ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
ELECTROMAGNETIC EMISSION CONVERTER

Изобретение относится к преобразователям энергии электромагнитных волн и может быть использовано для получения электрической энергии.
14
15
Существующие и наиболее распространенные в настоящее время промышленные преобразователи электромагнитных волн основаны на так называемых фотовольтаических (или фотоэлектрических) эффектах - на разделении зарядов и образовании электронно-дырочных пар в полупроводниковых материалах при поглощении электромагнитного излучения. Современные преобразователи способны принимать и преобразовывать относительно малую часть энергии электромагнитного излучения в диапазоне видимого света (10-10 Гц, включая малую часть частот ИК диапазона), достигающего беспрепятственно земной поверхности лишь в дневное время суток при удовлетворительных метеоусловиях.
Ныне существующие фотовольтаические (или фотоэлектрические) преобразователи (ФЭП) не позволяют принимать и преобразовывать более низкий диапазон волн, что является их существенным недостатком. Между тем диапазон электромагнитных волн ниже видимой части солнечного спектра, в частности миллиметровый (но выше 3 ГГц), также беспрепятственно достигает земной поверхности, причем, в отличие от видимого диапазона, это происходит в любое время суток. Использование диапазона частот электромагнитных волн, доступных круглосуточно, могло бы стать дополнительным и существенным подспорьем в добыче электрической энергии из альтернативных источников энергии (АИЭ).
Известные в настоящее время электрические преобразователи выполняются по обычной полупроводниковой технологии, согласно которой в базовом полупроводниковом материале (p или n проводимости) за счет легирования (диффузии) примесей создаются p-n переходы [1-3]. Как правило, во всех конструкциях элементарных ячеек преобразователей, представляющих собой обычный полупроводниковый диод (работающих в режиме фотогальванического элемента), создается одиночный p-n переход - одна акцепторная или одна донорная область. К p-n переходу примыкают через p-область и n-область два отдельных одиночных электрода - анод (положительный) и катод (отрицательный).
Для того чтобы такой диод работал в режиме гальванического элемента на p-n переход подают поток электромагнитных волн (световой поток), в результате действия которого возникают электронно-дырочные пары и происходит разделение зарядов под действием внутреннего поля p-n перехода.
При выполнении p-n переходов концентрация легирующих примесей делается намного выше, чем концентрация примеси в базовом слое материала (с p или n проводимостью), чтобы нейтрализовать имеющиеся там основные свободные носители заряда и создать проводимость противоположного знака. У границы p и n слоев в результате перетечки зарядов образуются обедненные зоны с нескомпенсированным объемным положительным зарядом в n слое и объемным отрицательным зарядом в p слое. Эти зоны в совокупности и образуют p-n переход. Возникший на p-n переходе потенциальный барьер (контактная разность потенциалов) препятствует прохождению основных носителей заряда, т.е. электронов со стороны p слоя, но беспрепятственно пропускают не основные носители в противоположных направлениях. Это свойство p-n переходов и определяет возможность получения фото ЭДС при освещении преобразователя электромагнитным излучением.
Созданные электромагнитным излучением неравновесные носители заряда (электронно-дырочные пары) разделяются под действием электрического поля p-n перехода: не основные носители (т.е.электроны) свободно проходят через переход, а основные (дырки) задерживаются. Таким образом, под действием излучения через p-n-переход в обоих направлениях протекает ток неравновесных не основных носителей заряда - электронов и дырок. Если теперь замкнуть внешнюю цепь, то электроны из n-слоя, совершив работу на нагрузке, будут возвращаться в p-слой и там объединяться с дырками, движущимися внутри преобразователя в противоположном направлении. Для сбора и отвода электронов во внешнюю цепь на поверхности полупроводниковой структуры преобразователя делается контактная система - электроды.
Процесс возникновения и разделения неравновесных не основных зарядов, электронно-дырочных пар в преобразователях является конкурирующим с процессом рекомбинации этих пар на поверхности и в объеме преобразователя. Результат конкуренции этих двух процессов: образования электронно-дырочных пар и их рекомбинации определяет величину фототока. Очевидно, процесс рекомбинации ведет к снижению фототока, а в итоге - к снижению КПД преобразователей. Основные необратимые потери энергии в преобразователях, снижающие их КПД, связаны с: 1) отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя, прохождением части излучения через преобразователь без поглощения в нем, 2) рассеянием на тепловых колебаниях решетки избыточной энергии фотонов, 3) рекомбинацией образовавшихся фотопар на поверхностях и в объеме преобразователя, 4) внутренним сопротивлением преобразователя и некоторыми другими физическими процессами.
Для образования электронно-дырочных пар и возникновения фотовольтаических эффектов необходимо соблюдение следующего условия: величина энергии падающей волны на p-n переход Е=hν (где h - постоянная Планка, a ν - частота волны) должна соответствовать или быть больше энергии ширины запрещенной зоны ΔЕ полупроводника: hν≥ΔЕ.
2
Для различных полупроводниковых материалов ширина запрещенной зоны составляет: арсенид галлия (GaAs)-ΔЕ=1,43 эВ; диселенид меди и индия (CuInSeO)-ΔЕ=1 эВ; теллурид кадмия (CdTe)-ΔЕ=1,44 эВ; кремний - ΔЕ=1,1 эВ; германий (Ge)-ΔЕ=0,72 эВ.
7
7
-27
7
-19
Ширина запрещенной зоны в зависимости от примесей, внедряемых в полупроводниковый материал, может изменяться. Полупроводники с шириной запрещенной зоны в 1,4 эВ способны поглощать электромагнитные волны, начиная от радиоволн УКВ диапазона (~4·10 Гц) и выше. В самом деле, энергия электромагнитной волны частотой 4·10 Гц (относящейся к УКВ диапазону) составляет: hν=6,626·10 Дж·сек · 4·10 Гц = 2,65·10 Дж = 1,65 эВ. В настоящее время значительная часть спектра электромагнитных волн (ниже световых частот), несмотря на потенциальную возможность и привлекательность их преобразования в электрическую энергию, пока не используется.
В литературе описаны многочисленные варианты, конструкции и способы выполнения преобразователей электромагнитных волн, основанных на фотовольтаических эффектах в полупроводниковых материалах [1-3].
p
В настоящее время серьезным недостатком известных полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей являются большая величина и разброс полного внутреннего сопротивления R в p-n переходах, состоящего из активной (R), емкостной (С) и индуктивной (L) составляющих. Это приводит к нестабильности электрических параметров и к снижению значений вольтамперных характеристик (ВАХ), к снижению мощности и соответственно коэффициента полезного действия (КПД) преобразователей. К примеру, современные промышленные фотоэлектрические преобразователи имеют низкий КПД, например, на основе аморфного кремния 6-12%, монокристаллического кремния 12-15%, а на основе арсенида галлия - 20-24%. Другим серьезным недостатком современных преобразователей, кроме перечисленных выше, является рекомбинация электронно-дырочных пар.
Еще одним недостатком существующих современных фотоэлектрических преобразователей является их существенная дороговизна. Сегодня на мировом рынке стоимость одного ватта произведенной от электромагнитного излучения "альтернативной" электроэнергии составляет примерно 5 долларов США. В настоящее время только несколько стран, где существует дотационная поддержка со стороны государства, могут позволить себе кардинально развивать альтернативную солнечную энергетику. К ним относятся такие страны, как Германия, Япония и США. Считается, что если стоимость одного ватта произведенной солнечной электроэнергии будет в 2 доллара США, то в альтернативной энергетике наступит мировой прорыв.
В связи с этим возникает необходимость в создании принципиально нового поколения современных преобразователей, способных преобразовывать не только обычный диапазон частот световых волн, но и более широкий диапазон рабочих частот электромагнитных волн для обеспечения работы преобразователей в любое время суток. Такие преобразователи должны быть лишены указанных выше недостатков - они должны характеризоваться повышенной мощностью и КПД с одновременным расширением не только диапазона преобразуемых рабочих частот электромагнитных волн (от низких до гипервысоких частот и выше), но и с высокой точностью и стабильностью выходных характеристик, способных работать также в условиях значительных перепадов температур. Кроме того, эти преобразователи должны быть дешевыми и экономичными, а также технологически легко адаптируемыми в современное производство.
Указанная задача решается тем, что преобразователь, содержащий по меньшей мере одну p-область и по меньшей мере одну n-область, а также первый и второй электроды, согласно изобретению содержит N>1, где N - целое число, областей с одноименной проводимостью и одну область с противоположной проводимостью с образованием N отдельных однотипных p-n-переходов, и при этом первый электрод прилегает к каждой из указанных N областей с одноименной проводимостью, а второй электрод прилегает к указанной области с противоположной проводимостью.
В первом частном случае указанный первый электрод облегает каждую из областей с одноименной проводимостью по ее периметру.
В другом частном случае указанный первый электрод по меньшей мере частично покрывает каждую из указанных областей.
При этом указанный первый электрод предпочтительно полностью покрывает каждую из указанных областей с одноименной проводимостью (по всему ее периметру).
В развитие последнего частного случая участки (элементы) первого электрода, прилегающие к каждой из областей с одноименной проводимостью, имеют многоугольную форму - в частности, выполняются прямоугольными, квадратными, шестиугольными (с различным соотношением размеров сторон), восьмиугольными (с различным соотношением размеров сторон) или двенадцатиугольными (с различным соотношением размеров сторон), или круговую, или эллипсоидальную, или любую другую известную конфигурацию.
В развитие любого из предыдущих частных случаев реализации изобретения, по крайней мере, один из участков первого электрода, прилегающий к одной из областей с одноименной проводимостью, в зоне покрытия этой области выполнен из числа М>1 параллельно соединенных и объединенных в один токовый узел отдельных однотипных элементов, где М - целое число.
При этом, по крайней мере, один из указанных однотипных элементов участка первого электрода может быть отделен от соседнего с ним аналогичного элемента оксидным (или любым другим диэлектрическим) зазором или сквозным отверстием.
В еще одном предпочтительном случае участок первого электрода, выполненный из параллельно соединенных отдельных однотипных элементов, содержит К сквозных отверстий, где К - целое число и К>1.
Далее, указанные области с одноименной проводимостью могут представлять собой p-области, а область с противоположной проводимостью - n-область. Возможно также, чтобы указанные области с одноименной проводимостью представляли собой p-области, а область с противоположной проводимостью - n-область.
Для решения поставленной задачи также целесообразно увеличивать число N областей с одноименной проводимостью - в частности, в различных вариантах осуществления изобретения может быть предпочтительно, чтобы N было (а) не менее 2, (б) не менее 4, (в) не менее 8, (г) не менее 16, (д) не менее 100, (е) не менее 1000, (ж) не менее 20000, (з) не менее 20000000 и т.д.
В рамках настоящего изобретения используется следующая терминология.
В полупроводниковых устройствах традиционно рассматриваются два основных вида проводимости - p-проводимость и n-проводимость. Соответственно, в настоящем изобретении под областями с одноименной проводимостью следует однозначно понимать области в преобразователе, каждая из которых характеризуется p-проводимостью (соответственно, p-область) или, как вариант, n-проводимостью (соответственно, n-область). Вследствие этого под областью с противоположной проводимостью следует понимать область в преобразователе, проводимость которой отличается от проводимости областей с одноименной проводимостью - если области с одноименной проводимостью представляют собой p-области (или, как вариант, n-области), то область с противоположной проводимостью в этом случае представляет собой n-область (соответственно, p-область).
Далее, под однотипными понимаются p-n переходы, выполненные одинаковым способом (в одинаковых условиях) из одних и тех же материалов (с использованием одних и тех же примесей в одинаковых концентрациях), имеющие по существу одинаковые геометрические размеры, конфигурацию и форму, а также одинаковые структурно-чувствительные физические (механические, электрические, электромагнитные и др.) характеристики и свойства. Однотипность p-n переходов является необходимым и достаточным условием (т.е. эквивалентом) однотипности областей с одноименной проводимостью (p- или n-областей). Аналогично под однотипными элементами участков первого электрода понимаются элементы этого электрода, выполненные одинаковым способом из одного и того же материала (из которого выполнен, собственно, сам первый электрод) и имеющие по существу одинаковые размеры и форму, а также по существу одинаковые структурно-чувствительные физические (механические, электрические, электромагнитные и др.) характеристики и свойства. Использование термина «однотипные» обусловлено тем, что в силу наличия в любом технологическом процессе допусков на отдельные параметры получаемого на выходе продукта случай, когда все p-n переходы или все упомянутые элементы первого электрода получаются абсолютно идентичными, на практике трудно достижим, хотя и является предпочтительным.
Далее, под отдельностью p-n переходов понимается отсутствие у них пересекающихся или перекрывающих друг друга участков, т.е. каждый из p-n переходов располагается обособленно (отдельно) от остальных p-n переходов в преобразователе. Это фактически эквивалентно обособленности (отдельности) указанных областей с одноименной проводимостью. Аналогично под отдельностью упомянутых выше элементов первого электрода понимается отсутствие у них пересекающихся или перекрывающих друг друга участков, что достигается расположением между этими элементами оксидного зазора (в частности, оксидированного участка первого электрода) либо сквозного отверстия (изъятия части первого электрода между упомянутыми элементами).
Настоящее изобретение основано на обнаруженном авторами неожиданном эффекте аномального, скачкообразного падения и устранения величины разброса полного внутреннего сопротивления p-n переходов в полупроводниковых приборах при объединении p-областей, n-областей и, как следствие из этого, p-n-переходов посредством соединения в параллельную цепь контактов или токопроводящих участков (элементов) электрода, прилегающих к областям с одноименной проводимостью и их объединения в один общий токовый узел (электрод) с помощью токопроводящей шины.
A
p
Эффект скачкообразного снижения полного внутреннего сопротивления и его составляющих (активного сопротивления R, индуктивности L, емкости С) в образованной входящими в состав первого электрода токопроводящими участками параллельной электрической цепи практически до нулевого значения, как будет пояснено ниже, и приводит к расширению диапазона рабочих частот, к стабильности электрических параметров и увеличению мощности и КПД полупроводниковых преобразователей, а также к увеличению стойкости к внешним воздействующим факторам (радиации, температуры, частоты и т.д.). В результате снижения полного сопротивления преобразователя R до практически нулевого значения электромагнитная волна достаточно малой частоты может вызвать фотовольтаические эффекты на p-n переходах. Для реализации фотовольтаических эффектов - разделения зарядов и образования электронно-дырочных пар необходимо подобрать полупроводниковый материал с соответствующей шириной запрещенной зоны ΔЕ. Практически для традиционных полупроводников типа кремний, арсенид галлия или германия, как было показано выше, ширина запрещенной зоны достаточна для преобразования даже волн обычного УКВ радиодиапазона.
2
2
Если исходить из ныне существующей обычной разрешающей способности фотолитографии, размер ячеек-окон в фотошаблонах для внедрения (диффузии) примесей и формирования p-n переходов может иметь 1-2 мкм в диаметре при круговой конфигурации. Соответственно площадь p-n перехода S будет ограничена этими размерами, т.е. S=πR=3,14 мкм, а толщина предпочтительно должна быть в 50-60 мкм.
В идеальном случае размер p-n перехода предпочтительно иметь менее 1-2 мкм. При этом согласно полученным авторами настоящего изобретения экспериментальным данным разброс значений внутреннего сопротивления p-n переходов будет тем больше, чем меньше их геометрический размер и прилегающих к ним диффузионных областей. И чем больше будет разброс и число N p-n переходов, тем больше вероятность того, что в такой выборке будут присутствовать p-n переходы с нулевыми или близкими к нулю значениями внутреннего сопротивления p-n переходов. В такой выборке, если элементы, которыми являются сопротивления p-n переходов, соединить в параллельную электрическую цепь и объединить их в один токовый узел с помощью шины, общее сопротивление будет по закону Шунта ниже наименьшего значения сопротивления отдельного элемента цепи (т.е. выявленного наименьшего значения сопротивления, которым будет характеризоваться один - или несколько - из p-n переходов в цепи). Кроме того, в таких статистических выборках дисперсия значений сопротивления снижается обратно пропорционально числу p-n переходов, т.е. чем больше будет число N p-n переходов в этих выборках, тем меньше будет дисперсия значений сопротивлений и тем стабильнее будут электрические параметры такого полупроводникового прибора.
0
2
Поэтому согласно настоящему изобретению в полупроводниковых структурах при их изготовлении необходимо использовать достаточно большое число p-n переходов с достаточно малыми геометрическими размерами. Кроме того, для реализации наибольшего эффекта снижения сопротивления и величины его разброса p-n переходы должны быть отдельными и однотипными, а размер p-n переходов в диаметре (при круговой конфигурации диффузионной области или слоя) иметь предпочтительно не менее d=1-2 мкм. Если пересчитать на площадь, то площадь поперечного сечения отдельного p-n перехода предпочтительно (но не обязательно) должна быть менее S=3,14 мкм, а толщина менее 60 мкм. Однако из-за ограничений возможностей обычной фотолитографии в настоящее время реально удается сделать размер p-n переходов в пределах 2-5 мкм и более. В этом случае необходимо достаточно большое число N p-n переходов N>>1.
0
Таким образом, для увеличения эффекта аномального снижения сопротивления во внутренней цепи полупроводниковой диодной структуры необходимо, чтобы число p-n переходов стремилось к бесконечно большому числу, т.е. N→∞, и чтобы эти переходы были однотипными, чтобы они были отдельными, а линейные размеры (например, диаметр, при круговой конфигурации диффузионной области, т.е. p-n перехода) каждого из N p-n переходов были бы достаточно малыми и в идеале стремились к минимуму, т.е d→δ (где δ - бесконечно малая величина).
p
При соблюдении указанных условий в преобразователе согласно изобретению, имеющем диодную структуру, как будет ниже показано, полное внутреннее сопротивление p-n переходов будет стремиться к минимальному (нулевому) значению. Это является следствием снижения активной R (R→0), емкостной С (С→0) и индуктивной (L→0) составляющих полного сопротивления R p-n переходов. Величина добротности Q в таком преобразователе с увеличением числа N (N→∞) p-n переходов стремится к достаточно большой величине. В результате граничная рабочая частота, а также температурная стойкость электрических параметров преобразователя вместе с уменьшением величин R, С, L будут существенно увеличиваться. Температурная стойкость будет увеличиваться вплоть до температуры, близкой к температуре деструкции или формирования p-n перехода в полупроводнике. При этом поскольку полное сопротивление снижается, то мощность преобразователя будет увеличиваться. Следовательно, увеличивая число N и снижая геометрические размеры отдельных p-n переходов, можно выполнить преобразователь, работающий на достаточно высокой рабочей частоте f с высокой выходной мощностью и температурной стойкостью электрических параметров.
Следует также отметить, что при таком выполнении преобразователя для его изготовления можно использовать обычный технический кремний, который позволяет лучше реализовать преимущества заявленного изобретения, поскольку, в частности, он дает больший по величине разброс физических характеристик, что дает согласно изобретению больше возможности стабилизации и регулирования свойств этого материала по сравнению с чистыми материалами, не дающими значительного разброса свойств. Кроме того, немаловажным является также и то, что цена обычного технического кремния в несколько раз ниже цены «чистого» кремния, специально приготовленного для изготовления традиционных солнечных элементов.
Изобретение поясняется далее более подробно с использованием прилагаемых чертежей, на которых изображено:
- на фиг.1 - структурная схема преобразователя по изобретению;
- на фиг.2 - фрагмент преобразователя по изобретению на кристаллическом кремнии на основе подложки с p слоем с электродом, облегающим области с одноименной проводимостью (n-области) по периметру (вид в разрезе); пример квадратной формы областей с одноименной проводимостью (диффузионных n-областей);
- на фиг.3 - то же, что на фиг.2, вид сверху;
- на фиг.4 - фрагмент преобразователя по изобретению на кристаллическом кремнии на основе подложки с n-слоем с электродом, облегающим области с одноименной проводимостью (p-области) по периметру (вид в разрезе);
- на фиг.5 - то же, что на фиг.4, вид сверху;
- на фиг.6 - элемент чувствительной поверхности преобразователя, изображенного на фиг.2-4 (пирамидальные поверхности, непосредственно воспринимающие электромагнитное излучение)
- на фиг.7 - фрагмент преобразователя на основе кремния с p-проводимостью с электродом, полностью покрывающим области с одноименной проводимостью, с прямоугольными токопроводящими участками в местах прилегания к указанным областям (вид в разрезе);
- на фиг.8 - то же, что на фиг.7, вид сверху; штриховыми линиями обозначена прямоугольная форма областей с одноименной проводимостью (диффузионных областей);
- на фиг.9 - фрагмент преобразователя, выполненного аналогично случаю, приведенному на фиг.7, с выполненными сквозными отверстиями на участках электрода, покрывающих области с одноименной проводимостью, а также на участке электрода, соединяющем указанные участки прилегания к областям с одноименной проводимостью (вид в разрезе), пример фрагмента сетчатого первого электрода;
- на фиг.10 - то же, что на фиг.9, вид сверху; штриховыми линиями обозначена прямоугольная область с одноименной проводимостью (диффузионная область);
- на фиг.11 - фрагмент преобразователя, выполненного аналогично показанному на фиг.7, с линейными участками, покрывающими области с одноименной проводимостью (вид в разрезе), пример фрагмента полоскового первого электрода;
- на фиг.12 - то же, что на фиг.11, вид сверху; штриховыми линиями обозначены области с одноименной проводимостью квадратной формы (диффузионные области);
- на фиг.13 - фрагмент преобразователя, выполненного аналогично показанному на фиг.7, с многоугольными (двенадцатиугольными) участками, покрывающими области с одноименной проводимостью (вид в разрезе), пример фрагмента полосково-многоугольного первого электрода;
- на фиг.14 - то же, что на фиг.13, вид сверху; многоугольная форма участка (элемента) электрода полностью совпадает с формой диффузионной области 2;
- на фиг.15 - фрагмент преобразователя, выполненного аналогично показанному на фиг.13, со сквозными отверстиями (щелевыми), выполненными на участках, непосредственно прилегающих к областям с одноименной проводимостью и покрывающих их (вид в разрезе);
- на фиг.16 - то же, что на фиг.15, вид сверху;
- на фиг.17 - пример оптимального расположения областей с одноименной проводимостью (двенадцатиугольных - микрофотоснимок поверхности преобразователя);
- на фиг.18 - вариационные диаграммы распределения значений сопротивления R отдельных однотипных p-n переходов по номерам последовательности n для образцов из кремниевых преобразователей при частоте f=1 кГц;
- на фиг.19 - вариационные диаграммы распределения значений сопротивления R отдельных однотипных p-n переходов в статическом режиме для контрольных преобразователей (серийный фотодиод ФД 263-01) и распределения значений сопротивлений p-n переходов в преобразователях по изобретению;
- на фиг.20 - вариационные диаграммы распределения значений сопротивления R отдельных однотипных p-n переходов контрольных преобразователей (КД 243) и преобразователей по изобретению при различных рабочих частотах;
- на фиг.21 - вариационные диаграммы распределения значений емкости С p-n переходов контрольных преобразователей КД 243 и преобразователей по изобретению на различных рабочих частотах.
На прилагаемых чертежах использованы следующие обозначения:
1 - p-n переход;
2 - n слой;
2А - пирамидальные светочувствительные поверхности,
3 - p слой;
+
4 - p слой (высоколегированный p слой);
+
4А - n слой (высоколегированный n слой),
5 - положительный электрод (анод); в состав электрода входит шина 11 и токопроводящие элементы 9.
6 - отрицательный электрод (катод); в состав электрода входит шина 11 и токопроводящие элементы 9.
7 - изолирующий слой;
8 - электромагнитный (или световой) поток;
9 - токопроводящие участки (элементы) электрода 6 (или 5);
10 - сквозной вырез-отверстие (диэлектрическая прослойка, или отделитель токопроводящих элементов 9 электрода друг от друга и т.д.);
11 - шина токопроводящая, объединяющая токопроводящие элементы 9 электродов 6 (или 5) в один токовый узел (электрод);
2
12 - распределение значений сопротивления p-n переходов по номерам последовательности n, определенное по результатам испытаний серии одинаковых образцов кремниевых преобразователей с одним p-n-переходом N=1, площадь которого составляет 300 мкм; данные измерены при частоте 1 кГц;
2
13 - распределение значений сопротивления p-n переходов по номерам последовательности n, определенное по результатам испытаний серии одинаковых образцов кремниевых преобразователей по изобретению с N=100 p-n-переходов, объединенных при помощи параллельно соединенных электродов, прилегающих к областям с одноименной проводимостью, площадь каждого из p-n-переходов составляет 300 мкм; данные измерены при частоте 1 кГц;
2
14 - распределение значений сопротивления p-n переходов по номерам последовательности n, определенное по результатам испытаний серии одинаковых образцов преобразователей с одним p-n-переходом N=1, площадь которого составляет 30 мкм; данные измерены при частоте 1 кГц;
2
15 - распределение значений сопротивления p-n переходов по номерам последовательности n, определенное по результатам испытаний серии одинаковых образцов преобразователей по изобретению с N=100 p-n-переходов, объединенных при помощи параллельно соединенных электродов, прилегающих к областям с одноименной проводимостью; площадь каждого из p-n-переходов составляет 30 мкм; данные измерены при частоте 1 кГц;
16 - распределение значений сопротивления, определенное по результатам испытаний контрольных фотодиодов ФД 263-01 с одним p-n-переходом N=1; данные измерены при частоте 1 кГц;
17 - распределение значений сопротивления, определенное по результатам испытаний преобразователей по изобретению с числом N p-n-переходов, объединенных при помощи параллельно соединенных электродов, прилегающих к областям с одноименной проводимостью, при N=2; данные измерены при частоте 1 кГц;
18 - то же, что и 17, но при N=4;
19 - то же, что и 17, но при N=8;
20 - то же, что и 17, но при N=200;
21 - распределение значений сопротивления, определенное по результатам испытаний контрольных преобразователей КД 243, выпускаемых серийно, каждый из которых имеет один p-n-переход N=1, с использованием рабочей частоты f=1 кГц;
22 - то же, что и 21, но при рабочей частоте f=10 кГц;
23 - распределение значений сопротивления, определенное по результатам испытаний преобразователей по изобретению с числом N p-n-переходов, объединенных при помощи параллельно соединенных электродов, прилегающих к областям с одноименной проводимостью, при N=4 и рабочей частоте f=1 кГц;
24 - то же, что и 23, но при N=4, f=10 кГц;
25 - то же, что и 23, но при N=200, f=1 кГц;
26 - то же, что и 23, но при N=200, f=10 кГц;
27 - распределение значений емкости С p-n переходов, определенное по результатам испытаний серии контрольных преобразователей КД 243, выпускаемых серийно, каждый из которых имеет один p-n переход, при частоте f=1 кГц;
28 - то же, что и 27, но при f=10 кГц;
29 - распределение значений емкости С p-n переходов, определенное по результатам испытаний серии одинаковых преобразователей по изобретению, каждый из которых имел N p-n переходов, при N=4 и частоте f=1 кГц;
30 - то же, что и 29, но при N=8, f=10 кГц;
31 - то же, что и 29, но при N=16, f=10 кГц;
32 - то же, что и 29, но при N=20, f=1 кГц.
На фиг.1 приведена структурная схема преобразователя по изобретению. На верхнюю, воспринимающую поток электромагнитного излучения 8 поверхность плоской подложки 3 (в частности, из технического кристаллического кремния), имеющей за счет внедрения примесей p-проводимость (что может быть обеспечено, в частности, внедрением примесей 3-валентного бора, или другого 3-валентного диффузанта) или n-проводимость (за счет внедрения, в частности, 5-валентного фосфора, мышьяка или другого 5-валентного диффузанта), традиционными для полупроводниковой техники методами (с использованием фотошаблонов) вносятся примеси с образованием N однотипных по составу, размерам и иным характеристикам областей 2 с одноименной проводимостью, противоположной проводимости подложки. Области 2 должны быть отделены друг от друга любым известным образом (например, должны быть разнесены по поверхности подложки с отсутствием у них общих границ, пересекающихся участков, отделены друг от друга с использованием изолирующего оксидного слоя 7 и т.п.). Соответственно, после образования отдельных однотипных областей 2 с одноименной проводимостью образуются N отдельных однотипных p-n переходов 1. Далее, например, методом фотолитографии на верхней стороне подложки размещают первый электрод 6, а на обратной стороне подложки аналогичным образом выполняют второй электрод 5.
Как показано на фиг.2-5, в одном из частных случаев осуществления изобретения первый электрод 6 включает участки, облегающие области 2 с одноименной проводимостью по периметру, а также соединяющую эти участки токопроводящую шину 11. В этом случае поток электромагнитного излучения 8 воспринимается непосредственно областями 2.
Электроды 5, 6 и шина 11 могут выполняться из любого распространенного в полупроводниковой технике токопроводящего слоя материала (серебра, алюминия, меди и т.п.) в виде пленок или проволок и соответственно любым известным методом, например многослойным напылением.
2
В примере, приведенном на фиг.2 и 3, для изготовления преобразователя использована подложка 3 с p-проводимостью, а области 2 соответственно представляют собой n-области. Фрагмент преобразователя на фиг.2 и 3 содержит четыре n-области 2 и соответственно четыре p-n перехода 1, при этом понятно, что весь преобразователь может содержать значительно большее число N областей 2 и p-n переходов 1 (в зависимости от величины подложки 3 и размеров областей 2 и p-n переходов 1 число N может превышать 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 16, 100, 1000, 10000, 100000, 1000000 и т.д.), выполненных аналогично тому, как это приведено на фиг.2-3, и фактически соединенных в параллельную цепь и объединенных в один токовый узел с помощью электрода 6 (и прилегающих к нему областей 2 и токопроводящей шины 11). В частности, при выполнении преобразователя, изображенного на фиг.2 и 3, на подложке размером 60 мм × 60 мм и толщиной 270 мкм было получено 200000 n-областей 2 (с размером диффузионных областей 50 мкм × 50 мкм = 2500 мкм) и соответственно такое же число p-n переходов 1 (представляющих собой совокупность из 50000 фрагментов, идентичных тому, что изображен на фиг.2 и 3). Толщина каждой n-области 2 составляла при этом порядка 3 мкм. Области 2 и соответствующие p-n переходы 1 отделены друг от друга посредством изолирующего слоя 7, который может выполняться, например, из слоя оксидированного кремния и размещается на подложке 3 на этапе образования n-областей 2.
+
+
Далее, в описываемом примере, показанном на фиг.2-3, на стороне подложки 3, противоположной стороне размещения областей 2, размещен дополнительный слой 4, представляющий собой высоколегированный по сравнению с подложкой 3 слой (в примере на фиг.2 и 3 - p-слой) с более высокой концентрацией диффузантов и соответственно плотностью носителей зарядов. В результате создания этого слоя появляется дополнительное внутреннее электрическое поле между p-подложкой 3 и p слоем 4, за счет которого облегчается движение носителей зарядов к электроду 5, а также снижается их рекомбинация на пути движения во внешнюю цепь.
+
Частный случай, приведенный на фиг.4 и 5, отличается от предыдущего примера лишь тем, что для изготовления преобразователя использована подложка 2 с n-проводимостью. Соответственно, области 3 имеют p-проводимость, а высоколегированный слой 4А представляет собой n-слой (имеет n-проводимость).
Хотя это напрямую не обозначено на чертежах, следует отметить, что в рамках настоящего изобретения возможны различные частные случаи выполнения электрода 5, прилегающего к области с противоположной проводимостью (непосредственно к подложке 3 или к высоколегированному слою 4). В частности, возможно выполнение не одного сплошного электрода 5, а изготовление его аналогично электроду 6 (из полосковых участков, соединенных посредством токопроводящей шины). Число L таких полосковых участков электрода 5 может быть любым, но предпочтительно не большим, чем число N областей 2 с одноименной проводимостью. В случае, когда L=N, предпочтительно размещать полосковые участки электрода 5 на нижней стороне подложки прямо напротив областей 2 для того, чтобы задать минимальную (кратчайшую) траекторию движения зарядов, уменьшив таким образом вероятность их рекомбинации или вымирания. Число L полосковых участков электрода 5 может и превышать число N областей 2, однако в силу неоптимальной в этом случае траектории движения зарядов и одновременно в силу увеличения сопротивления на электроде 5 (в т.ч. контактного, что напрямую обусловлено ростом числа полосковых участков) характеристики преобразователя в этом случае могут ухудшаться по сравнению со случаем L≤N, и, следовательно, такой частный случай, хотя и возможен, не является предпочтительным.
Для увеличения площади чувствительной поверхности преобразователя, поглощающей электромагнитное излучение, в рамках настоящего изобретения может быть предусмотрено выполнение этой поверхности не плоской, а состоящей из совокупности трехмерных пространственных элементов, в частности, как показано на фиг.2-5 и как это лучше показано на фиг.6, из пирамидальных элементов 2А, выполняемых методом фотолитографии и травлением. Специалисту, однако, будет понятно, что вместо приведенных на фиг.6 пирамидальных элементов для увеличения площади чувствительной поверхности преобразователя могут использоваться и другие трехмерные элементы.
На фиг.7-16 приведены дальнейшие частные случаи осуществления изобретения, согласно которым для снижения рекомбинации электронно-дырочных пар, образовавшихся при действии потока электромагнитного излучения на светочувствительную область преобразователя и тем самым для увеличения эффективности энергоконверсии, в изобретении используется специальная конструкция первого электрода 6. При этом первый электрод 6 включает в себя участки 9, расположенные сверху диффузионных областей 2 и, таким образом, закрывающие полностью или частично весь p-n переход. При этом конфигурация участков 9 электрода 6, непосредственно прилегающих к диффузионным областям 2, предпочтительно совпадает с конфигурацией этих областей. В результате в примерах, показанных на фиг.7-16, электромагнитный поток 8 попадает на p-n переход 1 непосредственно по периметру указанных участков 9 электрода 6. Отдельные виды предлагаемой конструкции участков 9 со сквозными отверстиями (или оксидными зазорами, или другим отделителем) 10, кроме того, позволяют снизить паразитное контактное сопротивление и емкость в местах непосредственного контакта электродов и других токоведущих частей с полупроводником.
В примере, показанном на фиг.7 и 8, первый электрод 6 включает в себя прилегающие непосредственно к областям 2 с одноименной проводимостью и расположенные поверх них участки 9, соединенные между собой полосковыми токопроводящими участками меньшей ширины, а также токопроводящую шину 11, на которую выводятся указанные токопроводящие полосковые участки. Такое выполнение электрода 6, в частности расположение его участков 9 непосредственно над диффузионной областью, позволяет уменьшить рекомбинацию образовавшихся электронно-дырочных пар и соответственно увеличить количество зарядов, передаваемых во внешнюю цепь, т.е. усилить фототок.
Аналогичные результаты при иной конфигурации областей 2 достигаются в примере, показанном на фиг.11 и 12, отличие которого от описанного выше заключается в том, что сами участки 9 выполнены полосковыми и закрывают одновременно несколько областей 2.
Пример реализации преобразователя, представленный на фиг.13-14, в сущности аналогичен уже описанным выше, но эффективность энергоконверсии в таком преобразователе усиливается за счет усиления внутреннего поля p-n переходов 1, что достигается за счет оптимальной конфигурации участков 9 электрода 6 и диффузионных областей.
В самом деле, в зависимости от конфигурации прилегающих к областям 2 участков 9 электрода 6 снижается или увеличивается периметр диффузионной области. Это приводит как к снижению величины внутреннего электрического поля p-n перехода 1, так и его усилению. При равенстве площадей различных фигур наибольший периметр p-n перехода реализуется на многоугольной конфигурации (в частности на двенадцатиугольнике, показанном на фиг.14). Такая двенадцатиугольная форма участка 9 обеспечивает при равенстве площадей фигур различных конфигураций наибольшее значение периметра диффузионной области. Поэтому в преобразователях с такой структурой диффузионных областей внутреннее электрическое поле, создаваемое p-n переходом 1, гораздо больше по величине, что естественно дополнительно снижает уровень рекомбинации зарядов и облегчает их движение во внешнюю цепь. При этом следует отметить, что на практике возможно выполнение и иных конфигураций (шести- и восьмиугольных, равно как и иной произвольной, технологически осуществимой формы, которая может обеспечить при наименьшей возможной площади области 2 диффузии примесей наибольший периметр p-n перехода 1) участков 9 электрода 6, причем для каждого случая конкретная форма участка 9 может быть подобрана исходя из размеров областей 2 и плотности их расположения по подложке 3.
Далее, при выборе формы конкретного выполнения электрода 6 необходимо учитывать, что в полупроводниковых приборах значения сопротивлений и емкости в непосредственно местах контакта электрода с полупроводником (контактное сопротивление и емкость) достигают значительной величины. В этой связи в рамках настоящего изобретения предлагается уменьшать площадь контакта токопроводящих путей (в частности, электрода 6 или электрода 5) с полупроводником.
В частности, в примерах, приведенных на фиг.9-10 и 15-16, форма участков 9 электрода 6, прилегающих к областям 2 с одноименной проводимостью и закрывающих их от потока электромагнитного излучения 8, аналогична форме участков 9 в уже описанных примерах (показанных на фиг.7-8 и 13-14 соответственно). Отличие заключается в том, что в данных примерах предлагается для снижения контактного сопротивления и емкости выполнять участки 9, покрывающие области 2, с включением в их состав числа М>1 параллельно соединенных и объединенных в один токовый узел отдельных однотипных элементов. На примерах на фиг.9-10 и 15-16 указанные однотипные элементы участков первого электрода имеют полосковую форму и отделены друг от друга (а на фиг.15-16 - и от соседних частей двенадцатиугольного участка 9 первого электрода) посредством К сквозных отверстий (изъятий из полотна первого электрода) или - как вариант - оксидных зазоров (оксидированных участков первого электрода) 10, причем 1≤К≤(М+1).
Указанные элементы участков 9 и сквозные отверстия (оксидные зазоры) 10 расположены непосредственно в зоне покрытия областей 2. Указанные сквозные отверстия (зазоры) 10 могут иметь вообще говоря любую форму кромки в плане, но в показанных примерах они выполнены по существу квадратными (на фиг.10) и щелевыми (на фиг.16). Кроме того, для снижения контактного сопротивления и емкости в зоне расположения шины 11 на ней, как показано на фиг.10, также могут выполняться сквозные отверстия 10 (в данном примере - прямоугольные), хотя это и не является обязательным (на фиг.16 шина 11 выполнена без отверстий). В описанных на фиг.9-10 и 15-16 примерах выполнения электрода 6 по сравнению с аналогичными примерами выполнения, но без отверстий (зазоров) 10, описанными ранее, одновременно со снижением рекомбинации зарядов происходит снижение сопротивления и электрической емкости преобразователя, что приводит к дополнительному усилению фототока и увеличению КПД прибора.
Необходимо отметить, что во всех примерах изготовления преобразователей следует выбирать не только оптимальную конфигурацию и форму участков 9 первого электрода, но и их расположение на подложке 3 полупроводникового кристалла, а также важно оптимальное расстояние между участками 9 первого электрода и границами диффузионных областей 2. К примеру, на фиг 17 приведен вариант оптимального расположения двенадцатиугольных («ушастых») областей 2 диффузии на кристалле полупроводника, при котором на подложке 3 может быть размещено максимальное число областей 2.
В примере с ушастой конфигурацией и формой диффузионных областей и участков электрода, прилегающих к одноименным к ним, необходимо отметить, что в двенадцатиугольнике все стороны равны между собой за исключением двух противоположных сторон, равных удвоенному размеру одинаковых сторон (см. фиг.16-17).
Следует также еще раз подчеркнуть, что электрод 5, прилегающий к области с противоположной проводимостью, может выполняться аналогично электроду 6 в описанных примерах (т.е. с вариацией конфигурации его участков в зависимости от формы и расположения областей 2 с одноименной проводимостью, включая полное повторение формы электрода 6 и выполнение сквозных отверстий (оксидных зазоров) в электроде 5 для снижения контактного сопротивления и емкости).
Для изготовления полупроводниковых преобразователей по изобретению могут быть использованы стандартные полупроводниковые материалы с обычной степенью чистоты, например широко применяемый в настоящее время технический кремний, а также традиционная технология получения полупроводниковых приборов - эпитаксия или диффузное напыление с обычной (но не субмикронной!) фотолитографией. В результате капитальные затраты на выполнение новых полупроводниковых приборов могут быть существенно снижены.
Экспериментальные доказательства достижения технического результата представлены на фигурах 18-21 и в таблице 1.
p
Составляющие полного сопротивления p-n перехода R: активное сопротивление R, емкость С и индуктивность L являются структурно-чувствительными характеристиками материалов, поэтому их проявление носит стохастический (или вероятностный) характер. Поскольку R, C, L - стохастические величины, то их изменения в материалах могут обнаруживаться только статистическими методами. Поэтому для доказательства достижения технического результата авторами были использованы статистические подходы. В предлагаемом изобретении преобразователь состоит, фактически, из статистической выборки из N элементов (p-n переходов). На фиг.18-21 и в таблице 1 приведены экспериментальные статистические данные по измерению активных сопротивлений R, емкости С, индуктивности, добротности Q p-n переходов при различных рабочих частотах f. Для надежности, достоверности и воспроизводимости результатов измерялись серии (статистические выборки) p-n переходов, состоящие из не менее 100 образцов преобразователей (контрольных, выпускаемых серийно, а также выполненных по изобретению). Из данных по измерению R, С, L, Q p-n переходов строились статистические кривые распределения в виде интегральных кривых распределений (или одно и то же - вариационных диаграмм распределений) этих величин по номерам последовательности n.
В таблице 1 представлены значения параметров R, С, L, Q для контрольного преобразователя с числом N=1 и преобразователей по изобретению с числом N=4, 10 и 1000 отдельных однотипных p-n переходов при частотах f=1 кГц и 1 МГц.
Из фигуры 18 видно, что в зависимости от размера S площади p-n переходов сопротивление R имеет различный по величине разброс экспериментальных данных. В статистической выборке для массивных p-n переходов разброс значений сопротивлений существенно меньший (кривая 12), чем в выборке с малыми значениями p-n переходов (кривая 14). Маленькие p-n переходы имеют громадный разброс и дисперсию значений сопротивлений, и в количественном отношении разброс значений сопротивления составляет от 0 до 0,2 Ом, а в выборке с большими p-n переходами разброс составляет от 0,05 до 0,15 Ом. При этом в статистической выборке с большими (массивными) p-n переходами малые значения сопротивлений, например, близких к нулевому, вовсе не встречаются - их просто в данной статистической выборке нет. В выборке с малыми размерами p-n переходов встречается большое количество переходов с малыми значениями, близких к нулевым значениям. И если теперь образцы, соответствующие кривой 12 и кривой 14, объединить в статистический пучок из N=100 путем соединения их в параллельную цепь посредством одного проводника в один узел, то необходимый технический результат будет достигнут. В обоих случаях при объединении в пучок (параллельную цепь с единым узлом) экспериментальный разброс полностью устраняется, общее сопротивление существенно снижается и становится стабильным и сохраняет свою величину постоянной во всем диапазоне измеренных значений (см. кривые 13 и 16). При этом, как видно из кривых 13 и 16, общее сопротивление становится меньше наименьшего значения. Однако в статистической выборке с малыми p-n переходами общее сопротивление существенно меньше, чем в выборке с большими p-n переходами и достигает в нем нулевого значения. В целом, чем меньше размер p-n перехода и больше число N, тем больше будет снижение общего сопротивления p-n переходов.
Таким образом, из данных фигуры 18 следует, что при изготовлении полупроводникового преобразователя по изобретению предпочтительно размер p-n переходов делать малым, а число N достаточно большим (в идеале оно должно стремится к бесконечно большому числу).
Необходимо особо отметить, что разброс физических характеристик материалов, в частности величины сопротивления (описанный выше), зависит не только от масштаба, температуры или нагрузки образца, но и от чистоты материала. В химически чистом кремнии разброс экспериментальных данных незначительный и поэтому эффект снижения величины сопротивления при использовании таких материалов очень мал. Для изготовления преобразователей согласно изобретению предпочтителен обычный технический кремний, или арсенид галлия, или другой полупроводниковый материал, который бы давал достаточно большой разброс данных эксперимента. При наличии большого разброса экспериментальных данных возможен эффект значительного снижения сопротивления в параллельной цепи.
2
Аналогичные приведенным выше данным получены в экспериментах, когда в качестве контроля использовали серийные промышленные преобразователи (см. фиг.19). Из кривой 16 на фиг.19 видно, что сопротивление p-n перехода серийного однопереходного (N=1) промышленного преобразователя ФД-263-01 имеет громадный экспериментальный разброс по величине. Однако, несмотря на большую величину размера p-n перехода (площадь p-n перехода S=9 мм), при увеличении их числа до значений N=2, 4, 8, 200 также наблюдается полное устранение разброса, стабилизация величины общего сопротивления и его существенное снижение до нулевого значения (см. кривые 16-20 на фиг.19). Однако в любом случае для устранения разброса, получения сверхточных значений сопротивления, снижения сопротивления по величине необходимо выполнение условия неравенства N>1, т.е. это число должно быть достаточно большим и в идеале N→∞.
Результаты экспериментальных исследований также показали, что в статистической выборке из N p-n переходов (объединенных в параллельную электрическую цепь посредством электрода 6) становятся стабильными, снижаются по величине не только значения активного сопротивления R, но и значения индуктивностей L и емкостей С (см. также фиг.20 и 21 и таблица 1). Снижение емкости связано с тем, что в результате снижения сопротивления паразитный заряд на p-n переходах не скапливается, а уходит во внешнюю цепь. Механизм снижения индуктивности аналогичен механизму снижения сопротивления в параллельной цепи. При этом снижение величин R, С, L приводит также к существенному увеличению добротности Q преобразователя.
Кроме того, при одновременном увеличении числа N и рабочей частоты f (см. кривые 10-15 на фиг.20 - для сопротивлений и кривые 27-32 на фиг.21 - для емкости) величины внутреннего сопротивления R, емкости перехода С, индуктивности L становятся стабильными, снижаются по величине еще интенсивней. Необходимо также отметить, что стабильность значений соблюдается и при изменении температуры (как при снижении до низких значений, так и при увеличении до высоких температур). Измерения проводились в диапазоне от 173 К до 393 К.
В заключение следует отметить, что вышеприведенные примеры представлены лишь для лучшего понимания сущности изобретения, а также его преимуществ и ни в коей мере не охватывают все возможные частные случаи его осуществления. С учетом вышеописанного специалисту в полупроводниковой технике будет ясно, что возможны и другие конкретные варианты его воплощения, в частности характеризуемые материалами подложки, токопроводящих путей, разделительных слоев и пр., отличными от прямо упомянутых в описании, но хорошо известными и применяемыми в данной области техники для аналогичных целей, а также характеризуемые числом p-n переходов, прямо не упомянутым в описании, но однозначно следующим из существа изобретения, согласно которому их должно быть не менее 2. В рамках настоящего изобретения могут быть использованы отличные от упомянутых известные методы изготовления как всего преобразователя, так и его отдельных элементов. Возможно также предусмотреть и другие конкретные случаи осуществления изобретения, которые однако не будут выходить за рамки испрашиваемой правовой охраны, полностью определяемой прилагаемой формулой изобретения.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ
1. Алферов Ж.И., Андреев В.М., Румянцев В.Д. / Тенденции и перспективы развития солнечной энергетики. // Физика и техника полупроводников. 2004, т.38, вып.8. С.937-948.
2. Мейтин М. / Фотовольтаика: материалы, технологии, перспективы. // Электроника: наука, технология, бизнес. 2000. N 6. - С.40-46
3. Степаненко И.П. // Основы микроэлектроники, изд. 2-е. М.: Лаборатория базовых знаний. 2004, 488 с.