Способ капельного вытравливания контактной площадки встроенного диода фотопреобразователя
METHOD OF THE DRIP ETCHING OF THE CONTACT PLATFORM OF THE BUILT-IN DIODE OF A PHOTO CONVERTER

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к технологии изготовления трехкаскадных фотопреобразователей со встроенным диодом.
+
+
++
++
++
Известен каскадный фотопреобразователь и способ его изготовления (см. Патент РФ №2382439, опубл. 20.02.2010 г.), принятый за аналог, в котором трехкаскадная полупроводниковая структура GaInP/Ga(In)As/Ge используется для изготовления высокоэффективных фотопреобразователей космического и наземного применения. Верхний каскад полупроводниковой структуры состоит из n-Ga(In)As - контактного слоя, n-AlInP слоя широкозонного оптического окна, n-GaInP - эмиттерного слоя, p-GaInP - базового слоя, p-AlInP - слоя тыльного потенциального барьера. Далее расположены p-AlGaAs, n-GaInP или n-GaAs - слои верхнего туннельного перехода к среднему каскаду.
Недостаток данного аналога применительно к изготовлению фотопреобразователя со встроенным диодом следующий: при изготовлении диода без удаления полупроводниковых слоев верхнего каскада величина прямого напряжения на диоде составляет более 3В, что приводит к значительному тепловыделению с возможными деградацией параметров и электрическим пробоем.
Общий признак вышеуказанного аналога с предлагаемым способом капельного вытравливания контактной площадки встроенного диода фотопреобразователя следующий: использование трехкаскадной полупроводниковой структуры GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенной на германиевой подложке.
1-x
x
++
++
++
+
Известен способ изготовления солнечного фотоэлемента с интегральным защитным диодом (см. Patent DE №102004023856 В4, опубл. 12.05.2004 г.), принятый на аналог, в котором на трехкаскадной полупроводниковой структуре GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенной на p-Ge подложке дополнительно наращивают эпитаксиальные слои GaInAs (0,01≤х≤0,03) n и p-типа проводимости для создания р/n перехода интегрального диода, затем р- AlGaAs и n-Ga(In)As (или n-GaInP) слои туннельного перехода к n- Ga(In)As контактному слою. Вытравливают меза-изолирующую канавку до Ge- подложки. Удаляют дополнительно выращенные эпитаксиальные слои до n-Ga(In)As - слоя в рабочей области фотопреобразователя. Создают лицевые контакты к фотопреобразователю и диоду, а также шунтирующее соединение базового n-Ga(In)As слоя диода с р-Ge подложкой.
Недостаток данного аналога заключается в необходимости формирования дополнительных эпитаксиальных слоев и создания пристеночной металлизации для шунтирования n-Ga(In)As базы интегрального диода и p-Ge подложки.
Признаки аналога, общие с предлагаемым способом, следующие: использование трехкаскадной эпитаксиальной структуры GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенной на германиевой подложке.
+
+
Известен способ изготовления фотопреобразователя со встроенным диодом (см. Патент РФ №2515420, опубл. 16.08.2012 г. ), принятый за аналог, в котором на трехкаскадной полупроводниковой структуре GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенной на германиевой подложке, создают фоторезистивную маску с окнами лицевых контактов фотопреобразователя и диода, вытравливают капельным смачиванием в диодном окне маски полупроводниковые слои верхнего GaInP - каскада, в том числе n-Ga(In)As - контактный слой и n-AlInP - слой широкозонного оптического окна в водном растворе ортофосфорной кислоты с перекисью водорода, a n-GaInP-эмиттерный и p-GaInP базовый слои в концентрированной соляной кислоте до стопорного эпитаксиального слоя.
++
++
++
Недостаток вышеуказанного способа заключается в том, что применительно к трехкаскадной полупроводниковой структуре с p-AlGaInP слоем потенциального барьера, р-AlGaAs и n-GaInP - слоями туннельного перехода верхнего каскада концентрированная соляная кислота стравливает полупроводниковые слои за короткий промежуток времени, что затрудняет воспроизводимую остановку травления на n-GaInP слое туннельного перехода, используемом в качестве контактной площадки. В случае перетравливания полупроводниковой структуры недопустимо возрастают обратные токи диода Iобр.>2,5mA/4В. При недотравливании полупроводниковой структуры неприемлемо увеличивается прямое напряжение Uпр.>1,8B/620mA.
Признаки указанного аналога, общие с признаками предлагаемого способа, следующие: создание фоторезистивной маски с окнами лицевых контактов фотопреобразователя и диода на трехкаскадной полупроводниковой структуре GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенной на германиевой подложке; вытравливание капельным смачиванием в диодном окне маски полупроводниковых слоев верхнего каскада.
++
++
++
+
2
2
3
Известен способ вытравливания контактной площадки встроенного диода фотопреобразователя (см. Патент РФ №2577826, опубл. 20.03.2016 г.), принятый за прототип в котором на трехкаскадной полупроводниковой структуре GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенной на германиевой подложке с р-AlGaInP-слоем потенциального барьера, p-AlGaAs и n-GaInP слоями туннельного перехода верхнего каскада, создают фоторезистивную маску с окнами лицевых контактов фотопреобразователя и диода, удаляют в диодном окне маски полупроводниковые слои, причем вытравливают p-AlGaInP слой полностью или частично в смеси концентрированных соляной и фтористоводородной кислот в количественном соотношении объемных частей 5÷7 и 3÷5 соответственно, р-AlGaAs-слой туннельного перехода удаляют в смеси концентрированных соляной и лимонной (50%) кислот в количественном соотношении объемных частей 6÷10 и 8÷12 соответственно. Напыляют лицевые контакты на основе серебра Cr/Ag/Au-Ge/Ag/Au. Вытравливают меза-изолирующую канавку. Напыляют тыльную металлизацию на основе серебра Cr/Au/Ag/Au. Вжигают контакты. Стравливают n-Ga(In)As - контактный слой по маске лицевой металлизации. Наносят просветляющее покрытие TiO/AlO.
Недостаток способа-прототипа заключается в том, что не обеспечивается полное удаление GaInP слоев верхнего каскада по периметру диодного окна из-за газовыделения и прикрепления пузырьков к стенкам фоторезистивной маски при травлении в соляной кислоте. В результате снижается адгезия лицевого контакта и увеличивается величина прямого
++
++
++
Признаки прототипа, общие с признаками предлагаемого способа, следующие: создание фоторезистивной маски с окнами лицевых контактов фотопреобразователя и диода на трехкаскадной полупроводниковой структуре GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенной на германиевой подложке с р и n слоями туннельного перехода верхнего каскада вытравливание капельным смачиванием полупроводниковых слоев верхнего каскада до n - слоя туннельного перехода в травителях на основе соляной кислоты.
4
Технический результата, достигаемый в предлагаемом способе, заключается в повышении адгезии лицевого контакта, снижении величины и разброса прямого напряжения на встроенном диоде.
++
++
++
Достигается это тем, что в способе капельного вытравливания контактной площадки встроенного диода фотопреобразователя, включающем создание фоторезистивной маски с окнами лицевых контактов фотопреобразователя и диода на трехкаскадной полупроводниковой структуре GaInP/Ga(In)As/Ge с р и n слоями туннельного перехода верхнего каскада, вытравливание капельным смачиванием в диодном окне маски полупроводниковых слоев верхнего каскада до n - слоя туннельного перехода в травителях на основе соляной кислоты, при этом в процессе вытравливания после возникновения газовых пузырьков по периметру диодного окна в маске их удаляют гидродинамически путем дистанционного нанесения капель травителя в область диодного окна, а после промывки и высушивания обрабатывают контактную площадку диода в травителе составахоляная кислота концентрированная в количественном соотношении от 30 до 70% общего объема, остальное - водный раствор бихромата калия 5÷15% концентрации.
Отличительные признаки предлагаемого способа капельного вытравливания контактной площадки встроенного диода фотопреобразователя, обеспечивающие его соответствие критерию «новизна», следующие: удаление газовых пузырьков, возникающих в процессе вытравливания по периметру диодного окна в маске гидродинамически путем дистанционного нанесения капель травителя в область диодного окна, а после промывки и высушивания выполнение обработки контактной площадки диода в травителе состава: соляная кислота концентрированная в количественном соотношении от 30 до 70% общего объема, остальное - водный раствор бихромата калия 5÷15% концентрации.
Для обоснования соответствия предлагаемого способа капельного вытравливания контактной площадки встроенного диода фотопреобразователя 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 автора, предлагаемый способ капельного вытравливания контактной площадки встроенного диода фотопреобразователя соответствует критерию «изобретательский уровень».
++
Предложенный способ капельного вытравливания контактной площадки встроенного диода фотопреобразователя обеспечивает полное удаление продуктов травления GaInP - слоев верхнего каскада по периметру диодного окна в травителях на основе соляной кислоты за счет гидродинамического удаления блокирующих травление газовых пузырьков и последующей доочистки поверхности n- слоя в травителе состава: соляная кислота концентрированная в количественном соотношении от 30 до 70% общего объема, остальное - водный раствор бихромата калия 5÷15% концентрации.
В результате значительно повысилась адгезия лицевой металлизации диода и величина прямого напряжения снизилась на ~ 0,1 В.
Способ иллюстрирован фиг. 1, 2 и таблицей 1. На фиг. 1 представлен вид капли травителя с газовыми пузырьками по периметру диодного окна в маске. На фиг. 2 представлен профиль поверхности контактной площадки диода: а) - с областями недотравов по периметру; б) - с доочисткой по периметру согласно предложенному способу. В таблице 1 представлены параметры изготовленных диодов.
+
+
+
++
++
++
Для конкретного примера реализации способа используют трехкаскадные полупроводниковые структуры GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенные на германиевой подложке диаметром ∅ 100 мм с n Ga(In)As-контактным слоем, n-AlInP - слоем широкозонного оптического окна, n-GaInP - эмиттерным слоем, p-GaInP - базовым слоем, p-AlIGaP - слоем потенциального барьера, p-AlGaAs и n-GaInP - слоями туннельного перехода верхнего каскада. Создают фоторезистивную маску негативного фоторезиста Aznlof2070 с рисунком лицевых контактов фотопреобразователя и встроенного диода. Вытравливают капельным смачиванием контактные площадки диодов до n-GaInP слоя туннельного перехода верхнего каскада, при этом после нанесения капли травителя на основе соляной кислоты, инициирующей травление, HCl÷HF=2÷1 или HCl концентрированной для структур 3G30, выдерживают паузу 5÷6 сек до возникновения газовых пузырьков, прикрепляющихся к фоторезистивной маске и блокирующих травление по периметру диодного окна. Процесс травления сопровождается быстрой сменой интерференционных цветов поверхности GalnP - слоев. Удаляют газовые пузырьки согласно предложенному способу, гидродинамически посредством нанесения в течение 7÷10 сек (2÷3 сек для структур 3G30) нескольких (3÷4) капель травителя в диодное окно с высоты 3÷5 см от поверхности полупроводниковой структуры, при этом освободившиеся от пузырьков участки поверхности вновь подвергаются травлению.
++
++
++
+
++
По достижении р-AlGaAs - слоя туннельного перехода травление замедляется и диодная площадка приобретает однородный светло-голубой цвет. Затем селективно удаляют p-AlGaAs - слой туннельного перехода нанесением в диодное окно капли смеси концентрированных соляной и лимонной (50%) кислот при количественном соотношении объемных частей 1-4. В диодном окне маски при этом наблюдается (за 5÷7 сек) переход без газовыделения от светло-голубого до устойчивого синего цвета поверхности, что соответствует вскрытию n- GaInP туннельного слоя. Для структур 3G30 стравливание слоев n, p-GaInP, p-AlGaInP и p-AlGaAs в концентрированной HCl выполняется за один процесс.
+
На контактный n-Ga(In)As слой рабочей поверхности фотопреобразователя указанные травители не воздействуют. Далее полупроводниковую структуру промывают деионизованной водой и высушивают.
2
2
7
2
2
7
++
Выполняют, согласно предложенному способу, обработку контактной площадки диода капельным смачиванием в травителе состава: соляная кислота концентрированная в количественном соотношении 50% от общего объема, остальное - водный раствор бихромата калия 7% концентрации. Продолжительность обработки 7÷10 сек. При этом происходит доочистка поверхности контактной площадки от продуктов травления GaInP-слоев. (см. фиг. 1, 2). Данный травитель наносится локально в диодное окно, так как оказывает воздействие на контактный Ga(In)As слой фотопреобразователя в связи с наличием сильного окисляющего компонента (KСrO). Контактная площадка диода после обработки в растворе HCl÷(7%) KCrO приобретает насыщенный синий цветовой оттенок, что соответствует полному вскрытию и частичному травлению n-GaInP слоя туннельного перехода. Полупроводниковую структуру промывают деионизованной водой и сушат.
Для составления травителя применяется соляная кислота концентрированная 35÷38%, марки «ОСЧ» по ГОСТ 14261-77.
2
2
7
++
Использование для травителя водного раствора бихромата калия KCrO менее 5% концентрации при содержании HCL более 70% от общего объема нежелательно, так как происходит интенсивное неконтролируемое стравливание n- GaInP слоя.
2
2
7
Увеличение концентрации KCrO в водном растворе более 15% концентрации избыточно. При количественном соотношении HCL концентрированной менее 30% от общего объема ухудшается доочистка поверхности диодной площадки.
Гидродинамический удар капли травителя с высоты 3÷5 см вызывает стряхивание и удаление газовых пузырьков со стенок фоторезистивной маски. При этом освобожденные от газовых пузырьков пристеночные (шириной до ~ 200 мкм) участки поверхности вновь подвергаются травлению. При меньшем расстоянии эффективность гидродинамического воздействия недостаточна. Прокапывание с высоты более ~ 5 см нецелесообразно в силу малоразмерности диодного окна (1×7 мм) в маске.
+
2
2
3
Далее напылением и последующим взрывом создают лицевые контакты Cr/Au-Ge/Ag/Au фотопреобразователя и диода. Вытравливают меза-изолирующую канавку. Напыляют тыльную металлизацию Cr/Au/Ag/Au. Отжигают контакты. Затем вскрывают слой оптического окна травлением n-Ga(In)As контактного слоя по маске лицевой металлизации и напыляют просветляющее покрытие TiO/AlO. Изготовленные диоды имеют улучшенную адгезию лицевых контактов, не отделяемых посредством механического воздействия, низкие обратные токи Iобр.<0,1mА/4 В и величину разброса прямого напряжения ΔUпр.=0,01B (1,58≤Uпр.≤1,59 В), см. таб. 1.
++
++
Предложенный способ капельного вытравливания контактной площадки встроенного диода фотопреобразователя применим для четырехкаскадных полупроводниковых структур с p-AlGaAs и n- GaInP слоями туннельных переходов двух верхних каскадов.