Способ капельного вытравливания контактной площадки встроенного диода фотопреобразователя

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к технологии изготовления трехкаскадных фотопреобразователей со встроенным диодом.

Известен каскадный фотопреобразователь и способ его изготовления (см. Патент РФ №2382439, опубл. 20.02.2010 г.), принятый за аналог, в котором трехкаскадная полупроводниковая структура GaInP/Ga(In)As/Ge используется для изготовления высокоэффективных фотопреобразователей космического и наземного применения. Верхний каскад полупроводниковой структуры состоит из n⁺-Ga(In)As - контактного слоя, n-AlInP слоя широкозонного оптического окна, n⁺-GaInP - эмиттерного слоя, p-GaInP - базового слоя, p-AlInP - слоя тыльного потенциального барьера. Далее расположены p⁺⁺-AlGaAs, n⁺⁺-GaInP или n⁺⁺-GaAs - слои верхнего туннельного перехода к среднему каскаду.

Недостаток данного аналога применительно к изготовлению фотопреобразователя со встроенным диодом следующий: при изготовлении диода без удаления полупроводниковых слоев верхнего каскада величина прямого напряжения на диоде составляет более 3В, что приводит к значительному тепловыделению с возможными деградацией параметров и электрическим пробоем.

Общий признак вышеуказанного аналога с предлагаемым способом капельного вытравливания контактной площадки встроенного диода фотопреобразователя следующий: использование трехкаскадной полупроводниковой структуры GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенной на германиевой подложке.

Известен способ изготовления солнечного фотоэлемента с интегральным защитным диодом (см. Patent DE №102004023856 В4, опубл. 12.05.2004 г.), принятый на аналог, в котором на трехкаскадной полупроводниковой структуре GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенной на p-Ge подложке дополнительно наращивают эпитаксиальные слои Ga_1-xIn_xAs (0,01≤х≤0,03) n и p-типа проводимости для создания р/n перехода интегрального диода, затем р⁺⁺- AlGaAs и n⁺⁺-Ga(In)As (или n⁺⁺-GaInP) слои туннельного перехода к n⁺- Ga(In)As контактному слою. Вытравливают меза-изолирующую канавку до Ge- подложки. Удаляют дополнительно выращенные эпитаксиальные слои до n-Ga(In)As - слоя в рабочей области фотопреобразователя. Создают лицевые контакты к фотопреобразователю и диоду, а также шунтирующее соединение базового n-Ga(In)As слоя диода с р-Ge подложкой.

Недостаток данного аналога заключается в необходимости формирования дополнительных эпитаксиальных слоев и создания пристеночной металлизации для шунтирования n-Ga(In)As базы интегрального диода и p-Ge подложки.

Признаки аналога, общие с предлагаемым способом, следующие: использование трехкаскадной эпитаксиальной структуры GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенной на германиевой подложке.

Известен способ изготовления фотопреобразователя со встроенным диодом (см. Патент РФ №2515420, опубл. 16.08.2012 г. ), принятый за аналог, в котором на трехкаскадной полупроводниковой структуре GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенной на германиевой подложке, создают фоторезистивную маску с окнами лицевых контактов фотопреобразователя и диода, вытравливают капельным смачиванием в диодном окне маски полупроводниковые слои верхнего GaInP - каскада, в том числе n⁺-Ga(In)As - контактный слой и n-AlInP - слой широкозонного оптического окна в водном растворе ортофосфорной кислоты с перекисью водорода, a n⁺-GaInP-эмиттерный и p-GaInP базовый слои в концентрированной соляной кислоте до стопорного эпитаксиального слоя.

Недостаток вышеуказанного способа заключается в том, что применительно к трехкаскадной полупроводниковой структуре с p-AlGaInP слоем потенциального барьера, р⁺⁺-AlGaAs и n⁺⁺-GaInP - слоями туннельного перехода верхнего каскада концентрированная соляная кислота стравливает полупроводниковые слои за короткий промежуток времени, что затрудняет воспроизводимую остановку травления на n⁺⁺-GaInP слое туннельного перехода, используемом в качестве контактной площадки. В случае перетравливания полупроводниковой структуры недопустимо возрастают обратные токи диода Iобр.>2,5mA/4В. При недотравливании полупроводниковой структуры неприемлемо увеличивается прямое напряжение Uпр.>1,8B/620mA.

Признаки указанного аналога, общие с признаками предлагаемого способа, следующие: создание фоторезистивной маски с окнами лицевых контактов фотопреобразователя и диода на трехкаскадной полупроводниковой структуре GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенной на германиевой подложке; вытравливание капельным смачиванием в диодном окне маски полупроводниковых слоев верхнего каскада.

Известен способ вытравливания контактной площадки встроенного диода фотопреобразователя (см. Патент РФ №2577826, опубл. 20.03.2016 г.), принятый за прототип в котором на трехкаскадной полупроводниковой структуре GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенной на германиевой подложке с р-AlGaInP-слоем потенциального барьера, p⁺⁺-AlGaAs и n⁺⁺-GaInP слоями туннельного перехода верхнего каскада, создают фоторезистивную маску с окнами лицевых контактов фотопреобразователя и диода, удаляют в диодном окне маски полупроводниковые слои, причем вытравливают p-AlGaInP слой полностью или частично в смеси концентрированных соляной и фтористоводородной кислот в количественном соотношении объемных частей 5÷7 и 3÷5 соответственно, р⁺⁺-AlGaAs-слой туннельного перехода удаляют в смеси концентрированных соляной и лимонной (50%) кислот в количественном соотношении объемных частей 6÷10 и 8÷12 соответственно. Напыляют лицевые контакты на основе серебра Cr/Ag/Au-Ge/Ag/Au. Вытравливают меза-изолирующую канавку. Напыляют тыльную металлизацию на основе серебра Cr/Au/Ag/Au. Вжигают контакты. Стравливают n⁺-Ga(In)As - контактный слой по маске лицевой металлизации. Наносят просветляющее покрытие TiO₂/Al₂O₃.

Недостаток способа-прототипа заключается в том, что не обеспечивается полное удаление GaInP слоев верхнего каскада по периметру диодного окна из-за газовыделения и прикрепления пузырьков к стенкам фоторезистивной маски при травлении в соляной кислоте. В результате снижается адгезия лицевого контакта и увеличивается величина прямого

Признаки прототипа, общие с признаками предлагаемого способа, следующие: создание фоторезистивной маски с окнами лицевых контактов фотопреобразователя и диода на трехкаскадной полупроводниковой структуре GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенной на германиевой подложке с р⁺⁺ и n⁺⁺ слоями туннельного перехода верхнего каскада вытравливание капельным смачиванием полупроводниковых слоев верхнего каскада до n⁺⁺ - слоя туннельного перехода в травителях на основе соляной кислоты.

4

Технический результата, достигаемый в предлагаемом способе, заключается в повышении адгезии лицевого контакта, снижении величины и разброса прямого напряжения на встроенном диоде.

Достигается это тем, что в способе капельного вытравливания контактной площадки встроенного диода фотопреобразователя, включающем создание фоторезистивной маски с окнами лицевых контактов фотопреобразователя и диода на трехкаскадной полупроводниковой структуре GaInP/Ga(In)As/Ge с р⁺⁺ и n⁺⁺ слоями туннельного перехода верхнего каскада, вытравливание капельным смачиванием в диодном окне маски полупроводниковых слоев верхнего каскада до n⁺⁺ - слоя туннельного перехода в травителях на основе соляной кислоты, при этом в процессе вытравливания после возникновения газовых пузырьков по периметру диодного окна в маске их удаляют гидродинамически путем дистанционного нанесения капель травителя в область диодного окна, а после промывки и высушивания обрабатывают контактную площадку диода в травителе составахоляная кислота концентрированная в количественном соотношении от 30 до 70% общего объема, остальное - водный раствор бихромата калия 5÷15% концентрации.

Отличительные признаки предлагаемого способа капельного вытравливания контактной площадки встроенного диода фотопреобразователя, обеспечивающие его соответствие критерию «новизна», следующие: удаление газовых пузырьков, возникающих в процессе вытравливания по периметру диодного окна в маске гидродинамически путем дистанционного нанесения капель травителя в область диодного окна, а после промывки и высушивания выполнение обработки контактной площадки диода в травителе состава: соляная кислота концентрированная в количественном соотношении от 30 до 70% общего объема, остальное - водный раствор бихромата калия 5÷15% концентрации.

Для обоснования соответствия предлагаемого способа капельного вытравливания контактной площадки встроенного диода фотопреобразователя критерию «изобретательский уровень» был проведен анализ известных технических решений по литературным источникам, 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 капельного вытравливания контактной площадки встроенного диода фотопреобразователя соответствует критерию «изобретательский уровень».

Предложенный способ капельного вытравливания контактной площадки встроенного диода фотопреобразователя обеспечивает полное удаление продуктов травления GaInP - слоев верхнего каскада по периметру диодного окна в травителях на основе соляной кислоты за счет гидродинамического удаления блокирующих травление газовых пузырьков и последующей доочистки поверхности n⁺⁺- слоя в травителе состава: соляная кислота концентрированная в количественном соотношении от 30 до 70% общего объема, остальное - водный раствор бихромата калия 5÷15% концентрации.

В результате значительно повысилась адгезия лицевой металлизации диода и величина прямого напряжения снизилась на ~ 0,1 В.

Способ иллюстрирован фиг. 1, 2 и таблицей 1. На фиг. 1 представлен вид капли травителя с газовыми пузырьками по периметру диодного окна в маске. На фиг. 2 представлен профиль поверхности контактной площадки диода: а) - с областями недотравов по периметру; б) - с доочисткой по периметру согласно предложенному способу. В таблице 1 представлены параметры изготовленных диодов.

Для конкретного примера реализации способа используют трехкаскадные полупроводниковые структуры GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенные на германиевой подложке диаметром ∅ 100 мм с n⁺ Ga(In)As-контактным слоем, n⁺-AlInP - слоем широкозонного оптического окна, n⁺-GaInP - эмиттерным слоем, p-GaInP - базовым слоем, p-AlIGaP - слоем потенциального барьера, p⁺⁺-AlGaAs и n⁺⁺-GaInP - слоями туннельного перехода верхнего каскада. Создают фоторезистивную маску негативного фоторезиста Aznlof2070 с рисунком лицевых контактов фотопреобразователя и встроенного диода. Вытравливают капельным смачиванием контактные площадки диодов до n⁺⁺-GaInP слоя туннельного перехода верхнего каскада, при этом после нанесения капли травителя на основе соляной кислоты, инициирующей травление, HCl÷HF=2÷1 или HCl концентрированной для структур 3G30, выдерживают паузу 5÷6 сек до возникновения газовых пузырьков, прикрепляющихся к фоторезистивной маске и блокирующих травление по периметру диодного окна. Процесс травления сопровождается быстрой сменой интерференционных цветов поверхности GalnP - слоев. Удаляют газовые пузырьки согласно предложенному способу, гидродинамически посредством нанесения в течение 7÷10 сек (2÷3 сек для структур 3G30) нескольких (3÷4) капель травителя в диодное окно с высоты 3÷5 см от поверхности полупроводниковой структуры, при этом освободившиеся от пузырьков участки поверхности вновь подвергаются травлению.

По достижении р⁺⁺-AlGaAs - слоя туннельного перехода травление замедляется и диодная площадка приобретает однородный светло-голубой цвет. Затем селективно удаляют p⁺⁺-AlGaAs - слой туннельного перехода нанесением в диодное окно капли смеси концентрированных соляной и лимонной (50%) кислот при количественном соотношении объемных частей 1-4. В диодном окне маски при этом наблюдается (за 5÷7 сек) переход без газовыделения от светло-голубого до устойчивого синего цвета поверхности, что соответствует вскрытию n⁺⁺- GaInP туннельного слоя. Для структур 3G30 стравливание слоев n⁺, p-GaInP, p-AlGaInP и p⁺⁺-AlGaAs в концентрированной HCl выполняется за один процесс.

На контактный n⁺-Ga(In)As слой рабочей поверхности фотопреобразователя указанные травители не воздействуют. Далее полупроводниковую структуру промывают деионизованной водой и высушивают.

Выполняют, согласно предложенному способу, обработку контактной площадки диода капельным смачиванием в травителе состава: соляная кислота концентрированная в количественном соотношении 50% от общего объема, остальное - водный раствор бихромата калия 7% концентрации. Продолжительность обработки 7÷10 сек. При этом происходит доочистка поверхности контактной площадки от продуктов травления GaInP-слоев. (см. фиг. 1, 2). Данный травитель наносится локально в диодное окно, так как оказывает воздействие на контактный Ga(In)As слой фотопреобразователя в связи с наличием сильного окисляющего компонента (K₂Сr₂O₇). Контактная площадка диода после обработки в растворе HCl÷(7%) K₂Cr₂O₇ приобретает насыщенный синий цветовой оттенок, что соответствует полному вскрытию и частичному травлению n⁺⁺-GaInP слоя туннельного перехода. Полупроводниковую структуру промывают деионизованной водой и сушат.

Для составления травителя применяется соляная кислота концентрированная 35÷38%, марки «ОСЧ» по ГОСТ 14261-77.

Использование для травителя водного раствора бихромата калия K₂Cr₂O₇ менее 5% концентрации при содержании HCL более 70% от общего объема нежелательно, так как происходит интенсивное неконтролируемое стравливание n⁺⁺- GaInP слоя.

Увеличение концентрации K₂Cr₂O₇ в водном растворе более 15% концентрации избыточно. При количественном соотношении HCL концентрированной менее 30% от общего объема ухудшается доочистка поверхности диодной площадки.

Гидродинамический удар капли травителя с высоты 3÷5 см вызывает стряхивание и удаление газовых пузырьков со стенок фоторезистивной маски. При этом освобожденные от газовых пузырьков пристеночные (шириной до ~ 200 мкм) участки поверхности вновь подвергаются травлению. При меньшем расстоянии эффективность гидродинамического воздействия недостаточна. Прокапывание с высоты более ~ 5 см нецелесообразно в силу малоразмерности диодного окна (1×7 мм) в маске.

Далее напылением и последующим взрывом создают лицевые контакты Cr/Au-Ge/Ag/Au фотопреобразователя и диода. Вытравливают меза-изолирующую канавку. Напыляют тыльную металлизацию Cr/Au/Ag/Au. Отжигают контакты. Затем вскрывают слой оптического окна травлением n⁺-Ga(In)As контактного слоя по маске лицевой металлизации и напыляют просветляющее покрытие TiO₂/Al₂O₃. Изготовленные диоды имеют улучшенную адгезию лицевых контактов, не отделяемых посредством механического воздействия, низкие обратные токи Iобр.<0,1mА/4 В и величину разброса прямого напряжения ΔUпр.=0,01B (1,58≤Uпр.≤1,59 В), см. таб. 1.

Предложенный способ капельного вытравливания контактной площадки встроенного диода фотопреобразователя применим для четырехкаскадных полупроводниковых структур с p⁺⁺-AlGaAs и n⁺⁺- GaInP слоями туннельных переходов двух верхних каскадов.