроенными отрицательными зарядами.
+
+
На фиг.4 рабочая поверхность базовой области 1 содержит чередующиеся протяженные изолированные области с p-n переходами 4 и дополнительными изотипными p-p переходами 8, которые сверху закрыты металлическими контактами 6 и 10. Контакты 10 изолированы от изотипного перехода 8 окисной пассивирующей пленкой 19. Базовая область 1 между легированными областями покрыта окисной пассивирующей пленкой 19, слоем 20 нанокластеров 21 и просветляющей пленкой 22. Контактная полоса 23, соединяющая контактные полосы 6 над p-n переходами 4 и контактные полосы 10 над p-p переходами 9, изолирована от базовой области 1 с помощью окисной пленки 19 и просветляющего покрытия 22 (фиг.3).
+
+
+
На фиг.5 на рабочую поверхность 11 базовой области 1 нанесена пассивирующая электроизолирующая окисная пленка 19, на которую нанесено прозрачное электропроводящее покрытие 24 на основе легированной, например, фтором окиси индия. Электропроводящее покрытие 24 изолировано окисной пленкой 19 от p-областей 8 дополнительного изотипного p-p перехода 9. Электропроводящее покрытие 24 электрически изолировано от контакта 6 к n-слою 2 на рабочей поверхности 11 с помощью участков 25 из изолирующей окисной пленки. Участки с p-n переходами 4 соединены между собой с помощью коммутирующей контактной полосы 23. Участки электропроводящего покрытия 24 соединены коммутирующей шиной 26 и изолированы от базовой области 1 с помощью окисной изолирующей пленки 19. Прозрачное электропроводящее покрытие 24 присоединено через шину 26 к токовыводу 27 отрицательной полярности от дополнительного миниатюрного фотоэлектрического генератора 28 с потенциометром 29 для регулирования напряжения и эффективности собирания генерированных светом неравновесных носителей.
Пример выполнения полупроводникового фотопреобразователя
+
+
+
+
Базовая область 1 (фиг.1) имеет удельное сопротивление 0,3-3 Ом·см p-типа. Расстояние между контактами 6 к n-p переходам 4 составляет 100 мкм, ширина контактов 5-6 мкм. Расстояние между каждым дополнительным изотипным p-p переходом 9 и n-p переходом 4 составляет 50 мкм, ширина контакта 10 к дополнительному изотипному переходу 9 составляет 5 мкм. Дополнительный изотипный p-p переход 9 имеет ширину 5 мкм, длину 10 мм и изолирован от контакта 10 просветляющей пленкой 13 на рабочей поверхности 11. Нелегированный участок базовой области 1, через который проходит контактная полоска 10, изолирован от контакта 10 с помощью окисной пленки 19 (фиг.2).
Пример осуществления способа изготовления полупроводникового фотопреобразователя
+
+
+
+
Пластину кремния p-типа (фиг.1) обрабатывают в растворе щелочи для удаления нарушенного слоя и очищают поверхности пластины от загрязнений. На рабочей поверхности 11 базовой области 1 создают окисную защитную пленку, в которой делают окна шириной 5 мкм и длиной, равной длине пластины. Расстояние между окнами составляет 105 мкм. В диффузионной печи проводят диффузию бора при температуре 1100°С в течение 30 мин и создают в окнах и на всей противоположной стороне пластины изотипные p-р переходы 9 и 5. Удаляют окисные пленки после диффузии бора, создают окисные пленки на обоих сторонах пластины и вытравливают окна на рабочей поверхности 11 базовой области 1 пластины посредине между полосками с p-p переходами 4. Ширина окон равна 5 мкм, длина окон равна длине пластины, а расстояние между окнами и соседними участками с p-p переходом 9 составляет 50 мкм. Проводят диффузию фосфора в окна при температуре 1000°С в течение 30 мин и создают участки с p-n переходами 4. На обе поверхности пластины наносят просветляющее покрытие 13 на основе нитрида кремния и создают одновременно контактные полосы 6 на участках с p-n переходами 4, контактные полосы 10 на участках с дополнительными изотипными переходами 9 на рабочей стороне 11 и контактные полосы 7 к изотипному p-p переходу 5 на тыльной стороне методом фотолитографии таким образом, чтобы контактные участки 6, 10 и 7 с двух сторон пластины совпадали в плане, а контактные полосы 10 были изолированы от изотипных переходов 9 с помощью окисной пленки 13 (фиг.1) или 19 на фиг.2.
+
+
-2
+
В другом варианте указанного выше способа изготовления (фиг.3) отличие состоит в том, что контакт 7 к p области 3 на тыльной стороне базовой области 1 пластины наносят по всей площади базовой области 1 после создания окисной пассивирующей пленки 19 на рабочей поверхности 11 и создания окон в окисной пленке 19 на участках с p-n переходами 4. Одновременно наносят контакты 6 к n-областям 2 и контакты 10 на окисную пленку 19 в p-областях 8. После создания контактов 7, 6, 10 на окисную пленку 19 наносят слои 20 нанокластеров 21 из серебра размером 10-30 нм с плотностью 300-600 мкм и сверху наносят просветляющее покрытие 22 из нитрида кремния, двуокиси титана или сульфида цинка. Затем создают гальваническую связь между контактами 6 к p-n переходам 4 и 10 к p-p переходам 9 путем коммутации металлических контактных полос 6 и 10 с помощью поперечной контактной полосы 23 (фиг.4), изолированной от базовой области 1, с помощью окисной пленки 19 и просветляющего покрытия 22 (фиг.3)
+
+
В варианте способа изготовления полупроводникового фотопреобразователя на фиг.5, отличие состоит в том. что на дополнительных p-областях 8 базовой области 1 создают прозрачную проводящую пленку на основе легированных окислов индия и олова (ITO) 24. Участки с проводящей прозрачной пленкой 24 коммутируют с помощью поперечной коммутационной шины 26 (фиг.6), изолированной от контактов 6 к n-областям 2 с помощью изолирующих слоев 25. Все участки с p-n переходами 4 коммутируют с помощью поперечной шины 23.
+
+
Полупроводниковый фотопреобразователь работает следующим образом. При освещении рабочей поверхности 11 и 12 на фиг.1 потоком излучения 14 и 15 в базовой области генерируются электронно-дырочные пары. Неосновные носители заряда электроны 18 в базовой области 1 двигаются за счет диффузии (траектория 16), однако при приближении к дополнительному изотипному p-p переходу 9, который находится под индуцированным обратным смещением, электроны отталкиваются электрическим полем от изотипного перехода и дрейфуют (траектория 17) к n-p переходу. За счет дрейфа происходит более полное собирание ННЗ, что приводит к увеличению фототока и КПД.
Дополнительное увеличение КПД достигается за счет плазменного резонанса нанокластеров 21 (фиг.3) и увеличения спектральной чувствительности фотопреобразователя.
+
Использование прозрачного электропроводящего покрытия 24 на фиг.5 и дополнительного источника электропитания 28 в виде миниатюрной автономной солнечной батареи, позволяет увеличить индуцированное через окисную пленку 19 обратное смещение на дополнительном изотипном p-p переходе 9 и регулировать с помощью потенциометра 29 скорость дрейфа ННЗ в базовой области 1, что приводит к увеличению эффективности собирания ННЗ, фототока и КПД.
Предложенные конструкции фоторпеобразователя обладают низким омическим сопротивлением и поэтому эффективно работают в условиях концентрированного солнечного излучения.