Конструкция монолитного кремниевого фотоэлектрического преобразователя и способ ее изготовления
Владельцы патента RU 2608302:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (RU)
Изобретение относится к области многопереходных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), применяемых для солнечных батарей и фотоприемников космического и иного назначения. Монолитный кремниевый фотоэлектрический преобразователь содержит диодные ячейки с расположенными в них перпендикулярно горизонтальной светопринимающей поверхности, вертикальные p-n-переходы и расположенные в диодных ячейках, параллельно к светопринимающей поверхности, горизонтальные n+-p-(p+-n-) переходы, причем все диодные ячейки последовательно соединены в единую конструкцию металлическими катодными и анодными электродами, при этом каждая диодная ячейка (и их вертикальные p-n-переходы) изолирована от соседних с четырех сторон, сбоку - слоем диэлектрика, снизу - дополнительным горизонтальным p-n-переходом, образованным кремниевой подложкой p- (n-) типа проводимости и нижним горизонтальным n+ (p+) слоем p-n-перехода, причем на верхней горизонтальной поверхности диодной ячейки расположен верхний горизонтальный p-n-переход, на n+ (p+) слоях которого соответственно расположены электрод катода (анода), а на p+ (n+) слое - электрод анода (катода). Также предложен способ формирования монолитного кремниевого фотоэлектрического преобразователя. Технический результат изобретения заключается в повышении коэффициента полезного действия, радиационной стойкости и технологичности многопереходных преобразователей. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 6 ил.
Настоящее изобретение относится к области фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) применяемых в качестве приемников оптических излучений и солнечных батарей космического назначения.
Известны «традиционная» однопереходная (ОП) конструкция ФЭП с перпендикулярно расположенным к направлению потока светового излучения светопринимающей поверхности p+-n--n+ (p+-p--n+) перехода - горизонтальной диодной ячейки (ДЯ), на поверхности которого расположено светопросветляющее покрытие (фиг. 1а, б). Такие ФЭП имеют невысокий коэффициент полезного действия (КПД), около 14%, и не позволяют получить высокое значение выходного напряжения более 0,6 B, что ограничивает область их применения в солнечных батареях с концентраторами излучения [1. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. 1972 г.].
Известна конструкция (фиг. 2) многопереходного (МП) кремниевого монокристаллического ФЭП, содержащая диодные ячейки (ДЯ) с размещенными на их светопринимающей поверхности светопросветляющего покрытия и с расположенными в них одиночными p+-n--n+ (p+-p--n+) переходами, в направлении, перпендикулярном светопринимающей поверхности, соединенными в единую конструкцию металлическими анодными и катодными электродами [2. Патент РФ №2127472, опубл. 03.10.1999; 3. Е.Г. Тук и др. Характеристики кремниевого многопереходного солнечного элемента с вертикальными p-n-переходами. Ж-л. Физика и техника полупроводников. 1997 г. Т. 31, №7, с. 855-858].
Такой ФЭП обладают невысоким КПД, (менее 12%), поскольку имеет относительно небольшой объем области пространственного заряда (ОПЗ) p-n-перехода, примыкающего к фоточувствительной поверхности ФЭП.
Известна, взятая за прототип (фиг. 3), конструкция МП кремниевого монокристаллического ФЭП, содержащая диодные ячейки с расположенными в них, перпендикулярно горизонтальной (перпендикулярно к направлению света) светопринимающей поверхности, вертикальных p+-p--p+ (p+-n--n+) переходов и расположенными в солнечных элементах параллельно к светопринимающей поверхности горизонтальных n-p- (p+-n-) переходов, все переходы соединены в единую конструкцию (электрическую схему) металлическими катодными и анодными электродами, расположенными соответственно на боковых поверхностях областей - n+ (p+) типа перпендикулярных одиночных n+-p--p+ (p+-n--n+) переходов [4. Мурашев В.Н и др. «Полупроводниковый фотопреобразователь и способ его изготовления», Патент РФ №2377695 от 27.12.2009].
Способ ее изготовления, включающий
- формирование на поверхности пластин из монокристаллического кремния вертикальных одиночных p+-n--n+ (p+-p--n+) переходов, металлизацию поверхности пластин, сборки пластин в столбик с прокладками из алюминиевой фольги, сплавления в вакуумной печи, резанья столбика на структуры, формирование горизонтальных p+-n+ переходов, присоединения токовыводящих контактов и нанесение диэлектрического светопросветляющего покрытия.
Недостатками конструкции прототипа также является низкая радиационная стойкость, ограничение величины КПД фотопреобразователя, связанные с превышением планарных размеров ячеек диффузионной длины неосновных носителей заряда, а также технологическая проблемы, связанные с «ручной» сборкой стопки пластин, ее механической резки и шлифовки поверхности.
Целями изобретения является повышение радиационной стойкости и КПД фотопреобразователя и упрощение технологии его изготовления.
Первая и вторая цели достигаются путем создания «монолитной» конструкции ФП, в которой каждая диодная ячейка (и их вертикальные p-n-переходы) изолирована от соседних сбоку - слоем диэлектрика, снизу - дополнительным горизонтальным p-n-переходом, образованным подложкой p- (n-) типа проводимости и нижним горизонтальным n+ (p+) слоем p-n-перехода, на горизонтальной верхней поверхности ячейки расположен верхний горизонтальный p-n-переход, на n+ (p+) слое которого расположен электрод катода (анода), а на p+ (n+) слое - электрод анода (катода), электроды анодов и катодов соседних ячеек последовательно соединены между собой.
При этом планарные размеры диодных ячеек много меньше диффузионной длины неосновных носителей тока, а вертикальные превышают величину глубины поглощения оптического спектра излучения (40 мкм).
Третья цель достигается путем применения технологии ФЭП, исключающей механическую сборку и резку кремниевых пластин, состоящей в формировании на поверхности подложки p- (n-) типа слоя n+ (p+) типа нижнего горизонтального p-n-перехода, наращивания эпитаксиального слоя и формирования путем проведения первой и второй фотолитографий на его поверхности n+ (p+) слоев верхнего горизонтального p-n-перехода, формирования рельефа путем проведения третьей фотолитографии и травления щелей в кремнии на глубину, превышающую глубину залегания нижнего горизонтального p-n-перехода, формирования вертикальных p-n-переходов путем проведения диффузии донорной (акцепторной) примеси в поверхность щелей, термического окисления поверхности щелей, осаждения на поверхность пластины диэлектрического светопросветляющего покрытия, формирования четвертой фотолитографией контактных окон, осаждения металла и формирования пятой фотолитографией последовательно соединенных между собой электродов анода и катода ячеек фотопреобразователя.
Конструкция и топология (вид сверху) монолитного кремниевого фотоэлектрического преобразователя показаны соответственно на фиг. 4,.б, который согласно изобретению содержит полупроводниковую подложку 1 p (n) типа, на поверхности которой расположены диодные ячейки 2, на верхней поверхности каждой диодной ячейки расположено светопросветляющее покрытие 3, оно расположено на поверхности верхнего горизонтального p-n-перехода, на области n (p+) 5 которого расположен электрод катода (анода) 6, а на области p+ (n+) которого расположен электрод анода (катода) 7, электроды катодов 6 и анодов 7 соседних ячеек последовательно соединены металлическими проводниками 8, на нижней поверхности диодных ячеек расположена n+ (p+) область нижнего горизонтального p-n-перехода 9, образующая p-n-переход с подложкой 1 p (n) типа проводимости и слаболегированной областью p- (n-) 10, расположенной в объеме диодной ячейки, при этом область 10 образует с четырьмя областями n+ (p+) типа 11, расположенными на ее боковых поверхностях, вертикальные p-n-переходы, диодные ячейки ФЭП изолированы друг от друга с четырех боковых сторон слоем диэлектрика 12.
Технология изготовления. (Пример реализации) ФЭП, согласно изобретению, может быть изготовлен по относительно простой технологии, показанной на фиг. 5а, б, в, г, которая состоит в следующем:
а) в пластинах p--типа КДБ 1 Ом⋅см проводят диффузию сурьмы при температуре T=1100°C в течение времени t=1 час, затем выращивают эпитаксиальный слой p-типа толщиной 20-40 мкм;
б) формируют путем проведения первой фотолитографии и ионного легирования фосфора дозой Д=500 мкКл n+-область верхнего горизонтального p-n-перехода, затем проводят вторую фотолитографию формируют ионным легированием дозой Д=500 мкКл p+-верхнего горизонтального p-n-перехода, удаляют фоторезист и проводят термический отжиг радиационных дефектов при температуре Т=950°C в течение времени t=40 минут;
в) формируют рельеф поверхности на глубину превышающую глубину залегания нижнего горизонтального p-n-перехода - путем проведения третьей фотолитографии и плазмохимического травления щелей (решетки) в эпитаксиальном слое и кремнии. Затем формируют вертикальные p-n-переходы путем проведения диффузии фосфора T=850°C в течение t=30 минут в поверхность щелей. Проводят термическое окисление поверхности щелей, при температуре T=850°C в течение 20 минут в атмосфере сухого кислорода - O2), осаждают на поверхность пластины диэлектрическое светопросветляющее покрытие и формируют четвертой фотолитографией контактные окна, осаждают алюминий и формируют пятой фотолитографией последовательное соединение между собой электродов анода и катода диодных ячеек фотопреобразователя.
Следует отметить, что с целью дальнейшего упрощения технологии области n+-типа вертикальных p-n-переходов могут быть инверсионными слоями образованными положительным зарядом в оксиде щелей в результате облучения фотопреобразователя, например потоком ионизирующей радиации от изотопа кобальт-60 дозой свыше 1,0 Мрад.
Электрическая эквивалентная схема предлагаемого ФЭП. показанная на рис. 6 отличается от известных наличием, изолирующих диодов - Dиз.
Здесь обозначены:
- Dяч – диоды, образованные p-n-переходами диодных ячеек;
- Dиз – диоды, образованные изолирующими p-n-переходами нижний n+ (p+) горизонтальный слой -p+ (n+) подложка
Технические преимущества изобретения.
Как видно из фиг. 3, 4 и 5, ширина диодной ячейки (ее один из размеров по горизонтали, равный расстоянию между щелями) может быть весьма малой, т.е. 10 мкм и менее, что существенно меньше диффузионной длины неосновных носителей тока. Это позволяет собирать практически все носители заряда, генерируемые в дали (середине) p-области. Данное обстоятельство соответственно приводит к большему КПД ФЭП, его малой чувствительности к радиации уменьшающей время жизни и диффузионной длины неосновных носителей заряда. Вторым фактором является высокое качество поверхности на границе раздела кремний проводник по сравнению в предлагаемой конструкции качеством поверхности границы раздела кремний-металл в прототипе, приводящее к увеличению рекомбинации носителей тока и соответственно КПД ФЭП.
Преимущества по технологии изготовления заключаются в отсутствии необходимости механической резки пластин, сборки и сплавления их в стопку, а затем механической полировки их поверхности.
Несмотря на несколько более высокую стоимость, по сравнению с традиционными планарными батареями, монолитные ФЭП вполне конкурентоспособны и перспективны, учитывая их высокий КПД, высокую радиационную стойкость и соответственно возможность их работы с концентраторами излучения.
1. Конструкция монолитного кремниевого фотоэлектрического преобразователя, содержащая диодные ячейки с расположенными в них перпендикулярно горизонтальной светопринимающей поверхности, вертикальные p-n-переходы и расположенными в диодных ячейках, параллельно к светопринимающей поверхности, горизонтальные n+-p-(p+-n-) переходы, причем все диодные ячейки последовательно соединены в единую конструкцию металлическими катодными и анодными электродами, отличающаяся тем, что каждая диодная ячейка (и их вертикальные p-n-переходы) изолирована от соседних с четырех сторон, сбоку - слоем диэлектрика, снизу - дополнительным горизонтальным p-n-переходом, образованным кремниевой подложкой p- (n-) типа проводимости и нижним горизонтальным n+ (p+) слоем p-n-перехода, причем на верхней горизонтальной поверхности диодной ячейки расположен верхний горизонтальный p-n-переход, на n+ (p+) слоях которого соответственно расположены электрод катода (анода), а на p+ (n+) слое - электрод анода (катода).
2. Способ изготовления конструкции, включающий формирование на поверхности пластины из монокристаллического кремния вертикальных и горизонтальных p-n-переходов, металлизацию поверхности пластины, отличающийся тем, что на поверхности кремниевой пластины-(подложки) p- (n-) типа формируют слой n+ (p+) типа проводимости нижнего горизонтального p-n-перехода, затем наращивают эпитаксиальный слой, и формируют путем проведения первой и второй фотолитографии на его поверхности n+ (p+) слои верхнего горизонтального p-n-перехода, затем формируют рельеф путем проведения третьей фотолитографии и травления щелей в кремнии на глубину, превышающую глубину залегания нижнего горизонтального p-n-перехода, затем формируют вертикальные p-n-переходы путем проведения диффузии донорной (акцепторной) примеси в поверхность щелей, проводят термическое окисление поверхности щелей, осаждают на поверхность пластины диэлектрическое светопросветляющее покрытие, формируют четвертой фотолитографией контактные окна, осаждают металл и формируют пятой фотолитографией последовательное соединение между собой электродов анода и катода диодных ячеек фотопреобразователя.
3. Способ изготовления по п. 2, отличающийся тем, что области n+-типа вертикальных p-n-переходов являются инверсионными слоями, образованными положительным зарядом в оксиде щелей в результате облучения фотопреобразователя потоком ионизирующей радиации.
