RU2437186C1 - Method of making solar photoelectric converter - Google Patents
Method of making solar photoelectric converter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2437186C1 RU2437186C1 RU2010128407/28A RU2010128407A RU2437186C1 RU 2437186 C1 RU2437186 C1 RU 2437186C1 RU 2010128407/28 A RU2010128407/28 A RU 2010128407/28A RU 2010128407 A RU2010128407 A RU 2010128407A RU 2437186 C1 RU2437186 C1 RU 2437186C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- contact
- substrate
- thickness
- gasb
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Electrodes Of Semiconductors (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области создания полупроводниковых приборов, в частности к технологии изготовления фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) концентрированного солнечного или теплового излучения нагретых тел. В частности, изобретение относится к формированию контактов к слоям GaSb p-типа проводимости, являющихся фронтальными слоями ряда структур концентраторных ФЭП и термофотоэлектрических преобразователей.The invention relates to the field of creating semiconductor devices, in particular to the technology for the manufacture of photoelectric converters (PEC) of concentrated solar or thermal radiation of heated bodies. In particular, the invention relates to the formation of contacts to p-type GaSb layers, which are front layers of a number of structures of concentrator PECs and thermophotovoltaic converters.
Известен способ изготовления фотоэлектрического преобразователя на основе германия (см. патент RU 2377698, МПК H01L 31/18 с1, опубликован 28.10.2008), включающий нанесение на лицевую поверхность подложки из монокристаллического германия n-типа диэлектрической пленки, создание химическим травлением окон в диэлектрической пленке, соответствующих топологии p-n перехода, легирование диффузией цинка из газовой фазы в квазизамкнутом контейнере в окна поверхностного слоя германия, удаление на тыльной стороне подложки p-n перехода, осаждение тыльного контакта термическим вакуумным испарением и его отжиг в атмосфере водорода, осаждение через маску фоторезиста лицевого контакта термическим вакуумным испарением и его отжиг, гальваническое осаждение золота на лицевую и тыльную поверхность подложки, разделительное травление структуры на отдельные фотоэлементы и нанесение антиотражающего покрытия.A known method of manufacturing a germanium-based photovoltaic converter (see patent RU 2377698, IPC H01L 31/18 c1, published October 28, 2008), comprising applying an n-type dielectric film to the front surface of a single-crystal germanium substrate, creating windows by etching the windows in the dielectric film corresponding to the topology of the pn junction, alloying by diffusion of zinc from the gas phase in a quasiclosed container into the windows of the surface layer of germanium, removal of the pn junction on the back of the substrate, deposition of the back contact and by thermal vacuum evaporation and its annealing in a hydrogen atmosphere, deposition of a face contact through a photoresist mask by thermal vacuum evaporation and its annealing, galvanic deposition of gold on the front and back surfaces of the substrate, separation etching of the structure on individual photocells, and deposition of an antireflection coating.
Недостатком известного способа изготовления фотопреобразователя, в частности формирования лицевого контакта к его фронтальной поверхности, является необходимость обязательного гальванического утолщения металлизации, что усложняет технологический цикл производства прибора.A disadvantage of the known method of manufacturing a photoconverter, in particular the formation of a face contact to its front surface, is the need for mandatory galvanic thickening of metallization, which complicates the production cycle of the device.
Известен способ изготовления фотоэлектрического преобразователя (см. патент RU 2377697, МПК H01L 31/18, опубликован 06.11.2008), включающий выращивание на подложке германия n-типа пассивирующего слоя GaAs методом низкотемпературной жидкофазной эпитаксии при быстром охлаждении раствора-расплава, нанесение на лицевую поверхность подложки диэлектрической пленки, создание химическим травлением окон в диэлектрической пленке, соответствующих топологии p-n перехода, локальное легирование диффузией цинка из газовой фазы в квазизамкнутом контейнере слоя GaAs и приповерхностного слоя Ge, удаление на тыльной стороне подложки p-n перехода, осаждение тыльного контакта термическим вакуумным испарением и его отжиг в атмосфере водорода, осаждение через маску фоторезиста лицевого контакта термическим вакуумным испарением и его отжиг, гальваническое осаждение золота на лицевую и тыльную поверхность подложки, разделительное травление структуры на отдельные фотоэлементы и нанесение антиотражающего покрытия.A known method of manufacturing a photovoltaic converter (see patent RU 2377697, IPC H01L 31/18, published November 6, 2008), comprising growing an n-type passivation layer of GaAs on a germanium substrate by low-temperature liquid-phase epitaxy with rapid cooling of the melt solution, applying to the front surface the substrate of the dielectric film, the creation of chemical etching of the windows in the dielectric film corresponding to the topology of the pn junction, local doping with diffusion of zinc from the gas phase in a quasiclosed container of the GaAs layer Ge surface layer, removal of the pn junction on the back of the substrate, deposition of the back contact by thermal vacuum evaporation and its annealing in a hydrogen atmosphere, deposition of the face contact through the photoresist mask by thermal vacuum evaporation and its annealing, galvanic deposition of gold on the front and back surfaces of the substrate, separation etching structures on individual photocells and anti-reflection coating.
Кроме того, при формировании приборной структуры обычно используется маска с традиционным профилем фоторезиста, т.е. с одинаковой шириной элементов маски по высоте. В этом случае максимально допустимые толщины контактных слоев за один процесс напыления, как правило, не превышают 300 нм. Для уменьшения сопротивления контактной сетки в этом случае производят утолщение контакта посредством электрохимического осаждения золота из электролита. Толщина осажденного золота составляет 1000-3500 нм. Данная операция достаточно трудоемка, усложняет технологический цикл и может приводить к разрастанию контакта в ширину (что, в свою очередь, вызывает затенение светочувствительной поверхности структуры фотоэлемента).In addition, when forming the instrument structure, a mask with a traditional photoresist profile is usually used, i.e. with the same width of the mask elements in height. In this case, the maximum allowable thickness of the contact layers for one deposition process, as a rule, does not exceed 300 nm. To reduce the resistance of the contact grid in this case, thicken the contact by electrochemical deposition of gold from the electrolyte. The thickness of the deposited gold is 1000-3500 nm. This operation is quite laborious, complicates the technological cycle and can lead to the growth of contact in width (which, in turn, causes the shading of the photosensitive surface of the photocell structure).
В обоих указанных выше способах изготовления ФЭП для формирования фронтальной контактной сетки рекомендуется использование системы Cr-Au. В этом случае максимально допустимые толщины контактных слоев за один процесс напыления, как правило, не превышают 300 нм, что связано как с использованием фоторезистов с одинаковой шириной элементов маски по высоте, так и с необходимостью снижать расход золота при напылении металлизации. Для уменьшения сопротивления контактной сетки в этом случае производят утолщение контакта посредством электрохимического осаждения золота из электролита. Данная операция достаточно трудоемка, усложняет технологический цикл и может приводить к разрастанию контакта в ширину (что, в свою очередь, вызывает затенение светочувствительной поверхности структуры фотоэлемента). Кроме того, для контактной системы Cr-Au характерно отсутствие мелкой границы металл-полупроводник, что может приводить к возрастанию токов утечки после операции вжигания контактов и, следовательно, к ухудшению выходных параметров ФЭП.In both of the above methods for manufacturing a photomultiplier, the Cr-Au system is recommended for forming a front contact mesh. In this case, the maximum allowable thickness of the contact layers for one deposition process, as a rule, does not exceed 300 nm, which is associated both with the use of photoresists with the same width of the mask elements in height and with the need to reduce the consumption of gold during metallization deposition. To reduce the resistance of the contact grid in this case, thicken the contact by electrochemical deposition of gold from the electrolyte. This operation is quite laborious, complicates the technological cycle and can lead to the growth of contact in width (which, in turn, causes the shading of the photosensitive surface of the photocell structure). In addition, the Cr-Au contact system is characterized by the absence of a shallow metal-semiconductor interface, which can lead to an increase in leakage currents after the contact burning operation and, therefore, to a decrease in the output parameters of the photomultiplier.
Известен способ изготовления фотоэлектрического преобразователя на основе InGaAsSb с многослойным контактом на основе последовательно наносимых пленок Ti/Pt/Ag/Pt/Au (см. Zane A. Shellenbarger, Gordon С.Taylor, Ramon U. Martinelli, and Joseph M. Carpinelli. High Performance InGaAsSb TPV Cells, Proc. 6 Conference on Thermophotovoltaic Generation of Electricity, Freiburg, Germany, 2004, p.345-352). Фотоэлектрический преобразователь с тонким фронтальным слоем GaSb формировался методом химического осаждения из газовой фазы с использованием металлорганических соединений (MOCVD). Для создания рисунка контактной сетки к полупроводнику p-типа проводилась взрывная фотолитография с применением двух слоев фоторезиста. Первый слой позитивного фоторезиста толщиной 4 мкм наносился и сушился при температуре 85°С. Затем методом термического испарения в вакууме напыляли слой алюминия толщиной 120 нм. Второй слой фоторезиста наносился и сушился при температуре 65°С. За счет экспонирования верхнего слоя фоторезиста создавался рисунок контактной сетки. Затем этот рисунок формировался на слое алюминия путем травления в концентрированной фосфорной кислоте. Следующая операция - однородная засветка без использования фотошаблона. За счет этой операции создается узор контактной сетки в нижнем слое фоторезиста. Перед нанесением металлизации пластины выдерживались в водном растворе гидроксида аммония в течение 10 сек. Контактная структура состояла из последовательно нанесенных пленок Ti/Pt/Ag/Pt/Au толщиной 30 нм/100 нм/5000 нм/100 нм/200 нм. После напыления нежелательный металл и фоторезист удалялся промывкой структуры в ацетоне. Для создания низкоомного контакта не требовался дополнительный температурный отжиг. Значение измеренного контактного сопротивления соответствовало 6.0·10-6 Ом·см2.A known method of manufacturing an InGaAsSb based photoelectric converter with a multilayer contact based on sequentially deposited Ti / Pt / Ag / Pt / Au films (see Zane A. Shellenbarger, Gordon C. Taylor, Ramon U. Martinelli, and Joseph M. Carpinelli. High Performance InGaAsSb TPV Cells, Proc. 6 Conference on Thermophotovoltaic Generation of Electricity, Freiburg, Germany, 2004, p. 345-352). A GaSb photoelectric converter with a thin front layer was formed by chemical vapor deposition using organometallic compounds (MOCVD). To create a contact grid pattern for a p-type semiconductor, explosive photolithography was performed using two layers of photoresist. The first layer of positive photoresist with a thickness of 4 μm was deposited and dried at a temperature of 85 ° C. Then, a thermal layer of 120 nm thick was sprayed using vacuum thermal evaporation. The second layer of photoresist was deposited and dried at a temperature of 65 ° C. By exposure of the upper layer of the photoresist, a contact grid pattern was created. Then this pattern was formed on a layer of aluminum by etching in concentrated phosphoric acid. The next operation is uniform illumination without using a photomask. This operation creates a contact grid pattern in the lower layer of the photoresist. Before applying metallization, the plates were kept in an aqueous solution of ammonium hydroxide for 10 seconds. The contact structure consisted of sequentially deposited Ti / Pt / Ag / Pt / Au films with a thickness of 30 nm / 100 nm / 5000 nm / 100 nm / 200 nm. After sputtering, the unwanted metal and photoresist were removed by washing the structure in acetone. To create a low-resistance contact, additional temperature annealing was not required. The value of the measured contact resistance corresponded to 6.0 · 10 -6 Ohm · cm 2 .
Недостатком известного способа изготовления фотоэлектрического преобразователя является сложность технологического цикла, связанная с необходимостью дополнительного осаждения пленки алюминия и ее последующего прецизионного травления.The disadvantage of this method of manufacturing a photovoltaic converter is the complexity of the technological cycle associated with the need for additional deposition of an aluminum film and its subsequent precision etching.
Известен способ изготовления фотоэлектрического преобразователя на основе антимонида галлия (см. патент RU 2354008, МПК H01L 31/18, опубликован 07.12.2007), совпадающий с заявляемым техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. На поверхности подложки GaSb n-типа формируется диэлектрическая маска, открывающая светочувствительные области фотопреобразователя, и маска из фоторезиста, открывающая окна в подконтактных областях ФЭП, в которых производится последующее анодное окисление полупроводника до получения слоя анодного оксида толщиной не более 0,25 мкм. После удаления маски фоторезиста проводится диффузия Zn из газовой фазы в атмосфере водорода и создается тонкая фотоактивная область и глубокий p-n-переход на подконтактных участках. Образовавшийся в результате диффузии p-слой на тыльной поверхности подложки удаляется и наносится слой металла для создания тыльных электрических контактов. На лицевую поверхность подложки через вновь сформированную маску из фоторезиста осаждается слой металла для создания на ней лицевых электрических контактов с последующим удалением фоторезиста.A known method of manufacturing a photovoltaic converter based on gallium antimonide (see patent RU 2354008, IPC H01L 31/18, published 07.12.2007), coinciding with the claimed technical solution for the largest number of essential features and adopted for the prototype. A dielectric mask is formed on the surface of the n-type GaSb substrate, which opens the photosensitive regions of the photoconverter, and a photoresist mask that opens windows in the contact regions of the photomultiplier tubes, in which the subsequent anodic oxidation of the semiconductor is performed to obtain a layer of anode oxide with a thickness of no more than 0.25 μm. After removing the photoresist mask, Zn diffuses from the gas phase in a hydrogen atmosphere and a thin photoactive region and a deep p-n junction in the contact areas are created. The p-layer formed as a result of diffusion on the back surface of the substrate is removed and a metal layer is deposited to create back electrical contacts. A metal layer is deposited on the front surface of the substrate through a newly formed mask of photoresist to create facial electrical contacts on it with the subsequent removal of the photoresist.
Недостатком известного способа-прототипа при использовании, например, широко распространенной контактной системы Cr-Au [S.V.Sorokina, V.P.Khvostikov, M.Z.Shvarts, GaSb based solar cells for concentrator tandem application // Proc. 13th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Nice, France, 1995, p.61-64] является отсутствие планарной и неглубоко залегающей границы металл-полупроводник, что повышает риск проплавления мелкого p-n-перехода в подконтактных областях ФЭП. По этой причине при изготовлении фотоэлектрического преобразователя необходимо углублять глубину p-n-перехода на участках под контактами, что усложняет технологический цикл производства ФЭП.The disadvantage of the known prototype method when using, for example, the widespread Cr-Au contact system [S.V. Sorokina, V.P. Khvostikov, M.Z.Shvarts, GaSb based solar cells for concentrator tandem application // Proc. The 13th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Nice, France, 1995, p.61-64] is the absence of a planar and shallow-lying metal-semiconductor interface, which increases the risk of penetration of a small p-n junction in the contact areas of the solar cells. For this reason, in the manufacture of a photovoltaic converter, it is necessary to deepen the depth of the pn junction in the areas under the contacts, which complicates the production cycle of photovoltaic cells.
Задачей заявляемого изобретения является разработка фотоэлектрического преобразователя с такой системой металлизации к фронтальным слоям p-GaSb, в которой обеспечивается высокая воспроизводимость формирования омического контакта с малым переходным сопротивлением и с неглубоко лежащей планарной границей раздела металл-полупроводник, что в конечном итоге приведет к повышению процента выхода годных ФЭП. Кроме того, предлагаемая система металлизации позволяет избежать необходимости дополнительного углубления p-n-перехода в подконтактных областях ФЭП.The objective of the invention is to develop a photoelectric converter with such a metallization system to the front p-GaSb layers, which provides high reproducibility of the formation of an ohmic contact with a low transition resistance and with a shallowly lying planar metal-semiconductor interface, which ultimately leads to an increase in the percentage of output suitable FEP. In addition, the proposed metallization system avoids the need for additional deepening of the pn junction in the contact areas of the photomultiplier.
Дополнительное упрощение технологии изготовления прибора достигается также за счет формирования многослойного омического контакта повышенной (до 5 мкм) толщины в ходе одного процесса напыления.An additional simplification of the manufacturing technology of the device is also achieved due to the formation of a multilayer ohmic contact of increased (up to 5 μm) thickness during one spraying process.
Поставленная задача решается тем, что способ изготовления солнечного фотоэлектрического преобразователя включает нанесение на периферийную область подложки из n-GaSb диэлектрической маски, формирование на участках фронтальной поверхности подложки, не защищенных диэлектрической маской, высоколегированного слоя p-типа проводимости диффузией цинка из газовой фазы при температуре 450-490°С. Далее удаляют с тыльной стороны подложки образовавшийся в результате диффузии слой p-GaSb и формируют тыльный контакт. Очищают фронтальную поверхность подложки методом ионно-лучевого травления на глубину 5-30 нм и формируют на ней маску фоторезиста. Создают омический контакт последовательным нанесением адгезионного слоя титана толщиной 5-30 нм и барьерного слоя платины толщиной 20-100 нм методом магнетронного распыления и проводящего слоя термическим испарением. Удаляют маску фоторезиста, осуществляют разделительное травление структуры на отдельные фотоэлементы и наносят антиотражающее покрытие.The problem is solved in that the method of manufacturing a solar photoelectric converter includes applying a dielectric mask to the peripheral region of the substrate from an n-GaSb, forming a highly doped p-type conductivity layer on the frontal surface of the substrate, not protected by a dielectric mask, at a temperature of 450 -490 ° C. Then, the p-GaSb layer formed as a result of diffusion is removed from the back side of the substrate and a back contact is formed. The front surface of the substrate is cleaned by ion beam etching to a depth of 5-30 nm and a photoresist mask is formed on it. An ohmic contact is created by successive deposition of an adhesion layer of titanium with a thickness of 5-30 nm and a platinum barrier layer with a thickness of 20-100 nm by magnetron sputtering and a conductive layer by thermal evaporation. The photoresist mask is removed, the structure is etched into separate photocells and an antireflection coating is applied.
Проводящий слой может быть выполнен из золота или серебра толщиной 50-300 нм.The conductive layer can be made of gold or silver with a thickness of 50-300 nm.
Слой золота может быть дополнительно утолщен гальваническим осаждением до 1000-3500 нм.The gold layer can be further thickened by galvanic deposition up to 1000-3500 nm.
Маску фоторезиста можно сформировать из нижнего слоя несветочувствительного резиста и из верхнего слоя фоторезиста. В этом случае проводящий слой золота и серебра может быть выполнен термическим испарением толщиной 300-5000 нм.The photoresist mask can be formed from the lower layer of the non-photosensitive resist and from the upper layer of the photoresist. In this case, the conductive layer of gold and silver can be performed by thermal evaporation with a thickness of 300-5000 nm.
Полученный омический контакт может быть отожжен при температуре 170-270°С в атмосфере азота или водорода в течение времени от 10 секунд до нескольких минут.The resulting ohmic contact can be annealed at a temperature of 170-270 ° C in an atmosphere of nitrogen or hydrogen for a time from 10 seconds to several minutes.
Проведение очистки фронтальной поверхности методом ионно-лучевого травления ионным пучком Ar+ на глубину 5-30 нм необходимо для улучшения адгезии металла к полупроводниковой структуре и для уменьшения переходного контактного сопротивления. При травлении на глубину меньше 5 нм недостаточно эффективно происходит удаление поверхностных загрязнений и окислов. При травлении на глубину больше 30 нм повышается дефектность структуры, что может приводить к снижению характеристик изготавливаемого прибора, например к снижению напряжения холостого хода фотоэлектрического преобразователя.Cleaning the front surface by ion beam etching with an Ar + ion beam to a depth of 5-30 nm is necessary to improve the adhesion of the metal to the semiconductor structure and to reduce the transition contact resistance. When etching to a depth of less than 5 nm, surface contaminants and oxides are not sufficiently removed. When etching to a depth of more than 30 nm, the defectiveness of the structure increases, which can lead to a decrease in the characteristics of the manufactured device, for example, a decrease in the open circuit voltage of the photoelectric converter.
В заявляемом изобретении в качестве материала адгезионного слоя используется титан Ti (толщиной 5-30 нм), барьерного слоя - платина Pt толщиной 20-100 нм, проводящего слоя - золото Au или серебро Ag (толщиной 300-5000 нм). Слой титана толщиной менее 5 нм может иметь нарушения сплошности (возникновение проколов слоя), а слой титана толщиной более 30 нм может ощутимо увеличить последовательное сопротивление контакта (титан имеет высокое удельное сопротивление, почти в 35 раз больше, чем у серебра).In the claimed invention, titanium Ti (5-30 nm thick) is used as the adhesive layer material, Pt platinum 20-100 nm thick is used as the barrier layer, Au gold or Ag silver (300-5000 nm thick) is the conductive layer. A titanium layer with a thickness of less than 5 nm can have discontinuities (occurrence of punctures of the layer), and a titanium layer with a thickness of more than 30 nm can significantly increase the series contact resistance (titanium has a high resistivity, almost 35 times that of silver).
Толщина слоя платины 20-100 нм (зависит от толщины предварительно нанесенного слоя титана) достаточна для того, чтобы существенно замедлить диффузию Au или Ag через слой. Увеличивать толщину слоя платины более указанного выше значения не представляется целесообразным из-за увеличения стоимости контакта.The thickness of the platinum layer of 20-100 nm (depending on the thickness of the previously deposited titanium layer) is sufficient to significantly slow down the diffusion of Au or Ag through the layer. It does not seem advisable to increase the thickness of the platinum layer above the value indicated above due to an increase in the cost of contact.
Толщину проводящего слоя золота или серебра выбирают, прежде всего, из соображений уменьшения сопротивления контактной сетки, а также стоимости контакта. Учитывают также следующие соображения: при толщине контакта менее 1000-1500 нм затрудняется процесс пайки фотоэлектрических преобразователей, а при толщинах контакта более 5000 нм могут возникнуть напряженные слои, вследствие чего уменьшается адгезия контакта к полупроводниковой структуре и его отслаивание. Кроме того, при таких толщинах контакта становится заметным затенение светочувствительной поверхности полупроводниковой структуры.The thickness of the conductive layer of gold or silver is chosen, first of all, for reasons of reducing the resistance of the contact grid, as well as the cost of contact. The following considerations are also taken into account: when the contact thickness is less than 1000-1500 nm, the process of soldering photovoltaic converters is difficult, and when the contact thickness is more than 5000 nm, stressed layers can occur, which reduces the adhesion of the contact to the semiconductor structure and its peeling. In addition, at such contact thicknesses, shading of the photosensitive surface of the semiconductor structure becomes noticeable.
Для сокращения большого расхода золота при напылении толстого проводящего слоя методом термического испарения и, следовательно, снижения стоимости контакта возможно напыление тонких пленок Au (толщиной 150-200 нм) с последующим проведением дополнительной операции гальванического утолщения металлизации до 1000-3500 нм.To reduce the large consumption of gold during the deposition of a thick conductive layer by thermal evaporation and, consequently, to reduce the cost of contact, it is possible to sputter thin Au films (150-200 nm thick) followed by an additional operation of galvanic thickening of metallization to 1000-3500 nm.
Заявляемый способ изготовления солнечного фотоэлектрического преобразователя поясняется таблицей и чертежами.The inventive method of manufacturing a solar photovoltaic converter is illustrated in the table and drawings.
На фиг.1 схематично изображен солнечный фотоэлектрический преобразователь, получаемый заявляемым способом.Figure 1 schematically shows a solar photoelectric converter obtained by the claimed method.
На фиг.2 представлена вольт-амперная характеристика (ВАХ) ФЭП с контактом на основе Ti-Pt-Au (1 - с отжигом омического контакта в атмосфере водорода при температуре 170°С; 2 - без отжига). Высокие значения фактора заполнения ВАХ (FF>70%) подтверждают хорошее качество контактов.Figure 2 presents the current-voltage characteristic (CVC) of a photomultiplier with a Ti-Pt-Au-based contact (1 — with annealing of the ohmic contact in a hydrogen atmosphere at a temperature of 170 ° C; 2 — without annealing). High values of the I – V characteristic fill factor (FF> 70%) confirm good contact quality.
На фиг.3 представлена вольт-амперная характеристика (ВАХ) ФЭП с омическим контактом на основе Ti-Pt-Ag (3 - с отжигом омического контакта в атмосфере водорода при температуре 170°С; 4 - без отжига; 5 - изменение напряжения холостого хода ФЭП (соответствующие кривые для измерений до и после отжига совпадают).Figure 3 presents the current-voltage characteristic (CVC) of the photomultiplier with an ohmic contact based on Ti-Pt-Ag (3 - with annealing of the ohmic contact in a hydrogen atmosphere at a temperature of 170 ° C; 4 - without annealing; 5 - change of open circuit voltage FEP (corresponding curves for measurements before and after annealing coincide).
На фиг.4 показана фотография поперечного разреза конфигурации солнечного фотоэлектрического преобразователя после напыления омического контакта.4 is a cross-sectional photograph of a configuration of a solar photovoltaic converter after deposition of an ohmic contact.
На фиг.5 приведена фотография поперечного разреза конфигурации фотоэлектрического преобразователя после отжига при температуре Т=305°С. Глубина залегания интерфейса (границы раздела) GaSb-омический контакт составила ~ 20 нм.Figure 5 shows a photograph of a cross section of the configuration of the photovoltaic converter after annealing at a temperature of T = 305 ° C. The depth of the interface (interface) GaSb-ohmic contact was ~ 20 nm.
В заявляемом способе возможна замена золота на серебро в качестве проводящего слоя омического контакта, что приводит к уменьшению последовательного сопротивления отдельных элементов омического контакта при той же геометрии контакта, так как серебро имеет меньшее удельное сопротивление (~ в 1,5 раза). Применение серебра вместо золота в качестве проводящего слоя также позволяет снизить стоимость омического контакта (это становится ощутимым при производстве концентраторных ФЭП, поскольку для их изготовления требуется формирование контактов с малым сопротивлением - толщиной более 500 нм).In the claimed method, it is possible to replace gold with silver as a conductive layer of an ohmic contact, which leads to a decrease in the series resistance of individual elements of the ohmic contact with the same contact geometry, since silver has a lower resistivity (~ 1.5 times). The use of silver instead of gold as a conductive layer also reduces the cost of ohmic contact (this becomes noticeable in the production of concentrator PECs, since their manufacture requires the formation of contacts with low resistance - a thickness of more than 500 nm).
Изготовленный заявляемым способом фотоэлектрический преобразователь (см. фиг.1) содержит подложку 1 из n-GaSb, слой 2 p-GaSb, адгезионный слой 3 титана, барьерный слой 4 платины, проводящий слой 5; тыльный контакт 6; диэлектрическую маску 7 и антиотражающее покрытие 8. Структура фотоэлектрического преобразователя создается диффузией цинка при температуре 450-490°С в атмосфере водорода в кварцевом реакторе проточного типа. В графитовые кассеты пенального типа помещают одну или несколько подложек 1 из n-GaSb с предварительно нанесенной на ее лицевую поверхность диэлектрической маской 7 с окнами на светочувствительных участках, которая защищает периферийные области фотоэлектрического преобразователя от формирования p-n-перехода. В качестве материала диэлектрической маски 7 могут применяться слои нитрида кремния Si3N4 (толщиной не менее 0,05 мкм) или диоксида кремния SiO2 (толщиной 0,1-0,2 мкм). Глубина сформированного диффузией цинка слоя 2 p-GaSb составляет 300-500 нм. За счет высокой планарности границы металл-полупроводник, а также небольшой глубины залегания интерфейса (не превышающей ~20 нм в рекомендуемом диапазоне отжига) не требуется обязательного углубления p-n-перехода в подконтактных областях фотопреобразователя. Образованный в результате диффузии слой p-GaSb с тыльной поверхности подложки удаляют и формируют тыльный контакт 6. В заявляемом изобретении непосредственно перед процессом напыления слоев 3, 4, 5 производят очистку фронтальной поверхности полупроводника методом ионно-лучевого травления ионным пучком Аr+ на глубину 5-30 нм. Удаление приповерхностного слоя необходимо для улучшения адгезии металла к полупроводниковой структуре и для уменьшения переходного контактного сопротивления. Затем формируют маску фоторезиста, через которую на фронтальную поверхность подложки 1 наносят адгезионный слой 3 титана, барьерный слой 4 платины и проводящий слой 5. Формирование маски для напыления фронтального контакта проводится с применением нижнего слоя несветочувствительного резиста и верхнего слоя фоторезиста, т.е. фотолитографией с применением LOR-слоя (lift-off photoresist), характеризующейся тем, что непосредственно после напыления контактная структура на поверхности полупроводника имеет разрыв с маской из фоторезиста (см. фиг.4, фиг.5). При использовании маски такой геометрии отпадает необходимость дополнительного утолщения контакта, например, с помощью гальванического осаждения, так как заметно облегчается удаление фоторезиста (его «взрыва») после напыления контактных слоев 3, 4, 5 и обеспечивается ровная стенка - полоска контакта. Это позволяет изготавливать контактные системы к ФЭП большой толщины (до 8000 нм) в ходе одного процесса напыления, что более чем на порядок превышает максимально допустимые толщины контактных слоев при использовании метода взрывной фотолитографии с обычным профилем фоторезиста (с одинаковой шириной элементов маски). Применение маски из нижнего слоя несветочувствительного резиста и из верхнего слоя фоторезиста позволяет упростить технологию изготовления ФЭП, устранив традиционную трудоемкую операцию гальванического утолщения контактов ФЭП без ухудшения приборных характеристик.The photoelectric converter made by the claimed method (see FIG. 1) comprises an n-
Дополнительный отжиг слоев 3, 4, 5 способствует улучшению адгезии с полупроводником и уменьшению контактного сопротивления. Режим отжига контактов выбирают из условий минимизации удельного переходного сопротивления, не приводящих в то же время к возрастанию токов утечки или ухудшению напряжения холостого хода ФЭП (т.е. обеспечения пригодной для прибора глубины залегания границы металл-полупроводник). Возможен отжиг контактов в атмосфере водорода или азота.Additional annealing of
Пример 1. Контактная структура Ti-Pt-Au сформирована на слое p-типа проводимости, полученном на подложке n-GaSb (n=3·1017 см-3) диффузией цинка из газовой фазы при температуре 450°С продолжительностью 40 мин. Концентрация свободных носителей заряда в слое составляет ~ 1·1020 см-3. Перед нанесением контактной структуры на фронтальной поверхности полупроводника была сформирована маска из двухслойного фоторезиста (с LOR-слоем), проведена очистка поверхности структуры методом ионно-лучевого травления (удалено 5 нм поверхностного слоя). Многослойная контактная структура состоит из полученных магнетронным распылением слоев титана толщиной 10 нм и платины толщиной 30 нм, а также полученного термическим испарением при давлении остаточных газов в вакуумной камере 5·10-7 мм рт. ст. слоя золота толщиной 1200 нм. Удельное переходное сопротивление многослойной контактной структуры составило 9,1·10-7 Ом·см2 (измерения по методике TLM - transmission line method (см. H.H.Berger. Models for contacts to planar devices. Solid State Electronics, 1972, Vol.15, pp.145-158). Изготовленные солнечные фотоэлектрические преобразователи размером 3,5×3,5 мм2 характеризовались высокими значениями фактора заполнения FF вольт-амперной характеристики: FF≥70% при плотности фототока ~1-3 А/см2 даже без дополнительного высокотемпературного отжига. Дополнительный отжиг солнечных фотоэлектрических преобразователей в атмосфере водорода при температуре 170°С приводил к незначительному улучшению ВАХ фотоэлемента (см. фиг.2). Аналогичный отжиг в атмосфере азота не влиял на ВАХ фотоэлемента.Example 1. The Ti-Pt-Au contact structure is formed on a p-type conductivity layer obtained on an n-GaSb substrate (n = 3 · 10 17 cm -3 ) by diffusion of zinc from the gas phase at a temperature of 450 ° C for 40 minutes. The concentration of free charge carriers in the layer is ~ 1 · 10 20 cm -3 . Before applying the contact structure, a double-layer photoresist mask (with an LOR layer) was formed on the front surface of the semiconductor, the surface of the structure was cleaned by ion-beam etching (5 nm of the surface layer was removed). The multilayer contact structure consists of 10 nm thick titanium and 30 nm thick platinum layers obtained by magnetron sputtering, as well as those obtained by thermal evaporation at a residual gas pressure of 5 · 10 -7 mm RT in a vacuum chamber. Art. gold layer with a thickness of 1200 nm. The specific transition resistance of the multilayer contact structure was 9.1 · 10 -7 Ohm · cm 2 (measurements according to the TLM method - transmission line method (see HH Berger. Models for contacts to planar devices. Solid State Electronics, 1972, Vol.15, pp .145-158). Manufactured solar photovoltaic cells of size 3.5 × 3.5 mm 2 were characterized by high values of the filling factor FF volt-ampere characteristics: FF≥70% at a photocurrent density of ~ 1-3 A / cm 2 even without an additional high-temperature annealing - Additional annealing of solar photovoltaic cells in a hydrogen atmosphere and at a temperature of 170 ° C resulted in a slight improvement of the VAC photocell (see FIG. 2). A similar annealing in nitrogen atmosphere did not influence the VAC photocell.
Пример 2. Проводили травление поверхности p-GaSb (p~1·1020 см-3) на глубину 30 нм, магнетронное распыление адгезионного слоя титана толщиной 30 нм и барьерного слоя платины толщиной 100 нм, напыление термическим испарением при давлении остаточных газов в вакуумной камере 5·10-7 мм рт.ст. проводящего слоя золота толщиной 500 нм. Удельное переходное сопротивление многослойной контактной структуры после отжига в водороде при температуре 235°С в течение 30 секунд составило 2.7·10-6 Ом·см2 (измерения по методике TLM).Example 2. The etched surface of p-GaSb (p ~ 1 · 10 20 cm -3 ) to a depth of 30 nm, magnetron sputtering of an
Пример 3. Контактная структура Ti-Pt-Ag сформирована на слое p-типа проводимости, полученном на подложке n-GaSb диффузией цинка из газовой фазы в атмосфере водорода. Концентрация свободных носителей заряда в p-слое составляет ~ 1·1020 см-3. Перед нанесением контактной структуры на поверхности полупроводника была сформирована маска из двухслойного фоторезиста (с LOR-слоем), проведена очистка поверхности структуры методом ионно-лучевого травления (удалено 5 нм поверхностного слоя). Многослойная контактная структура состоит из полученных магнетронным распылением слоев титана толщиной 10 нм и платины толщиной 30 нм, а также полученного термическим испарением при давлении остаточных газов в вакуумной камере 5·10-7 мм рт. ст. слоя серебра толщиной 940 нм. Удельное переходное сопротивление многослойной контактной структуры составило 7,0·10-7 Ом·см2 (измерения по TLM-методике). Изготовленные фотоэлементы размером 3,5×3,5 мм2 характеризовались высокими значениями фактора заполнения (FF) вольт-амперной характеристики ≥73% при плотности фототока ~ 1-2 А/см2 даже без дополнительного высокотемпературного отжига.Example 3. The contact structure of Ti-Pt-Ag is formed on a p-type conductivity layer obtained on an n-GaSb substrate by diffusion of zinc from the gas phase in a hydrogen atmosphere. The concentration of free charge carriers in the p-layer is ~ 1 · 10 20 cm -3 . Before applying the contact structure on the surface of the semiconductor, a mask was formed from a two-layer photoresist (with an LOR layer), the surface of the structure was cleaned by ion-beam etching (5 nm of the surface layer was removed). The multilayer contact structure consists of 10 nm thick titanium and 30 nm thick platinum layers obtained by magnetron sputtering, as well as those obtained by thermal evaporation at a residual gas pressure of 5 · 10 -7 mm RT in a vacuum chamber. Art. a silver layer 940 nm thick. The specific transition resistance of the multilayer contact structure was 7.0 · 10 -7 Ohm · cm 2 (measurements by the TLM method). The fabricated photocells with a size of 3.5 × 3.5 mm 2 were characterized by high values of the filling factor (FF) of the current-voltage characteristic ≥73% at a photocurrent density of ~ 1-2 A / cm 2 even without additional high-temperature annealing.
Пример 4. Травление поверхности p-GaSb (р~1·1020 см-3) на глубину 30 нм, магнетронное распыление адгезионного слоя титана толщиной 30 нм и барьерного слоя платины толщиной 100 нм, напыление термическим испарением при давлении остаточных газов в вакуумной камере 5·10-7 мм рт. ст. проводящего слоя серебра толщиной 940 нм. Удельное переходное сопротивление многослойной контактной структуры после отжига в водороде при температуре 270°С в течение 30 секунд составило 1,6·10-6 Ом·см2 (измерения по методике TLM).Example 4. Etching of the surface of p-GaSb (p ~ 1 · 10 20 cm -3 ) to a depth of 30 nm, magnetron sputtering of an adhesive layer of titanium with a thickness of 30 nm and a platinum barrier layer with a thickness of 100 nm, sputtering by thermal evaporation at a pressure of residual gases in a
Пример 5. Травление поверхности p-GaSb (р~1·1020 см-3) на глубину 10 нм, магнетронное распыление адгезионного слоя титана толщиной 15 нм и барьерного слоя платины толщиной 30 нм, напыление термическим испарением при давлении остаточных газов в вакуумной камере 5·10-6 мм рт. ст. проводящего слоя серебра толщиной 970 нм. Изготовленные фотоэлементы размером 3.5×3.5 мм2 с вжиганием контактов при температуре 170°С характеризовались высокими значениями фактора заполнения вольт-амперной характеристики ≥73% при плотности фототока ~1-2 А/см2 и FF≥70% при плотности фототока до ~ 5 А/см2 (см. фиг.3). Напряжение холостого хода фотоэлемента (фиг.3, кривая 5) после вжигания контактов не изменялось (соответствующие кривые до и после отжига совпадают).Example 5. Etching of the surface of p-GaSb (p ~ 1 · 10 20 cm -3 ) to a depth of 10 nm, magnetron sputtering of an adhesive layer of titanium with a thickness of 15 nm and a platinum barrier layer with a thickness of 30 nm, sputtering by thermal evaporation at a pressure of residual gases in a
Пример 6. Проводили травление поверхности структуры на глубину 15 нм, магнетронное распыление адгезионного слоя титана толщиной 15 нм и барьерного слоя платины толщиной 100 нм, напыление термическим испарением при давлении остаточных газов в вакуумной камере 10-6 мм рт. ст. проводящего слоя серебра толщиной 610 нм. Удельное переходное сопротивление многослойной контактной структуры составило 2,4·10-6 Ом·см2 и уменьшилось до 1,9·10-7 Ом·см2 после отжига в водороде при температуре 270°С в течение 30 с (измерения по методике TLM). Изготовленные фотоэлементы размером 3.5×3.5 мм2 без дополнительного вжигания контактной структуры характеризовались значениями FF≥70% при плотности фототока ~1-2 А/см2.Example 6. The surface of the structure was etched to a depth of 15 nm, magnetron sputtering of an adhesive titanium layer with a thickness of 15 nm and a platinum barrier layer with a thickness of 100 nm, sputtering by thermal evaporation at a pressure of residual gases in a vacuum chamber of 10 -6 mm RT. Art. a conductive layer of silver 610 nm thick. The specific transition resistance of the multilayer contact structure was 2.4 · 10 -6 Ohm · cm 2 and decreased to 1.9 · 10 -7 Ohm · cm 2 after annealing in hydrogen at a temperature of 270 ° C for 30 s (measurements by the TLM method ) The fabricated photocells with a size of 3.5 × 3.5 mm 2 without additional burning of the contact structure were characterized by FF≥70% at a photocurrent density of ~ 1-2 A / cm 2 .
Пример 7. Солнечный фотоэлектрический преобразователь сформирован диффузией цинка в подложку n-GaSb (глубина p-слоя ~250 нм). Контакт Ti-Pt-Ag вжигали в атмосфере водорода при Т=305°С (значительно превышающей рекомендуемую температуру) для проверки максимально возможного смещения интерфейса. Как видно из фотографии сканирующего электронного микроскопа (фиг.5), глубина смещения границы металл-полупроводник не превышает 20 нм.Example 7. A solar photoelectric converter is formed by diffusion of zinc into an n-GaSb substrate (p-layer depth ~ 250 nm). The Ti-Pt-Ag contact was burned in a hydrogen atmosphere at Т = 305 ° С (significantly exceeding the recommended temperature) to check the maximum possible displacement of the interface. As can be seen from the photographs of a scanning electron microscope (Fig. 5), the depth of displacement of the metal-semiconductor interface does not exceed 20 nm.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010128407/28A RU2437186C1 (en) | 2010-07-08 | 2010-07-08 | Method of making solar photoelectric converter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010128407/28A RU2437186C1 (en) | 2010-07-08 | 2010-07-08 | Method of making solar photoelectric converter |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2437186C1 true RU2437186C1 (en) | 2011-12-20 |
Family
ID=45404476
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010128407/28A RU2437186C1 (en) | 2010-07-08 | 2010-07-08 | Method of making solar photoelectric converter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2437186C1 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2485627C1 (en) * | 2012-01-11 | 2013-06-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Photovoltaic converter manufacturing method |
| RU2575972C1 (en) * | 2014-11-18 | 2016-02-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | METHOD FOR PRODUCTION OF GaSb-BASED PHOTOCONVERTER |
| RU2710605C1 (en) * | 2019-05-21 | 2019-12-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Method of manufacturing a gasb-based photoelectric converter |
| RU2738459C1 (en) * | 2020-07-08 | 2020-12-14 | Общество с ограниченной ответственностью «КАТОД» | Semitransparent photocathode |
| RU2781508C1 (en) * | 2021-10-11 | 2022-10-12 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Method for manufacturing a photoelectric converter on a tapered germanium substrate |
-
2010
- 2010-07-08 RU RU2010128407/28A patent/RU2437186C1/en active
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2485627C1 (en) * | 2012-01-11 | 2013-06-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Photovoltaic converter manufacturing method |
| RU2575972C1 (en) * | 2014-11-18 | 2016-02-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | METHOD FOR PRODUCTION OF GaSb-BASED PHOTOCONVERTER |
| RU2710605C1 (en) * | 2019-05-21 | 2019-12-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Method of manufacturing a gasb-based photoelectric converter |
| RU2738459C1 (en) * | 2020-07-08 | 2020-12-14 | Общество с ограниченной ответственностью «КАТОД» | Semitransparent photocathode |
| RU2781508C1 (en) * | 2021-10-11 | 2022-10-12 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Method for manufacturing a photoelectric converter on a tapered germanium substrate |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Tiwari et al. | CdTe solar cell in a novel configuration | |
| US7943416B2 (en) | Local heterostructure contacts | |
| JP5223004B2 (en) | Crystalline silicon PV cell with selective emitters manufactured by low temperature precision etch-back and passivation process | |
| US4595790A (en) | Method of making current collector grid and materials therefor | |
| US20070169808A1 (en) | Solar cell | |
| JP2012531048A (en) | Semiconductor photodetection structure | |
| JP2009033208A (en) | Method for manufacturing stacked photovoltaic device | |
| KR20080002657A (en) | Photovoltaic device which includes all-back-contact configuration and related processes | |
| JP2010087520A (en) | Heterojunction photovoltaic cell with dual doping and method of manufacturing the same | |
| RU2437186C1 (en) | Method of making solar photoelectric converter | |
| RU2354009C1 (en) | Method for manufacture of photoelectric transducers based on multilayer structure | |
| WO2014134515A1 (en) | High-efficiency, low-cost silicon-zinc oxide heterojunction solar cells | |
| KR100809427B1 (en) | Photoelectric conversion device and method for manufacturing thereof | |
| GB2405030A (en) | Bifacial thin film solar cell | |
| Bai et al. | 16.6% efficient Silicon-Film/sup TM/polycrystalline silicon solar cells | |
| KR101484620B1 (en) | Silicon solar cell | |
| KR101223021B1 (en) | Method of preparing solar cell and solar cell | |
| Cheek et al. | Metal-insulator-semiconductor silicon solar cells | |
| NL2013608B1 (en) | Self aligned low temperature process for solar cells. | |
| Lillington et al. | Cast polycrystalline silicon Schottky‐barrier solar cells | |
| US4366334A (en) | Photovoltaic cell usable as a solar cell | |
| Young et al. | Self-Aligned, Selective Area Poly-Si/SiO 2 Passivated Contacts for Enhanced Photocurrent in Front/Back Solar Cells | |
| JP2019050329A (en) | Solar cell manufacturing method | |
| RU2485627C1 (en) | Photovoltaic converter manufacturing method | |
| RU2710605C1 (en) | Method of manufacturing a gasb-based photoelectric converter |