RU2710605C1 - Method of manufacturing a gasb-based photoelectric converter - Google Patents
Method of manufacturing a gasb-based photoelectric converter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2710605C1 RU2710605C1 RU2019115598A RU2019115598A RU2710605C1 RU 2710605 C1 RU2710605 C1 RU 2710605C1 RU 2019115598 A RU2019115598 A RU 2019115598A RU 2019115598 A RU2019115598 A RU 2019115598A RU 2710605 C1 RU2710605 C1 RU 2710605C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- diffusion
- zinc
- layer
- gasb
- substrate
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 77
- 229910005542 GaSb Inorganic materials 0.000 claims abstract description 53
- 239000011701 zinc Substances 0.000 claims abstract description 47
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 45
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 44
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims abstract description 44
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 41
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 26
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 25
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 25
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims abstract description 18
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 18
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 16
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 11
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 claims description 20
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 12
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 11
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 9
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 8
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical group [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910052984 zinc sulfide Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 claims description 3
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000005083 Zinc sulfide Substances 0.000 claims description 2
- ORUIBWPALBXDOA-UHFFFAOYSA-L magnesium fluoride Chemical compound [F-].[F-].[Mg+2] ORUIBWPALBXDOA-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 2
- 229910001635 magnesium fluoride Inorganic materials 0.000 claims description 2
- BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);tantalum(5+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ta+5].[Ta+5] BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910001936 tantalum oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- DRDVZXDWVBGGMH-UHFFFAOYSA-N zinc;sulfide Chemical compound [S-2].[Zn+2] DRDVZXDWVBGGMH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 claims 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 10
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 abstract description 5
- 230000002950 deficient Effects 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 abstract 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 36
- 239000010407 anodic oxide Substances 0.000 description 11
- 230000008569 process Effects 0.000 description 10
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 8
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 6
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 6
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 5
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 5
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 4
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 4
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 4
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 4
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 3
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 3
- 238000007738 vacuum evaporation Methods 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000807 Ga alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 2
- 238000005234 chemical deposition Methods 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 2
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 2
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 2
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000006862 quantum yield reaction Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001020 Au alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001297 Zn alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 239000000908 ammonium hydroxide Substances 0.000 description 1
- UYJXRRSPUVSSMN-UHFFFAOYSA-P ammonium sulfide Chemical compound [NH4+].[NH4+].[S-2] UYJXRRSPUVSSMN-UHFFFAOYSA-P 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 230000001815 facial effect Effects 0.000 description 1
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 1
- VTGARNNDLOTBET-UHFFFAOYSA-N gallium antimonide Chemical compound [Sb]#[Ga] VTGARNNDLOTBET-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000003032 molecular docking Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
- H01L31/184—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP
-
- 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
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/544—Solar cells from Group III-V materials
-
- 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
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способам изготовления фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) на основе GaSb, применяемых в солнечных элементах, термофотоэлектрических генераторах, в системах с расщеплением спектра солнечного излучения, в преобразователях лазерного излучения. Во всех перечисленных случаях используют фотоэлементы, эффективно работающие при высоких плотностях падающего излучения.The invention relates to methods for manufacturing GaSb-based photoelectric converters (PECs) used in solar cells, thermophotovoltaic generators, in systems with splitting the spectrum of solar radiation, in laser converters. In all these cases, photocells are used that work efficiently at high incident radiation densities.
Известен способ изготовления каскадного ФЭП (см. патент US 5091018, МПК H01L 31/052, опубликован 25.02.1992), основанный на механической стыковке GaAs- и GaSb-фотоэлементов. Способ изготовления фотоэлектрического преобразователя на основе антимонида галлия включает нанесение на лицевую поверхность подложки GaSb n-типа диэлектрической маски, диффузию цинка из газовой фазы в окнах маски, удаление слоя p-типа с тыльной поверхности подложки и нанесение на нее металлических контактов, осаждение фронтальных контактов на лицевую поверхность подложки, утончение p-n перехода на светочувствительных участках химическим травлением в растворе от 0,5 до 0,1 мкм и нанесение антиотражающего покрытия.A known method of manufacturing a cascade photomultiplier (see patent US 5091018, IPC H01L 31/052, published 02.25.1992), based on the mechanical docking of GaAs and GaSb photocells. A method of manufacturing a gallium antimonide-based photoelectric converter comprises applying an n-type dielectric mask to the front surface of a GaSb substrate, diffusing zinc from the gas phase in the mask windows, removing a p-type layer from the back surface of the substrate and applying metal contacts to it, depositing front contacts on the front surface of the substrate, thinning the pn junction in photosensitive areas by chemical etching in a solution of 0.5 to 0.1 μm and applying an antireflection coating.
Недостатком известного способа является использование химического травления структуры ФЭП на достаточно большую 0,4 мкм глубину (сравнимую с глубиной p-n перехода), в результате чего возникает вероятность бокового травления подконтактных областей и увеличение токов утечек в области p-n перехода.The disadvantage of this method is the use of chemical etching of the PEC structure to a sufficiently large 0.4 μm depth (comparable to the depth of the pn junction), as a result of which there is a possibility of lateral etching of the contact areas and an increase in leakage currents in the region of the pn junction.
Известен способ изготовления ФЭП на основе GaSb (см. патент RU 2354008, МПК H01L 31/18 опубликован 27.04.2009), включающий нанесение на лицевую поверхность подложки n-типа GaSb диэлектрического покрытия, нанесение на него слоя фоторезиста, создание маски и травление через маску диэлектрического покрытия на светочувствительных участках подложки. Затем наносят маску из фоторезиста на лицевой поверхности подложки для создания подконтактных областей, производят анодное окисление этих областей до получения слоя анодного оксида толщиной не более 0,25 мкм в электролите, не вступающем в химическую реакцию с фоторезистом, после чего удаляют фоторезист. Проводят диффузию Zn в подложку в атмосфере водорода. Удаляют образовавшийся в результате диффузии p-слой на тыльной поверхности подложки, создают тыльный и лицевой электрические контакты.A known method for the manufacture of photovoltaic cells based on GaSb (see patent RU 2354008, IPC H01L 31/18 published on 04/27/2009), including applying a dielectric coating to the front surface of an n-type GaSb substrate, applying a photoresist layer on it, creating a mask and etching through a mask dielectric coating on photosensitive areas of the substrate. Then a mask of a photoresist is applied on the front surface of the substrate to create contact areas, anodic oxidation of these areas is carried out to obtain an anode oxide layer of a thickness of not more than 0.25 μm in an electrolyte that does not enter into a chemical reaction with the photoresist, and then the photoresist is removed. Diffusion of Zn into the substrate is carried out in a hydrogen atmosphere. The p-layer formed as a result of diffusion on the back surface of the substrate is removed, and the back and front electrical contacts are created.
Недостатком известного способа является невозможность одновременно получить оптимальную глубину для фотоактивной (0,3-0,8 мкм) и подконтактной областей (0,9-1,5 мкм), поскольку процесс лимитируется температурно-временным режимом единственной диффузии. При проведении диффузии при низких температурах 450-480°С, когда временным параметром хорошо контролируется воспроизводимое получение неглубокого p-n перехода (0,3-0,8 мкм), не происходит полного восстановления анодного окисла, поэтому глубина p-n перехода под контактами не достигает 0,9 мкм. При более высоких температурах процесса возрастает невоспроизводимость получения заданной глубины p-n перехода.The disadvantage of this method is the inability to simultaneously obtain the optimal depth for the photoactive (0.3-0.8 microns) and contact areas (0.9-1.5 microns), since the process is limited by the temperature-time regime of a single diffusion. When conducting diffusion at low temperatures of 450-480 ° C, when the reproducible obtaining of a shallow pn junction (0.3-0.8 μm) is well controlled by the time parameter, the anodic oxide does not completely recover, therefore, the depth of the pn junction under the contacts does not reach 0, 9 microns. At higher process temperatures, the irreproducibility of obtaining a given depth of the pn junction increases.
Известен способ изготовления фотодиода на основе GaSb (см. S. Sridaran, A. Chavan, P.S. Dutta «Fabrication and passivation of GaSb photodiodes», J. Cryst. Growth v. 310, 2008, p. 1590-1594), в соответствии с которым на поверхности подложки n-GaSb методом низкотемпературного химического осаждения в течение 45 минут при Т=85°С создают пленку ZnS (~1000
Недостатком известного способа является значительное время изготовления прибора, поскольку помимо 10 часов диффузии необходимо время на откачку реактора, его разогрев и охлаждение. Таким образом, минимальное время технологического процесса диффузии составит не менее 12,5-13 часов. Данный способ не оптимален для получения высокоэффективных фотопреобразователей из-за малой глубины p-n перехода.The disadvantage of this method is the significant manufacturing time of the device, since in addition to 10 hours of diffusion, time is required for pumping out the reactor, heating and cooling it. Thus, the minimum time of the diffusion process is at least 12.5-13 hours. This method is not optimal for obtaining highly efficient photoconverters due to the small depth of the pn junction.
Известен способ изготовления ФЭП на основе n-GaSb (см. патент CN103474501, МПК H01L 25/04; H01L 31/0216, опубликован 25.12.2013), включающий нанесение на подложку n-GaSb диэлектрической маски диоксида кремния для локальной диффузии Zn, многоступенчатую откачку кварцевого реактора с использованием аргона, проведение диффузии в GaSb из сплава Zn-Ga при давлении 5-10 Па в течение 1-3 часов при температуре 450-500°С (предварительно посредством отжига в течение 24 часов при 600°С формируют сплав Zn-Ga), удаление тыльного p-n перехода, нанесение тыльного и лицевого контактов, разделительное травление структуры на чипы и нанесение антиотражающего покрытия из нитрида кремния. Глубина p-n перехода при использовании известного способа составляет 0,2-0,6 мкм.A known method for the manufacture of PECs based on n-GaSb (see patent CN103474501, IPC H01L 25/04; H01L 31/0216, published December 25, 2013), comprising applying a dielectric mask of silicon dioxide to local Zn diffusion on a n-GaSb substrate, multi-stage pumping a quartz reactor using argon, conducting diffusion in GaSb from a Zn-Ga alloy at a pressure of 5-10 Pa for 1-3 hours at a temperature of 450-500 ° C (previously, through annealing for 24 hours at 600 ° C, a Zn-alloy is formed Ga), removal of the back pn junction, the application of the back and face contacts, dividing etching the structure into chips and applying antireflection coatings of silicon nitride. The depth of the p-n junction using the known method is 0.2-0.6 microns.
Недостатками известного способа изготовления ФЭП является конструктивная сложность аппаратурной части процесса диффузии вследствие использования многоступенчатой откачки кварцевого реактора с целью предотвращения окисления поверхности GaSb, а также длительность формирования источника диффузии (сплава Zn-Ga).The disadvantages of the known method of manufacturing photovoltaic cells are the structural complexity of the hardware of the diffusion process due to the use of multi-stage pumping of the quartz reactor in order to prevent oxidation of the GaSb surface, as well as the duration of the formation of the diffusion source (Zn-Ga alloy).
Известен способ изготовления ФЭП на основе GaSb (см. L. Tang, H. Ye, J. Xu «А novel zinc diffusion process for the fabrication of high-performance GaSb thermophotovoltaic cell» Solar Energy Materials & Solar Cells, v. 122, 2014, p. 94-98), который включает диффузию цинка в подложку GaSb в откаченном объеме кварцевого реактора при Т=500°С в течение 2 часов. После диффузии с тыльной стороны подложки травлением удаляют слой p-GaSb, напыляют контакты на тыльную и лицевую сторону подложки. После металлизации контактов химическим травлением в растворе сульфида аммония (NH4)2Sx в течение 5 мин удаляют приповерхностный слой p-GaSb толщиной 0,05-0,06 мкм и наносят антиотражающее покрытие.A known method of manufacturing GaSb-based solar cells (see L. Tang, H. Ye, J. Xu “A novel zinc diffusion process for the fabrication of high-performance GaSb thermophotovoltaic cell” Solar Energy Materials & Solar Cells, v. 122, 2014 , p. 94-98), which includes the diffusion of zinc into the GaSb substrate in the evacuated volume of the quartz reactor at T = 500 ° C for 2 hours. After diffusion from the back of the substrate by etching, the p-GaSb layer is removed, and contacts are sprayed onto the back and front of the substrate. After metallization of the contacts by chemical etching in a solution of ammonium sulfide (NH 4 ) 2 S x for 5 min, the surface layer of p-GaSb 0.05-0.06 μm thick is removed and an antireflection coating is applied.
Недостатком известного способа является возможная неоднородность по толщине стравленного поверхностного слоя, поскольку химическое травление в растворах существенно зависит от условий травления (температуры раствора, времени травления, необходимости однородного перемешивания и др.). Полученные известным способом ФЭП показали недостаточно высокую эффективность 3,9% (спектр AM 1,5).The disadvantage of this method is the possible heterogeneity in the thickness of the etched surface layer, since chemical etching in solutions substantially depends on the etching conditions (solution temperature, etching time, the need for uniform mixing, etc.). The photovoltaic cells obtained by the known method showed insufficiently high efficiency of 3.9% (spectrum AM 1.5).
Известен способ изготовления ФЭП на основе GaSb (см. RU 2437186, H01L 31/18, В82В 3/00, опубликован 20.12.2011), который включает диффузию цинка из газовой фазы при температуре 450-490°С в подложку n-GaSb через окна диэлектрической маски, удаление с тыльной стороны подложки образовавшегося слоя p-GaSb и формирование тыльного контакта. Затем проводят очистку фронтальной поверхности подложки методом ионно-лучевого травления на глубину 5-30 нм и формирование на ней маски фоторезиста, формирование омического контакта, удаление маски фоторезиста, разделительное травление структуры на отдельные фотоэлементы и нанесение антиотражающего покрытия.A known method for the manufacture of solar cells based on GaSb (see RU 2437186, H01L 31/18, B82B 3/00, published 12/20/2011), which includes the diffusion of zinc from the gas phase at a temperature of 450-490 ° C in the n-GaSb substrate through windows dielectric mask, removal of the formed p-GaSb layer from the back side of the substrate and the formation of the back contact. Then, the front surface of the substrate is cleaned by ion-beam etching to a depth of 5-30 nm and the formation of a photoresist mask on it, the formation of an ohmic contact, the removal of the photoresist mask, separation etching of the structure on individual photocells and the application of antireflection coating.
Недостатком изготовленных известным способом ФЭП является относительно небольшая глубина p-n перехода под контактами (0,3-0,5 мкм), что ведет к уменьшению фактора заполнения нагрузочной характеристики из-за увеличения вероятности роста токов утечек в области p-n перехода при формировании металлических контактов.The disadvantage of the photomultiplier tubes produced by the known method is the relatively small depth of the pn junction under the contacts (0.3-0.5 μm), which leads to a decrease in the filling factor of the load characteristic due to the increased likelihood of an increase in leakage currents in the region of the pn junction during the formation of metal contacts.
Известен способ изготовления ФЭП на основе GaSb (см. патент US 5217539, МПК H01L 31/052, опубликован 08.06.1993), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Способ-прототип включает нанесение на лицевую поверхность подложки из GaSb n-типа проводимости диэлектрического покрытия, создание маски из фоторезиста и травление через маску диэлектрического покрытия на светочувствительных участках подложки, первую диффузию цинка в подложку (в атмосфере водорода) из газовой фазы на глубину 0,1 мкм. Затем создают маску из диэлектрической пленки с окнами в местах подконтактных областей подложки и проводят вторую диффузию цинка на глубину примерно 0,5 мкм. Удаляют образовавшийся в результате диффузии слой p-типа проводимости на тыльной поверхности подложки, наносят на нее слой металла для создания тыльного контакта и формируют лицевой металлический контакт. В способе-прототипе изготовления ФЭП происходит смещение глубины p-n перехода на светочувствительных участках приборной структуры (разгонка примеси) во время второй диффузии на глубину до 0,2 мкм. Окончательная глубина p-n перехода на участках фотоактивной поверхности ФЭП составляет 0,3 мкм. Способом-прототипом были изготовлены ФЭП с эффективностью 6,6% для спектра АМ0 при 55 кратной концентрации солнечного излучения за GaAs фильтром. Как правило, такой фильтр делают минимальной толщины (~250 мкм) и невысокого уровня легирования (не более 1017 см-3) для минимизации поглощения света в нем, что не соответствует реальным условиям работы верхнего фотопреобразователя на основе GaAs.A known method for the manufacture of solar cells based on GaSb (see patent US 5217539, IPC H01L 31/052, published 06/08/1993), coinciding with this technical solution for the largest number of essential features and adopted for the prototype. The prototype method includes applying a dielectric conductivity of a n-type conductivity to the front surface of a GaSb substrate, creating a mask from a photoresist and etching through a dielectric coating mask on the photosensitive portions of the substrate, the first diffusion of zinc into the substrate (in a hydrogen atmosphere) from the gas phase to a depth of 0, 1 micron. A mask is then created from a dielectric film with windows in the areas of the contact areas of the substrate and a second diffusion of zinc is carried out to a depth of about 0.5 μm. The p-type conductivity layer formed as a result of diffusion is removed on the back surface of the substrate, a metal layer is applied to it to create a back contact, and a front metal contact is formed. In the prototype method of manufacturing a photomultiplier, a shift of the pn transition depth occurs in the photosensitive sections of the instrument structure (impurity dispersal) during the second diffusion to a depth of 0.2 μm. The final depth pn of the junction in the areas of the photoactive surface of the photomultiplier is 0.3 μm. A prototype method was used to fabricate solar cells with an efficiency of 6.6% for the AM0 spectrum at 55 times the concentration of solar radiation behind a GaAs filter. As a rule, such a filter is made of a minimum thickness (~ 250 μm) and a low doping level (not more than 10 17 cm -3 ) to minimize the absorption of light in it, which does not correspond to the actual operating conditions of the upper GaAs-based photoconverter.
Недостатками способа-прототипа является небольшая глубина p-n перехода под контактами (~0,5 мкм) в изготавливаемых ФЭП, что увеличивает вероятность роста токов утечек в области p-n перехода, снижающих эффективность ФЭП, а также уменьшению выхода годных ФЭП из-за увеличения вероятности закорачивания p-n перехода при формировании металлических контактов.The disadvantages of the prototype method is the small depth pn of the junction under the contacts (~ 0.5 μm) in the fabricated solar cells, which increases the likelihood of increasing leakage currents in the region of the pn junction, which reduce the efficiency of the solar cells, as well as a decrease in the yield of the solar cells due to an increase in the probability of shortening pn transition during the formation of metal contacts.
Задачей настоящего изобретения является разработка такого способа изготовления фотоэлектрического преобразователя, который позволил бы повысить эффективность работы ФЭП за счет повышения значений фототока, напряжения холостого хода ФЭП и снижения сопротивления растекания при использовании в различных устройствах, в частности, концентраторных солнечных ФЭП и системах преобразования энергии лазерного излучения, работающих при высоких плотностях падающего излучения, а также в термофотоэлектрических генераторах с высокой температурой эмиттера, а также повысить выход годных ФЭП.The objective of the present invention is to develop such a method of manufacturing a photovoltaic converter, which would improve the efficiency of the solar cells by increasing the photocurrent, open-circuit voltage of the solar cells and reducing the spreading resistance when used in various devices, in particular, concentrator solar solar cells and laser energy conversion systems operating at high incident radiation densities, as well as in high-temperature thermophotoelectric generators th emitter, as well as to increase yields FEP.
Поставленная задача решается тем, что способ изготовления ФЭП включает нанесение на лицевую поверхность подложки из GaSb n-типа проводимости диэлектрического покрытия, создание маски из фоторезиста и травление через маску диэлектрического покрытия на светочувствительных участках подложки, первую диффузию цинка в подложку из газовой фазы, создание маски из диэлектрической пленки с окнами в местах подконтактных областей подложки, проведение второй диффузии цинка, удаление образовавшегося в результате диффузии р-слоя на тыльной поверхности подложки, создание тыльного и лицевого металлических контактов и нанесение антиотражающего покрытия. Новым в способе является то, что первую диффузию цинка выполняют на глубину 0,3-0,8 мкм, удаляют посредством анодного окисления и последующим травлением в соляной кислоте образовавшийся при первой диффузии цинка сильнолегированный поверхностный лицевого слой GaSb p-типа проводимости толщиной 0,06-0,30 мкм, перед второй диффузией цинка проводят анодное окисление подконтактных областей до получения слоя анодного окисла толщиной не более 0,2 мкм, а вторую диффузию цинка проводят через анодный окисел на глубину 0,9-1,5 мкм.The problem is solved in that the method of manufacturing photovoltaic cells includes applying a dielectric coating of a n-type conductivity to the front surface of a GaSb substrate, creating a mask from a photoresist and etching through a dielectric coating mask on photosensitive portions of the substrate, first diffusion of zinc into the substrate from the gas phase, creating a mask from a dielectric film with windows in the areas of the contact areas of the substrate, conducting a second diffusion of zinc, removing the p-layer formed as a result of diffusion on the back surface ti substrate, creating the rear metal contacts and facial and applying the antireflection coating. New in the method is that the first diffusion of zinc is performed to a depth of 0.3-0.8 μm, removed by anodic oxidation and subsequent etching in hydrochloric acid, the heavily doped surface layer of p-type GaSb formed during the first diffusion of zinc, 0.06 thickness -0.30 microns, before the second diffusion of zinc, anodic oxidation of the contact areas is carried out to obtain a layer of anodic oxide with a thickness of not more than 0.2 microns, and the second diffusion of zinc is carried out through the anodic oxide to a depth of 0.9-1.5 microns.
Ускорение процесса диффузии цинка через анодный окисел позволяет уменьшить время термообработки структуры GaSb и тем самым избежать смещения глубины p-n-перехода, сформированной в процессе первой диффузии цинка (избежать разгонки примеси) и сохранить заданную геометрию p-n перехода после прецизионного травления анодным окислением поверхностного дефектного слоя, а также получить адгезионный слой для напыления омических контактов.Accelerating the process of zinc diffusion through the anodic oxide allows one to reduce the heat treatment time of the GaSb structure and thereby avoid shifting the pn junction depth formed during the first zinc diffusion (avoiding impurity dispersal) and preserve the given pn junction geometry after precision etching by anodic oxidation of the surface defect layer, and also get an adhesive layer for spraying ohmic contacts.
Диэлектрического покрытие можно выполнять из оксида кремния Si02 или нитрида кремния Si3N4.The dielectric coating can be made of silicon oxide Si0 2 or silicon nitride Si 3 N 4 .
В качестве газовой среды при диффузии цинка можно использовать водород для предотвращения окисления подложек, а диффузию цинка проводить в квазизамкнутом контейнере.Hydrogen can be used as a gaseous medium during zinc diffusion to prevent oxidation of the substrates, and zinc diffusion can be carried out in a quasiclosed container.
Слой p-GaSb глубиной 0,3-0,8 мкм на участках фотоактивной поверхности может быть сформирован в процессе первой диффузии цинка при температуре 450-470°С в течение 30-50 минут. Температура процесса менее 450°С нецелесообразна из-за необходимости увеличения времени термообработки структуры. При температуре более 470°С возрастает невоспроизводимость получения относительно неглубоких p-n переходов. При проведении диффузии менее 30 минут при заданном температурном режиме 450-470°С глубина p-n перехода будет менее 0,3 мкм, а при времени более 50 минут превысит 0,8 мкм.The p-GaSb layer with a depth of 0.3-0.8 μm in the areas of the photoactive surface can be formed during the first diffusion of zinc at a temperature of 450-470 ° C for 30-50 minutes. A process temperature of less than 450 ° C is impractical due to the need to increase the heat treatment time of the structure. At temperatures above 470 ° C, the irreproducibility of obtaining relatively shallow p-n junctions increases. When conducting diffusion for less than 30 minutes at a given temperature range of 450-470 ° C, the depth of the pn junction will be less than 0.3 microns, and at a time of more than 50 minutes it will exceed 0.8 microns.
Перед второй диффузией посредством анодного окисления создают анодный окисел на поверхности GaSb толщиной не более 0,2 мкм, так как при толщине больше 0,2 мкм не весь слой анодного оксила будет восстановлен в процессе диффузии, что приводит к ухудшению адгезии металла к полупроводнику и снижению воспроизводимого получения требуемой глубины p-n перехода под контактами.Before the second diffusion through anodic oxidation, anodic oxide is created on the GaSb surface with a thickness of not more than 0.2 μm, since at a thickness of more than 0.2 μm, not the entire layer of the anodic oxide will be restored during diffusion, which leads to a decrease in the adhesion of the metal to the semiconductor and a reproducibly obtain the required depth pn of the transition under the contacts.
Слой p-GaSb глубиной 0,9-1,5 мкм на участках под будущим лицевым контактом может быть сформирован в процессе второй диффузии цинка при температуре 480-510°С в течение 20-40 минут. При температуре процесса более 510°С и времени больше 40 минут появляется вероятность незначительной разгонки первой диффузии цинка, что влияет на рабочие характеристики ФЭП. При температуре менее 480°С и времени менее 20 минут не будет происходить существенного заглубления p-n перехода под лицевыми контактами, а также не весь слой анодного окисла будет восстановлен в процессе диффузии, что приведет к снижению адгезии металла к полупроводнику.A p-GaSb layer with a depth of 0.9-1.5 μm in areas under the future face contact can be formed during the second diffusion of zinc at a temperature of 480-510 ° C for 20-40 minutes. At a process temperature of more than 510 ° C and a time of more than 40 minutes, the probability of a slight acceleration of the first diffusion of zinc appears, which affects the performance of the solar cells. At a temperature of less than 480 ° C and a time of less than 20 minutes, there will be no significant deepening of the p-n junction under the face contacts, and not all of the anode oxide layer will be restored during diffusion, which will lead to a decrease in the adhesion of the metal to the semiconductor.
Тыльный металлический контакт может быть получен последовательным напылением слоев: сплава золота с германием Au(Ge) и слоя золота Аи. Отжиг осажденного тыльного контакта может быть проведен в атмосфере водорода при температуре 220-250°С.A back metal contact can be obtained by successive sputtering of layers: an alloy of gold with Au (Ge) germanium and an Au gold layer. Annealing of the deposited back contact can be carried out in a hydrogen atmosphere at a temperature of 220-250 ° C.
Лицевой металлический контакт может быть сформирован последовательным нанесением слоя хрома Cr и слоя золота Au. Отжиг осажденного лицевого контакта может быть проведен в атмосфере водорода при температуре 200-220°С.The front metal contact can be formed by sequentially applying a layer of chromium Cr and a layer of gold Au. Annealing of the deposited face contact can be carried out in a hydrogen atmosphere at a temperature of 200-220 ° C.
Может быть проведена дополнительная металлизация лицевого контакта гальваническим осаждением через маску из фоторезиста при одновременном гальваническом осаждении золота на тыльную поверхность.An additional metallization of the face contact can be carried out by galvanic deposition through a photoresist mask while galvanic deposition of gold on the back surface.
Антиотражающее покрытие на лицевой поверхности подложки можно формировать последовательным нанесением слоя сульфида цинка ZnS и слоя фторида магния MgF2 или слоя оксида тантала Ta2O5.The antireflection coating on the front surface of the substrate can be formed by sequentially applying a layer of zinc sulfide ZnS and a layer of magnesium fluoride MgF 2 or a layer of tantalum oxide Ta 2 O 5 .
При двухэтапной диффузии цинка из газовой фазы на первом этапе формируется тонкая фотоактивная область, а на втором этапе создается глубокий p-n переход на участках под лицевыми контактами. Неглубокий фотоактивный p-n переход на глубине 0,3-0,8 мкм, образуемый при первой диффузии цинка, позволяет получить максимальный фототок ФЭП. При увеличении глубины залегания p-n перехода более 0,8 мкм наблюдается падение фототока, поскольку ухудшается собирание неосновных носителей заряда, а при глубине, меньшей 0,3 мкм, увеличивается вероятность влияния поверхностных дефектов и возрастания токов утечек.During two-stage diffusion of zinc from the gas phase, a thin photoactive region is formed at the first stage, and at the second stage, a deep p-n junction is created in the areas under the face contacts. A shallow photoactive p-n junction at a depth of 0.3-0.8 μm, formed during the first diffusion of zinc, allows to obtain the maximum photocurrent of the photomultiplier. With an increase in the depth of the pn junction of more than 0.8 μm, a decrease in the photocurrent is observed, since collection of minority charge carriers worsens, and with a depth less than 0.3 μm, the probability of the influence of surface defects and an increase in leakage currents increases.
Глубина залегания p-n перехода, сформированного при второй диффузии цинка, влияет на электрические характеристики ФЭП, в частности, глубокий p-n-переход уменьшает слоевое сопротивление структуры и, следовательно, улучшает фактор заполнения вольт-амперной характеристики ФЭП, а также повышает напряжение холостого хода. Оптимальная глубина p-n перехода под контактами составляет 0,9-1,5 мкм. Толщина p-GaSb более 1,5 мкм нецелесообразна из-за более длительной термообработки структуры и появления вероятности разгонки первой диффузии цинка, а при глубине меньшей 0,9 мкм возрастает вероятность увеличения токов утечек в области p-n перехода, что приводит к снижению напряжения холостого хода и эффективности.The depth of the p-n junction formed during the second diffusion of zinc affects the electrical characteristics of the photomultiplier, in particular, the deep p-n junction reduces the layer resistance of the structure and, therefore, improves the filling factor of the current-voltage characteristic of the photomultiplier and also increases the open circuit voltage. The optimum pn junction depth under the contacts is 0.9-1.5 microns. A p-GaSb thickness of more than 1.5 μm is impractical due to a longer heat treatment of the structure and the likelihood of acceleration of the first zinc diffusion, and a depth of less than 0.9 μm increases the likelihood of increasing leakage currents in the pn junction region, which leads to a decrease in open circuit voltage and efficiency.
Удаление анодным окислением и последующим травлением в соляной кислоте (не взаимодействующим с GaSb) образовавшегося в результате диффузии поверхностного лицевого слоя GaSb p-типа проводимости толщиной 0,06-0,3 мкм приводит к возрастанию внешнего квантового выхода фотопреобразователя, поскольку стравливается сильнолегированный дефектный слой. При удалении поверхностного слоя более 0,3 мкм не наблюдается эффективного прироста квантового выхода, при удалении слоя менее 0,06 мкм не весь дефектный слой будет удален.Removal by anodic oxidation and subsequent etching in hydrochloric acid (not interacting with GaSb) of the conductivity formed as a result of diffusion of the p-type GaSb surface face layer with a thickness of 0.06-0.3 μm leads to an increase in the external quantum yield of the photoconverter, since the heavily doped defective layer is etched. When the surface layer is removed more than 0.3 μm, an effective increase in the quantum yield is not observed; when the layer is removed less than 0.06 μm, not all of the defective layer will be removed.
Контроль толщины стравливаемого материала обеспечивается за счет анодного окисления структуры и имеет ряд преимуществ, таких как прецизионность окисления±0,002 мкм, определяемая величиной подаваемого напряжения (константа окисления ~0,002 мкм/В GaSb для электролита, состоящем из 1 части смеси гидроксида аммония и 3% винной кислоты с рН=(5.6÷6.4) и 3 частей этиленгликоля), и однородность травления, поскольку электрический ток проходит через всю структуру и окисление происходит равномерно. Процесс последующего удаления анодного окисла в соляной кислоте (не взаимодействующей с GaSb) не требует контроля времени и происходит при комнатной температуре.The thickness of the etched material is controlled by anodic oxidation of the structure and has several advantages, such as oxidation precision ± 0.002 μm, determined by the applied voltage (oxidation constant ~ 0.002 μm / V GaSb for an electrolyte consisting of 1 part of a mixture of ammonium hydroxide and 3% wine acid with pH = (5.6 ÷ 6.4) and 3 parts of ethylene glycol), and etching uniformity, since the electric current passes through the entire structure and oxidation occurs uniformly. The process of subsequent removal of the anodic oxide in hydrochloric acid (not interacting with GaSb) does not require time control and occurs at room temperature.
В ФЭП требуется более глубокий p-n переход под контактными областями, в отличие от остальных участков лицевой поверхности, во избежание проплавления p-n перехода при вжигании контактов. Экспериментально показано, что при диффузии через анодный окисел происходит ускорения процесса диффузии цинка в GaSb. Сочетание более глубокой второй независимой диффузии цинка и использование анодного окисла для ускорения диффузионного процесса создает оптимальные условия для получения глубоких подконтактных зон 0,9-1,5 мкм. При этом восстановленный анодный окисел будет являться адгезионным слоем при последующем нанесении лицевого контакта.FEP requires a deeper p-n junction under the contact regions, in contrast to other parts of the front surface, in order to avoid penetration of the p-n junction upon contact firing. It was experimentally shown that during diffusion through the anodic oxide accelerates the diffusion of zinc in GaSb. The combination of a deeper second independent diffusion of zinc and the use of anode oxide to accelerate the diffusion process creates optimal conditions for obtaining deep contact zones of 0.9-1.5 microns. In this case, the reduced anodic oxide will be an adhesive layer during subsequent face contact.
Требуемая геометрия p-n перехода в структуре ФЭП может быть реализована только при отсутствии существенной разгонки легирующей примеси в фотоактивной области на втором этапе процесса диффузии (термообработки). Было экспериментально подтверждено, что даже при увеличении времени второй диффузии (при которой может происходить разгонка первой диффузии цинка) в 2 раза, по сравнению с технологическим режимом, где температура ~500°С, фронт диффузии цинка смещается всего на 0,04-0,05 мкм.The required geometry of the p-n junction in the photomultiplier structure can be realized only in the absence of significant acceleration of the dopant in the photoactive region at the second stage of the diffusion (heat treatment) process. It was experimentally confirmed that even with an increase in the second diffusion time (at which the first zinc diffusion can be accelerated) by 2 times, compared with the technological regime, where the temperature is ~ 500 ° C, the zinc diffusion front shifts by only 0.04-0, 05 microns.
Благодаря эффекту ускорения диффузионного процесса через слой анодного окисла появляется возможность уменьшения времени второй независимой диффузии, что позволяет избежать изменения (смещения) оптимальной глубины p-n перехода, сформированной первой диффузией цинка и сохранить неизменным геометрию p-n перехода.Due to the effect of accelerating the diffusion process through the anode oxide layer, it becomes possible to reduce the time of the second independent diffusion, which avoids the change (shift) in the optimal depth of the pn junction formed by the first diffusion of zinc and keeps the geometry of the pn junction unchanged.
Настоящий способ изготовления фотоэлектрического преобразователя на основе GaSb обычно проводят в кварцевом проточном реакторе в атмосфере очищенного водорода в квазизамкнутой графитовой кассете. Наносят на лицевую поверхность подложки GaSb n-типа проводимости диэлектрическое покрытие, например, Si02 или Si3N4 и формируют посредством техники фотолитографии окна в маске диэлектрика на светочувствительных участках подложки. Проводят первую диффузию цинка, например, при температуре 450-470°С и продолжительности 30-50 минут на глубину 0,3-0,8 мкм. Удаляют сильнолегированный лицевой дефектный слой GaSb p-типа проводимости толщиной 0,06-0,30 мкм путем анодного окисления и последующего травления полученного окисла в соляной кислоте. Далее напыляют диэлектрическую пленку и формируют посредством техники фотолитографии окна в местах подконтактных областей подложки для проведения второй диффузии цинка. Создают анодный окисел в окнах диэлектрика в местах будущих контактов для ускорения процесса диффузионного легирования. Проводят вторую диффузию цинка через слой анодного окисла при температуре 480-510°С в течение 20-40 минут на глубину 0,9-1,5 мкм. Образовавшийся при диффузии p-n переход на тыльной стороне ФЭП удаляют с помощью травления в полирующем травителе или сошлифовыванием в абразивном порошке. Наносят вакуумным термическим испарением на тыльную поверхность подложки слои металла для создания тыльного металлического контакта. Отжигают его в атмосфере водорода при температуре, например, 220-250°С. Наносят на лицевую поверхность подложки маску из фоторезиста, термическим вакуумным испарением создают лицевой металлический контакт и посредством техники взрывной фотолитографии удаляют фоторезист. Производят отжиг лицевого контакта в атмосфере водорода при температуре, например, 200-220°С. В случае недостаточной толщины созданных контактов возможно дополнительное гальванического осаждения золота через маску фоторезиста с целью улучшения его омических свойств. Настоящим способом может быть одновременно изготовлено несколько ФЭП путем разделительного травления структуры на чипы через маску фоторезиста. Осаждают, например, двухслойное антиотражающее покрытие на чистую светочувствительную поверхность для минимизации оптических потерь фотопреобразователя. Завершающей операцией является резка структуры на отдельные ФЭП.The present method of manufacturing a GaSb-based photoelectric converter is usually carried out in a quartz flow reactor in a purified hydrogen atmosphere in a quasi-closed graphite cassette. A dielectric coating, for example, Si0 2 or Si 3 N 4 , is applied to the front surface of the n-type GaSb substrate and formed by photolithography of the window in a dielectric mask on the photosensitive regions of the substrate. The first diffusion of zinc is carried out, for example, at a temperature of 450-470 ° C and a duration of 30-50 minutes to a depth of 0.3-0.8 microns. The heavily doped defective GaSb face layer of p-type conductivity with a thickness of 0.06-0.30 μm was removed by anodic oxidation and subsequent etching of the obtained oxide in hydrochloric acid. Next, a dielectric film is sprayed and a window is formed using the photolithography technique in the areas of the contact areas of the substrate to conduct a second diffusion of zinc. Anodic oxide is created in the dielectric windows in the places of future contacts to accelerate the diffusion alloying process. A second diffusion of zinc is carried out through a layer of anodic oxide at a temperature of 480-510 ° C for 20-40 minutes to a depth of 0.9-1.5 microns. The pn junction formed upon diffusion on the back of the photomultiplier is removed by etching in a polishing etchant or by grinding in an abrasive powder. Apply vacuum thermal evaporation to the back surface of the substrate layers of metal to create a back metal contact. Anneal it in a hydrogen atmosphere at a temperature of, for example, 220-250 ° C. A mask made of a photoresist is applied to the front surface of the substrate, a face metal contact is created by thermal vacuum evaporation, and the photoresist is removed using the explosive photolithography technique. Annealing the face contact in a hydrogen atmosphere at a temperature of, for example, 200-220 ° C. In the case of insufficient thickness of the created contacts, additional galvanic deposition of gold through a photoresist mask is possible in order to improve its ohmic properties. In the present method, several photomultipliers can be fabricated simultaneously by separation etching of the structure onto the chips through a photoresist mask. For example, a two-layer antireflection coating is deposited on a clean photosensitive surface to minimize the optical loss of the photoconverter. The final operation is the cutting of the structure into individual solar cells.
Пример 1. При изготовлении нижнего GaSb фотоэлемента каскадного солнечного фотоэлектрического преобразователя GaAs/GaSb для обеспечения локальности диффузионного процесса формировали защитную маску на поверхности структуры GaSb. Для этого методом плазмохимического осаждения наносили диэлектрическую пленку Si3N4, в которой при помощи техники фотолитографии вскрывали окна под светочувствительную поверхность подложки и производили их травление. Проводили первую газовую диффузию цинка в квазизамкнутом контейнере в атмосфере водорода при температуре 450°С и t=30 минут на глубину 0,3 мкм. Затем для повышения фототока ФЭП удаляли высоколегированный слой p-GaSb толщиной 0,06 мкм путем анодного окисления поверхности GaSb и последующего травления полученного окисла в соляной кислоте. Далее напыляли диэлектрическое покрытие и формировали посредством техники фотолитографии в нем окна для проведения второй диффузии цинка. В местах будущего лицевого контакта проводили окисление GaSb для ускорения процесса диффузионного легирования. Проводили вторую диффузию цинка при температуре 480°С длительностью 20 минут на глубину 0,9 мкм. Затем удаляли тыльный p-n переход с помощью механической шлифовки, осаждали тыльный контакт методом термического вакуумного испарения и отжигали его в атмосфере водорода. Создавали маску из фоторезиста для формирования лицевого контакта, осаждали его методом термического вакуумного испарения, удаляли фоторезист с помощью техники взрывной фотолитографии и отжигали лицевой контакт в атмосфере водорода. Создавали маску из фоторезиста для гальванического осаждения золота на лицевой контакт и проводили это осаждение. Одновременно проводили гальваническое осаждение золота на тыльную поверхность структуры. Проводили процесс разделительного травления структуры на чипы через маску фоторезиста. На светочувствительной поверхности структуры осаждали антиотражающее покрытие (ZnS/MgF2). Эффективность полученного нижнего фотоэлемента каскадного солнечного фотоэлектрического преобразователя составила 6% при достаточно высокой кратности солнечного излучения вплоть до 200, измеренная за GaAs фотопреобразователем (спектр АМ0, толщина 400 мкм, степень легирования GaAs n=2⋅1017 см-3).Example 1. In the manufacture of the lower GaSb photocell of the cascade GaAs / GaSb solar photoelectric converter, a protective mask was formed on the surface of the GaSb structure to ensure the locality of the diffusion process. For this, a Si 3 N 4 dielectric film was deposited by plasma-chemical deposition, in which, using the photolithography technique, the windows were opened under the photosensitive surface of the substrate and etched. The first gas diffusion of zinc was carried out in a quasiclosed container in a hydrogen atmosphere at a temperature of 450 ° C and t = 30 minutes to a depth of 0.3 μm. Then, to increase the photocurrent of the photovoltaic cells, a 0.06 μm thick doped p-GaSb layer was removed by anodic oxidation of the GaSb surface and subsequent etching of the obtained oxide in hydrochloric acid. Next, a dielectric coating was sprayed and a window was formed in it by means of a photolithography technique for conducting second diffusion of zinc. In the areas of future face contact, GaSb was oxidized to accelerate the diffusion doping process. A second diffusion of zinc was carried out at a temperature of 480 ° C for a duration of 20 minutes to a depth of 0.9 μm. Then the rear pn junction was removed by mechanical grinding, the back contact was deposited by thermal vacuum evaporation and annealed in a hydrogen atmosphere. A mask was created from a photoresist to form a face contact, precipitated by thermal vacuum evaporation, the photoresist was removed using explosive photolithography technique, and the face contact was annealed in a hydrogen atmosphere. A photoresist mask was created for the galvanic deposition of gold on the face contact and this deposition was carried out. At the same time, galvanic deposition of gold was performed on the back surface of the structure. The process of separation etching of the structure onto the chips was carried out through a photoresist mask. An antireflection coating (ZnS / MgF 2 ) was deposited on the photosensitive surface of the structure. The efficiency of the obtained lower solar cell of the cascade solar photovoltaic converter was 6% for a sufficiently high solar radiation ratio up to 200, measured behind a GaAs photoconverter (AM0 spectrum, thickness 400 μm, GaAs doping n = 2 =10 17 cm -3 ).
Пример 2. Для получения фотоэлектрического преобразователя лазерного излучения на подложку n-GaSb осаждали диэлектрическое покрытие SiO2, в котором посредством техники фотолитографии вскрывали окна для проведения первой диффузии цинка. Диффузионный процесс проводили при температуре 470°С и длительности 50 минут на глубину 0,8 мкм. Затем удаляли высоколегированный слой p-GaSb толщиной 0,3 мкм. Напыляли второе диэлектрическое покрытие и создавали в нем окна под будущие контакты. Перед проведением второй диффузии окисляли подконтактные области структуры. Вторую независимую диффузию проводили при температуре 510°С в течение 40 минут на глубину 1,5 мкм. Далее с тыльной стороны структуры удаляли слой р-GaSb и напыляли тыльный металлический контакт. На лицевой стороне ФЭП осаждали контакт через маску фоторезиста. Для улучшения адгезии контакта и снижения удельного сопротивления после удаления маски проводили его отжиг. Проводили гальваническое осаждение золота на тыльный и лицевой контакты ФЭП. Посредством фотолитографии создавали маску для разделительного травления структуры на отдельные чипы и проводили само травление. На фотоактивной поверхности структуры, чистой от диэлектрического покрытия, осаждали антиотражающее покрытие Ta2O5. Эффективность фотопреобразователя лазерного излучения (с площадью фотоактивной поверхности 2 мм2) составила более 40% для длины монохроматического (лазерного) излучения 1600 нм.Example 2. To obtain a laser photoelectric converter, an SiO 2 dielectric coating was deposited on an n-GaSb substrate, in which windows were opened by means of the photolithography technique to conduct the first diffusion of zinc. The diffusion process was carried out at a temperature of 470 ° C and a duration of 50 minutes to a depth of 0.8 μm. Then a high-alloyed p-GaSb layer 0.3 μm thick was removed. A second dielectric coating was sprayed and windows were created in it for future contacts. Before the second diffusion, the contact regions of the structure were oxidized. The second independent diffusion was carried out at a temperature of 510 ° C for 40 minutes to a depth of 1.5 μm. Next, a p-GaSb layer was removed from the back side of the structure and the back metal contact was sprayed. On the front side of the photomultiplier, a contact was deposited through a photoresist mask. To improve contact adhesion and reduce resistivity after removing the mask, it was annealed. Conducted galvanic deposition of gold on the back and front contacts of the solar cells. Using photolithography, a mask was created for the separation etching of the structure into individual chips and the etching itself was performed. A Ta 2 O 5 antireflection coating was deposited on the photoactive surface of the structure, which was clean of dielectric coating. The efficiency of the laser radiation photoconverter (with a photoactive surface area of 2 mm 2 ) was more than 40% for a length of monochromatic (laser) radiation of 1600 nm.
Настоящий способ изготовления фотоэлектрического преобразователя позволяет получать фотоэлектрические преобразователи с требуемой глубиной p-n перехода для фотоактивной и подконтактной областей и высокой эффективностью.The present method of manufacturing a photovoltaic converter allows to obtain photovoltaic converters with the required depth pn junction for the photoactive and contact areas and high efficiency.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019115598A RU2710605C1 (en) | 2019-05-21 | 2019-05-21 | Method of manufacturing a gasb-based photoelectric converter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019115598A RU2710605C1 (en) | 2019-05-21 | 2019-05-21 | Method of manufacturing a gasb-based photoelectric converter |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2710605C1 true RU2710605C1 (en) | 2019-12-30 |
Family
ID=69140790
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019115598A RU2710605C1 (en) | 2019-05-21 | 2019-05-21 | Method of manufacturing a gasb-based photoelectric converter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2710605C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5217539A (en) * | 1991-09-05 | 1993-06-08 | The Boeing Company | III-V solar cells and doping processes |
| US6005259A (en) * | 1997-09-23 | 1999-12-21 | National Science Council | InAs/GaSb superlattice structure infrared detector fabricated by organometallic vapor phase epitaxy |
| RU2354008C1 (en) * | 2007-12-07 | 2009-04-27 | Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН | Method for preparation of photoelectric transducer |
| RU2437186C1 (en) * | 2010-07-08 | 2011-12-20 | Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН | Method of making solar photoelectric converter |
-
2019
- 2019-05-21 RU RU2019115598A patent/RU2710605C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5217539A (en) * | 1991-09-05 | 1993-06-08 | The Boeing Company | III-V solar cells and doping processes |
| US6005259A (en) * | 1997-09-23 | 1999-12-21 | National Science Council | InAs/GaSb superlattice structure infrared detector fabricated by organometallic vapor phase epitaxy |
| RU2354008C1 (en) * | 2007-12-07 | 2009-04-27 | Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН | Method for preparation of photoelectric transducer |
| RU2437186C1 (en) * | 2010-07-08 | 2011-12-20 | Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН | Method of making solar photoelectric converter |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5217539A (en) | III-V solar cells and doping processes | |
| US4227941A (en) | Shallow-homojunction solar cells | |
| Britt et al. | Thin‐film CdS/CdTe solar cell with 15.8% efficiency | |
| US6211038B1 (en) | Semiconductor device, and method for manufacturing the same | |
| WO2010151478A1 (en) | Method of making a semiconductor optical detector structure | |
| JPH0758354A (en) | Manufacture of thin film photo-cell device | |
| US4248675A (en) | Method of forming electrical contact and antireflection layer on solar cells | |
| CN110943143A (en) | Method for manufacturing a photovoltaic solar cell with heterojunction and emitter diffusion regions | |
| JP2010171263A (en) | Method of manufacturing photovoltaic device | |
| RU2354009C1 (en) | Method for manufacture of photoelectric transducers based on multilayer structure | |
| RU2354008C1 (en) | Method for preparation of photoelectric transducer | |
| RU2437186C1 (en) | Method of making solar photoelectric converter | |
| RU2710605C1 (en) | Method of manufacturing a gasb-based photoelectric converter | |
| US20190348560A1 (en) | Method for producing rear surface contact solar cells from crystalline silicon | |
| RU2575972C1 (en) | METHOD FOR PRODUCTION OF GaSb-BASED PHOTOCONVERTER | |
| Fan et al. | Ion‐implanted laser‐annealed GaAs solar cells | |
| Pettit et al. | Photoluminescent characterization of GaAs solar cells | |
| RU2676221C1 (en) | Method of making pulse photodetector | |
| Wang et al. | Influence of gettering and passivation on uniformity of the electrical parameters in monolithic multicrystalline silicon solar cell | |
| Ruby et al. | The effect of hydrogen-plasma and PECVD-nitride deposition on bulk and surface passivation in string-ribbon silicon solar cells | |
| JP3346907B2 (en) | Solar cell and method of manufacturing the same | |
| RU2813746C1 (en) | METHOD FOR MANUFACTURING PHOTOELECTRIC CONVERTER BASED ON GaInAsSb | |
| RU2485627C1 (en) | Photovoltaic converter manufacturing method | |
| Simashkevich et al. | Efficient ITO-n Si solar cells with a textured silicon surface | |
| CA1137604A (en) | Shallow homojunction solar cells |