СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НА ОСНОВЕ GaAs

Настоящее изобретение относится к области изготовления фоточувствительных полупроводниковых приборов на основе GaAs, позволяющих преобразовывать мощное узкополосное излучение в электрическую энергию для энергоснабжения наземных и космических объектов.

Разработка GaAs фотопреобразователей обусловлена, в частности, тем, что GaAs в настоящее время стал основным материалом для изготовления каскадных солнечных элементов как в качестве материала подложки, так и в качестве широкозонного фотоактивного элемента каскада. С другой стороны, эти структуры также могут использоваться в перспективных в настоящее время преобразователях узкополосного, например, лазерного излучения в электроэнергию. При этом ширина запрещенной зоны AlGaAs оптимальна для эффективного преобразования узкополосного излучения в диапазоне 0,7-0,87 мкм. Теоретические данные показывают, что эффективность фотопреобразователей на основе GaAs может достигать 85-87% при мощности падающего излучения 100 Вт/см².

Известен способ изготовления фотопреобразователя на основе GaAs (см. заявка US 2003136442, МПК H01L 31/00; H01L 31/04, опубликована 24.07.2003), включающий последовательное выращивание на подложке p-GaAs методом химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD) буферного слоя p-GaAs, слоя p-InGaP, играющего роль тыльного потенциального барьера, градиентного слоя p-In_1-xGa_xAs (с изменением In от 0 до 0,15), эмиттерного слоя n-InGaAs, широкозонного окна n-AlInP и контактного слоя n-GaAs. Известный способ изготовления фотопреобразователя технологически достаточно сложен и требует использования токсичных газов, в частности металлорганических соединений.

Известен способ изготовления фотопреобразователя на основе GaAs (см. патент RU 2244986, МПК H01L 31/18, опубликован 21.01.2005), в соответствии с которым 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. Формируют защитный слой фоторезиста на слое двуокиси кремния и наращивают тыльный контакт электрохимическим осаждением. После удаления фоторезиста создают фоторезистивную маску с окнами над контактными областями фотопреобразователя. Затем вытравливают слой двуокиси кремния в окнах, после удаления фоторезиста напыляют последовательно слои контактной металлизации хрома. После создания фоторезистивной маски с рисунком контактов наращивают контакты электрохимическим осаждением серебра и защитного слоя никеля. После удаления фоторезиста стравливают напыленные слои контактной металлизации ионно-лучевым травлением, проводят термообработку пластины и создают фоторезистивную маску с рисунком окон по периметру фотопреобразователя. Затем удаляют слой двуокиси кремния в окнах и вытравливают слои арсенида галлия до германиевой подложки. После снятия фоторезиста удаляют слой двуокиси кремния, а после стравливания p⁺-GaAs слоя за пределами контактных областей наносят просветляющее покрытие.

К недостаткам известного способа изготовления фотопреобразователя можно отнести то, что структура имеет дополнительный контактный слой GaAs, предназначенный для снижения контактного сопротивления GaAs фотопреобразователя. Следует также отметить, что наращивание толщины тыльного и лицевого контактов методом электрохимического осаждения осуществляется в две стадии.

Известен способ изготовления фотопреобразователя на основе GaAs (см. E. Oliva, F. Dimroth and A.W. Bett «Converters for High Power Densities of Laser Illumination» Prog. Photovolt: Res. Appl. 2008; 16: 289-295), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Способ-прототип включает последовательное выращивание на подложке n-GaAs методом МОС-гидридной эпитаксии тыльного потенциального барьера n⁺-GaInP, базового слоя n-GaAs, эмиттерного слоя p-GaAs, слоя широкозонного окна p⁺-GaInP и контактного слоя p⁺-Al_0,5GaAs или p⁺⁺-Al_0,5GaInAs. Тыльный контакт к n-GaAs формируют напылением слоев Pd/Ge, а лицевой - напылением слоев Ti/Pd/Ag. Антиотражающее покрытие выполняют из двух слоев: ТаО_х и MgF₂. Эффективность таких фотопреобразователей варьируется от 52 до 54,9% при интенсивности падающего излучения ~40 Вт/см². Максимальная эффективность была измерена на фотоэлементе, выращенным на n-GaAs подложке, с широкозонным окном p-GaInP и контактным слоем p⁺⁺-AlGaInAs.

Недостатком способа-прототипа является необходимость выращивания как контактного слоя, предназначенного для снижения омических потерь, так и слоя широкозонного окна, снижающего оптические потери. При осуществлении известного способа необходимо использовать токсичные газы (в частности, арсин, фосфин и металлорганические соединения), особо чистые химические вещества, а также применять сложную и дорогостоящую аппаратуру.

Задачей настоящего изобретения являлось создание такого способа изготовления фотопреобразователя на основе GaAs, который был более простым, безопасным и позволял с меньшими затратами совместить в одном слое функции широкозонного окна и контактного слоя (снизить в этом слое сопротивление растекания) и тем самым увеличить кпд преобразования монохроматического (в частности лазерного) излучения.

Поставленная задача решается тем, что способ изготовления фотопреобразователя на основе GaAs включает последовательное выращивание методом жидкофазной эпитаксии на подложке n-GaAs буферного слоя n-GaAs, легированного оловом или теллуром, базового слоя n-GaAs, легированного оловом или теллуром, эмиттерного слоя p-GaAs, легированного магнием, и слоя p-AlGaAs, легированного магнием или германием, при содержании Al в твердой фазе 30-40 ат.% в начале роста слоя и при содержании Al в твердой фазе 10-15 ат.% в приповерхностной области слоя. Далее осуществляют осаждение тыльного контакта термическим вакуумным напылением, отжиг осажденного тыльного контакта в атмосфере водорода, осаждение через маску фоторезиста лицевого контакта термическим вакуумным испарением и отжиг осажденного лицевого контакта в атмосфере водорода. Проводят металлизацию лицевого контакта гальваническим осаждением через маску из фоторезиста, разделительное травление структуры на отдельные фотоэлементы и нанесение антиотражающего покрытия. Выбор магния обусловлен относительно малым удельным давлением его паров. Новым в настоящем изобретении является выращивание методом жидкофазной эпитаксии слоя p-AlGaAs, легированного магнием или германием, с содержанием Al в твердой фазе 30-40 ат.% в начале роста слоя и содержанием Al в твердой фазе 10-15 ат.% в приповерхностной области слоя, в результате выращенный слой p-AlGaAs является одновременно пассивирующим покрытием, играет роль широкозонного окна и контактного слоя. Изменение содержания Al в твердой фазе 30-40 ат.% до 10-15 ат.% в процессе роста из одной жидкой фазы обеспечивает как пассивацию поверхности фотоактивного слоя (Al в твердой фазе от 30-40 ат.%), так и возможность получения низкоомных контактов к поверхностному слою (Al в твердой фазе до 10-15 ат.%) структуры, а также прозрачность этого слоя для падающего лазерного излучения в диапазоне длин волн 0,8-0,87 мкм.

Буферный слой n-GaAs может быть выращен толщиной не менее 10 мкм при температуре 750-800°С, базовый слой n-GaAs - толщиной 3-5 мкм при температуре 740-750°С, эмиттерный слой p-GaAs - толщиной 1,5-2,0 мкм при температуре 735-740°С и слой p-AlGaAs - толщиной 3-30 мкм при температуре 550-735°С.

Тыльный контакт может быть получен последовательным напылением слоя сплава золота с германием Au(Ge) и слоя золота Au.

Отжиг осажденного тыльного контакта может быть проведен в атмосфере водорода при температуре 220-250°С.

Лицевой контакт может быть получен последовательным нанесением слоя хрома Cr и слоя золота Au.

Отжиг осажденного лицевого контакта может быть проведен в атмосфере водорода при температуре 200-220°С.

Может быть проведена дополнительная металлизация лицевого контакта гальваническим осаждением через маску из фоторезиста при одновременном гальваническом осаждении золота на тыльную поверхность.

На лицевую поверхность подложки может быть нанесено антиотражающее покрытие, например, из слоя сульфида цинка ZnS, покрытого слоем дифторида магния MgF₂.

Настоящий способ изготовления фотопреобразователя на основе GaAs проводят в кварцевом проточном реакторе в атмосфере очищенного водорода в графитовой кассете сдвигового типа. В качестве металла-растворителя используют галлий. Подложку арсенида галлия, n-типа проводимости, приводят в контакт с жидкой фазой. Выращивают посредством техники жидкофазной эпитаксии предпочтительно при температуре 750-800°С буферный слой n-GaAs, легированный оловом или теллуром, толщиной не менее 10 мкм, который позволяет уйти от дефектов подложки, далее базовый слой n-GaAs, легированный оловом или теллуром, при температуре преимущественно 740-750°С толщиной, например, 3-5 мкм и эмиттерный слой p-GaAs, легированный магнием, при температуре 735-740°С толщиной, например, 1,5-2,0 мкм, таким образом формируя p-n-переход. Далее выращивают слой p-AlGaAs, легированный магнием или германием, с содержанием Al в твердой фазе 30-40 ат.% в начале роста слоя и содержанием Al в твердой фазе 10-15 ат.% в приповерхностной области слоя, при температуре 550-735°С толщиной, например, 3-30 мкм, который является одновременно пассивирующим покрытием, играет роль широкозонного окна и контактного слоя. Тыльный контакт можно создавать последовательным напылением слоя из сплава Au(Ge) и слоя Au. Отжиг осажденного тыльного контакта в атмосфере водорода предпочтительно проводить при температуре 220-250°С. Наносят на лицевую поверхность подложки маску из фоторезиста, соответствующую топологии лицевого контакта, через которую термическим вакуумным испарением создают лицевой электрический контакт последовательным нанесением Cr и Au и удаляют фоторезист. Хром улучшает адгезию металлического контакта с полупроводником, золото снижает контактное сопротивление. Отжиг осажденного лицевого контакта в атмосфере водорода предпочтительно проводить при температуре 200-220°С. В случае недостаточной толщины созданных контактов возможно также дополнительно создание маски из фоторезиста посредством взрывной фотолитографии для гальванического осаждения золота с целью увеличения толщины контакта и улучшения его омических свойств. Настоящим способом может быть одновременно изготовлено несколько фотопреобразователей. В этом случае дополнительно проводят фотолитографию для создания соответствующего рисунка в маске фоторезиста с целью проведения разделительного травления структуры. На лицевую поверхность подложки можно наносить антиотражающее покрытие, например, из двух слоев: нижнего слоя из сульфида цинка ZnS и верхнего слоя из дифторида магния MgF₂ для минимизации оптических потерь фотоэлемента. Завершающей операцией является резка структуры на отдельные фотоэлектрические преобразователи.

Пример 1. Выращивали на монокристаллической подложке арсенида галлия n-типа, легированной оловом, методом жидкофазной эпитаксии слои: буферный слой n-GaAs, легированный оловом, при температуре 780°С толщиной 10 мкм, базовый слой n-GaAs, легированный оловом, при температуре 750°С толщиной 3 мкм, эмиттерный слой p-GaAs, легированный магнием, при температуре 735°С толщиной 1,5 мкм, и слой p-AlGaAs, легированный магнием, с содержанием Al в твердой фазе 30 ат.% в начале роста слоя и содержанием Al в твердой фазе 10 ат.% в приповерхностной области слоя толщиной 11 мкм, при температуре окончания процесса роста 590°С. Процесс проводили в кварцевом проточном реакторе в атмосфере очищенного водорода в графитовой кассете сдвигового типа. Осаждали тыльный контакт из сплава золота с германием Au(Ge) и слоя золота Аи методом термического вакуумного испарения и отжигали его в атмосфере водорода при температуре 220°С. Создавали маску из фоторезиста посредством фотолитографии для формирования лицевого контакта, осаждали его методом термического вакуумного испарения последовательным нанесением Cr и Au, удаляли фоторезист с помощью техники взрывной фотолитографии и отжигали лицевой контакт в атмосфере водорода при температуре 200°С. Создавали маску из фоторезиста посредством фотолитографии для гальванического осаждения золота на лицевую поверхность и проводили это осаждение. Одновременно проводилось гальваническое осаждение золота на тыльную поверхность. Проводили процесс фотолитографии для создания рисунка в маске фоторезиста с целью разделительного травления структуры и осуществляли само травление. На светочувствительной поверхности структуры осаждали антиотражающее покрытие (ZnS/MgF₂).

Пример 2. Выращивали на монокристаллической подложке арсенида галлия n-типа, легированной теллуром, методом жидкофазной эпитаксии слои: буферный слой n-GaAs, легированный теллуром, при температуре 800°С толщиной 15 мкм, базовый слой n-GaAs, легированный теллуром, при температуре 750°С толщиной 5 мкм, эмиттерный слой p-GaAs, легированный магнием, при температуре 740°С толщиной 2,0 мкм, и слой p-AlGaAs, легированный германием, с содержанием Al в твердой фазе 40 ат.% в начале роста слоя и содержанием Al в твердой фазе 15 ат.% в приповерхностной области слоя, толщиной 8 мкм, при температуре окончания процесса роста 620°С. Процесс проводили в кварцевом проточном реакторе в атмосфере очищенного водорода в графитовой кассете сдвигового типа. Осаждали тыльный контакт из сплава золота с германием Au(Ge) и слоя золота Au методом термического вакуумного испарения и отжигали его в атмосфере водорода при температуре 250°С. Создавали маску из фоторезиста посредством фотолитографии для формирования лицевого контакта, осаждали его методом термического вакуумного испарения последовательным нанесением Cr и Au, удаляли фоторезист с помощью техники взрывной фотолитографии и отжигали лицевой контакт в атмосфере водорода при температуре 220°С. Создавали маску из фоторезиста посредством фотолитографии для гальванического осаждения золота на лицевую поверхность и проводили это осаждение. Одновременно проводилось гальваническое осаждение золота на тыльную поверхность. Проводили процесс фотолитографии для создания рисунка в маске фоторезиста с целью разделительного травления структуры и осуществляли само травление. На светочувствительной поверхности структуры осаждали антиотражающее покрытие (ZnS/MgF₂).

Были сняты нагрузочные характеристики полученных фотопреобразователей. Увеличение значения фактора заполнения нагрузочных характеристик полученных фотопреобразователей свидетельствует о том, что в данных структурах происходит снижение сопротивления растекания. Настоящий способ прост в осуществлении и безопасен, так как не требует использования токсичных веществ.