ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
PHOTO ELECTRIC CONVERTER (VERSIONS) AND METHOD OF ITS FABRICATION (VERSIONS)

Изобретение 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 р-п 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 р-п перехода и, как следствие, невысокое значение их КПД.
В качестве прототипа принята конструкция и способ изготовления кремниевых ФП в виде твердотельной матрицы с параллельной коммутацией микроэлементов, у которых два линейных размера - ширина и высота микроэлементов - не превышают диффузионной длины неосновных носителей тока в базовой области, р-п переходы расположены на двух противоположных гранях микроэлементов, параллельных рабочей поверхности, коммутационный переход на торце фотопреобразователя обеспечивает параллельную коммутацию в матрице легированных слоев всех микроэлементов, а параллельное соединение базовых областей производится со стороны, противоположной рабочей поверхности, с помощью контакта к базе, плоскость которого параллельна рабочей поверхности (авт. свид. СССР №288161, Б.И. №36, 1970).
Для изготовления известного ФП проводят диффузию фосфора в пластины кремния р-типа со всех сторон пластины, металлизированные пластины спаивают в столбик, столбик разрезают на формы, с одной стороны матриц вытравливают часть токоотводов и легированных областей, заполняют вытравленные области изолирующим веществом и наносят сплошной токоотвод к базовой области (авт. свид. СССР №288160, Б.И. №36, 1970).
Недостатком известного ФП является низкий КПД и низкая спектральная чувствительность в коротковолновой области спектра из-за высокой скорости поверхностной рекомбинации на рабочей поверхности.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение КПД и снижение потерь на поверхностную рекомбинацию.
В результате использования предлагаемого изобретения повышается эффективность полупроводникового фотопреобразователя.
+
+
+
+
+
+
+
+
Технический результат достигается тем, что в полупроводниковом фотопреобразователе, содержащем матрицу из скоммутированных параллельно с помощью контактов микроэлементов с базовой областью и легированными областями п-р-п (p-п-p) структур, плоскости р-п переходов и контактов к легированным п (р) областям перпендикулярны к рабочей стороне, на которую падает излучение, один или два линейных размера каждого микроэлемента соизмеримы с удвоенной диффузионной длиной неосновных носителей заряда в базовой области, и на тыльной стороне каждого микроэлемента расположены контакты к базовой области, каждый микроэлемент содержит вдоль рабочей и тыльной сторон области с дополнительными изотипными р-р (п-п) переходами, отделенными от р-п переходов промежутком, ширина которого, по меньшей мере, в 10 раз меньше размера микроэлемента, а участки базовой и легированной областей, свободные от контактов, содержат пассивирующую просветляющую пленку.
+
+
+
+
+
+
+
+
-2
В другом варианте конструкции полупроводникового фотопреобразователя, содержащего матрицу из скоммутированных параллельно с помощью контактов микроэлементов с базовой областью и легированными областями п-р-п (р-п-р) структур, плоскости р-п переходов и контактов к легированным п (p) областям перпендикулярны к рабочей стороне, на которую падает излучение, один или два линейных размера каждого микроэлемента соизмеримы с удвоенной диффузионной длиной неосновных носителей заряда в базовой области, и на тыльной стороне каждого микроэлемента расположены контакты к базовой области, каждый микроэлемент содержит вдоль рабочей и тыльной сторон области с дополнительными изотипными р-р (п-п) переходами, отделенными от р-п переходов промежутком, ширина которого, по меньшей мере, в 10 раз меньше размера микроэлемента, на рабочую сторону нанесена окисная пленка толщиной 10-30 нм с нанокластерами размером 10-30 нм с плотностью 300-600 мкм, а сверху пассивирующая просветляющая пленка со встроенными зарядами, знак которых противоположен знаку основных носителей заряда легированного слоя дополнительных изотипных переходов.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
В варианте конструкции полупроводникового фотопреобразователя, содержащего матрицу из скоммутированных параллельно с помощью контактов микроэлементов с базовой областью и легированными областями п-p-п (р-п-р) структур, плоскости р-п переходов и контактов к легированным п (р) областям перпендикулярны к рабочей стороне, на которую падает излучение, один или два линейных размера каждого микроэлемента соизмеримы с удвоенной диффузионной длиной неосновных носителей заряда в базовой области, и на тыльной стороне расположены контакты к базовой области каждого микроэлемента, каждый микроэлемент содержит вдоль рабочей и тыльной сторон области с дополнительными изотипными p-p (п-п) переходами, отделенными от р-п переходов промежутком, ширина которого, по меньшей мере, в 10 раз меньше размера микроэлемента, на рабочей стороне на дополнительные изотипные переходы нанесена окисная пассивирующая пленка и контактная полоса, которая соединена с контактом к легированным областям п-p-п (р-п-р) структур с противоположным типом проводимости, а участки базовой и легированных областей на рабочей стороне содержат пассивирующую просветляющую пленку.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-2
В другом варианте полупроводникового фотопреобразователя, содержащего матрицу из скоммутированных параллельно с помощью контактов микроэлементов с базовой областью и легированными областями п-р-п (р-п-р) структур, плоскости р-п переходов и контактов к легированным п (р) областям перпендикулярны к рабочей стороне, на которую падает излучение, один или два линейных размера каждого микроэлемента соизмеримы с удвоенной диффузионной длиной неосновных носителей заряда в базовой области, и на тыльной стороне расположены контакты к базовой области каждого микроэлемента, каждый микроэлемент содержит вдоль рабочей и тыльной сторон области с дополнительными изотипными p-p (п-п) переходами, отделенными от р-п переходов промежутком, ширина которого, по меньшей мере, в 10 раз меньше размера микроэлемента, на рабочей стороне на дополнительные изотипные переходы нанесена окисная пассивирующая пленка и контактная полоса, которая соединена с контактом к легированным областям п-р-п (р-п-р) структур с противоположным типом проводимости, на рабочую сторону нанесена окисная пленка толщиной 10-30 нм с нанокластерами размером 10-30 нм с плотностью 300-600 мкм, а сверху пассивирующая просветляющая пленка со встроенными зарядами, знак которых противоположен знаку основных носителей заряда легированного слоя дополнительных изотипных переходов.
+
+
+
+
+
+
+
+
В еще одном варианте конструкции полупроводникового фотопреобразователя, содержащего матрицу из скоммутированных параллельно с помощью контактов микроэлементов с с базовой областью и легированными областями п-р-п (р-п-р) структур, плоскости р-п переходов и контактов к легированным п (р) областям перпендикулярны к рабочей стороне, на которую падает излучение, один или два линейных размера каждого микроэлемента соизмеримы с удвоенной диффузионной длиной неосновных носителей заряда в базовой области, и на тыльной стороне расположены контакты к базовой области каждого микроэлемента, каждый микроэлемент содержит вдоль рабочей и тыльной сторон области с дополнительными изотипными р-р (п-п) переходами, отделенными от р-п переходов промежутком, ширина которого, по меньшей мере, в 10 раз меньше размера микроэлемента, рабочая сторона содержит пассивирующую электроизолирующую просветляющую пленку, на которую нанесено прозрачное покрытие с электропроводящей пленкой, например, на основе легированных соединений окисей индия и олова, электропроводящая пленка соединена с дополнительными изотипными переходами и с токовыводом источника электропитания противоположной полярности по отношению к знаку основных носителей заряда легированного слоя дополнительных изотипных переходов.
Дополнительное повышение эффективности достигается тем, что в полупроводниковом фотопреобразователе прозрачная проводящая пленка присоединена к токовыводу дополнительного автономного фотопреобразователя с противоположной полярностью напряжения по отношению к знаку основных носителей заряда легированного слоя дополнительных изотипных переходов.
+
+
+
+
+
+
+
+
В другом варианте конструкции полупроводникового фотопреобразователя, содержащего матрицу из скоммутированных параллельно с помощью контактов микроэлементов с базовой областью и легированными областями п-р-п (р-п-р) структур, плоскости р-п переходов и контактов к легированным п (р) областям перпендикулярны к рабочей стороне, на которую падает излучение, один или два линейных размера каждого микроэлемента соизмеримы с удвоенной диффузионной длиной неосновных носителей заряда в базовой области, и на тыльной стороне расположены контакты к базовой области каждого микроэлемента, каждый микроэлемент содержит вдоль рабочей и тыльной сторон области с дополнительными изотипными р-р (п-п) переходами, отделенными от р-п переходов промежутком, ширина которого, по меньшей мере, в 10 раз меньше размера микроэлемента, рабочая поверхность содержит пассивирующую электроизолирующую просветляющую пленку, на которую нанесено прозрачное покрытие с электропроводящей пленкой, например, на основе легированных соединений окисей индия и олова, электропроводящая пленка соединена с дополнительным изотипным переходом и присоединена через выпрямляющий диод к однопроводной резонансной системе питания, содержащей полупроводниковый фотопреобразователь, преобразователь частоты, резонансный контур и трансформатор Тесла.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Технический результат достигается также тем, что в способе изготовления полупроводникового фотопреобразователя, содержащего матрицу из скоммутированных параллельно с помощью контактов микроэлементов, включающего диффузионное легирование полупроводниковых пластин с образованием вдоль поверхности п-р-п (р-п-р) структур, металлизацию легированных п (р) слоев, соединение пластин в стопку через металлические прослойки, резку стопки на матрицы, травление обеих сторон и нанесение просветляющего покрытия на рабочую сторону, на которую падает излучение, вдоль обеих сторон фотопреобразователя избирательной диффузией, например, лазером, создают дополнительные изотипные р-р (п-п) переходы, отделенные от п-р (р-п) переходов промежутком, ширина которого, по меньшей мере, в 10 раз меньше размера микроэлемента.
-2
Дополнительное улучшение эффективности фотопреобразователя достигается тем, что на рабочую сторону наносят окисную пленку толщиной 10-30 нм с нанокластерами размером 10-30 нм с плотностью 300-600 мкм, а сверху пассивирующую просветляющую пленку со встроенными зарядами, знак которых противоположен знаку основных носителей заряда легированного слоя дополнительных изотипных переходов.
+
+
+
+
Дополнительное улучшение эффективности фотопреобразователя достигается тем, что на рабочую сторону на дополнительные изотипные переходы наносят окисную пассивирующую пленку и контактную полосу, которую соединяют с контактом к легированным областям п-р-п (р-п-р) структур с противоположным типом проводимости.
+
+
+
+
-2
Дополнительное улучшение эффективности фотопреобразователя достигается тем, что на рабочую сторону на дополнительные изотипные переходы наносят окисную пассивирующую пленку и контактную полосу, которую соединяют с контактом к легированным областям п-р-п (р-п-р) структур с противоположным типом проводимости, на рабочую сторону наносят окисную пленку толщиной 10-30 нм с нанокластерами размером 10-30 нм с плотностью 300-600 мкм, а сверху пассивирующую просветляющую пленку со встроенными зарядами, знак которых противоположен знаку основных носителей заряда легированного слоя дополнительных изотипных переходов.
Дополнительное улучшение эффективности фотопреобразователя достигается тем, что на рабочую сторону наносят пассивирующую электроизолирующую просветляющую пленку, на которую наносят прозрачное покрытие с электропроводящей пленкой, например, на основе соединений окисей индия и олова, электропроводящую пленку соединяют с дополнительными изотипными переходами и с токовыводом источника электропитания противоположной полярности, по отношению к знаку основных носителей заряда легированного слоя дополнительных изотипных переходов.
Дополнительное улучшение эффективности фотопреобразователя достигается тем, что на рабочую сторону наносят электроизолирующую просветляющую пленку, на которую наносят прозрачное покрытие с электропроводящей пленкой, например, на основе соединений окисей индия и олова, электропроводящую пленку соединяют с дополнительным изотипным переходом и присоединяют через выпрямляющий диод к однопроводной резонансной системе питания, содержащей дополнительный полупроводниковый фотопреобразователь, преобразователь частоты, резонансный контур и трансформатор Тесла.
+
+
+
+
+
+
Изобретение поясняется фиг.1, 2, 3, 4, где на фиг.1 представлена конструкция полупроводникового фотопреобразователя в виде матрицы из скоммутированных параллельно микроэлементов с дополнительным р-р переходом на рабочей и тыльной стороне (поперечное сечение и вид в плане), на фиг.2 - конструкция полупроводникового фотопреобразователя с дополнительными р-р переходами и нанокластерами на рабочей стороне (поперечное сечение), на фиг.3 - конструкция полупроводникового фотопреобразователя с изолированным контактом к р области дополнительного p-р перехода, соединенным с контактом фотопреобразователя к п области (поперечное сечение и вид в плане), на фиг.4 - конструкция полупроводникового фотопреобразователя с дополнительным р-р переходом и с электропроводящим покрытием (поперечное сечение и вид в плане).
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
На фиг.1 полупроводниковый фотопреобразователь выполнен в виде твердотельной матрицы из скоммутированных параллельно микроэлементов, каждый из которых содержит базовую область 1 р-типа, легированные области п-типа 2 и р-типа 3, образующие п-р переходы 4 и изотипные р-р переходы 5. На п области нанесены контакты 6, а на р - области контакты 7. Между каждыми двумя соседними участками с п-р переходами 4 через промежуток «d» расположены p области 3 и 8, которые образуют с базовой областью 1 дополнительные изотипные р-р переходы 5 и 9. Контакты 7 к базовой области 1 изолированы от р-п переходов 4 с помощью изоляции 10. Коммутационный р-п переход 11 и контактная полоса 12, перпендикулярные рабочей стороне 13, обеспечивают параллельную коммутацию п-областей 2 в полупроводниковом фотопреобразователе. Рабочая сторона 13 базовой области 1 имеет просветляющее пассивирующее покрытие 14. На фиг.1 также показано направление потока излучения 15 на рабочую сторону 13 базовой области 1 и линии диффузионного 16 и дрейфового 17 перемещения неосновных носителей заряда (ННЗ) электронов 18 в базовой области 1.
+
-2
На фиг.2 на рабочую сторону базовой области 1 р-типа с дополнительным р-р переходом 9 нанесена окисная пленка 19 толщиной 10-30 нм, на которую нанесен слой 20 с нанокластерами размером 10-30 нм с плотностью 300-600 мкм и пассивирующая просветляющая пленка 21 со встроенными отрицательными зарядами.
+
+
+
На фиг.3 каждый микроэлемент фотопреобразователя содержит на рабочей 13 поверхности изолированную область 8 с дополнительным изотипным р-р переходом 9, плоскость которого параллельна рабочей поверхности 13, на изотопный переход 9 на рабочей поверхности 13 нанесена электроизолирующая окисная пассивирующая пленка 19 и контактная полоса 23, которая с помощью изолированного контакта 24 соединена с контактом 12 и 6 к легированной п области 2 с противоположным типом проводимости, а участки базовой 1 и легированной п области 2, свободные от контактов 23, содержат пассивирующую просветляющую пленку 22.
+
На фиг.3 на рабочей стороне 13 базовой области 1 пунктиром обозначены границы дополнительных легированных областей 8 с изотипным p-p переходом 9. Области 8 с изотипным переходом 9 имеют контактную полоску 23, которая соединена с контактом 12 и 6. Нелегированный участок базовой области 1, через который проходит контактная полоска 23, изолирован от контакта 23 с помощью электроизолирующей окисной пленки 19 и просветляющего пассивирующего покрытия 14, расположенных под контактом 23.
+
+
+
+
На фиг.4 на рабочую сторону 13 базовой области 1 с дополнительным р-р переходом 9 нанесена пассивирующая электроизолирующая окисная пленка 19, на которую нанесено прозрачное электропроводящее покрытие 25, например, на основе легированной фтором окиси индия. Электропроводящее покрытие 25 имеет электрический контакт 26 с р-областью 8 дополнительного изотипного p-pперехода 9. Электропроводящее покрытие 25 электрически изолировано от контакта 6 к п слою 2 на рабочей поверхности 11 с помощью участков 27 изолирующей окисной пленки 19. Прозрачное электропроводящее покрытие 25 с помощью коммутационной шины 28 присоединено к токовыводу 29 отрицательной полярности отдельного источника питания 30, содержащего генератор 31, преобразователь частоты 32, резонансный контур с емкостью 33 и первичной обмоткой трансформатора Тесла 34, высоковольтной обмоткой 35 и диодом 36. В качестве генератора 31 может быть использован дополнительный фотопреобразователь.
Примеры выполнения полупроводникового фотопреобразователя
+
+
+
+
+
+
+
Базовая область 1 р-типа (фиг.1) имеет удельное сопротивление 10 Ом·см. Расстояние между контактами 6 к п-р переходам 4 составляет 300 мкм, ширина контактов 6 около 10 мкм. Ширина дополнительных изотипных p-областей 3 и 8 составляет около 280 мкм, и их отделяет от п-р переходов 4 промежуток «d» шириной 20-30 мкм. На фиг.2 дополнительный изотипный p-p переход 9 изолирован от п-р переходов 4 окисной пленкой 19 на рабочей стороне 13. Изоляция контакта 7 к изотопному р-р переходу 5 от п областей 2 осуществлена с помощью электроизолирующего слоя 10.
Примеры осуществления способа изготовления полупроводникового фотопреобразователя
+
+
+
Пластину кремния р-типа (фиг.1) обрабатывают в растворе щелочи для удаления нарушенного слоя и очищают поверхность пластины от загрязнений. В диффузионной печи при температуре 900°С в течение 30 мин проводят диффузию фосфора в обе стороны пластины и создают участки с р-п переходами 4 и 11. На обе стороны пластин наносят контакты на основе никеля, собирают пластины в столбик и производят пайку столбика с помощью припоя на основе олова. Разрезают столбик перпендикулярно или под некоторым углом к поверхности основания на заготовки. Заготовки травят для удаления шунтов. На рабочей и тыльной сторонах создают изолированные изотипные области 3 и 8 с р-р переходами 5 и 9 с помощью избирательного ионного легирования или локальной лазерной импульсной диффузии бора. С тыльной поверхности удаляют часть контакта 6 и областей с п-р переходами 2 путем избирательного травления. Заполняют вытравленные участки слоем изоляции 10. Наносят контакт 7 к изотипному р-р переходу 5. На рабочую сторону 13 наносят просветляющее покрытие 14 и присоединяют токовыводы к контактам 12 и 7 фотопреобразователя.
+
+
-2
В варианте способа изготовления полупроводникового фотопреобразователя (фиг.2) после разрезания скоммутированного столбика на заготовки и травления нарушенного слоя создают с обеих сторон заготовки изотипные р-р переходы 9 и 5 методом ионной имплантации с лазерным отжигом или импульсной лазерной диффузии. Затем удаляют травлением часть изотипного перехода 9 и 5, прилегающего к р-п переходу 4, на рабочую сторону 13 наносят окисную изолирующую пленку 19 толщиной 10-30 нм, а на тыльную сторону наносят изоляцию 10 на области с контактами 6 и р-п переходами 4. Затем на области с изотипным p-pпереходом 5 наносят контакт 7, а на окисную пленку 19 наносят слой 20 с нанокластерами из серебра размером 10-30 нм с плотностью 300-600 мкм и сверху наносят просветляющее покрытие 21 из нитрида кремния, двуокиси титана или сульфида цинка.
В варианте способа изготовления полупроводникового фотопреобразователя на фиг.3, после избирательной лазерной диффузии бора и создания дополнительных легированных слоев 3 и 8, нанесения слоя изоляции 10 и контактов 7 на рабочую сторону наносят окисную пленку 19. Затем трафаретной печатью контактные полоски 23 и просветляющую пленку 22 с встроенным отрицательным зарядом.
+
+
+
+
В варианте способа изготовления полупроводникового фотопреобразователя на фиг.4, после избирательной лазерной диффузии бора и создания дополнительных легированных слоев 3 и 8, нанесения слоя изоляции 10 и контактов 7 на рабочую сторону наносят окисную пленку 19. На дополнительной р области создают изолированную с помощью изоляции 27 от п-области 2 прозрачную проводящую пленку 25 на основе легированных соединений индия и олова. Участки 26 проводящей прозрачной пленки 25 коммутируют с помощью поперечной коммутационной шины 28 (фиг.4), изолированной от контактов 6 к п-области 2 с помощью изолирующих слоев 27 окисной пленки 19. Участки с р-п переходами 4 коммутируют с помощью поперечной шины 12. Коммутационную шину 28 присоединяют к отрицательному токовыводу 29 источника питания 30, содержащего генератор 31, присоединенный через преобразователь частоты 32, и емкость 33 резонансного контура к трансформатору Тесла 34, высоковольтная обмотка 35 которого через диод 36 и шину 28 соединена с изотипными p областями 8 на рабочей стороне 13.
+
+
+
Полупроводниковый фотопреобразователь работает следующим образом. При освещении рабочей стороны 13 на фиг.1 потоком излучения 15 в базовой области 1 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 р-р переходу 5 и 9 электроны отталкиваются электрическим полем изотипного перехода и дрейфуют (траектория 17) к п-р 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 в пленке 21 (фиг.4) и расширения области спектральной чувствительности. Использование прозрачного электропроводящего покрытия 26 на фиг.4 и дополнительного источника питания 30 позволяет увеличить обратное смещение на дополнительном изотипном р-р переходе 9 и регулировать с помощью источника питания 30 скорость дрейфа ННЗ в базовой области 1, что приводит к увеличению эффективности собирания ННЗ, фототока и КПД.