Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ СО ВСТРОЕННЫМ ДИОДОМ

Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности к способам изготовления фотопреобразователей на трехкаскадных эпитаксиальных структурах GaIn/Ga(In)As/Ge, выращенных на германиевой подложке.

Известен способ изготовления чипов наногетероструктуры, выращенной на германиевой подложке (пат. РФ №2485628, опубл. 20.06.2013 г.), в котором наносят металлизацию омических контактов последовательно на фронтальную и тыльную поверхности наногетероструктуры; отжигают контакты; осуществляют утолщение омических контактов путем электрохимического осаждения через маску фоторезиста последовательно слоев золота, никеля и вновь золота; удаляют часть фронтального контактного слоя наногетероструктуры методом химического травления и наносят антиотражающее покрытие на фронтальную поверхность наногетероструктуры; создают маску фоторезиста; выполняют травление структуры через маску фоторезиста со стороны фронтальной поверхности на глубину 10÷30 мкм наногетероструктуры и германиевой подложки в едином процессе в травителе, содержащем бромистый водород, перекись водорода и воду; разделяют структуру на отдельные элементы-чипы; осуществляют пассивацию боковой поверхности чипов нанесением слоя диэлектрика.

Недостаток способа заключается в том, что данный способ применим только для изготовления фотопреобразователя с тыльной металлизацией на основе золота. В случае использования тыльной металлизации на основе серебра при химическом разделении эпитаксиальной структуры на чипы происходит растравливание тыльных контактов.

Признаки, общие с предлагаемым способом изготовления фотопреобразователя со встроенным диодом, следующие: формирование лицевых и тыльного контактов фотопреобразователя на эпитаксиальных структурах, выращенных на германиевой подложке; отжиг контактов; вскрытие оптического окна травлением; напыление просветляющего покрытия; вытравливание мезы; разделение эпитаксиальной структуры на чипы.

Известен способ получения чипов солнечных элементов (пат. РФ №2419918, опубл. 27.05.2011 г.) на основе многослойной полупроводниковой структуры GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенной на германиевой подложке, в котором напыляют основы омических контактов на фронтальную и тыльную поверхности структуры; вжигают основы омических контактов; утолщают основы омических контактов путем электрохимического осаждения через маску фоторезиста последовательно слоев серебра и золота общей толщиной 5÷9 мкм; создают маску фоторезиста на фронтальной поверхности полупроводниковой структуры; защищают тыльную сторону полупроводниковой структуры химически стойким лаком и проводят разделительное химическое травление полупроводниковой структуры на глубину 10÷15 мкм; осуществляют пассивацию боковой поверхности чипов нанесением слоя нитрида кремния; проводят локальное химическое травление контактного слоя полупроводниковой структуры в местах, свободных от омического контакта для открытия светочувствительной поверхности солнечного фотоэлемента; осуществляют напыление антиотражающего покрытия на светочувствительную область структуры через окна в маске, изготовленной из магнитного материала и закрепленной на фронтальной поверхности полупроводниковой структуры с помощью магнита, расположенного на тыльной стороне полупроводниковой структуры.

Недостаток способа заключается в:

а) низкой производительности операций утолщения основы омических контактов электрохимическим осаждением серебра и золота, выполняемых поочередно для каждой пластины;

б) большой трудоемкости операций защиты тыльной стороны полупроводниковой структуры химически стойким лаком с его последующим удалением, что в условиях массового производства фотопреобразователей с габаритными размерами 40×80 мм и более неприемлемо.

Признаки, общие с предлагаемым способом изготовления фотопреобразователя со встроенным диодом, следующие: формирование лицевых и тыльного контактов на основе серебра на эпитаксиальной структуре GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенной на германиевой подложке; отжиг контактов; вытравливание мезы; разделение эпитаксиальной структуры на чипы; вскрытие оптического окна травлением; напыление просветляющего покрытия.

Известен способ изготовления фотопреобразователя со встроенным диодом (пат РФ №2515420, опубл. 10.05.2014 г.), принятый за прототип, в котором создают на германиевой подложке с выращенными эпитаксиальными слоями трехкаскадной структуры GaInP/Ga(In)As/Ge фоторезистивную маску с рисунком лицевых контактов фотопреобразователя и диода; вытравливают диодную площадку; формируют напылением и взрывом лицевые контакты Cr/Ag/Au-Ge/Ag/Au; создают фоторезистивную маску с окнами под мезаизоляцию фотопреобразователя и встроенного диода; вытравливают мезу; удаляют фоторезист; напыляют слои металлизации Gr/Au/Ag/Au; отжигают контакты; вскрывают оптическое окно травлением; напыляют просветляющее покрытие; выполняют дисковую резку эпитаксиальной структуры на чипы; выравнивают чипы посредством охлаждения в парах азота.

Недостаток способа-прототипа заключается в том, что при дисковой резке эпитаксиальной структуры на чипы по лицевой стороне интенсивный водный поток раскрошенных частиц ударяет по торцевой поверхности фотоактивных эпитаксиальных слоев, выходящих в меза-канавку, что может приводить к их повреждению, ухудшению электроизоляции фотопреобразователя и встроенного диода, снижению величины коэффициента заполнения (см. фиг. 1).

Кроме того, после сварки внешних выводов с лицевыми контактами фотопреобразователя и диода, наклейки защитного стекла на лицевую сторону чипа возможно прижатие внешних выводов к поверхности германиевой подложки в области мезаканавки, что приводит к шунтированию и ухудшению параметров фотоэлемента.

Признаки прототипа, общие с предлагаемым способом изготовления фотопреобразователя со встроенным диодом, следующие: создание на германиевой подложке с выращенными эпитаксиальными слоями трехкаскадной структуры GaInP/Ga(In)As/Ge фоторезистивной маски с рисунком лицевых контактов фотопреобразователя и диода; вытравливание диодной площадки; формирование напылением и взрывом лицевых контактов Cr/Ag/Au-Ge/Ag/Au; создание фоторезистивной маски с окнами под мезаизоляцию фотопреобразователя и встроенного диода; вытравливание мезы; удаление фоторезиста; напыление слоев тыльной металлизации Cr/Au/Ag/Au; отжиг контактов; вскрытие оптического окна травлением; напыление просветляющего покрытия; выполнение дисковой резки эпитаксиальной структуры на чипы; выравнивание чипов посредством охлаждения в парах азота.

Технический результат, достигаемый предлагаемым способрм изготовления фотопреобразователя со встроенным диодом, заключается в улучшении электроизоляции фотопреобразователя и диода; повышении параметров и надежности фотоэлемента.

Отличительные признаки предлагаемого способа изготовления фотопреобразователя со встроенным диодом, обуславливающие соответствие его критерию «новизна», следующие: после напыления и взрыва лицевых контактов создают фоторезистивную маску под мезаизоляцию, в окнах которой защищаются области эпитаксиальной структуры, расположенной напротив контактных площадок по периметру фотопреобразователя со встроенным диодом; после вытравливания мезы и удаления фоторезиста создают фоторезистивную маску, защищающую участки для резки на тыльной стороне германиевой подложки; после напыления тыльной металлизации удаляют фоторезист; после отжига контактов выравнивают металлизированную подложку охлаждением в парах азота; выполняют дисковую резку по тыльной стороне подложки, а после вскрытия оптического окна напыляют просветляющее покрытие на чипы.

Для подтверждения критерия «изобретательский уровень» был проведен анализ известных и отличительных признаков предлагаемого способа изготовления фотопреобразователя со встроенным диодом, в результате которого не обнаружено технических решений, содержащих совокупность известных и отличительных признаков предлагаемого способа, дающих вышеуказанный технический результат. Поэтому, по мнению автора, предлагаемый способ изготовления фотопреобразователя со встроенным диодом соответствует критерию «изобретательский уровень».

Конкретный пример реализации предлагаемого способа изготовления фотопреобразователя со встроенным диодом иллюстрирован фотографиями на фиг. 1÷6.

На фиг. 1 представлен вид вольтамперной характеристики фотопреобразователя с микрошунтированием по мезе, возникшим при резке на чипы по лицевой стороне эпитаксиальной структуры; на фиг. 2(а, б, в) представлен вид мезаизолированных областей эпитаксиальной структуры, расположенных напротив контактных площадок по периметру фотопреобразователя со встроенным диодом: на фиг. 2(а) - после вытравливания мезы и снятия фоторезиста, на фиг. 2(б, в) - после резки эпитаксиальной структуры на чипы. На фиг. 3 представлен вид чипа фотопреобразователя со встроенным диодом; на фиг. 4 представлен вид устройства для напыления просветляющего покрытия на чип; на фиг. 5 представлен вид вольтамперной характеристики изготовленного фотопреобразователя со встроенным диодом; на фиг. 6(а, б) представлен вид мезаизолированных областей эпитаксиальной структуры, расположенных напротив площадок с приваренными внешними выводами фотоэлемента.

Для реализации предлагаемого способа изготовления фотопреобразователя со встроенным диодом используют трехкаскадные эпитаксиальные структуры GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенные на германиевой подложке диаметром ∅100 мм, толщиной ~150 мкм, на которых создают фоторезистивную маску с рисунком лицевых контактов фотопреобразователя и диода. Вытравливают диодные площадки капельным смачиванием.

Формируют электронно-лучевым напылением и последующим взрывом в деметилформамиде лицевые контакты Gr/Ag/Au-Ge/Ag/Au с толщинами слоев 7 нм/7 нм/50 нм/5 мкм/30 нм соответственно. Создают фоторезистивную маску под мезаизоляцию, в окнах которой защищаются области эпитаксиальной структуры, расположенные напротив контактных площадок по периметру фотопреобразователя со встроенным диодом. Вытравливают мезу глубиной ~7 мкм поэтапно в растворах согласно таблице 1. Величина растрава под фоторезистивную маску составляет ~30 мкм.

Удаляют фоторезист. Мезаизолированные области эпитаксиальной структуры, расположенные напротив контактных площадок по периметру фотопреобразователя и диода (см. фиг. 2(а)), служат в последующем в качестве изоляционной топоры внешних выводов и в фотопреобразовании не участвуют. Создают фоторезистивную маску, защищающую участки для резки на тыльной стороне германиевой подложки, используя фоторезист Aznlof 2070. Напыляют слои тыльной металлизации Ge/Au/Ag/Au с толщинами 7 нм/50 нм/5 мкм/30 нм соответственно; удаляют фоторезист. Отжигают контакты при Т=335°С, t=10 сек.

Выравнивают металлизированную подложку охлаждением в парах азота. Выравнивание необходимо для последующего планарного расположения чипов при напылении просветляющего покрытия. Выполняют дисковую резку на чипы с габаритными размерами 40×80 мм по тыльной стороне подложки, при этом линия раскалывания проходит по мезаканавке и через мезаизолированные области эпитаксиальной структуры, расположенные напротив контактных площадок по периметру фотопреобразователя со встроенным диодом (см. фиг. 2(б, в) и фиг. 3). Вскрывают оптическое окно стравливанием n⁺GaAs контактного слоя по маске лицевых контактов фотопреобразователя. Напыляют на чипы просветляющее покрытие ТiO/Al₂/О₃ электронно-лучевым методом с плазменным ассистированием при температуре 140°С, при этом контактные площадки фотопреобразователя и диода защищают металлической немагнитной маской (см. фиг. 4), Выравнивают чипы посредством охлаждения в парах азота. Изготовленные фотопреобразователи имеют среднюю величину коэффициента полезного действия КПД более 29% (см. фиг. 5). Предложенный способ применим для изготовления фотопреобразователя со встроенным диодом на трехкаскадных структурах GaInP/Ga(In)As/Ge с утонением германиевой подложки (до ~100 мкм). Далее выполняют сварку контактных площадок фотопреобразователя и диода с внешними выводами.

Мезаизолированные области эпитаксиальной структуры, расположенные напротив контактных площадок по периметру фотопреобразователя и диода, обеспечивают пространственную электроизоляцию внешних выводов фотоэлемента от германиевой подложки (см. фиг. 6(а, б)). В случае касания внешних выводов поверхности эпитаксиальных областей (островков) шунтирования не возникает, при этом нет необходимости в нанесении изолирующего слоя диэлектрика.

Предложенный способ изготовления фотопреобразователя со встроенным диодом обеспечивает улучшение электроизоляции фотопреобразователя и диода, так как предотвращается возможность повреждения и загрязнения тонкой структуры фотоактивных эпитаксиальных слоев, выходящих на поверхность меза-канавки, за счет дисковой резки по тылу подложки, в результате повышаются параметры фотоэлемента.

Резкой по тылу подложки облегчается процесс разделения эпитаксиальной структуры, так как нет необходимости в многократных перегибах слоя тыльной металлизации, что снижает вероятность трещинообразования в чипах с габаритными размерами 40×80 мм и более.

Разделение эпитаксиальной структуры на чипы, согласно предложенному способу, позволяет при напылении просветляющего покрытия использовать немагнитную металлическую маску, фиксируемую на контактных площадках по периметру фотопреобразователя и диода с помощью специального устройства, что способствует увеличению выхода годных фотопреобразователей, так как магнитные маски не обеспечивают надежного прижатия к поверхности контактных площадок в условиях вибраций при вращении карусели с пластинами в установке напыления. Линия раскалывания пластины на чипы, согласно предложенному способу, проходит через мезаизолированные островки эпитаксиальных слоев, расположенные напротив контактных площадок по периметру фотопреобразователя и диода, что предотвращает шунтирование из-за касания внешних выводов поверхности германиевой подложки и повышает надежность фотоэлемента при эксплуатации.

Островковая конфигурация эпитаксиальных слоев, пространственно изолирующих внешние выводы от германиевой подложки, снижает вероятность возникновения поверхностных утечек от возможных механических повреждений торцевой поверхности отдельного мезаизолированного островка.