RU2265915C1

RU2265915C1 - Method for fabrication of semiconductor photoelectric generator

Info

Publication number: RU2265915C1
Application number: RU2004119390/28A
Authority: RU
Inventors: Д.С. Стребков (RU); Д.С. Стребков; В.В. Заддэ (RU); В.В. Заддэ; О.В. Шеповалова (RU); О.В. Шеповалова
Priority date: 2004-06-28
Filing date: 2004-06-28
Publication date: 2005-12-10

Abstract

FIELD: electronic engineering; fabrication of semiconductor photoelectric generators.

SUBSTANCE: proposed method for fabricating photoelectric generator includes formation of p-n structures on semiconductor substrate, metal deposition, cutting of blank into matrices, their covering with clearing coat, and connection of current leads; multilayer n-p structure is formed by way of epitaxial growth of n and p layers on semiconductor substrate; prior to connection of current leads pulse voltage is applied to matrices and reverse-biased p-n junctions are broken down.

EFFECT: enhanced output voltage and power, well productivity, and manufacturability of generator.

1 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к электронной технике, а именно к технологии изготовления полупроводниковых фотоэлектрических генераторов.The invention relates to electronic equipment, namely to the manufacturing technology of semiconductor photoelectric generators.

Известен способ изготовления полупроводникового фотоэлектрического генератора путем диффузии примеси через маску сквозь пластину кремния. Поскольку фото-ЭДС р-n-переходов в образованной n-р-n-структуре направлены встречно, один из р-n-переходов шунтируют путем локального нанесения металлического контакта на одной стороне генератора (патент США №3015762, кл.317-234, 1960 г.).A known method of manufacturing a semiconductor photoelectric generator by diffusing an impurity through a mask through a silicon wafer. Since the photo-emf of the pn junctions in the formed npn structure is directed opposite, one of the pn junctions is shunted by local deposition of a metal contact on one side of the generator (US Pat. No. 3,015,762, cl. 317-234, 1960).

Недостатком способа является сложная технология изготовления, низкая производительность процесса из-за длительного процесса диффузии и трудность прецизионного шунтирования части р-n-переходов. Другим недостатком является низкая фото-ЭДС за счет больших размеров базовых областей, ограниченных технологией диффузии, которая идет не только вглубь, но и по ширине пластины. Низкая мощность обусловлена большой величиной последовательного сопротивления генератора.The disadvantage of this method is the complex manufacturing technology, low process productivity due to the long diffusion process and the difficulty of precision shunting of part of the pn junctions. Another disadvantage is the low photo-emf due to the large size of the base regions, limited by diffusion technology, which goes not only deep into, but also across the width of the plate. Low power is due to the large value of the series resistance of the generator.

Известный способ изготовления фотоэлектрического генератора состоит в создании диодных n⁺-р-p⁺-структур в пластине кремния путем диффузии фосфора и бора, металлизации, разрезания заготовки на матрицы, нанесения просветляющего покрытия и присоединения токоотводов.A known method of manufacturing a photovoltaic generator is to create diode n ⁺ -p-p ⁺ structures in a silicon wafer by diffusing phosphorus and boron, metallization, cutting the workpiece into matrices, applying an antireflection coating and attaching down conductors.

Согласно этому способу заготовку получают соединением большого количества пластин кремния n⁺-p-р⁺-переходами и омическими контактами большой площади в столбик при помощи пайки металлических контактов.According to this method, a preform is obtained by connecting a large number of silicon wafers with n ⁺ -p ⁺ p ⁺ junctions and ohmic contacts of a large area into a column by soldering metal contacts.

Недостатками данного способа являются низкое выходное напряжение и мощность генератора, обусловленные технологическим ограничением толщины используемых пластин кремния из-за их хрупкости, а также низкая технологичность и производительность процесса изготовления.The disadvantages of this method are the low output voltage and power of the generator, due to the technological limitation of the thickness of the silicon wafers used due to their fragility, as well as low manufacturability and productivity of the manufacturing process.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение выходного напряжения и мощности генератора, повышение производительности, технологичности.The objective of the invention is to increase the output voltage and power of the generator, increasing productivity, manufacturability.

В результате использования предлагаемого изобретения увеличивается выходное напряжение и мощность, повышается технологичность и производительность изготовления полупроводникового высоковольтного генератора. Способ обеспечивает высокое качество генераторов.As a result of using the invention, the output voltage and power increase, the manufacturability and productivity of manufacturing a semiconductor high-voltage generator increases. The method provides high quality generators.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления полупроводникового фотоэлектрического генератора путем создания р-n-структур на полупроводниковой подложке, металлизации, разрезания заготовки на матрицы, нанесения просветляющего покрытия и присоединения токоотводов, многослойную n-р структуру формируют методом эпитаксиального выращивания слоев n- и р-типа на полупроводниковой подложке, перед присоединением токоотводов на матрицы подают импульсное напряжение и пробивают обратносмещенные р-n-переходы.The above technical result is achieved by the fact that in the method of manufacturing a semiconductor photoelectric generator by creating pn structures on a semiconductor substrate, metallization, cutting the workpiece into matrices, applying an antireflection coating and attaching current conductors, a multilayer np structure is formed by epitaxial growth of n- layers and p-type on a semiconductor substrate, before connecting the down conductors, a pulse voltage is applied to the arrays and the reverse biased pn junctions are punched.

На полупроводниковой подложке создают методом эпитаксиального выращивания 10-65 слоев n и p типа толщиной 10-15 мкм и получают заготовку, проводят металлизацию заготовки. Полученную заготовку разрезают на матрицы толщиной 0,3-1,2 мм, подают на матрицы перед присоединением токоотводов импульсное напряжение величиной 60-120 В на р-n-переход при емкости 35-1000 мкФ и пробивают обратносмещенные р-n-переходы.On a semiconductor substrate, 10-65 layers of n and p type 10-15 microns thick are created by epitaxial growth by a method and a preform is obtained, the preform is metallized. The resulting billet is cut into matrices 0.3-1.2 mm thick, a pulse voltage of 60-120 V is applied to the matrices before attaching the down conductors to the pn junction at a capacitance of 35-1000 μF, and reverse biased pn n junctions are punched.

Сущность прелагаемого способа поясняется фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6.The essence of the proposed method is illustrated in figures 1, 2, 3, 4, 5, 6.

На фиг.1 представлена модель для определения характеристик n-p-n-перехода до и после пробоя.Figure 1 presents a model for determining the characteristics of the n-p-n junction before and after the breakdown.

На фиг.2 - схема пробойной установки.Figure 2 - diagram of the breakdown installation.

На фиг.3 - зависимость напряжения пробоя от емкости пробойной установки.Figure 3 - dependence of the breakdown voltage on the capacity of the breakdown installation.

На фиг.4 - вольт-амперная характеристика модели до пробоя.Figure 4 - current-voltage characteristic of the model before the breakdown.

На фиг.5 и фиг.6 показана вольт-амперная характеристика модели после пробоя.In Fig.5 and Fig.6 shows the current-voltage characteristic of the model after breakdown.

На фиг.5 показана зависимость I от U_общ и I от U₁.Figure 5 shows the dependence of I on U _total and I on U ₁ .

На фиг.6 показана зависимость I от U₂.Figure 6 shows the dependence of I on U ₂ .

Создание методом эпитаксиального выращивания многопереходной структуры на полупроводниковой подложке используется в производстве интегральных схем (П.Н.Масленников и др. Оборудование полупроводникового производства. М.: Радио и связь, 1981 г., стр.71-80). Однако при изготовлении полупроводниковых фотоэлектрических генераторов создание методом эпитаксиального выращивания многопереходной структуры не применяется, в основном из-за образования в результате применения эпитаксии n-p-n-...-n-p-структур с обратносмещенными переходами. Образующиеся барьеры не позволяют функционировать полупроводниковому фотоэлектрическому генератору.The creation by the method of epitaxial growth of a multi-junction structure on a semiconductor substrate is used in the manufacture of integrated circuits (PN Maslennikov et al. Equipment for semiconductor production. M: Radio and communications, 1981, pp. 71-80). However, in the manufacture of semiconductor photoelectric generators, the creation of a multi-junction structure by the method of epitaxial growth is not used, mainly due to the formation of n-p-n -...- n-p-structures with reverse biased transitions as a result of the application of epitaxy. The resulting barriers do not allow the semiconductor photoelectric generator to function.

Подача импульсного напряжения на матрицы перед присоединением токоотводов и пробивания обратносмещенных p-n-переходов позволяет устранить образующиеся барьеры: в результате пробоя получают последовательную коммутацию n-p-n-...- n-p-структур.Applying an impulse voltage to the arrays before attaching the down conductors and punching the reverse biased p-n junctions allows eliminating the formed barriers: as a result of the breakdown, serial switching of n-p-n -...- n-p structures is obtained.

При условии устранения обратносмещенных переходов метод эпитаксиального выращивания при изготовлении полупроводникового фотоэлектрического генератора более технологичен. В прототипе для получения заготовки в каждой отдельной пластине создают диффузией n⁺-р-p⁺-структуры, проводят металлизацию каждой пластины и т.д., то есть большая часть операций проводится для каждой пластины, а затем проводится сборка в столбик для получения многопереходной структуры.If reverse-biased transitions are eliminated, the method of epitaxial growth in the manufacture of a semiconductor photoelectric generator is more technologically advanced. In the prototype, to obtain blanks in each individual plate, n ⁺ -p-p ⁺ structures are created by diffusion, each plate is metallized, etc., that is, most of the operations are carried out for each plate, and then assembled into a column to obtain a multi-junction structure.

В предлагаемом способе многопереходную структуру создают одной операцией - эпитаксией, а затем проводят металлизацию готовой заготовки. Пластины в прототипе обрабатываются партиями и для создания 10-65 слойной структуры требуются большие технологические затраты, это более трудоемко, требует больше времени и соответственно ниже производительность, чем для создания многопереходной структуры методом эпитаксии. Увеличение выходной мощности и напряжения генератора в предлагаемом способе происходит за счет устранения потерь внутри матрицы на контакты между отдельными эпитаксиальными р-n-переходами, собранными в столбик, а также за счет структурных изменений, происходящих в процессе пробоя, влияние пробоя на структуру и изменения границ перехода, что подтверждается полученными данными, приведенными на фиг.4, 5 и 6. График на фиг.6 подтверждает устранение обратносмещенных переходов. Величину импульсного напряжения и емкости регулируют в зависимости от количества р-n-структур и устанавливают соответствующую длительность импульса, исключающую разогрев матрицы и влияние температурного фактора на пробой.In the proposed method, a multi-junction structure is created in one operation - epitaxy, and then metallization of the finished workpiece is carried out. The plates in the prototype are processed in batches and to create a 10-65 layer structure requires large technological costs, it is more laborious, requires more time and correspondingly lower productivity than to create a multi-junction structure by epitaxy. The increase in the output power and voltage of the generator in the proposed method occurs by eliminating the losses inside the matrix at the contacts between the individual epitaxial pn junctions assembled in a column, as well as due to structural changes that occur during the breakdown, the effect of breakdown on the structure and changes in the boundaries transition, which is confirmed by the data obtained, shown in figure 4, 5 and 6. The graph in figure 6 confirms the elimination of reverse biased transitions. The magnitude of the pulse voltage and capacitance is regulated depending on the number of pn structures and the corresponding pulse duration is established, which excludes matrix heating and the influence of the temperature factor on the breakdown.

Величина напряжения пробоя и величина емкости пробивной установки взаимозависимы: увеличение одного параметра вызывает уменьшение другого и связаны с временем пробоя (временем разряда конденсатора, длительностью импульса поступления напряжения).The magnitude of the breakdown voltage and the value of the capacitance of the punch installation are interdependent: an increase in one parameter causes a decrease in the other and is associated with the breakdown time (capacitor discharge time, voltage pulse duration).

Определенной емкости соответствует определенная поступающая на матрицу энергия разряда, если эта энергия недостаточна для мгновенного (импульсного пробоя матрицы) происходит разогрев матрицы и, затем, тепловой пробой, который влечет за собой резкое изменение структуры и другие нежелательные эффекты.A certain capacity corresponds to a certain discharge energy arriving at the matrix, if this energy is insufficient for instantaneous (pulse breakdown of the matrix), the matrix heats up and then thermal breakdown, which entails a sharp change in the structure and other undesirable effects.

Верхний предел напряжения 120 В соответственно (нижний предел емкости 35 мкФ) был выбран исходя из того, что во первых нецелесообразно применение более мощных пробивных установок из условий технологичности предлагаемого способа: величина напряжения пробоя растет пропорционально увеличению количества слоев и для создания 65 слойной матрицы требуется уже напряжение пробоя в 63-65 раз больше, чем для одного микроэлемента; во-вторых, было замечено, что при более высоких напряжениях наблюдается ухудшение выходных характеристик, по-видимому за счет ухудшения равномерности распространения пробоя по барьеру и изменения структуры в области пробоя.The upper limit of the voltage of 120 V, respectively (the lower limit of the capacitance is 35 μF) was based on the fact that, in the first place, it is impractical to use more powerful breakdown installations from the technological conditions of the proposed method: the breakdown voltage increases in proportion to the increase in the number of layers and to create a 65 layer matrix, it is already required breakdown voltage is 63-65 times greater than for a single trace element; secondly, it was noted that at higher voltages, a decrease in the output characteristics is observed, apparently due to a deterioration in the uniformity of breakdown propagation along the barrier and a change in the structure in the breakdown region.

Нижний предел напряжения 60 В (верхний предел емкости 1000 мкФ) определен из теоретических и экспериментальных исследований на основе того, что при более низких значениях происходит разогрев матриц и тепловой пробой.The lower voltage limit of 60 V (the upper limit of the capacitance is 1000 μF) is determined from theoretical and experimental studies based on the fact that, at lower values, the matrices are heated and thermal breakdown occurs.

В процессе изготовления величину импульсного напряжения и емкости регулируют в зависимости от количества р-n-структур и устанавливают соответствующую длительность импульса. Выбирают либо установочное напряжение пробоя, либо емкость и определяют соответствующее напряжение пробоя.In the manufacturing process, the magnitude of the pulse voltage and capacitance is regulated depending on the number of pn structures and the corresponding pulse duration is set. Either the set breakdown voltage or the capacitance is selected and the corresponding breakdown voltage is determined.

На фиг.3 приведена зависимость, на основании которой подбирая один из входных параметров (напряжение пробоя или емкость) как установочной можно определять величину другого входного параметра, проводить корректировку в процессе изготовления.Figure 3 shows the dependence, on the basis of which, choosing one of the input parameters (breakdown voltage or capacitance) as the installation one, you can determine the value of another input parameter, make adjustments in the manufacturing process.

Значения слоев 10-65, их толщины 10-15 мкм и толщины полученных матриц 0,3-1,2 мм определяются, во-первых, исходя из того, что количество слоев, толщина слоев, толщина матриц задают габаритные характеристики генератора, а получаемые согласно предлагаемому способу генераторы должны соответствовать габаритным характеристикам генераторов, изготавливаемых традиционными способами.The values of the layers 10-65, their thickness 10-15 μm and the thickness of the resulting matrices 0.3-1.2 mm are determined, firstly, based on the fact that the number of layers, layer thickness, thickness of the matrices determine the overall characteristics of the generator, and the resulting according to the proposed method, the generators must correspond to the overall characteristics of the generators manufactured by traditional methods.

Генераторы с количеством слоев меньше 10 могут применяться в конструкциях только с скоммутированными по несколько штук и, следовательно, технологичнее и эффективнее изначально изготавливать генераторы с числом слоев более 10 штук. Верхнее значение количества слоев - 65 определено из того, что технологически большее количество слоев изготавливать сложно, возможен неполный пробоя, неравномерность пробоя по матрице.Generators with the number of layers less than 10 can be used in designs only with several pieces connected and, therefore, it is more technologically advanced and more efficient to initially produce generators with the number of layers more than 10 pieces. The upper value of the number of layers, 65, is determined from the fact that it is technologically difficult to produce a larger number of layers, incomplete breakdown, uneven breakdown in the matrix is possible.

Пределы толщины слоев 3-15 мкм связаны с особенностями проведения процесса эпитаксии и с характеристиками существующего эпитаксиального оборудования.The limits of the layer thickness of 3-15 μm are associated with the features of the epitaxy process and with the characteristics of existing epitaxial equipment.

Пример конкретного выполнения способа.An example of a specific implementation of the method.

На подложке из кремния n типа создают эпитаксиальную многослойную структуру из 10-65 слоев пир типа толщиной 10-15 мкм.On an n type silicon substrate, an epitaxial multilayer structure of 10-65 layers of pir type 10-15 microns thick is created.

Металлизацию двух поверхностей структуры осуществляют напылением в вакууме или химическим осаждением металла. После металлизации заготовку облуживают припоем ПОС-60. Разрезают заготовку, например, перпендикулярно плоскости р-n переходов на матрицы толщиной 0,3-1,2 мм.Metallization of the two surfaces of the structure is carried out by vacuum deposition or chemical deposition of the metal. After metallization, the workpiece is tinned with POS-60 solder. Cut the workpiece, for example, perpendicular to the plane of pn junctions on the matrix with a thickness of 0.3-1.2 mm

Полученные многопереходные матрицы с вертикальной n-р-n-р...-структурой механически шлифуют и протравливают в растворе состава HF:HNO₃=1:2 при комнатной температуре в течение 10-20 секунд для снятия шунтов, матрицы тщательно промывают, сушат.The obtained multi-junction matrices with a vertical n-p-n-p ... structure are mechanically ground and etched in a solution of the composition HF: HNO ₃ = 1: 2 at room temperature for 10-20 seconds to remove shunts, the matrices are thoroughly washed, dried .

Затем на поверхности кремния формируют просветляющую пленку из Та₂O₅ или Nb₂O₅. Наносят просветляющее покрытие на матрицу вращающуюся со скоростью свыше 2000 об/мин, и после стабилизации цвета пленки (2-5 сек) выдерживают матрицу в осушенном азоте при температур 500±8°С в течение 7-12 минут.Then, an antireflection film of Ta ₂ O ₅ or Nb ₂ O ₅ is formed on the silicon surface. An antireflection coating is applied to the matrix rotating at a speed of more than 2000 rpm, and after the color stabilization of the film (2-5 sec), the matrix is kept in dried nitrogen at temperatures of 500 ± 8 ° C for 7-12 minutes.

Далее на матрицы подают импульсное напряжение величиной 60-120 В на один р-n-переход при емкости 35 мкФ и пробивают обратносмещенные р-n-переходы с образованием последовательных коммутаций р-n-структур. Присоединяют к матрицам токоотводы.Next, a pulse voltage of 60-120 V is applied to the matrices per pn junction at a capacitance of 35 μF and reverse biased pn junctions are punched with the formation of sequential commutations of pn structures. Connect down conductors to the matrices.

Экспериментальные данные, результаты расчетов показывают, что за счет получения заготовки путем создания эпитаксиальной многослойной структуры и пробоя обратносмещенных р-n-переходов происходит увеличение выходного напряжения до величины 0,3-0,6 В на один р-n-переход, увеличение тока и мощности.Experimental data and calculation results show that due to the preparation of a workpiece by creating an epitaxial multilayer structure and breakdown of reverse biased pn junctions, the output voltage increases to 0.3-0.6 V per one pn junction, the current increases, and power.

Claims

A method of manufacturing a semiconductor photoelectric generator, including the formation of a multilayer n-p-structure by epitaxial growth of n- and p-type layers on a semiconductor substrate, the formation of metallization, cutting a workpiece on a matrix, applying an antireflection coating and attaching down conductors, before applying the down conductors to the arrays, a pulse is applied voltage and break through reverse biased pn junctions.