Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЧИПОВ КАСКАДНЫХ ФОТОЭЛЕМЕНТОВ

Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности к способу изготовления чипов каскадных многослойных фотоэлементов, и может быть использовано в электронной промышленности для преобразования световой энергии в электрическую.

При изготовлении чипов каскадных фотоэлементов существенную сложность представляет технология создания контактной сетки, обеспечивающей низкое сопротивление омических контактов и низкую степень затенения фоточувствительной поверхности полупроводниковой структуры.

Известен способ изготовления чипов солнечных фотоэлементов (см. "Особенности технологии получения солнечных элементов на основе гетероструктур AlGaPAs/GaAs с использованием метода ГЖК", Благин А, В., Благина Л.В., Алфимова Д.Л., Сысоев И.А., Слуцкая О.В., Труды Девятой Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники", пос. Дивноморское, Россия, 2004 г.), на основе гетероструктур AlGaPAs/GaAs с использованием метода градиентной жидкофазной кристаллизации. В качестве контактных материалов для слоя p-типа использовались сплавы хром-медь и никель-медь, омическое сопротивление которых не превышает 0,23 Ом/см², для слоя n-типа комбинация из двух металлов - ванадия и алюминия, сопротивление которых равно 0,105 Ом/см². КПД фотопреобразователя на основе гетероструктуры Al_0,33Ga_0,67P_0,05As_0,95/GaAs, измеренный на имитаторе солнечного излучения, составил 21,5%.

Недостатком известного способа изготовления чипов солнечных фотоэлементов является высокое сопротивление омического контакта, сложность изготовления полупроводниковой структуры и низкий КПД фотопреобразователя.

Известен способ изготовления чипов каскадных фотоэлементов (см. патент RU 2244986, МПК H01L 31/18, опубликован 20.01.2005), заключающийся в том, что на лицевую сторону полупроводниковой пластины со структурой n-Ge подложка, n-GaAs буферный слой, n-GaAs базовый слой, p-GaAs эмиттерный слой, p⁺-GaAlAs широкозонный слой, p⁺-GaAs контактный слой наносят слой двуокиси кремния, Напыляют слой контактной металлизации на тыл пластины и наращивают тыльный контакт электрохимическим осаждением. Вытравливают слой двуокиси кремния в окнах над контактными областями. Напыляют последовательно слои контактной металлизации хрома и наращивают контакты электрохимическим осаждением серебра и защитного слоя никеля. Удаляют слой двуокиси кремния в окнах по периметру фотопреобразователя и вытравливают слои арсенида галлия до германиевой подложки. Удаляют слой двуокиси кремния, стравливают p⁺-GaAs слой за пределами контактных областей и наносят просветляющее покрытие.

Недостатком известного способа изготовления чипов каскадных фотоэлементов являются большие потери на затенение фоточувствительной поверхности фотоэлементов, что приводит к ухудшению параметров фотопреобразователя.

Известен способ изготовления чипов каскадных фотоэлементов (см. патент US 5330585, МПК H01L 31/068, опубликован 19.07.1994), включающий следующие стадии: выращивание фоточувствительной многослойной структуры; создание пассивирующего слоя или окна из чувствительного к окружающей среде материала (AlGaAs) на поверхности фоточувствительной многослойной структуры; нанесение контактного слоя из нечувствительного к окружающей среде материала, обладающего электрической проводимостью на поверхности пассивирующего слоя;

удаление части контактного слоя через первую маску для открытия части нижележащего пассивирующего слоя таким образом, чтобы оставшаяся часть контактного слоя осталась на поверхности пассивирующего слоя. Далее наносят через первую маску просветляющее покрытие из нечувствительного к окружающей среде электрически непроводящего материала на открытой части пассивирующего слоя таким образом, чтобы оставшаяся часть контактного слоя не была закрыта просветляющим покрытием, и чтобы покрытие вместе с оставшейся частью контактного слоя полностью закрывали пассивирующий слой. Формируют омический контакт из материала, обладающего электрической проводимостью на поверхности оставшейся части контактного слоя, включающий следующие стадии, Создают вторую маску на поверхности просветляющего покрытия таким образом, чтобы оставался зазор между маской и оставшейся частью контактного слоя. Создают слой из контактного материала на поверхности маски, на части просветляющего покрытия и на оставшейся части контактного слоя. Удаляют маску и контактный материал, лежащий на маске.

Недостатком известного способа изготовления чипов многослойных фотоэлементов является наличие тока утечки p-n перехода по боковой поверхности, сложность совмещения при создании омического контакта строго на части оставшегося контактного слоя, что в совокупности ведет к ухудшению параметров фотопреобразователя.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков является способ изготовления чипов каскадных фотоэлементов, принятый за прототип (см. патент RU 2292610, МПК H01L 31/18, опубликован 27.01.2007). Каскадные фотоэлементы изготавливают на основе полупроводниковой пластины со структурой n-Ge подложка, n-GaAs буферный слой, n-GaAs базовый слой, p-GaAs эмиттерный слой, p⁺-GaAlAs широкозонный слой, p⁺-GaAs контактный слой. Способ включает напыление слоя контактной металлизации на тыльную сторону пластины, наращивание тыльного контакта электрохимическим осаждением серебра, локальное напыление последовательно слоев контактной металлизации хрома толщиной 200÷400 Å, палладия толщиной 200÷500 Å, серебра толщиной 500÷1500 Å через маску, наращивание контактов электрохимическим осаждением серебра через вторую маску. Далее вытравливают слои арсенида галлия до германиевой подложки через третью фоторезистивную маску с рисунком окон по периметрам солнечных фотоэлементов. Стравливают p⁺-GaAs слой за пределами контактных областей и наносят просветляющее покрытие.

Недостатком известного способа-прототипа изготовления чипов каскадных фотоэлементов являются потери на затенение фоточувствительной поверхности фотоэлементов, возникающие из-за сложности точного совмещения процесса электрохимического осаждения серебра строго на напыленных слоях контактной металлизации, и большее число технологических операций по созданию масок, что приводит к усложнению технологии изготовления каскадных фотоэлементов и ухудшению параметров фотоэлементов.

Задачей заявляемого технического решения является улучшение параметров чипов каскадных фотоэлементов за счет упрощения технологического цикла - проведение нескольких технологических операций с использованием одной маски фоторезиста, и за счет уменьшения затенения фоточувствительной поверхности фотоэлементов путем создания модифицированной контактной сетки.

Поставленная задача достигается тем, что способ изготовления чипов каскадных фотоэлементов включает выращивание фоточувствительной многослойной полупроводниковой структуры на германиевой подложке, нанесение на поверхность фоточувствительной многослойной структуры пассивирующего слоя и контактного слоя, нанесение сплошных омических контактов общей толщиной 1,6-3,5 мкм на тыльную и фронтальную поверхности фоточувствительной многослойной полупроводниковой структуры из последовательно нанесенных слоя сплава, содержащего золото и германий, слоя никеля и слоя золота. Затем удаляют через маску фоторезиста с фронтальной поверхности многослойной полупроводниковой структуры омический контакт и контактный слой для открытия части нижележащего пассивирующего слоя. Новым является удаление путем химического травления при температуре 19-23°С слоя золота в травителе, содержащим Na₂S₂O₃, CH₄N₂S, K₃[Fe(CN)₆] и воду при следующем соотношении компонентов, г/л:

ионно-лучевого травления слоя никеля, слоя сплава, содержащего золото и германий, и части контактного слоя при ускоряющем напряжении 450-550 В, плотности ионного тока 0,4-0,6 мА/см², угле наклона ионного пучка 30-50° и вращении многослойной полупроводниковой структуры со скоростью 1-3 об/мин; и химического травления оставшейся части контактного слоя до пассивирующего слоя при температуре 19-23°С в травителе, содержащем NH₄OH, H₂O₂ и воду при следующем соотношении компонентов, г/л:

Наносят многослойное просветляющее покрытие со стороны фронтальной поверхности, удаляют фоторезист, разделяют многослойную структуру на чипы и пассивируют боковую поверхность чипов диэлектриком.

Преимуществом настоящего способа является отсутствие процесса совмещения при проведении электрохимического утолщения строго на основе омического контакта, что позволяет снизить потери на затенение фоточувствительной области многослойной полупроводниковой структуры. Локальное удаление фронтального омического контакта осуществляется комбинированием химического и ионно-лучевого травления, и позволяет получать узкие полоски омических контактов шириной от 2 мкм, за счет эффекта бокового подтравливания под маску фоторезиста при проведении химического травления.

Фоточувствительная многослойная полупроводниковая структура GaInP/Ga(In)As/Ge может быть выращена на германиевой подложке p-типа.

Создание многослойного омического контакта на фронтальной поверхности структуры обусловлено тем, что сплав, содержащий золото и германий, обладает хорошей адгезией к поверхности структуры и малым омическим сопротивлением порядка 10^-6 Ом/см². Слой никеля наносят из-за его тугоплавкости, что необходимо для последующей операции вжигания - никель не дает золоту полностью диффундировать в полупроводник. Слой золота необходим для уменьшения сопротивления растекания и для проведения пайки фотоэлементов. Создание омических контактов общей толщиной 1,6-3,5 мкм, обусловлено тем, что при толщине меньше 1,6 мкм невозможно произвести пайку фотоэлементов, при толщине больше 3,5 мкм возникают напряженные слои, вследствие чего происходит его отслаивание. При создании омического контакта толщиной более 3,5 мкм усложняется технологический процесс химического локального травления верхнего слоя золота, из-за увеличения бокового подтравливания.

Комбинирование метода химического и ионно-лучевого травления обусловлено возможностью получения узких полосок омического контакта, полного стравливания всех слоев, и строгой селективностью при открытии пассивирующего слоя.

Использование метода химического травления через маску фоторезиста верхнего слоя золота при температуре 19-23°С в травителе содержащем компоненты при следующем их соотношении, г/л: Na₂S₂O₃ 32-42, CH₄N₂S 32-42, K₃[Fe(CN)₆] 32-42, вода - остальное, обусловлено тем, что такой метод дает высокую однородность травления по всей площади полупроводниковой структуры, обеспечивает заданную величину бокового подтравливания и позволяет получать полоски омического контакта шириной от 2 мкм. При температуре ниже 19°С и концентрации менее указанных выше нижних пределов компонентов травителя травление идет медленнее, что уменьшает технологичность процесса, уменьшается однородность травления по всей площади полупроводниковой структуры. При температуре выше 23°С и концентрации выше указанных выше компонентов травителя увеличивается скорость травления, ухудшаются параметры воспроизводимости процесса, уменьшается стойкость маски фоторезиста.

Использование метода ионно-лучевого травления обусловлено тем, что он позволяет однородно стравливать слои обладающие высокой химического стойкостью: слой никеля и слой вожженного сплава золото-германий. Стравливание половины толщины контактного слоя осуществляется контрольно, и дает возможность избежать непротравленных участков вожженного слава золото-германий. Ускоряющее напряжение 450-550 В, плотность ионного тока 0,4-0,6 мА/см², угол наклона ионного пучка 30-50°, вращение образца многослойной полупроводниковой структуры со скоростью 1-3 об/мин обусловлены тем, что травление идет равномерно по всей поверхности полупроводниковой структуры. Уменьшение ускоряющего напряжения, плотности ионного тока, скорости вращения образца приводит к уменьшению скорости травления и к ухудшению однородности травления. При увеличении ускоряющего напряжения, плотности ионного тока, скорости вращения образца ухудшаются параметры воспроизводимости процесса травления. Изменение угла наклона ионного пучка приводит к ухудшению качества поверхности травления.

Использование метода химического травления через маску фоторезиста контактного слоя селективно до пассивирующего слоя при температуре 19-23°С в травителе, содержащем компоненты при следующем их соотношении, г/л: NH₄OH 2-4, Н₂О₂ 6-8, вода - остальное, обусловлено тем, что данный метод дает высокую воспроизводимость и точность процесса травления. При температуре и концентрации травителя меньше указанных выше нижних пределов скорость травления сильно уменьшается, ухудшается поверхность травления вблизи полосок омического контакта. При температуре и концентрации компонентов травителя выше указанных выше верхних пределов увеличивается скорость травления, ухудшаются параметры воспроизводимости процесса, увеличивается боковое подтравливание под полоски омического контакта, уменьшается стойкость маски фоторезиста.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где:

на фиг.1 приведена схема многослойной полупроводниковой структуры с расположенными на нем пассивирующем слое, контактном слое и омическими контактами;

на фиг.2 показана схема создания маски фоторезиста;

на фиг.3 изображена схема локального травления омического контакта и контактного слоя через маску фоторезиста;

на фиг.4 приведена схема напыления просветляющего покрытия;

на фиг.5 дана схема снятия маски фоторезиста, проведения разделительного травления и пассивации боковой поверхности чипов диэлектриком.

На фиг.1-5 указаны: 1 - фоточувствительная многослойная полупроводниковая структура, 2 - пассивирующий слой, 3 - контактный слой, 4 - омический контакт, 5 - основа омического контакта, 6 - контактный материал электрохимического осаждения, 7 - маска фоторезиста, 8 - просветляющее покрытие, 9 - диэлектрик.

Заявляемый способ получения чипов каскадных фотоэлементов проводят в несколько стадий. Выращивают фоточувствительную многослойную полупроводниковую структуру 1 (см. фиг.1), создают пассивирующий слой 2 на поверхности фоточувствительной многослойной полупроводниковой структуры, создают контактный слой 3, обладающий электрической проводимостью на поверхности окна. Создают сплошные омические контакты 4 из материалов, обладающих электрической проводимостью на поверхности контактного слоя и на тыльной поверхности фоточувствительной многослойной структуры, в два этапа. На первом этапе проводят напыление основы 5 омического контакта, толщиной 0,2-0,4 мкм. Осуществляют вжигание основы 5 омического контакта при температуре 360-370°С в течение 10-60 с. На втором этапе осуществляют электрохимическое осаждение контактного материала 6, например золота, общей толщиной 1,6-3,5 мкм. Далее создают маску фоторезиста 7 (см. фиг.2) и проводят локальное удаление (см. фиг.3) омического контакта 4 и контактного слоя 3 для открытия части нижележащего пассивирующего слоя 2 комбинированием методов химического и ионно-лучевого травления. Проводят локальное удаление верхнего слоя золота омического контакта 4 химическим травлением при температуре 19-23°С в травителе содержащем компоненты при следующем их соотношении, г/л:

Затем осуществляют локальное удаление слоев никеля, сплава золото-германий и половины толщины контактного слоя 3 методом ионно-лучевого травления при следующих параметрах процесса: ускоряющее напряжение составляет 450-550 В, плотность ионного тока 0,4-0,6 мА/см², угол наклона ионного пучка 30-50°, вращение многослойной полупроводниковой структуры со скоростью 1 об/мин. Проводят локальное удаление оставшейся толщины контактного слоя 3 химическим травлением селективно до пассивирующего слоя при температуре 19-23°С в травителе, содержащем компоненты при следующем их соотношении, г/л:

Далее напыляют многослойное просветляющее покрытие 8 (см. фиг.4) на вышеуказанной открытой части пассивирующего слоя 2 и на маске фоторезиста 7. Удаляют маску фоторезиста 7 (см. фиг.5) вместе с напыленным на ней просветляющим покрытием 8. Проводят разделительное травление многослойной структуры на чипы и пассивация боковой поверхности чипов диэлектриком 9.

Пример 1.

Были получены чипы каскадных фотоэлементов в несколько стадий. Была выращена фоточувствительная многослойная полупроводниковая структура Ga(In)As/Ge, на германиевой подложке p-типа. Создан пассивирующий слой из AlInP на поверхности фоточувствительной многослойной полупроводниковой структуры. Выращен контактный слой GaAs. В два этапа сформированы омические контакты из материалов, обладающих электрической проводимостью на поверхности контактного слоя и на тыльной поверхности фоточувствительной многослойной полупроводниковой структуры. На фронтальной поверхности проведено напыление последовательно слоев сплава, содержащего золото 90 мас.% и германий 10 мас.%, никеля и золота, толщиной 0,2 мкм. На тыльной поверхности фотоэлемента проведено напыление слоев сплава, содержащего серебро 95 мас.% и марганец 5 мас.%, никеля и золота, толщиной 0,4 мкм. Проведено вжигание напыленных контактных материалов при температуре 360°С в течение 20 с. Проведено утолщение омических контактов путем электрохимического осаждения слоя золота, толщиной 3,3 мкм. Создана маска фоторезиста на фронтальной поверхности структуры и проведено локальное удаление верхнего слоя золота омического контакта химическим травлением при температуре 19°С в травителе, содержащем компоненты при следующем их соотношении, г/л:

Проведено локальное удаление слоев никеля, сплава золото-германий и половины толщины контактного слоя методом ионно-лучевого травления при следующих параметрах процесса: ускоряющее напряжение составляет 450 В, плотность ионного тока 0,4 мА/см², угол наклона ионного пучка 30°, вращение многослойной полупроводниковой структуры со скоростью 2 об/мин. Осуществлено локальное удаление оставшейся толщины контактного слоя химическим травлением селективно до пассивирующего слоя при температуре 19°С в травителе, содержащем компоненты при следующем их соотношении, г/л:

Проведено разделительное травление многослойной структуры на чипы и осуществлена пассивация боковой поверхности чипов диэлектриком,

Пример 2.

Были изготовлены чипы каскадных фотоэлементов способом, описанном в примере 1, со следующими отличиями: толщина омического контакта напыленного на фронтальную поверхность структуры составила 0,3 мкм, вжигание омических контактов проведено при температуре 360°С в течение 60 с, толщина омического контакта после проведения электрохимического осаждения слоя золота составила 1,6 мкм. Локальное удаление верхнего слоя золота омического контакта проведено химическим травлением при температуре 23°С в травителе, содержащем компоненты при следующем их соотношении, г/л:

Проведено локальное удаление слоев никеля, сплава золото-германий и половины толщины контактного слоя методом ионно-лучевого травления при следующих параметрах процесса: ускоряющее напряжение составляет 500 В, плотность ионного тока 0,5 мА/см², угол наклона ионного пучка 50°, вращение многослойной полупроводниковой структуры со скоростью 3 об/мин. Локальное удаление оставшейся толщины контактного слоя проведено химическим травлением селективно до пассивирующего слоя при температуре 23°С в травителе, содержащем компоненты при следующем их соотношении, г/л:

Пример 3.

Были изготовлены чипы каскадных фотоэлементов способом, описанном в примере 1, со следующими отличиями: толщина омического контакта напыленного на фронтальную поверхность структуры составила 0,4 мкм, вжигание омических контактов проведено при температуре 370°С в течение 60 с, толщина омического контакта после проведения электрохимического осаждения слоя золота составила 2,5 мкм. Локальное удаление верхнего слоя золота омического контакта проведено химическим травлением при температуре 22°С в травителе, содержащем компоненты при следующем их соотношении, г/л:

Проведено локальное удаление слоев никеля, сплава золото-германий и половины толщины контактного слоя методом ионно-лучевого травления при следующих параметрах процесса: ускоряющее напряжение составляет 550 В, плотность ионного тока 0,6 мА/см², угол наклона ионного пучка 40°, вращение многослойной полупроводниковой структуры со скоростью 1 об/мин. Локальное удаление оставшейся толщины контактного слоя проведено химическим травлением селективно до пассивирующего слоя при температуре 22°С в травителе, содержащем компоненты при следующем их соотношении, г/л:

Пример 4.

Были изготовлены чипы каскадных фотоэлементов способом, описанном в примере 1, со следующими отличительными признаками: толщина омического контакта напыленного на фронтальную поверхность структуры составила 0,25 мкм, вжигание омических контактов проведено при температуре 370°С в течение 10 с, толщина омического контакта после проведения электрохимического осаждения слоя золота составила 1,9 мкм. Локальное удаление верхнего слоя золота омического контакта проведено химическим травлением при температуре 20°С в травителе, содержащем компоненты при следующем их соотношении, г/л:

Проведено локальное удаление слоев никеля, сплава золото-германий и половины толщины контактного слоя методом ионно-лучевого травления при следующих параметрах процесса: ускоряющее напряжение составляет 520 В, плотность ионного тока 0,55 мА/см², угол наклона ионного пучка 35°, вращение многослойной полупроводниковой структуры со скоростью 2 об/мин. Локальное удаление оставшейся толщины контактного слоя проведено химическим травлением селективно до пассивирующего слоя при температуре 20°С в травителе, содержащем компоненты при следующем их соотношении, г/л:

Пример 5.

Были изготовлены чипы каскадных фотоэлементов способом, описанном в примере 1, со следующими отличиями: толщина омического контакта напыленного на фронтальную поверхность структуры составила 0,32 мкм, вжигание омических контактов проведено при температуре 360°С в течение 40 с, толщина омического контакта после проведения электрохимического осаждения слоя золота составила 3,0 мкм. Локальное удаление верхнего слоя золота омического контакта проведено химическим травлением при температуре 21°С в травителе, содержащем компоненты при следующем их соотношении, г/л:

Проведено локальное удаление слоев никеля, сплава золото-германий и половины толщины контактного слоя методом ионно-лучевого травления при следующих параметрах процесса: ускоряющее напряжение составляет 490 В, плотность ионного тока 0,47 мА/см², угол наклона ионного пучка 45°, вращение многослойной полупроводниковой структуры со скоростью 2 об/мин. Локальное удаление оставшейся толщины контактного слоя проведено химическим травлением селективно до пассивирующего слоя при температуре 21°С в травителе, содержащем компоненты при следующем их соотношении, г/л:

Пример 6.

Были изготовлены чипы каскадных фотоэлементов способом, описанном в примере 1, со следующими отличительными признаками: толщина омического контакта напыленного на фронтальную поверхность структуры составила 0,27 мкм, вжигание омических контактов проведено при температуре 370°С в течение 30 с, толщина омического контакта после проведения электрохимического осаждения слоя золота составила 3,1 мкм. Локальное удаление верхнего слоя золота омического контакта проведено химическим травлением при температуре 21°С в травителе, содержащем компоненты при следующем их соотношении, г/л:

Проведено локальное удаление слоев никеля, сплава золото-германий и половины толщины контактного слоя методом ионно-лучевого травления при следующих параметрах процесса: ускоряющее напряжение составляет 530 В, плотность ионного тока 0,57 мА/см², угол наклона ионного пучка 38°, вращение многослойной полупроводниковой структуры со скоростью 3 об/мин. Локальное удаление оставшейся толщины контактного слоя проведено химическим травлением селективно до пассивирующего слоя при температуре 21°С в травителе, содержащем компоненты при следующем их соотношении, г/л:

Пример 7.

Были изготовлены чипы каскадных фотоэлементов способом, описанном в примере 1, со следующими отличиями: толщина омического контакта напыленного на фронтальную поверхность структуры составила 0,22 мкм, вжигание омических контактов проведено при температуре 365°С в течение 60 с, толщина омического контакта после проведения электрохимического осаждения слоя золота составила 2,6 мкм. Локальное удаление верхнего слоя золота омического контакта проведено химическим травлением при температуре 23°С в травителе, содержащем компоненты при следующем их соотношении, г/л:

Проведено локальное удаление слоев никеля, сплава золото-германий и половины толщины контактного слоя методом ионно-лучевого травления при следующих параметрах процесса: ускоряющее напряжение составляет 500 В, плотность ионного тока 0,5 мА/см², угол наклона ионного пучка 30°, вращение многослойной полупроводниковой структуры со скоростью 2 об/мин. Локальное удаление оставшейся толщины контактного слоя проведено химическим травлением селективно до пассивирующего слоя при температуре 23°С в травителе, содержащем компоненты при следующем их соотношении, г/л:

Результатом процесса изготовления чипов каскадных фотоэлементов стало улучшение параметров фотопреобразователей за счет создания модифицированной контактной сетки с шириной полос омического контакта от 2 мкм и за счет уменьшения степени затенения фоточувствительной поверхности многослойной полупроводниковой структуры до 5%, что приводит к получению максимально КПД преобразования солнечной энергии в электрическую.