RU2419180C2

RU2419180C2 - Photoelectric converter (versions) and method of making said converter (versions)

Info

Publication number: RU2419180C2
Application number: RU2008152217/28A
Authority: RU
Inventors: Виталий Викторович Заддэ (RU); Виталий Викторович Заддэ; Дмитрий Семенович Стребков (RU); Дмитрий Семенович Стребков; Ольга Ивановна Семенова (RU); Ольга Ивановна Семенова
Priority date: 2008-12-30
Filing date: 2008-12-30
Publication date: 2011-05-20
Also published as: RU2008152217A

Abstract

FIELD: physics. ^ SUBSTANCE: invention relates to design and technology of making optoelectronic devices and specifically to semiconductor photoelectric converters. The semiconductor photoelectric converter has areas with an n+ -p (p+-n) junction, coated with metallic contacts, and on the photosensitive surface a base region with p or n conductivity, with a deposited passivating, antireflection film. The n+ -p (p+-n) junction is in form of a plurality of periodically repeating 0.1-30 mcm wide micro-areas. The 10-300 mcm spaces between the micro-areas contain a base region with minority carrier surface recombination rate less than 100 cm/s. The distance between the levels of the n+ -p (p+-n) junction and the photosensitive surface is not greater than 50 mcm, and the width of the micro-areas is smaller than the spaces by at least 10 times. The disclosed invention seeks to increase efficiency and lower the cost of making the photoelectric converter. The invention also discloses a second version of the photoelectric converter and two versions of the method of making the photoelectric converter. ^ EFFECT: high efficiency and low cost of making the photoelectric converter. ^ 27 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области конструкции и технологии изготовления оптоэлектронных приборов, а именно полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей (ФП).The invention relates to the field of design and manufacturing technology of optoelectronic devices, namely semiconductor photoelectric converters (FP).

Известна конструкция и способ изготовления кремниевых ФП в виде диодной структуры с р-n-переходом на всей рабочей поверхности, токосъемными металлическими контактами к легированному слою в форме гребенки, сплошным тыльным контактом и антиотражающим покрытием на лицевой (рабочей) стороне (книга Полупроводниковые фотопреобразователи./ Васильев A.M., Ландсман А.П. М.: Советское Радио, 1971 г.). Процесс изготовления ФП основан на диффузионном легировании рабочей поверхности фосфором, химическом осаждении никелевого контакта, избирательном травлении контактного рисунка и нанесении антиотражающего покрытия. Недостатком получаемых ФП является сравнительно большая глубина р-n-перехода и, как следствие, невысокое значение их КПД.A known design and method of manufacturing silicon phase transitions in the form of a diode structure with a pn junction on the entire working surface, current collector metal contacts to the doped layer in the form of a comb, a solid back contact and an antireflection coating on the front (working) side (book Semiconductor photoconverters. / Vasiliev AM, Landsman A.P. M .: Soviet Radio, 1971). The FP manufacturing process is based on the diffusion alloying of the working surface with phosphorus, chemical deposition of the nickel contact, selective etching of the contact pattern and the application of an antireflection coating. The disadvantage of the obtained phase transitions is the relatively large pn junction depth and, as a consequence, their low efficiency.

Известна конструкция и способ изготовления кремниевых ФП с мелкозалегающим р-n-переходом на большей части рабочей поверхности и глубоким р-n-переходом под металлическими контактами на рабочей поверхности (Green M.A., Blakers A.W. et al. Improvements in flat-plate and concentrator silicon solar cell efficiency// 19th IEEE Photovolt. Spec. Conf., New Orleans, 1987. - P.49-52). Процесс изготовления включает проведение следующих операций на рабочей поверхности: диффузионное легирование на глубину менее 0,5 мкм, термическое окисление, лазерное скрайбирование канавок, химическое травление кремния в канавках, диффузионное легирование поверхности канавок на глубину более 1 мкм и электрохимическое осаждение никеля и меди в канавки. Недостатком получаемых ФП является поглощение коротковолновой части падающего излучения легированным слоем, имеющим низкий коэффициент собирания носителей тока к р-n-переходу и, как следствие, недостаточно высокое КПД ФП.A known design and method for manufacturing silicon phase transitions with a shallow pn junction on most of the working surface and a deep pn junction under metal contacts on the work surface (Green MA, Blakers AW et al. Improvements in flat-plate and concentrator silicon solar cell efficiency // 19th IEEE Photovolt. Spec. Conf., New Orleans, 1987. - P.49-52). The manufacturing process includes the following operations on the working surface: diffusion alloying to a depth of less than 0.5 microns, thermal oxidation, laser scribing of grooves, chemical etching of silicon in the grooves, diffusion alloying of the surface of the grooves to a depth of more than 1 micron, and electrochemical deposition of nickel and copper into the grooves . The disadvantage of the obtained phase transitions is the absorption of the short-wavelength part of the incident radiation by the doped layer, which has a low carrier collection coefficient for the pn junction and, as a consequence, the low efficiency of the phase transition.

Известна конструкция и способ изготовления ФП с пассивирующей антиотражающей (просветляющей) пленкой на фоточувствительной поверхности, свободной от легированных слоев и контактов, которые создаются на тыльной стороне в виде чередующихся, сильно легированных областей, образующих р-n-переходы и изотипные переходы (Sinton R.A., Swanson R.M. An optimization study ofSi point-contact concentrator solar cell// 19^th IEEE Photovolt. Spec. Conf., New Orleans, 1987. N.Y. 1987. - P. 1201-1208.). Недостатком этих ФП является необходимость неоднократного проведения операций фотолитографического травления с совмещением рисунка шаблона, что усложняет процесс изготовления и повышает стоимость ФП.A known design and method of manufacturing a phase transition with a passivating antireflection (antireflection) film on a photosensitive surface free of doped layers and contacts that are created on the back in the form of alternating, heavily doped regions forming pn junctions and isotype transitions (Sinton RA, Swanson RM An optimization study of Si point-contact concentrator solar cell // 19 ^th IEEE Photovolt. Spec. Conf., New Orleans, 1987. NY 1987. - P. 1201-1208.). The disadvantage of these FPs is the need for repeated photolithographic etching operations with the combination of the pattern, which complicates the manufacturing process and increases the cost of the FP.

В качестве прототипа принята конструкция и способ изготовления ФП (патент РФ №2331 139) с двухсторонней фоточувствительной рабочей поверхностью с диодной n⁺-р-p⁺-структурой, у которого конфигурация и площадь контактов на тыльной стороне совпадают в плане и не превышают 10% общей площади, а толщина фотопреобразователя соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, диодные структуры выполнены в виде отдельных скоммутированных контактами участков, совмещены в плане на рабочей и тыльной поверхности с участками, на которые нанесены контакты, расстояние между отдельными соседними участками с n⁺-р (р⁺-n)-переходами на рабочей поверхности не превышает удвоенную диффузионную длину неосновных носителей тока в базовой области и на рабочей поверхности, свободной от n⁺-р (р⁺-n)-перехода, расположена пассивирующая антиотражающая пленка.As a prototype, a design and a method for manufacturing an FP (RF patent No. 2,331,139) with a two-sided photosensitive working surface with a diode n ⁺ -p-p ⁺ structure, in which the configuration and contact area on the back side are identical in plan and do not exceed 10%, were adopted the total area, and the thickness of the photoconverter is commensurate with the diffusion length of minority current carriers in the base region, the diode structures are made in the form of separate sections connected by contacts, combined in plan with the sections on the working and back surfaces, n and which are marked with contacts, the distance between separate adjacent sections with n ⁺ -p (p ⁺ -n) junctions on the working surface does not exceed twice the diffusion length of minority current carriers in the base region and on the working surface free of n ⁺ -p (p ⁺ -n) junction, a passivating antireflection film is located.

Недостатком прототипа является повышенные потери на сопротивлении металлических контактов, что снижает величину КПД, а также необходимость использования дорогостоящего кремния высокой степени чистоты, который имеет большую величину диффузионной длины неосновных носителей тока.The disadvantage of the prototype is the increased loss on the resistance of metal contacts, which reduces the efficiency, as well as the need to use expensive silicon with a high degree of purity, which has a large diffusion length of minority current carriers.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение КПД и снижение стоимости изготовления ФП.The task of the invention is to increase efficiency and reduce the cost of manufacturing FP.

Технический результат достигается тем, что в полупроводниковом фотопреобразователе, содержащем участки с n⁺-р (р⁺-n)-переходом, покрытые металлическими контактами, а на фоточувствительной поверхности базовую область р- или n-типа проводимости, с нанесенной пассивирующей просветляющей пленкой, n⁺-р (р⁺-n)-переход выполнен в виде множества периодически повторяющихся микроучастков шириной 0,1-30 мкм, промежутки между микроучастками 10-300 мкм содержат базовую область со скоростью поверхностной рекомбинации ниже 100 см/сек, при этом расстояние между уровнями расположения n⁺-р (р⁺-n)-перехода и фоточувствительной поверхностью не превышает 50 мкм, а ширина микроучастков меньше промежутков по меньшей мере в 10 раз.The technical result is achieved by the fact that in a semiconductor photoconverter containing sections with an n ⁺ -p (p ⁺ -n) junction, coated with metal contacts, and on the photosensitive surface, the base region of p- or n-type conductivity, coated with a passivating antireflective film, The n ⁺ -p (p ⁺ -n) junction is made in the form of a plurality of periodically repeating microregions with a width of 0.1-30 microns, the gaps between microregions of 10-300 microns contain a base region with a surface recombination rate below 100 cm / sec, while between between the levels of the location of the n ⁺ -p (p ⁺ -n) junction and the photosensitive surface does not exceed 50 μm, and the width of the micro-sections is less than the intervals by at least 10 times.

В варианте конструкции полупроводникового фотопреобразователя с двумя фоточувствительными сторонами, содержащем участки диодных структур с n⁺-р (р⁺-n)-переходом на одной стороне и изотипным р-p⁺ (n-n⁺)-переходом на другой стороне, покрытых металлическими контактами, и базовую область р- или n-типа проводимости с нанесенной на ней пассивирующей просветляющей пленкой, n⁺-р (р⁺-n)-переход диодной структуры на одной стороне и изотипный р-p⁺ (n-n⁺)-переход на противоположной стороне, выполнены в виде множества периодически повторяющихся микроучастков диодных структур шириной 0,1-30 мкм, промежутки между микроучастками 10-300 мкм содержат базовую область со скоростью поверхностной рекомбинации ниже 100 см/сек, при этом расстояние от уровня расположения n⁺-р (р⁺-n)-перехода и изотипного р-p⁺ (n-n⁺)-перехода диодных структур до фоточувствительной поверхности не превышает 50 мкм, а ширина микроучастков меньше промежутков по меньшей мере в 10 раз.In a design variant of a semiconductor photoconverter with two photosensitive sides, containing sections of diode structures with an n ⁺ -p (p ⁺ -n) junction on one side and an isotypic p-p ⁺ (nn ⁺ ) junction on the other side, coated with metal contacts, and the base region of p- or n-type conductivity with a passivating antireflection film deposited on it, an n ⁺ -p (p ⁺ -n) junction of the diode structure on one side and an isotypic p-p ⁺ (nn ⁺ ) junction on the opposite side are made in the form of many periodically repeating micro-sections s diode structures 0.1-30 microns wide, the gaps between 10-300 microns microportions contain the base region from the surface recombination velocity less than 100 cm / sec, the distance from the level of arrangement of n ⁺ p (p ⁺ -n) junction and the isotype p-p ⁺ (nn ⁺ ) junction of the diode structures to the photosensitive surface does not exceed 50 μm, and the width of the micro-sections is less than the intervals by at least 10 times.

Дополнительное повышение КПД полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что базовая область выполнена из кремния, с металлическими контактами в качестве верхнего слоя из алюминия, меди или серебра толщиной свыше 0,5 мкм, а свободная от n⁺-р (р⁺-n)-переходов и изотипных p-p⁺ (n-n⁺)-переходов фоточувствительная поверхность базовой области текстурирована и покрыта пассивирующей антиотражающей пленкой на основе нитрида кремния, легированной водородом.An additional increase in the efficiency of the semiconductor photoconverter is achieved by the fact that the base region is made of silicon, with metal contacts as the upper layer of aluminum, copper or silver with a thickness of more than 0.5 μm, and free from n ⁺ -p (p ⁺ -n) junctions and isotypic pp ⁺ (nn ⁺ ) junctions, the photosensitive surface of the base region is textured and coated with a passivating antireflection film based on silicon nitride doped with hydrogen.

Дополнительное снижение себестоимости изготовления полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что базовая область выполнена из кремния с поликристаллической структурой с размерами зерен, превышающими ширину промежутков между микроучастками не менее 10 раз.An additional reduction in the cost of manufacturing a semiconductor photoconverter is achieved by the fact that the base region is made of silicon with a polycrystalline structure with grain sizes exceeding the width of the gaps between the microparticles by at least 10 times.

Еще большее снижение себестоимости изготовления полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что базовая область выполнена из пленки кремния толщиной 1-30 мкм.An even greater reduction in the cost of manufacturing a semiconductor photoconverter is achieved by the fact that the base region is made of a silicon film with a thickness of 1-30 microns.

Повышение КПД при использовании концентрированного солнечного излучения достигается тем, что базовая область выполнена в виде узкой полосы, ширина которой много меньше ее длины и микроучастки направлены поперек полосы.The increase in efficiency when using concentrated solar radiation is achieved by the fact that the base region is made in the form of a narrow strip, the width of which is much less than its length and the micro-sections are directed across the strip.

Стабилизация высокого КПД полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что пассивирующая антиотражающая пленка содержит защитную прозрачную пленку толщиной более 0,1 мкм.Stabilization of high efficiency semiconductor photoconverter is achieved by the fact that the passivating antireflection film contains a protective transparent film with a thickness of more than 0.1 microns.

В способе изготовления полупроводникового фотопреобразователя, включающем химическое травление и очистку поверхности базовой области, легирование разных сторон донорной и акцепторной примесями, нанесение контактов в форме сетки и создание на поверхности базовой области пассивирующей антиотражающей пленки, легирование проводят на глубину более 0,2 мкм, наносят слой металлического контакта из алюминия, меди или серебра, формируют контактную сетку, в ячейках контактной сетки химическим путем травят поверхность до базовой области, наносят пассивирующую антиотражающую пленку, например, на основе нитрида кремния, легированного водородом и наносят прозрачную защитную пленку, например, двуокись кремния.In the method of manufacturing a semiconductor photoconverter, including chemical etching and cleaning the surface of the base region, doping of the sides with donor and acceptor impurities, applying contacts in the form of a grid and creating a passivating antireflection film on the surface of the base region, doping is carried out to a depth of more than 0.2 μm, a layer is applied a metal contact of aluminum, copper or silver, form a contact network, in the cells of the contact network chemically etch the surface to the base region, They have a passivating antireflection film, for example, based on silicon nitride doped with hydrogen, and a transparent protective film, for example, silicon dioxide, is applied.

Дополнительное снижение себестоимости изготовления полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что рисунок металлической контактной сетки формируют из пленки фоторезиста методом импринт-литографии.An additional reduction in the cost of manufacturing a semiconductor photoconverter is achieved by the fact that a metal contact grid pattern is formed from a photoresist film by imprint lithography.

Дополнительное снижение себестоимости изготовления полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что металлическую контактную сетку формируют методом лазерного гравирования.An additional reduction in the cost of manufacturing a semiconductor photoconverter is achieved by the fact that the metal contact grid is formed by laser engraving.

Дополнительное снижение себестоимости изготовления полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что металлическую контактную сетку формируют методом механического фрезерования.An additional reduction in the cost of manufacturing a semiconductor photoconverter is achieved by the fact that a metal contact grid is formed by mechanical milling.

Дополнительное снижение себестоимости изготовления полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что металлическую контактную сетку формируют методом аэрозольной струйной печати металлосодержащей пасты толщиной свыше 1 мкм с последующим вжиганием контакта.An additional reduction in the cost of manufacturing a semiconductor photoconverter is achieved by the fact that the metal contact grid is formed by the method of aerosol inkjet printing of metal-containing paste with a thickness of more than 1 μm, followed by burning contact.

Дополнительное уменьшение вредных отходов при изготовлении полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что химическую обработку поверхности выполняют плазмохимическим путем.An additional reduction of harmful waste in the manufacture of a semiconductor photoconverter is achieved by the fact that the chemical surface treatment is performed by a plasma-chemical method.

Дополнительное увеличение КПД полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что при химической обработке поверхности базовой области выполняют текстурирование поверхности.An additional increase in the efficiency of the semiconductor photoconverter is achieved by the fact that during the chemical treatment of the surface of the base region, surface texturing is performed.

Дополнительное увеличение КПД полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что пассивирующую пленку на основе окиси кремния или нитрида кремния создают атомно-слоевым осаждением.An additional increase in the efficiency of the semiconductor photoconverter is achieved by the fact that a passivating film based on silicon oxide or silicon nitride is created by atomic layer deposition.

В варианте способа изготовления полупроводникового фотопреобразователя, включающем химическое травление и очистку поверхности базовой области, легирование разных сторон донорной и акцепторной примесями, нанесение контактов в форме сетки и создание на поверхности базовой области пассивирующей антиотражающей пленки, пассивирующую антиотражающую пленку наносят на основе окиси кремния или нитрида кремния при температуре 350-850°С после химического травления и очистки поверхности базовой области, покрывают упомянутую пленку защитным слоем, создают в пленке и защитном слое окна в форме контактной сетки, легируют поверхность окон соответственно донорной и акцепторной примесями и всю поверхность окон покрывают металлическим контактом с верхним слоем из алюминия, меди или серебра.In an embodiment of a method for manufacturing a semiconductor photoconverter, including chemical etching and cleaning of the surface of the base region, doping of the sides with donor and acceptor impurities, applying contacts in the form of a grid and creating a passivating antireflection film on the surface of the base region, a passivating antireflection film is applied based on silicon oxide or silicon nitride at a temperature of 350-850 ° C after chemical etching and cleaning the surface of the base region, cover the mentioned film with a protective layer it creates in the film and the protective layer to form contact windows mesh doped surface windows respectively donor and acceptor impurities and cover the entire surface of the windows to metal contact with the top layer of aluminum, copper or silver.

Дополнительное увеличение КПД полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что пассивирующую антиотражающую пленку на основе окиси кремния или нитрида кремния создают атомно-слоевым осаждением.An additional increase in the efficiency of the semiconductor photoconverter is achieved by the fact that a passivating antireflection film based on silicon oxide or silicon nitride is created by atomic layer deposition.

Дополнительное повышение КПД полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что при химическом травлении выполняют текстурирование поверхности.An additional increase in the efficiency of the semiconductor photoconverter is achieved by the fact that during chemical etching perform texturing of the surface.

Дополнительное снижение себестоимости изготовления полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что окна контактной сетки формируют из пленки фоторезиста методом импринт-литографии.An additional reduction in the cost of manufacturing a semiconductor photoconverter is achieved by the fact that the contact grid windows are formed from a photoresist film by imprint-lithography.

Дополнительное снижение себестоимости изготовления полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что окна контактной сетки формируют методом лазерного гравирования.An additional reduction in the cost of manufacturing a semiconductor photoconverter is achieved by the fact that the contact grid windows are formed by laser engraving.

Дополнительное повышение КПД полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что легируют поверхность окон световой диффузией.An additional increase in the efficiency of the semiconductor photoconverter is achieved by doping the surface of the windows with light diffusion.

Дополнительное повышение КПД полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что легируют поверхность окон ионным легированием.An additional increase in the efficiency of the semiconductor photoconverter is achieved by the fact that the surface of the windows is doped with ion doping.

Сущность изобретения поясняется фиг.1-6, где на фиг.1 и 3 в сечении показаны основные элементы конструкции двух вариантов ФП, имеющих одну фоточувствительную поверхность с изотипным переходом по всей тыльной поверхности; на фиг.2 и 4 представлены основные элементы конструкции двух вариантов ФП с фоточувствительной поверхностью на двух сторонах; на фиг.5 - фрагменты сечения фоточувствительной поверхности ФП из текстурированного кремния, на фиг.6 - вид фоточувствительной стороны ФП.The invention is illustrated in figures 1-6, where figures 1 and 3 in section show the main structural elements of two variants of AF having one photosensitive surface with an isotypic transition over the entire back surface; figure 2 and 4 presents the basic structural elements of two variants of the FP with a photosensitive surface on two sides; figure 5 - fragments of the cross section of the photosensitive surface of the AF of textured silicon, figure 6 is a view of the photosensitive side of the AF.

На фиг.1-6 ФП состоят из кристаллического полупроводника с базовой областью 1, n⁺-р (р⁺-n)-перехода 2, изотипного p⁺-p (n⁺-n)- перехода 3, металлических контактов 4 к p⁺-n (n⁺-р)-переходам 2 и металлического контакта 5 к изотипному n-n⁺ (р-р⁺)-переходу 3. Металлические контакты 4 поверх n⁺-р (р⁺-n)-перехода 2 выполнены в виде множества периодически повторяющихся микроучастков шириной l=0,1-30 мкм, промежутки между микроучастками шириной L=10-300 мкм содержат базовую область 1 со скоростью поверхностной рекомбинации ниже 100 см/сек, при этом расстояние h₁ между уровнями расположения n⁺-р (р⁺-n)-перехода 2 и фоточувствительной поверхностью 6 не превышает 50 мкм. Суммарная величина L+h₁ не превышает диффузионную длину неосновных носителей тока L_n или L_p в любом участке базовой области.1-6, the phase transitions consist of a crystalline semiconductor with a base region of 1, n ⁺ p (p ⁺ -n) junction 2, isotype p ⁺ -p (n ⁺ -n) junction 3, metal contacts 4 to p ⁺ -n (n ⁺ -p) junctions 2 and metal contact 5 to the isotypic nn ⁺ (pp ⁺ ) junctions 3. Metal contacts 4 on top of the n ⁺ -p (p ⁺ -n) junctions 2 are made in the form periodically repeating plurality of micro, intervals between microportions width l = 0,1-30 microns width L = 10-300 microns comprise a base region 1 from the surface recombination velocity less than 100 cm / s, the distance h ₁ between the levels E location n ⁺ -p (p ⁺ -n) junction 2 and the photosensitive surface 6 does not exceed 50 microns. The total value of L + h ₁ does not exceed the diffusion length of minority current carriers L _n or L _p in any part of the base region.

Низкая скорость поверхностной рекомбинации на фоточувствительной поверхности 6 достигается с помощью пассивирующей антиотражающей пленки 7 из окиси или нитрида кремния. Для стабилизации свойств поверхности базовой области 1 пленка 7 покрыта достаточно толстым (более 0,1 мкм) прозрачным слоем 8, например, из двуокиси кремния или кремнеорганики.A low surface recombination rate on the photosensitive surface 6 is achieved using a passivating antireflection film 7 of silicon oxide or nitride. To stabilize the surface properties of the base region 1, the film 7 is coated with a sufficiently thick (more than 0.1 μm) transparent layer 8, for example, of silicon dioxide or organosilicon.

ФП на фиг.2 и 4 обладают фоточувствительными поверхностями на двух сторонах. Это достигается тем, что конфигурация и площадь контактов 4 и 5 совпадают в плане между собой и с конфигурацией и площадью участков с р⁺-n (n⁺-р)-переходами 2 и изотипным р-р⁺(n⁺-n)-переходом 3. Металлические контакты 4 и 5 поверх n⁺-р (р⁺-n)-переходов 2 и изотипных р-p⁺ (n⁺-n)-переходов 3 выполнены в виде множества периодически повторяющихся микроучастков шириной l=0,1-30 мкм, промежутки между микроучастками шириной L=10-300 мкм содержат базовую область 1 со скоростью поверхностной рекомбинации ниже 100 см/сек. Низкая скорость поверхностной рекомбинации на фоточувствительной поверхности 6 достигается с помощью пассивирующей антиотражающей пленки 7 из окиси или нитрида кремния. При этом расстояние h₁ и h₂ от уровней расположения p⁺-n (n⁺-р)-перехода 2 и изотипного р-р⁺ (n⁺-n)-перехода 3 до фоточувствительной поверхности 6 не превышает 50 мкм. Толщина базовой области 1 не превышает диффузионную длину электронов L_n в базовой области 1 р-типа или диффузионную длину дырок L_p в базовой области 1 р-типа, а суммы величин L+h₁ и L+h₂ не превышают диффузионную длину неосновных носителей тока L_n или L_p в любом участке базовой области. В случае снижения диффузионной длины неосновных носителей тока L_n или L_p в любом из объемов базовой области это сопровождается соответствующим уменьшением величин L, h₁, h₂ и l.The FPs in FIGS. 2 and 4 have photosensitive surfaces on two sides. This is achieved by the fact that the configuration and area of contacts 4 and 5 coincide in terms of each other and with the configuration and area of sites with p ⁺ -n (n ⁺ -p) transitions 2 and isotype p-p ⁺ (n ⁺ -n) - transition 3. The metal contacts 4 and 5 on top of the n ⁺ -p (p ⁺ -n) junctions 2 and the isotypic p-p ⁺ (n ⁺ -n) junctions 3 are made in the form of a set of periodically repeating microregions of width l = 0.1 -30 μm, the gaps between the micro-sections with a width of L = 10-300 μm contain the base region 1 with a surface recombination rate below 100 cm / sec. A low surface recombination rate on the photosensitive surface 6 is achieved using a passivating antireflection film 7 of silicon oxide or nitride. In this case, the distance h ₁ and h ₂ from the location levels of the p ⁺ -n (n ⁺ -p) junction 2 and the isotype p-p ⁺ (n ⁺ -n) junction 3 to the photosensitive surface 6 does not exceed 50 μm. The thickness of the base region 1 does not exceed the diffusion length of electrons L _n in the base region 1 p-type or the diffusion length of holes L _p in the base region 1 p-type, and the sums of L + h ₁ and L + h ₂ do not exceed the diffusion length of minority carriers current L _n or L _p in any part of the base region. In the case of reducing the diffusion length of minority current carriers L _n or L _p in any of the volumes of the base region, this is accompanied by a corresponding decrease in the values of L, h ₁ , h ₂ and l.

ФП на фиг.5 отличается формированием на фоточувствительной поверхности 6 базовой области 7 текстуры, что повышает КПД ФП. Нанесенные пассивирущая антиотражающая пленка 7 и защитный слой 8 повторяют рельеф текстуры.The FP in figure 5 is characterized by the formation on the photosensitive surface 6 of the base region 7 of the texture, which increases the efficiency of the FP. The applied passivating antireflection film 7 and the protective layer 8 repeat the texture relief.

Для эффективной работы в условиях концентрированного светового излучения ФП на фиг.6 выполнен в виде узкой полосы, где микроучастки шириной 1 с промежутком L расположены поперек полосы.For effective operation in conditions of concentrated light radiation, the phase transition in Fig. 6 is made in the form of a narrow strip, where micro-sections with a width of 1 with a gap L are located across the strip.

Примеры изготовления ФП.Examples of manufacturing FP.

Пример 1. При изготовлении ФП, соответствующих фиг.1 и 2, используются пластины из моно- или мультикристаллического кремния толщиной 200-300 мкм р- или n-типа проводимости с диффузионной длиной в любом месте базовой области не менее 200 мкм. Термической диффузией легируют обе стороны на глубину свыше 0,2 мкм для создания р-n-перехода и изотипного перехода на тыльной стороне и наносят на обе стороны сплошной слой контакта с верхним слоем из алюминия, меди или серебра толщиной более 0,5 мкм. С фточувствительной стороны с помощью приемов фотолитографии, а для размеров микроучастков ниже 1 мкм с применением импринт-литографии, избирательно стравливают слои контакта и легированного кремния, создавая множество чередующихся микроучастков шириной 5-10 мкм с промежутками размером 100-150 мкм. Плазмохимическим травлением создают текстурированную поверхность (см. фиг.5, область А₁). При этом суммарные глубины легирования и травления кремния таковы, что расстояние между уровнями расположения n⁺-р (р⁺-n)-перехода и изотипным р-р⁺ (n⁺-n)-переходом (см. фиг.2) и фоточувствительной поверхностью не превышает 50 мкм. Для снижения скорости поверхностной рекомбинации ниже 100 см/сек на фоточувствительную поверхность наносят пассивирующую антиотражающую пленку, например на основе нитрида кремния, легированного водородом, а сверху покрывают прозрачной защитной пленкой, например двуокись кремния или кремнеполимер. В результате получены ФП с КПД 19-20%.Example 1. In the manufacture of phase transitions corresponding to FIGS. 1 and 2, wafers of mono- or multicrystalline silicon with a thickness of 200-300 μm of p- or n-type conductivity with a diffusion length anywhere in the base region of at least 200 μm are used. Both sides are doped with thermal diffusion to a depth of more than 0.2 μm to create a pn junction and an isotype transition on the back side and a continuous layer of contact with the upper layer of aluminum, copper or silver with a thickness of more than 0.5 μm is applied to both sides. On the photosensitive side, using photolithography techniques, and for micro-site sizes below 1 μm using imprint lithography, selectively etched contact and doped silicon layers, creating many alternating micro-sites with a width of 5-10 μm with gaps of 100-150 μm in size. Plasma-chemical etching create a textured surface (see figure 5, region A ₁ ). In this case, the total depths of doping and etching of silicon are such that the distance between the location levels of the n ⁺ -p (p ⁺ -n) junction and the isotypic p-p ⁺ (n ⁺ -n) junction (see Fig. 2) and photosensitive surface does not exceed 50 microns. To reduce the surface recombination rate below 100 cm / s, a passivating antireflection film, for example, based on silicon nitride, doped with hydrogen, is applied to a photosensitive surface, and a transparent protective film, for example, silicon dioxide or silicon polymer, is coated on top. As a result, phase transitions with an efficiency of 19–20% were obtained.

Пример 2. При изготовлении ФП, соответствующих фиг.3 и 4, используются пластины из моно- или мультикристаллического кремния толщиной 200-300 мкм р- или n-типа проводимости с диффузионной длиной в любом месте базовой области не менее 200 мкм. Поверхность кремния травят для удаления механически нарушенного слоя и создания текстуры. С фточувствительной стороны с помощью активации плазменным разрядом и нагревания до температуры 350-850°С наносят пассивирующую антиотражающую пленку, например, на основе нитрида кремния, легированного водородом, а сверху покрывают прозрачной защитной пленкой, например фоторезистом, толщиной свыше 0,1 мкм. Лазерной гравировкой прорезают пленки на поверхности кремния и создают в кремнии множество чередующихся канавок (микроучастков) шириной 5-15 мкм с промежутками 100-150 мкм. Стенки канавок травят химически, очищают и легируют термической диффузией или ионным легированием на глубину свыше 0,2 мкм. Перед высокотемпературной обработкой удаляют пленку фоторезиста. При этом суммарные глубины лазерного гравирования, травления и легирования кремния таковы, что расстояние между уровнями расположения n⁺-р (р⁺-n)-перехода и изотипного р-р⁺ (n⁺-n)-перехода (см. фиг.4) и фоточувствительной поверхностью не превышает 50 мкм. В результате получены ФП с КПД 19-20%.Example 2. In the manufacture of phase transitions corresponding to FIGS. 3 and 4, plates of mono- or multicrystalline silicon with a thickness of 200-300 μm of p- or n-type conductivity with a diffusion length anywhere in the base region of at least 200 μm are used. The silicon surface is etched to remove a mechanically damaged layer and create a texture. On the photosensitive side, by activating with a plasma discharge and heating to a temperature of 350-850 ° C, a passivating antireflection film is applied, for example, based on silicon nitride doped with hydrogen, and coated with a transparent protective film, for example, photoresist, with a thickness of more than 0.1 μm. Laser engraving cut through the films on the silicon surface and create in silicon a lot of alternating grooves (microsites) with a width of 5-15 microns with gaps of 100-150 microns. The walls of the grooves are chemically etched, cleaned and doped with thermal diffusion or ion doping to a depth of more than 0.2 microns. Before high temperature treatment, the photoresist film is removed. In this case, the total depths of laser engraving, etching and doping of silicon are such that the distance between the location levels of the n ⁺ -p (p ⁺ -n) junction and the isotype p-p ⁺ (n ⁺ -n) junction (see Fig. 4 ) and a photosensitive surface does not exceed 50 microns. As a result, phase transitions with an efficiency of 19–20% were obtained.

В обоих примерах изготовления выход р-n-перехода на поверхность защищен пассивирующей просветляющей пленкой.In both manufacturing examples, the pn junction exit to the surface is protected by a passivating antireflection film.

Пример 3. Для работы в условиях концентрированного светового излучения изготовлены ФП с увеличенной толщиной контактного слоя до 2-4 мкм в форме узкой полосы (см. фиг.6). В остальном процесс изготовления аналогичен примерам 1 и 2. В результате получены ФП с КПД 22-25% в условиях 20-кратной концентрации излучения света.Example 3. To work in conditions of concentrated light radiation, FPs were made with an increased thickness of the contact layer to 2-4 μm in the form of a narrow strip (see Fig.6). The rest of the manufacturing process is similar to examples 1 and 2. As a result, FPs with an efficiency of 22–25% are obtained under conditions of a 20-fold concentration of light emission.

Пример 4. При использовании дешевого солнечного кремния с невысокой степенью чистоты получается мультикристаллический кремний с низким значением (менее 100 мкм) диффузионной длины неосновных носителей тока в базовой области. В этом случае размер микроучастков снижают до минимальной величины (менее 5 мкм, что много меньше размера кристаллических зерен в базовой области) и при их формировании используют технологию фотолитографии, в том числе импринт-литографии. Это обеспечивает получение ФП с КПД 15%.Example 4. When using cheap solar silicon with a low degree of purity, multicrystalline silicon with a low value (less than 100 μm) of the diffusion length of minority current carriers in the base region is obtained. In this case, the size of the micro-sites is reduced to a minimum value (less than 5 microns, which is much smaller than the size of the crystalline grains in the base region) and photolithography technology, including imprint lithography, is used in their formation. This provides AF with an efficiency of 15%.

Пример 5. При использовании в качестве базовой области тонких пленок эпитаксиального кремния толщиной менее 30 мкм на дешевой подложке, процесс изготовления соответствует примеру 4, но обязательно проводят текстурирование поверхности для повышения коэффициента поглощения света в базовой области. Это обеспечивает получение ФП с КПД более 15%.Example 5. When using thin films of epitaxial silicon as a base region with a thickness of less than 30 μm on a cheap substrate, the manufacturing process corresponds to Example 4, but surface texturing is required to increase the light absorption coefficient in the base region. This provides AF with an efficiency of more than 15%.

Во всех примерах изготовления ФП ключевыми технологическими процессами являются легирование кремния для создания диодной структуры с достаточно высоким потенциальным барьером на р-n-переходе и пассивация поверхности базовой области на фоточувствительной поверхности. В этой связи предпочтение отдается известным методам термической диффузии, в том числе световой диффузии при ламповом нагреве, а также ионному легированию с последующим термическим отжигом. Улучшить пассивирующие свойства поверхности кремния можно с помощью известного процесса атомно-слоевого осаждения пленки.In all examples of fabrication of phase transitions, the key technological processes are doping of silicon to create a diode structure with a sufficiently high potential barrier at the pn junction and passivation of the surface of the base region on the photosensitive surface. In this regard, preference is given to the known methods of thermal diffusion, including light diffusion during lamp heating, as well as ion doping followed by thermal annealing. The passivating properties of the silicon surface can be improved using the well-known process of atomic layer deposition of a film.

При химическом травлении базовой области для снижения расхода химических реагентов и повышения избирательности процесса обработку поверхности кремния целесообразно вести методом плазмохимического травления.In case of chemical etching of the base region, it is advisable to conduct the plasma surface etching method to reduce the consumption of chemical reagents and increase the selectivity of the process.

Следует отметить, что указанные примеры осуществления никак не ограничивают притязания заявителя, которые определены прилагаемой формулой изобретения, и множество модификаций и усовершенствований может быть сделано в рамках настоящего изобретения. Например, рассмотренные конструкции и технологии изготовления ФП позволяют создавать ФП с двухсторонней рабочей поверхностью, у которых фототек и КПД отличаются при освещении с каждой стороны не более чем на 20%, а также ФП, прозрачные для инфракрасной части спектра излучения, лежащей за краем λ₀ собственного поглощения, λ₀≥1,11 мкм для кремния.It should be noted that these examples of implementation do not limit the claims of the applicant, which are defined by the attached claims, and many modifications and improvements can be made in the framework of the present invention. For example, the considered constructions and manufacturing techniques of FPs make it possible to create FPs with a two-sided working surface, in which the photo library and efficiency differ by no more than 20% when illuminated on each side, as well as FPs that are transparent to the infrared part of the radiation spectrum lying at the edge of λ ₀ intrinsic absorption, λ ₀ ≥1.11 μm for silicon.

ФП работает следующим образом. Излучение попадает на одну или обе поверхности ФП, проникает в базовую область 1 и создает неравновесные пары носителей заряда: электроны и дырки. Генерированные избыточные неравновесные неосновные носители заряда ускоряются электрическим полем изотипного p-р⁺-перехода 3 по направлению к р-n-переходу 2, разделяются в электрическом поле р-n-перехода 2 и через контактные участки 4 и 5 поступают в электрическую цепь (на фиг. не показана).FP works as follows. Radiation hits one or both of the surfaces of the phase transition, penetrates into base region 1, and creates nonequilibrium carrier pairs: electrons and holes. The generated excess nonequilibrium minority charge carriers are accelerated by the electric field of the isotypic p-p ⁺ junction 3 towards the pn junction 2, separated in the electric field of the pn junction 2, and through the contact sections 4 and 5 enter the electric circuit ( Fig. not shown).

Достоинством предложенных конструкций и способов изготовления ФП является снижение себестоимости изготовления и достижение высокого КПД с высоким процентом выхода годных, в том числе из дешевого мультикристаллического кремния и пленок кремния.The advantage of the proposed designs and methods for manufacturing FP is to reduce the manufacturing cost and achieve high efficiency with a high yield, including from cheap multicrystalline silicon and silicon films.

Claims

1. A semiconductor photoconverter containing regions with an n ⁺ -p (p ⁺ -n) junction coated with metal contacts and a base region of p- or n-type conductivity on a photosensitive surface coated with a passivating, antireflective film, characterized in that n ⁺ The -p (p ⁺ -n) junction is made in the form of a set of periodically repeating microregions 0.1-30 μm wide, the gaps between the microregions 10-300 μm contain a base region with a surface recombination rate of minority carriers below 100 cm / s, while the distance between ur The layout of the n ⁺ -p (p ⁺ -n) junction and the photosensitive surface does not exceed 50 μm, and the width of the micro-sections is less than the gaps by at least 10 times.

2. The semiconductor photoconverter according to claim 1, characterized in that the base region is made of silicon with metal contacts as the upper layer of aluminum, copper or silver with a thickness of more than 0.5 μm, and free from n ⁺ -p (p ⁺ -n ) transitions and isotypic pp ⁺ (nn ⁺ ) transitions, the photosensitive surface of the base region is textured and coated with a passivating, antireflective film based on silicon nitride doped with hydrogen.

3. The semiconductor photoconverter according to claim 2, characterized in that the base region is made of silicon polycrystalline structure with grain sizes exceeding the width of the gaps between the microparticles by at least 10 times.

4. The semiconductor photoconverter according to claim 2, characterized in that the base region is made of a silicon film 1-30 microns thick.

5. The semiconductor photoconverter according to claim 2, characterized in that the base region is made in the form of a narrow strip of silicon, the width of which is much less than its length and the micro-sections are directed across the strip.

6. The semiconductor photoconverter according to claim 2, characterized in that the passivating, antireflection film contains a protective transparent film with a thickness of more than 0.1 microns.

7. A semiconductor photoconverter containing two photosensitive sides, portions of diode structures with an n ⁺ -p (p ⁺ -n) junction on one side and an isotype pp ⁺ (nn ⁺ ) junction on the other side, coated with metal contacts, and the base region p- or n-type conductivity coated with a passivating, antireflection film, characterized in that the n ⁺ -p (p ⁺ -n) junction of the diode structure on one side and the isotypic pp ⁺ (nn ⁺ ) junction on the other side are made in the form of a set periodically repeating micro-sections of diode structures Rina 0.1-30 microns, intervals between 10-300 microns microportions contain the base region from the surface recombination rate of minority carriers below 100 cm / s, the distance from the location of the level n ^⁺ -p (p ⁺ -n) transition and isotype pp ^{The +} (nn ⁺ ) transition of the diode structures to the photosensitive surface does not exceed 50 μm, and the width of the micro-sections is less than the gaps by at least 10 times.

8. The semiconductor photoconverter according to claim 7, characterized in that the base region is made of silicon with metal contacts as the upper layer of aluminum, copper or silver with a thickness of more than 0.5 μm, and free from n ⁺ -p (p ⁺ -n ) transitions and isotypic pp ⁺ (nn ⁺ ) transitions, the photosensitive surface of the base region is textured and coated with a passivating, antireflective film based on silicon nitride doped with hydrogen.

9. The semiconductor photoconverter according to claim 8, characterized in that the base region is made of silicon polycrystalline structure with grain sizes exceeding the width of the gaps between the micro-sections by at least 10 times.

10. The semiconductor photoconverter according to claim 8, characterized in that the base region is made of a silicon film with a thickness of 1-30 microns.

11. The semiconductor photoconverter according to claim 8, characterized in that the base region is made in the form of a narrow strip of silicon, the width of which is much less than its length and the micro-sections are directed across the strip.

12. The semiconductor photoconverter according to claim 8, characterized in that the passivating, antireflection film contains a protective transparent film with a thickness of more than 0.1 microns.

13. A method of manufacturing a semiconductor photoconverter, including chemical etching and cleaning of the surface of the base region, doping of the sides with donor and acceptor impurities, applying contacts in the form of a grid and creating a passivating, antireflection film on the surface of the base region, characterized in that the doping is carried out to a depth of more than 0 , 2 μm, a layer of a metal contact is made of aluminum, copper or silver, a contact network is formed, in the cells of the contact network, the surface is chemically etched to base card area, the passivation is applied, antireflection film, e.g., based on silicon nitride, doped with hydrogen is applied and a transparent protective film, such as silicon dioxide.

14. A method of manufacturing a semiconductor photoconverter according to item 13, wherein the pattern of the metal contact grid is formed from a photoresist film by imprint - lithography.

15. A method of manufacturing a semiconductor photoconverter according to item 13, wherein the pattern of the metal contact grid is formed by laser engraving.

16. A method of manufacturing a semiconductor photoconverter according to item 13, wherein the pattern of the metal contact grid is formed by mechanical milling.

17. A method of manufacturing a semiconductor photoconverter according to claim 13, characterized in that the chemical treatment of the surface of the base region is performed by a plasma-chemical method.

18. A method of manufacturing a semiconductor photoconverter according to claim 13, characterized in that during the chemical treatment of the surface of the base region, surface texturing is performed.

19. A method of manufacturing a semiconductor photoconverter according to item 13, wherein the passivating, antireflection film is performed by atomic layer deposition.

20. A method of manufacturing a semiconductor photoconverter, including chemical etching and cleaning of the surface of the base region, doping of the sides with donor and acceptor impurities, applying contacts in the form of a grid and creating a passivating, antireflective film on the surface of the base region, characterized in that the passivating, antireflective film is applied to based on silicon oxide or silicon nitride at a temperature of 350-850 ° C after chemical etching and cleaning the surface of the base region, cover the mentioned film with a protective layer, create windows in the form of a contact grid in the film and the protective layer, dope the surface of the windows with donor and acceptor impurities, respectively, and cover the entire surface of the windows with a metal contact with the upper layer of aluminum, copper or silver.

21. A method of manufacturing a semiconductor photoconverter according to claim 20, characterized in that the passivating, antireflection film based on silicon oxide or silicon nitride is created by atomic layer deposition.

22. A method of manufacturing a semiconductor photoconverter according to claim 20, characterized in that during chemical etching perform surface texturing.

23. A method of manufacturing a semiconductor photoconverter according to claim 20, characterized in that the chemical surface treatment is performed by a plasma-chemical method.

24. A method of manufacturing a semiconductor photoconverter according to claim 20, characterized in that the contact grid windows are formed from a photoresist film by imprint - lithography.

25. A method of manufacturing a semiconductor photoconverter according to claim 20, characterized in that the contact grid windows are formed by laser engraving.

26. A method of manufacturing a semiconductor photoconverter according to claim 20, characterized in that the surface of the windows is doped with light diffusion.

27. A method of manufacturing a semiconductor photoconverter according to claim 20, characterized in that the surface of the windows is doped with ion doping.