RU2781508C1 - Method for manufacturing a photoelectric converter on a tapered germanium substrate - Google Patents
Method for manufacturing a photoelectric converter on a tapered germanium substrate Download PDFInfo
- Publication number
- RU2781508C1 RU2781508C1 RU2021129833A RU2021129833A RU2781508C1 RU 2781508 C1 RU2781508 C1 RU 2781508C1 RU 2021129833 A RU2021129833 A RU 2021129833A RU 2021129833 A RU2021129833 A RU 2021129833A RU 2781508 C1 RU2781508 C1 RU 2781508C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- germanium substrate
- coating
- mesa
- deposition
- protective coating
- Prior art date
Links
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 77
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 77
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 76
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims abstract description 45
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 42
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 42
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 claims abstract description 25
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims abstract description 20
- 239000000969 carrier Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 claims abstract description 15
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 15
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 12
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 claims abstract description 12
- 230000003287 optical Effects 0.000 claims abstract description 9
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 claims abstract description 7
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 claims abstract description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 36
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 claims description 19
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 13
- 235000011007 phosphoric acid Nutrition 0.000 claims description 11
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N HF Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- MEXSQFDSPVYJOM-UHFFFAOYSA-J cerium(4+);disulfate;tetrahydrate Chemical compound O.O.O.O.[Ce+4].[O-]S([O-])(=O)=O.[O-]S([O-])(=O)=O MEXSQFDSPVYJOM-UHFFFAOYSA-J 0.000 claims description 6
- 229910000040 hydrogen fluoride Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 claims description 6
- 235000011149 sulphuric acid Nutrition 0.000 claims description 6
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 4
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 3
- 238000002161 passivation Methods 0.000 abstract description 9
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 abstract description 7
- 238000000926 separation method Methods 0.000 abstract description 6
- 238000005507 spraying Methods 0.000 abstract description 6
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 4
- 230000003595 spectral Effects 0.000 abstract description 3
- 230000005484 gravity Effects 0.000 abstract description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 4
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 4
- 210000004027 cells Anatomy 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 230000001815 facial Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000001947 vapour-phase growth Methods 0.000 description 2
- 210000003298 Dental Enamel Anatomy 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N TiO Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000001681 protective Effects 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности к способу изготовления фотоэлектрических преобразователей, и может быть использовано в электронной промышленности при производстве элементов и устройств для преобразования световой энергии в электрическую энергию.The invention relates to solar energy, in particular to a method for manufacturing photoelectric converters, and can be used in the electronics industry in the production of elements and devices for converting light energy into electrical energy.
Известен способ изготовления фотоэлектрического преобразователя (см. патент RU 2354009, МПК H01L 31/18, опубликован 27.04.2009), включающий нанесение омических контактов на тыльную и фронтальную поверхность многослойной полупроводниковой структуры GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенной на германиевой подложке, разделение структуры на чипы, пассивацию боковой поверхности чипов диэлектриком, удаление части фронтального контактного слоя структуры и нанесение антиотражающего покрытия на фронтальную поверхность структуры. Разделение структуры на чипы проводят через маску фоторезиста со стороны фронтальной поверхности структуры на глубину (15-50) мкм в две стадии: на первой стадии осуществляют химическое травление структуры до германиевой подложки, а на второй стадии проводят электрохимическое травление германиевой подложки.A known method of manufacturing a photoelectric converter (see patent RU 2354009, IPC H01L 31/18, published 04/27/2009), including the deposition of ohmic contacts on the rear and front surfaces of a multilayer semiconductor structure GaInP/Ga(In)As/Ge, grown on a germanium substrate , separation of the structure into chips, passivation of the side surface of the chips with a dielectric, removal of part of the front contact layer of the structure, and application of an antireflection coating on the front surface of the structure. The division of the structure into chips is carried out through the photoresist mask from the side of the front surface of the structure to a depth of (15-50) μm in two stages: at the first stage, the structure is chemically etched to the germanium substrate, and at the second stage, the germanium substrate is electrochemically etched.
Недостатками известного способа изготовления фотоэлектрического преобразователя являются повышенные массогабаритные параметры фотоэлектрического преобразователя.The disadvantages of the known method of manufacturing a photoelectric converter are increased weight and size parameters of the photoelectric converter.
Известен способ изготовления фотоэлектрического преобразователя (см. заявка US 20140360584, МПК H01L 31/18 опубликована 11.12.2014), включающий создание на подложке первого полупроводящего слоя и второго полупроводящего слоя с противоположными типами проводимости, формирование пассивирующего слоя оксида графена на поверхности второго полупроводящего слоя путем обработки подложки в растворе оксида графена, создание первого электрода на поверхности первого полупроводящего слоя, создание второго электрода на поверхности второго полупроводящего слоя. При этом слой оксида графена выполняет функцию пассивирующего слоя для снижения скорости поверхностной рекомбинации и функцию антиотражающего покрытия для снижения коэффициента отражения падающего излучения.A known method of manufacturing a photoelectric converter (see application US 20140360584, IPC H01L 31/18 published 12/11/2014), including the creation on the substrate of the first semiconductive layer and the second semiconductive layer with opposite types of conductivity, the formation of a passivating layer of graphene oxide on the surface of the second semiconductive layer by processing the substrate in a solution of graphene oxide, creating a first electrode on the surface of the first semiconductive layer, creating a second electrode on the surface of the second semiconductive layer. In this case, the graphene oxide layer functions as a passivation layer to reduce the surface recombination rate and as an antireflection coating to reduce the reflection coefficient of the incident radiation.
Недостатком известного способа изготовления фотоэлектрического преобразователя является низкая адгезия оксида графена, приводящая к уменьшению выхода годных приборов, а также повышенные массогабаритные параметры фотоэлектрического преобразователя.The disadvantage of the known method of manufacturing a photoelectric converter is the low adhesion of graphene oxide, leading to a decrease in the yield of suitable devices, as well as increased weight and size parameters of the photoelectric converter.
Известен способ изготовления утоненного фотоэлектрического преобразователя (см. патент CN 104347754, МПК H01L 31/0687, H01L 31/18, опубликован 11.02.2015), включающий осаждение из паровой фазы полоскового фронтального контакта Au(Ge)/Ag/Au на фронтальную поверхность эпитаксиальной гетероструктуры GaInP/GaAs/Ge, осаждение из паровой фазы тыльного контакта Au(Ge)/Ag на тыльную поверхность, осаждения из паровой фазы антиотражающего покрытия ΤiΟ2/Αl2Ο3 на фронтальную поверхность. При этом подложку эпитаксиальной гетероструктуры толщиной 180 мкм протравливают до толщины менее 140 мкм, для повышения ее гибкости и, соответственно, увеличения срока службы, снижения веса фотоэлектрического преобразователя и увеличения соотношения мощность/вес.A method for manufacturing a thinned photoelectric converter is known (see patent CN 104347754, IPC H01L 31/0687, H01L 31/18, published on February 11, 2015), including vapor deposition of a stripe frontal Au(Ge)/Ag/Au contact on the front surface of an epitaxial GaInP/GaAs/Ge heterostructures, vapor phase deposition of the Au(Ge)/Ag back contact on the rear surface, vapor phase deposition of an antireflection coating ΤiΟ 2 /Αl 2 Ο 3 on the front surface. At the same time, the epitaxial heterostructure substrate with a thickness of 180 μm is etched to a thickness of less than 140 μm to increase its flexibility and, accordingly, increase its service life, reduce the weight of the photoelectric converter and increase the power/weight ratio.
Недостатками известного способа изготовления утоненного фотоэлектрического преобразователя являются относительно большая остаточная толщина подложки в 140 мкм, что приводит к повышенным массогабаритным параметрам фотоэлектрического преобразователя, а также препятствует эффективному отводу тепла от области p-n-перехода фотоэлектрического преобразователя в силу высокого теплового сопротивления материала германия.The disadvantages of the known method for manufacturing a thinned photoelectric converter are a relatively large residual substrate thickness of 140 μm, which leads to increased weight and size parameters of the photoelectric converter, and also prevents efficient heat removal from the p-n junction region of the photoelectric converter due to the high thermal resistance of the germanium material.
Известен способ изготовления фотоэлектрического преобразователя на утоняемой германиевой подложке (см. патент RU 2703820, МПК H01L 31/18, опубликован 22.10.2019), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Способ изготовления фотоэлектрического преобразователя включает создание на германиевой подложке с выращенными эпитаксиальными слоями фоторезистивной маски с окнами под лицевые контакты; напыление слоев лицевой металлизации; удаление фоторезиста; создание фоторезистивной маски с окнами под меза-изоляцию; вытравливание мезы; создание меза-изолированной контактной площадки для вывода тыльного контакта фотопреобразователя, формирование лазером углубления под меза-изолированной контактной площадкой и по периметру фотопреобразователя и нанесение защитного покрытия формированием последовательно слоев позитивного и негативного фоторезистов методом центрифугирования и слоя быстросохнущей эмали методом распыления. Пластину наклеивают защитным покрытием на выступы диска-носителя, стравливают подложку до эпитаксиальных слоев в углублениях с одновременным разделением пластины на чипы фотопреобразователей, вытравливают эпитаксиальные слои в углублениях, а после напыления слоев тыльной металлизации удаляют защитное покрытие с одновременным откреплением чипов фотопреобразователей от диска-носителя, выпрямляют чипы после отжига контактов и напыления просветляющего покрытия.A known method for manufacturing a photoelectric converter on a thinned germanium substrate (see patent RU 2703820, IPC H01L 31/18, published 10/22/2019), which coincides with the present decision in the largest number of essential features and is taken as a prototype. A method for manufacturing a photoelectric converter includes creating a photoresistive mask with windows for facial contacts on a germanium substrate with grown epitaxial layers; deposition of layers of front metallization; removal of photoresist; creation of a photoresistive mask with windows for mesa insulation; mesa etching; creation of a mesa-isolated contact pad for outputting the rear contact of the photoconverter, laser formation of a depression under the mesa-isolated contact pad and along the perimeter of the photoconverter, and application of a protective coating by sequentially forming layers of positive and negative photoresist by centrifugation and a layer of quick-drying enamel by spraying. The plate is glued with a protective coating on the protrusions of the carrier disk, the substrate is etched to the epitaxial layers in the recesses with simultaneous separation of the plate into photoconverter chips, the epitaxial layers in the recesses are etched, and after the back metallization layers are deposited, the protective coating is removed while the photoconverter chips are detached from the carrier disk, the chips are straightened after annealing the contacts and deposition of an antireflection coating.
Недостатком известного способа-прототипа является относительно большая остаточная толщина германиевой подложки, при которой не достигаются показатели по удельной массе для фотоэлектрического преобразователя менее 0,03 г/см2 и не обеспечивается эффективный отвод тепла от p-n-перехода фотоэлектрического преобразователя, что является необходимым при проектировании и изготовлении перспективных высокоэффективных солнечных батарей.The disadvantage of the known prototype method is the relatively large residual thickness of the germanium substrate, which does not achieve specific weight for the photovoltaic converter less than 0.03 g/cm 2 and does not provide efficient heat removal from the pn-junction of the photovoltaic converter, which is necessary in the design and the manufacture of promising high-performance solar cells.
Задачей настоящего технического решения является снижение удельной массы GaInP/Ga(In)As/Ge фотоэлектрического преобразователя за счет значительного утонения германиевой подложки с сохранением спектральной чувствительности германиевого p-n-перехода в инфракрасном диапазоне спектра и его фототока и эффективности GaInP/Ga(In)As/Ge фотоэлектрического преобразователя в целом, в том числе и за счет снижения сопротивления отводу тепловой энергии от p-n-перехода фотоэлектрического преобразователя к теплорассеивающим элементам.The objective of this technical solution is to reduce the specific mass of the GaInP/Ga(In)As/Ge photoelectric converter due to a significant thinning of the germanium substrate while maintaining the spectral sensitivity of the germanium p-n junction in the infrared range of the spectrum and its photocurrent and the efficiency of GaInP/Ga(In)As/ Ge of the photovoltaic converter as a whole, including by reducing the resistance to the removal of thermal energy from the p-n junction of the photovoltaic converter to heat-dissipating elements.
Поставленная задача достигается тем, что способ изготовления фотоэлектрического преобразователя на утоняемой германиевой подложке, включающий создание на германиевой подложке с выращенными эпитаксиальными слоями полупроводниковой структуры фоторезистивной маски с окнами под лицевые омические контакты, напыление слоев лицевой металлизации, удаление фоторезиста, создание фоторезистивной маски с окнами под оптические окна, вскрытие оптических окон, напыление просветляющего покрытия, удаление фоторезиста, создание фоторезистивной маски с окнами под меза-изоляцию, вытравливание мезы, нанесение диэлектрического покрытия через фоторезистивную маску на боковую поверхность мезы, удаление фоторезиста, создание фоторезистивной маски с окнами под контактные площадки тыльных омических контактов, напыление слоев металлизации на области контактных площадок, отжиг омических контактов, нанесение защитного покрытия, наклеивание пластины защитным покрытием на диск-носитель, стравливание германиевой подложки, удаление защитного покрытия с одновременным откреплением пластины от диска-носителя и разделением пластины на чипы. Новым в способе является то, что выполняют матирование тыльной стороны утоненной германиевой подложки жидкостным химическим травлением, последовательно осаждают на тыльную сторону утоненной германиевой подложки диэлектрическое покрытие и светоотражающее покрытие, тыльный омический контакт к германиевой подложке формируют с фронтальной стороны гетероструктуры в мезе, наносят диэлектрическое покрытие на боковую поверхность мезы, закрепляют чипы тыльной стороной на носителях-теплоотводах.The task is achieved by the fact that a method for manufacturing a photoelectric converter on a thinned germanium substrate, including the creation of a photoresistive mask with windows for front ohmic contacts on a germanium substrate with grown epitaxial layers of a semiconductor structure, deposition of layers of front metallization, removal of a photoresist, creation of a photoresistive mask with windows for optical windows, opening of optical windows, deposition of an antireflection coating, removal of a photoresist, creation of a photoresist mask with windows for mesa insulation, etching of a mesa, deposition of a dielectric coating through a photoresist mask on the side surface of a mesa, removal of a photoresist, creation of a photoresist mask with windows for contact pads of rear ohmic contacts, deposition of metallization layers on the areas of contact pads, annealing of ohmic contacts, deposition of a protective coating, gluing a wafer with a protective coating onto a carrier disk, etching off a germanium base zhki, removal of the protective coating with simultaneous detachment of the plate from the carrier disk and separation of the plate into chips. What is new in the method is that the rear side of the thinned germanium substrate is matted by liquid chemical etching, a dielectric coating and a reflective coating are successively deposited on the back side of the thinned germanium substrate, a rear ohmic contact to the germanium substrate is formed from the front side of the heterostructure in the mesa, a dielectric coating is applied to side surface of the mesa, fix the chips with the back side on the heat sink carriers.
Защитное покрытие может быть выполнено из фоторезиста.The protective coating may be made of photoresist.
Защитное покрытие может быть выполнено из воска.The protective coating may be made of wax.
Защитное покрытие может быть выполнено последовательным формированием слоя фоторезиста и слоя воска.The protective coating can be made by sequentially forming a photoresist layer and a wax layer.
Германиевая подложка может быть стравлена до толщины менее 20 мкм.The germanium substrate can be etched down to a thickness of less than 20 µm.
Утонение германиевой подложки может быть выполнено травителем, содержащем ортофосфорную кислоту H3PO4, перекись водорода H2O2 и воду при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:The thinning of the germanium substrate can be performed with an etchant containing phosphoric acid H 3 PO 4 , hydrogen peroxide H 2 O 2 and water in the following ratio, wt. hours:
Матирование германиевой подложки может быть выполнено трехкратной последовательной обработкой в течение (10-15) секунд в травителе, содержащем фтористый водород HF и воду при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:Matting germanium substrate can be performed by three consecutive processing for (10-15) seconds in the etchant containing hydrogen fluoride HF and water in the following ratio, wt. hours:
и в течение (110-130) секунд в травителе, содержащем церия(IV) сульфат тетрагидрат Ce(SO4)2⋅4H2O, серную кислоту H2SO4 и воду при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:and for (110-130) seconds in an etchant containing cerium(IV) sulfate tetrahydrate Ce(SO 4 ) 2 ⋅4H 2 O, sulfuric acid H 2 SO 4 and water in the following ratio, wt. hours:
Светоотражающее покрытие может быть выполнено из золота или из серебра с защитным слоем золота.The reflective coating can be made of gold or silver with a protective layer of gold.
Утонение германиевой подложки до толщины менее 20 мкм обеспечивает снижение удельной массы для фотоэлектрического преобразователя до величины менее 0,015 г/см2, что является необходимым при изготовлении высокоэффективных солнечных батарей.Thinning of the germanium substrate to a thickness of less than 20 μm provides a reduction in the specific gravity for the photoelectric converter to a value of less than 0.015 g/cm 2 , which is necessary in the manufacture of highly efficient solar cells.
Матирование утоненной германиевой подложки обеспечивает формирование на тыльной стороне структуры фотоэлектрического преобразователя диффузно отражающей поверхности для длинноволнового излучения, прошедшего сквозь утоненную до толщины менее 20 мкм структуру без поглощения. Это излучение рассеивается на диффузной поверхности и, отражаясь от светоотражающего покрытия, направляется внутрь объема фотоэлектрического преобразователя под углами, не обеспечивающими выход данного излучения из фотоэлектрического преобразователя через лицевую поверхность в силу соблюдения условия полного внутреннего отражения для лучей, падающих на границу раздела оптических сред под большими углами.Matting of the thinned germanium substrate ensures the formation of a diffusely reflective surface on the rear side of the photoelectric converter structure for long-wave radiation that has passed through the structure thinned to a thickness of less than 20 μm without absorption. This radiation is scattered on a diffuse surface and, reflected from the reflective coating, is directed into the volume of the photoelectric converter at angles that do not ensure the exit of this radiation from the photoelectric converter through the front surface due to the observance of the condition of total internal reflection for rays incident on the interface of optical media under large corners.
Таким образом, за счет эффективного поглощения длинноволнового излучения в германиевом p-n-переходе после утонения подложки его фототок остается без изменений. Соответственно коэффициент полезного действия, утоненного GaInP/Ga(In)As/Ge фотоэлектрического преобразователя остается на начальном (до утонения) уровне при значительно улучшенных массогабаритных параметрах, что является ключевым аспектом при создании легких гибких солнечных батарей.Thus, due to the effective absorption of long-wavelength radiation in the germanium p-n junction, its photocurrent remains unchanged after the substrate is thinned. Accordingly, the efficiency of a thinned GaInP/Ga(In)As/Ge photovoltaic converter remains at the initial (before thinning) level with significantly improved weight and size parameters, which is a key aspect in creating lightweight flexible solar cells.
Пассивация утоненной германиевой подложки путем осаждения диэлектрического покрытия выполняет защитную функцию, а также обеспечивает формирование зеркальной гладкой тыльной поверхности. Напыление светоотражающего покрытия на поверхность диэлектрического покрытия осуществляют для увеличения степени отражения излучения от тыльной поверхности германиевой подложки, при этом зеркальность поверхности диэлектрического покрытия приводит к дополнительному увеличению коэффициента отражения. Выполнение светоотражающего покрытия из золота или из серебра с защитным слоем золота обусловлено высоким коэффициентом отражения излучения (до 98%). Использование серебра ведет к снижению стоимости фотоэлектрического преобразователя, защитный слой золота необходим для увеличения стойкости покрытия к воздействию факторов окружающей среды.Passivation of a thinned germanium substrate by deposition of a dielectric coating performs a protective function and also ensures the formation of a mirror-like smooth rear surface. The deposition of a reflective coating on the surface of the dielectric coating is carried out to increase the degree of reflection of radiation from the rear surface of the germanium substrate, while the specularity of the surface of the dielectric coating leads to an additional increase in the reflection coefficient. The implementation of a reflective coating of gold or silver with a protective layer of gold is due to the high reflection coefficient of radiation (up to 98%). The use of silver leads to a reduction in the cost of a photoelectric converter, a protective layer of gold is necessary to increase the resistance of the coating to environmental factors.
Формирование мезы путем травления на толщину слоев гетероструктуры обеспечивает открытие фронтальной поверхности германиевой подложки. Последующее травление мезы на глубину (2-3) мкм в германиевой подложке обеспечивает надежное разделение p-n-перехода и формирование планарной поверхности германия, необходимой для последующей стадии формирования тыльного омического контакта к подложке с фронтальной стороны в мезе. При травлении на глубину менее 2 мкм разделение p-n-перехода может произойти не полностью, что приведет к короткому замыканию в германиевом p-n-переходе. При травлении на глубину более 3 мкм снижется прочность германиевой подложки, что может привести к снижению выхода годных чипов при последующем процессе утонения германиевой подложки. Нанесение диэлектрического покрытия на боковую поверхность мезы обеспечивает надежную пассивацию p-n-перехода, что предотвращает возникновение короткого замыкания в германиевом p-n-переходе при формировании контакта в мезе.The formation of a mesa by etching to the thickness of the heterostructure layers ensures the opening of the frontal surface of the germanium substrate. Subsequent etching of the mesa to a depth of (2–3) µm in the germanium substrate ensures reliable separation of the p-n junction and the formation of a planar germanium surface, which is necessary for the subsequent stage of formation of a rear ohmic contact to the substrate from the front side in the mesa. When etching to a depth of less than 2 µm, separation of the p-n junction may not occur completely, which will lead to a short circuit in the germanium p-n junction. When etching to a depth of more than 3 μm, the strength of the germanium substrate decreases, which can lead to a decrease in the yield of suitable chips during the subsequent process of thinning the germanium substrate. The application of a dielectric coating on the side surface of the mesa ensures reliable passivation of the p-n junction, which prevents the occurrence of a short circuit in the germanium p-n junction during the formation of a contact in the mesa.
Формирование контакта к германиевой подложке с фронтальной стороны гетероструктуры в мезе обеспечивает снижение числа технологических операций на утоненной германиевой подложке, что приводит к увеличению выхода годных фотоэлектрических преобразователей, а также обеспечивает возможность матирования и пассивации тыльной стороны германиевой подложки для увеличения чувствительности германиевого p-n-перехода.The formation of a contact to the germanium substrate from the front side of the heterostructure in the mesa reduces the number of technological operations on the thinned germanium substrate, which leads to an increase in the yield of suitable photovoltaic converters, and also provides the possibility of matting and passivation of the rear side of the germanium substrate to increase the sensitivity of the germanium p-n junction.
Утонение германиевой подложки до толщины менее 20 мкм жидкостным химическим травлением обеспечивает высокую надежность процесса за счет отсутствия механического воздействия на утоняемую подложку, обладающую повышенной хрупкостью, что обеспечивает увеличение выхода годных элементов.Thinning of the germanium substrate to a thickness of less than 20 μm by liquid chemical etching ensures high reliability of the process due to the absence of mechanical action on the substrate being thinned, which has increased brittleness, which ensures an increase in the yield of usable elements.
Утонение германиевой подложки травителем на основе H3PO4 и H2O2 обеспечивает высокую равномерность и качество поверхности травления.Thinning of the germanium substrate with an etchant based on H 3 PO 4 and H 2 O 2 ensures high uniformity and quality of the etching surface.
Матирование германиевой подложки путем трехкратной последовательной обработки травителями на основе HF и на основе Ce(SO4)2⋅4H2O и H2SO4 обеспечивает высокую однородность шероховатости поверхности. При обработке травителем на основе HF в течение (10-15) секунд происходит удаление окисла на поверхности германия. При обработке менее 10 секунд не происходит полного удаления окисла, обработка более 15 секунд технологически нецелесообразна. Обработка в травителе на основе Ce(SO4)2⋅4H2O и H2SO4 в течение (110-130) секунд приводит к увеличению шероховатости поверхности, необходимой для рассеяния отраженного излучения. Обработка менее 110 секунд приводит к уменьшению величины и однородности шероховатости поверхности. При обработке более 130 секунд происходит окисление германиевой подложки, что блокирует протекание химических реакций. Снятие окисла происходит в травителе на основе HF, после чего проводят дальнейшее матирование подложки в травителе на основе Ce(SO4)2⋅4H2O и H2SO4. Трехкратная последовательная обработка обеспечивает формирование равномерной шероховатости поверхности заданной топологии.Matting of the germanium substrate by three successive treatments with HF-based and Ce(SO 4 ) 2 ⋅4H 2 O and H 2 SO 4 -based etchants ensures high surface roughness uniformity. When treated with an HF-based etchant, the oxide on the germanium surface is removed for (10-15) seconds. When processing less than 10 seconds, the oxide is not completely removed, processing more than 15 seconds is technologically inexpedient. Treatment in an etchant based on Ce(SO 4 ) 2 ⋅4H 2 O and H 2 SO 4 for (110-130) seconds leads to an increase in the surface roughness required for scattering of the reflected radiation. Processing less than 110 seconds leads to a decrease in the magnitude and uniformity of the surface roughness. When processed for more than 130 seconds, the germanium substrate is oxidized, which blocks the flow of chemical reactions. The oxide is removed in an etchant based on HF, after which the substrate is further matted in an etchant based on Ce(SO 4 ) 2 ⋅4H 2 O and H 2 SO 4 . Three consecutive processing ensures the formation of a uniform surface roughness of a given topology.
Настоящий способ изготовления фотоэлектрического преобразователя на утоняемой германиевой подложке выполняют на основе фоточувствительной полупроводниковой структуры, например, трехпереходной эпитаксиальной гетероструктуры GaInP/Ga(In)As/Ge с фронтальным контактным слоем n-GaAs, выращенной на германиевой подложке р-типа проводимости толщиной, например, (140-180) мкм. Проводят формирование лицевых омических контактов на поверхности контактного слоя n-GaAs через фоторезистивную маску с окнами под лицевые омические контакты. Осуществляют вскрытие оптических окон в местах свободных от лицевых омических контактов жидкостным химическим травлением и проводят напыление просветляющего покрытия через фоторезистивную маску, которую затем удаляют. Создают фоторезистивную маску с окнами под меза-изоляцию, закрывающую оптические окна и лицевые омические контакты, и вытравливают мезу на толщину слоев гетероструктуры и на (2-3) мкм германиевой подложки. Наносят диэлектрическое покрытие через фоторезистивную маску на боковую поверхность мезы, затем удаляют фоторезист.Формируют тыльные омические контакты к германиевой подложке в мезе через фоторезистивную маску с окнами под контактные площадки, закрывающую оптические окна, лицевые омические контакты и боковую поверхность мезы. Проводят отжиг лицевых и тыльных омических контактов. Наносят защитное покрытие из воска или из фоторезиста, или из слоя фоторезиста и слоя воска на фронтальную поверхность гетероструктуры, приклеивают гетероструктуру защитным покрытием на диск-носитель. Проводят утонение тыльной стороны германиевой подложки до толщины менее 20 мкм методом жидкостного химического травления в травителе, например, содержащем ортофосфорную кислоту H3PO4, перекись водорода H2O2 и воду при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:The present method of manufacturing a photovoltaic converter on a thinned germanium substrate is based on a photosensitive semiconductor structure, for example, a GaInP/Ga(In)As/Ge three-junction epitaxial heterostructure with an n-GaAs frontal contact layer grown on a p-type germanium substrate with a thickness, for example, (140-180) µm. Front ohmic contacts are formed on the surface of the n-GaAs contact layer through a photoresistive mask with windows for front ohmic contacts. Optical windows are opened in places free from facial ohmic contacts by liquid chemical etching and an antireflection coating is deposited through a photoresistive mask, which is then removed. A photoresistive mask with windows for mesa insulation is created to cover the optical windows and front ohmic contacts, and the mesa is etched to the thickness of the heterostructure layers and to (2-3) µm of the germanium substrate. A dielectric coating is applied through a photoresistive mask to the side surface of the mesa, then the photoresist is removed. The front and rear ohmic contacts are annealed. A protective coating of wax or photoresist, or a layer of photoresist and a layer of wax is applied to the front surface of the heterostructure, the heterostructure is glued with a protective coating to the carrier disk. The rear side of the germanium substrate is thinned to a thickness of less than 20 μm by liquid chemical etching in an etchant, for example, containing phosphoric acid H 3 PO 4 , hydrogen peroxide H 2 O 2 and water in the following ratio, wt. hours:
Проводят матирование тыльной стороны утоненной германиевой подложки методом жидкостного химического травления путем трехкратной последовательной обработки в течение (10-15) секунд в травителе, например, содержащем фтористый водород HF и воду при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:Matting of the back side of the thinned germanium substrate is carried out by liquid chemical etching by three consecutive processing for (10-15) seconds in an etchant, for example, containing hydrogen fluoride HF and water in the following ratio, wt. hours:
и в течение (110-130) секунд в травителе, например, содержащем церия(IV) сульфат тетрагидрат Ce(SO4)2⋅4H2O, серную кислоту H2SO4 и воду при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:and for (110-130) seconds in an etchant, for example, containing cerium(IV) sulfate tetrahydrate Ce(SO 4 ) 2 ⋅4H 2 O, sulfuric acid H 2 SO 4 and water in the following ratio, wt. hours:
Осуществляют пассивацию тыльной стороны утоненной германиевой подложки осаждением диэлектрического покрытия. Осаждают светоотражающее покрытие путем напыления слоя золота или серебра с защитным слоем золота на поверхность диэлектрического покрытия. Удаляют защитное покрытие с одновременным откреплением пластины от диска-носителя и разделением пластины на чипы. Закрепляют чипы тыльной стороной на носителях-теплоотводахThe rear side of the thinned germanium substrate is passivated by deposition of a dielectric coating. A reflective coating is deposited by spraying a layer of gold or silver with a protective layer of gold onto the surface of the dielectric coating. The protective coating is removed while simultaneously detaching the wafer from the carrier disk and separating the wafer into chips. Fix the chips with the back side on the media-heat sinks
Пример 1. Был изготовлен утоненный фотоэлектрический преобразователь на основе трехпереходной фоточувствительной эпитаксиальной гетероструктуры GaInP/Ga(In)As/Ge с фронтальным контактным слоем n-GaAs, выращенной на германиевой подложке р-типа проводимости толщиной (140-180) мкм. Был сформирован омический контакт на поверхности контактного слоя n-GaAs путем напыления слоев Au(Ge)/Ni/Au через фоторезистивную маску. Осуществили вскрытие оптического окна в местах свободных от омического контакта методом жидкостного химического травления и напылили просветляющее покрытие TiOx/SiO2 через фоторезистивную маску. Затем создали мезу путем травления на толщину слоев гетероструктуры и на 2 мкм германиевой подложки через фоторезистивную маску. Нанесли через фоторезистивную маску слой диэлектрика Si3N4. Напыли омический контакт Ag(Mn)/Ni/Au к германиевой подложке в мезе через фоторезистивную маску. Отожгли омические контакты в атмосфере водорода при температуре 370°С в течение 30 секунд. После нанесения защитного покрытия на фронтальную поверхность гетероструктуры, она была приклеена защитным покрытием на диск-носитель. Затем было выполнено утонение тыльной стороны германиевой подложки до толщины 20 мкм жидкостным химическим травлением в травителе, содержащем ортофосфорную кислоту H3PO4, перекись водорода H2O2 и воду при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:Example 1. A thinned photoelectric converter was fabricated based on a three-junction photosensitive epitaxial GaInP/Ga(In)As/Ge heterostructure with a frontal n-GaAs contact layer grown on a p-type germanium substrate with a thickness of (140-180) µm. An ohmic contact was formed on the surface of the n-GaAs contact layer by deposition of Au(Ge)/Ni/Au layers through a photoresistive mask. Carried out the opening of the optical window in places free from ohmic contact by liquid chemical etching and sprayed antireflection coating TiO x /SiO 2 through a photoresistive mask. Then, a mesa was created by etching to the thickness of the heterostructure layers and to a 2 µm germanium substrate through a photoresistive mask. A layer of dielectric Si 3 N 4 was deposited through the photoresistive mask. Sputter an Ag(Mn)/Ni/Au ohmic contact to a germanium substrate in the mesa through a photoresistive mask. Annealed ohmic contacts in a hydrogen atmosphere at a temperature of 370°C for 30 seconds. After applying a protective coating to the front surface of the heterostructure, it was glued with a protective coating to the carrier disk. Then, the rear side of the germanium substrate was thinned to a thickness of 20 μm by liquid chemical etching in an etchant containing orthophosphoric acid H 3 PO 4 , hydrogen peroxide H 2 O 2 and water in the following ratio of components, wt. hours:
Затем осуществили матирование тыльной стороны утоненной германиевой подложки жидкостным химическим травлением путем трехкратной последовательной обработки в течение 10 секунд в травителе, содержащем фтористый водород HF и воду при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:Then, the back side of the thinned germanium substrate was matted by liquid chemical etching by three consecutive processing for 10 seconds in an etchant containing hydrogen fluoride HF and water in the following ratio, wt. hours:
и в течение 110 секунд в травителе содержащем церия(IV) сульфат тетрагидрат Ce(SO4)2⋅4H2O, серную кислоту H2SO4 и воду при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:and for 110 seconds in an etchant containing cerium(IV) sulfate tetrahydrate Ce(SO 4 ) 2 ⋅4H 2 O, sulfuric acid H 2 SO 4 and water in the following ratio, wt. hours:
Провели пассивацию тыльной стороны германиевой подложки путем осаждения диэлектрического покрытия Si3N4. Сформировали светоотражающее покрытие путем напыления слоя золота на поверхность диэлектрического покрытия. Осуществили перенос фотоэлектрического преобразователя на постоянный носитель (теплоотвод) и зафиксировали на нем. Отклеили гетероструктуру от диска-носителя и удалили защитное покрытие.Conducted passivation of the rear side of the germanium substrate by deposition of a dielectric coating of Si 3 N 4 . A reflective coating was formed by spraying a layer of gold onto the surface of the dielectric coating. The photoelectric converter was transferred to a permanent carrier (heat sink) and fixed on it. The heterostructure was peeled off from the carrier disk and the protective coating was removed.
Пример 2. Был изготовлен утоненный фотоэлектрический преобразователь способом, описанном в примере 1, со следующими отличиями: сформировали мезу путем травления на толщину слоев гетероструктуры и на 3 мкм германиевой подложки через фоторезистивную маску. Провели утонение тыльной стороны германиевой подложки до толщины 15 мкм жидкостным химическим травлением в травителе, содержащем ортофосфорную кислоту H3PO4, перекись водорода H2O2 и воду при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:Example 2 A thinned photovoltaic converter was manufactured by the method described in example 1, with the following differences: a mesa was formed by etching on the thickness of the heterostructure layers and on a 3 μm germanium substrate through a photoresistive mask. The rear side of the germanium substrate was thinned to a thickness of 15 μm by liquid chemical etching in an etchant containing phosphoric acid H 3 PO 4 , hydrogen peroxide H 2 O 2 and water in the following ratio, wt. hours:
Провели матирование тыльной стороны утоненной германиевой подложки жидкостным химическим травлением путем трехкратной последовательной обработки: в течение 15 секунд в травителе, содержащем фтористый водород HF и воду при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:The rear side of the thinned germanium substrate was matted by liquid chemical etching by three consecutive processing: for 15 seconds in an etchant containing hydrogen fluoride HF and water in the following ratio, wt. hours:
и в течение 130 секунд в травителе, содержащем церия(IV) сульфат тетрагидрат Ce(SO4)2⋅4H2O, серную кислоту H2SO4 и воду при следующем их соотношении, мас. ч.:and for 130 seconds in an etchant containing cerium(IV) sulfate tetrahydrate Ce(SO 4 ) 2 ⋅4H 2 O, sulfuric acid H 2 SO 4 and water in the following ratio, wt. hours:
Провели пассивацию тыльной стороны утоненной германиевой подложки путем осаждения диэлектрического покрытия Ta2O5. Сформировали светоотражающее покрытие путем напыления слоя серебра с защитным слоем золота на поверхность диэлектрического покрытия.Spent the passivation of the rear side of the thinned germanium substrate by deposition of a dielectric coating of Ta 2 O 5 . A reflective coating was formed by spraying a layer of silver with a protective layer of gold onto the surface of the dielectric coating.
Пример 3. Был изготовлен утоненный фотоэлектрический преобразователь способом, описанном в примере 1, со следующими отличиями: сформирована меза путем травления на толщину слоев гетероструктуры и на 2 мкм германиевой подложки через фоторезистивную маску. Провели утонение тыльной стороны германиевой подложки до толщины 10 мкм жидкостным химическим травлением в травителе, содержащем ортофосфорную кислоту H3PO4, перекись водорода H2O2 и воду при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:Example 3 A thinned photovoltaic converter was manufactured by the method described in example 1, with the following differences: a mesa was formed by etching on the thickness of the heterostructure layers and on a 2 μm germanium substrate through a photoresistive mask. The rear side of the germanium substrate was thinned to a thickness of 10 μm by liquid chemical etching in an etchant containing phosphoric acid H 3 PO 4 , hydrogen peroxide H 2 O 2 and water in the following ratio, wt. hours:
Провели матирование тыльной стороны утоненной германиевой подложки жидкостным химическим травлением путем трехкратной последовательной обработки в течение 15 секунд в травителе, содержащем фтористый водород HF и воду при следующем их соотношении компонентов, мас. ч.:The rear side of the thinned germanium substrate was matted by liquid chemical etching by three consecutive processing for 15 seconds in an etchant containing hydrogen fluoride HF and water in the following ratio of components, wt. hours:
и в течение 130 секунд в травителе, содержащем церия(IV) сульфат тетрагидрат Ce(SO4)2⋅4H2O, серную кислоту H2SO4 и воду при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:and for 130 seconds in an etchant containing cerium(IV) sulfate tetrahydrate Ce(SO 4 ) 2 ⋅4H 2 O, sulfuric acid H 2 SO 4 and water in the following ratio, wt. hours:
Осуществили пассивацию тыльной стороны германиевой подложки путем осаждения диэлектрического покрытия Si3N4. Сформировали светоотражающее покрытие путем напыления слоя золота на поверхность диэлектрического покрытия.Carried out the passivation of the rear side of the germanium substrate by deposition of a dielectric coating Si 3 N 4 . A reflective coating was formed by spraying a layer of gold onto the surface of the dielectric coating.
Результатом технического решения стало снижение удельной массы GaInP/Ga(In)As/Ge фотоэлектрического преобразователя. При этом сохранена спектральная чувствительность и фототок германиевого p-n-перехода после утонения подложки до (10-20) мкм, а также эффективность GaInP/Ga(In)As/Ge фотоэлектрического преобразователя.The technical solution resulted in a decrease in the specific mass of the GaInP/Ga(In)As/Ge photovoltaic converter. At the same time, the spectral sensitivity and photocurrent of the germanium p-n junction after thinning the substrate to (10–20) μm, as well as the efficiency of the GaInP/Ga(In)As/Ge photoelectric converter, are preserved.
Claims (12)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2781508C1 true RU2781508C1 (en) | 2022-10-12 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004273826A (en) * | 2003-03-10 | 2004-09-30 | Sharp Corp | Photoelectric converter and its fabricating process |
| RU2413334C1 (en) * | 2010-03-15 | 2011-02-27 | Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН | Systems of photoelectric converters of solar radiation |
| 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 |
| US9148599B2 (en) * | 2011-10-17 | 2015-09-29 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Image sensor, configured to regulate a quantity of light absorbed thereby, electronic device including the same, and image sensing method |
| RU2685015C2 (en) * | 2017-01-30 | 2019-04-16 | Публичное акционерное общество "Сатурн", (ПАО "Сатурн") | Method of manufacturing a photoconverter with a integrated diode on a thin substrate |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004273826A (en) * | 2003-03-10 | 2004-09-30 | Sharp Corp | Photoelectric converter and its fabricating process |
| RU2413334C1 (en) * | 2010-03-15 | 2011-02-27 | Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН | Systems of photoelectric converters of solar radiation |
| 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 |
| US9148599B2 (en) * | 2011-10-17 | 2015-09-29 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Image sensor, configured to regulate a quantity of light absorbed thereby, electronic device including the same, and image sensing method |
| RU2685015C2 (en) * | 2017-01-30 | 2019-04-16 | Публичное акционерное общество "Сатурн", (ПАО "Сатурн") | Method of manufacturing a photoconverter with a integrated diode on a thin substrate |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5011782A (en) | Method of making passivated antireflective coating for photovoltaic cell | |
| US5637510A (en) | Method for fabricating solar cell | |
| US8697475B2 (en) | Solar cell and method for manufacturing the same | |
| EP2466650A2 (en) | Method for fabricating silicon wafer solar cell | |
| US20040259335A1 (en) | Photovoltaic cell and production thereof | |
| Zhao et al. | 24% efficient silicon solar cells | |
| US7989346B2 (en) | Surface treatment of silicon | |
| RU2547004C1 (en) | FABRICATION OF GaAs-BASED PHOTO INVERTER | |
| RU2528277C1 (en) | METHOD OF MAKING MULTI-STAGE SOLAR CELLS BASED ON Galnp/Galnas/Ge SEMICONDUCTOR STRUCTURE | |
| WO2000045426A1 (en) | Method for fabricating thin film semiconductor devices | |
| CN113707748B (en) | Epitaxial wafer and photoelectric detector chip | |
| TW201318030A (en) | Semiconductor light detection device and method for fabricating the same | |
| RU2354009C1 (en) | Method for manufacture of photoelectric transducers based on multilayer structure | |
| TW201511302A (en) | Method for forming p-type selective emitter and solar cell | |
| JP2989373B2 (en) | Method for manufacturing photoelectric conversion device | |
| JP2004172271A (en) | Solar cell and method for manufacturing same | |
| RU2781508C1 (en) | Method for manufacturing a photoelectric converter on a tapered germanium substrate | |
| CN113380922A (en) | Preparation method and selective emitter solar cell | |
| KR101023144B1 (en) | Solar cell using layer transfer process and fabrication method thereof | |
| RU2685015C2 (en) | Method of manufacturing a photoconverter with a integrated diode on a thin substrate | |
| JP3073833B2 (en) | Solar cell manufacturing method | |
| RU2354008C1 (en) | Method for preparation of photoelectric transducer | |
| JP2661676B2 (en) | Solar cell | |
| RU2687501C1 (en) | Method of making photoelectric converter with antireflection coating | |
| RU2391744C1 (en) | Method of making photoelectric converter chips |