Результат интеллектуальной деятельности: Способ изготовления фотопреобразователя

Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности, к фотоэлектрическим преобразователям, а именно, к способам изготовления трехкаскадных фотопреобразователей.

Известен способ стравливания контактного n⁺-GaAs слоя полупроводниковой структуры, принятый за аналог, (см. A Thesis Presented in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree Master of Science «High Efficiency GaAs-based Solar Cells Simulation and Fabrication», Chaoming Zhang, Arizona State University, May, 2014, p. 45), в котором травление до слоя оптического окна n-GaInP осуществляется по маске лицевых контактов на основе золота Ge/Au/Ni/Au (260/540/150/1500) в водном растворе ортофосфорной кислоты и перекиси водорода состава H₃PO₄÷H₂O₂÷H₂O=1÷1÷3 в течение ~ 10 сек.

Недостаток способа применительно к производству фотопреобразователей с лицевыми контактами на основе серебра- травящее воздействие раствора на серебряную составляющую металлизации, что приводит к отслаиванию контакта. Травитель не обладает селективностью к полупроводниковому слою оптического окна AlInP, применяемого в трехкаскадных фотопреобразователях.

Признак, общий с предлагаемым способом изготовления фотопреобразователя, следующий: удаление контактного n⁺-GaAs слоя полупроводниковой структуры.

Известен способ изготовления фотопреобразователя (см.патент РФ №2559166, опубл. 10.08.2015 г.), принятый за прототип, в котором формируют контактную металлизацию на фронтальной и тыльной поверхностях многослойной полупроводниковой структуры Ga(In)As/GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенной на германиевой подложке; вытравливают мезу; вжигают контакты; удаляют контактный слой многослойной полупроводниковой структуры химико-динамическим травлением в водном растворе гидроокиси тетраметиламмония и перекиси водорода при количественном соотношении гидроокиси тетраметиламмония 0,7÷1,3 масс. %, перекиси водорода 6,5÷17,7 масс. %, воды 92,8÷81 масс. %; наносят просветляющее покрытие TiO₂/Al₂O₃; разделяют полупроводниковые структуры на чипы фотопреобразователей дисковой резкой. Изготовленные фотопреобразователи размером 40×80 мм, площадью 30,17 см² имеют хорошую адгезию лицевых контактов, фотоэлектрические параметры с эффективностью более 29%.

Недостаток способа-прототипа заключается в низкой производительности операции химико-динамического травления контактного слоя, так как в каждой ванночке обрабатывается по одной полупроводниковой структуре. Кроме того, дисковая резка полупроводниковых структур на чипы приводит к занижению предельно возможных фотоэлектрических параметров фотопреобразователя, что обусловлено воздействием интенсивного потока раскрошенного электропроводного материала подложки на n/р переходы эпитаксиальных слоев, выходящих на поверхность мезы.

Признаки прототипа, общие с предлагаемым способом изготовления фотопреобразователя, следующие: формирование контактной металлизации на фронтальной и тыльной поверхностях многослойной полупроводниковой структуры Ga(In)As/GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенной на германиевой подложке; вжигание контактов; вытравливание мезы; удаление контактного слоя многослойной полупроводниковой структуры химико-динамическим травлением в водном растворе гидроокиси тетраметиламмония и перекиси водорода при количественном соотношении перекиси водорода 6,5÷-17,7 масс. %; нанесение просветляющего покрытия; разделение полупроводниковой структуры на чипы дисковой резкой.

Технический результат, достигаемый в предложенном способе изготовления фотопреобразователя, заключается в повышении производительности операции химико-динамического травления контактного слоя за счет увеличения количества одновременно обрабатываемых полупроводниковых структур, расположенных свободно в растворе в несколько слоев, разделенных газовой прослойкой при экзотермическом повышении температуры травителя; сокращении расхода тетраметиламмония за счет более эффективного процесса травления контактного слоя вследствие повышения температуры раствора; увеличения фотоэлектрических параметров за счет стравливания дефектов, вносимых дисковой резкой на торцевой поверхности мезы.

Достигается это тем, что формируют контактную металлизацию на фронтальной и тыльной поверхностях многослойной полупроводниковой структуры Ga(In)As/GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенной на германиевой подложке; вытравливают мезу; вжигают контакты; разделяют полупроводниковые структуры на чипы дисковой резкой; удаляют контактный слой многослойной полупроводниковой структуры химико-динамическим травлением в водном растворе гидроокиси тетраметиламмония и перекиси водорода при количественном соотношении гидроокиси тетраметиламмония 0,3÷0,7 масс. %, перекиси водорода 6,5÷17,7 масс. %, воды 93,2÷81,6 масс. %; наносят просветляющее покрытие.

Отличительные признаки предлагаемого способа изготовления фотопреобразователя, обеспечивающие его соответствие критерию «новизна» следующие: химико-динамическое травление контактного слоя выполняют после разделения полупроводниковых структур на чипы при расположении полупроводниковых структур в растворе в несколько слоев и при количественном соотношении гидроокиси тетраметиламмония 0,3÷0,7 масс. %, воды 93,2÷81,6 масс. %.

Для обоснования соответствия предлагаемого способа изготовления фотопреобразователя критерию «изобретательский уровень» был проведен анализ известных 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 авторов, предлагаемый способ изготовления фотопреобразователя соответствует критерию «изобретательский уровень».

Предложенный способ изготовления фотопреобразователя обеспечивает эффективное химико-динамическое стравливание контактного n⁺- GaAs слоя полупроводниковых структур, расположенных в растворе свободно в несколько (от двух до восьми) слоев. В процессе травления происходит газовыделение (в связи с разложением перекиси водорода) на поверхностях лицевой и тыльной металлизации, при этом образуется газовая прослойка между структурами, что препятствует их слипанию. Доступ раствора к полупроводниковой поверхности не ограничивается газовыми пузырьками, благодаря динамичному колебательному характеру процесса, при котором полупроводниковые структуры, расположенные послойно, взаимоперемещаются в растворе. В процессе травления в результате тепловыделения при экзотермической реакции повышается температура, величина которой растет с увеличением числа обрабатываемых полупроводниковых структур. С ростом температуры реакция травления протекает интенсивнее, что позволяет при увеличении числа обрабатываемых структур, располагаемых в растворе в несколько слоев, сократить содержание гидроокиси тетраметиламмония и продолжительность процесса. Применяемый травитель не воздействует на серебряную составляющую контактов и AlInP-полупроводниковый слой оптического окна фотопреобразователя. В случае содержания гидроокиси тетраметиламмония менее 0,3 масс. % и соответственно, воды более 93,2 масс. % не обеспечивается эффективное удаление n⁺- GaAs контактного слоя при расположении полупроводниковых структур в десять слоев, в силу недостаточности количества основного травящего компонента в используемом обьеме раствора 100÷140 мл, а также из-за пониженной температуры раствора при при меньшем количестве слоев полупроводниковых структур (от двух до восьми), что снижает производительность операции. Применение раствора травителя с содержанием гидроокиси тетраметиламмония более 0,7 масс. % и, соответственно, воды менее 81,6 масс. % избыточно для многослойного расположения полупроводниковых структур в растворе, так как процесс травления протекает интенсивнее за счет экзотермического повышения температуры травителя. При этом общая продолжительность технологической операции лимитируется длительностью извлечения полупроводниковых структур из ванночки. Применение травителя с содержанием гидроокиси тетраметиламмония менее 0,7 масс. %, в случае однослойного расположения полупроводниковых структур, нецелесообразно в связи завышенной для массового производства длительностью процесса или невозможностью стравливания контактного слоя на всей партии обрабатываемых полупроводниковых структур без замены травителя. Использование раствора травителя обьемом менее 100 мл нецелесообразно в связи с многослойным расположением полупроводниковых структур в ванночке и необходимостью их свободного взаимоперемещения. Применение раствора обьемом более 140 мл нетехнологично из-за снижения максимальной температуры при травлении и выплескивания раствора из ванночки при вращательном движении платформы. В процессе химико-динамического травления при повышенных температурах эффективно удаляются дефекты дисковой резки на торцевой поверхности мезы, что способствует увеличению механической прочности и повышению электрических параметров фотопреобразователей.

Предложенный способ изготовления фотопреобразователя иллюстрирован на фиг. 1; 2а,б; 3а,б; 4а,б и таблицами 1,2. На фиг. 1 представлен вид подвижной платформы, на которой установлены ванночки с обрабатываемыми полупроводниковыми структурами. На фиг. 2а,б представлен вид ванночки с обрабатываемыми полупроводниковыми структурами в растворе, расположенными: а)- в четыре слоя; б)- в восемь слоев. На фиг. 3а,б представлены виды дефектов торцевой поверхности чипа после дискового разделения полупроводниковых структур: а)- дефекты края вблизи тыльного слоя металлизации; б)- микросколы торцевой поверхности. На фиг. 4а,б представлены виды торцевой поверхности чипа после стравливания контактного слоя: а)- общий вид; б)- вид области, прилегающей к тыльному контакту. В таблице 1 представлены результаты обработки полупроводниковых структур при расположении их в растворе в один, два, четыре и восемь слоев. В таблице 2 представлены электрические параметры изготовленных фотопреобразователей.

Пример 1.

Для конкретного примера применения способа изготовления фотопреобразователя используют трехкаскадные эпитаксиальные структуры Ga(In)As/GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенные на германиевой подложке, диаметром 100 мм. Создают лицевые контакты фотопреобразователя на основе серебра Cr/Au-Ge/Ag/Au, выполняют меза-травление, напыляют сплошной тыльный контакт на основе серебра Cr/Au/Ag/Au, вжигают контакты, выравнивают металлизированные полупроводниковые структуры охлаждением в парах азота. Выравнивание необходимо для свободного взаимоперемещения нескольких слоев полупроводниковых структур в растворе при последующем химико-динамическом стравливании контактного слоя и для напыления просветляющего покрытия. Разделяют металлизированные полупроводниковые структуры на чипы фотопреобразователей (заготовки) с габаритными размерами 40×80 мм методом дисковой резки по меза-канавке. Стравливают контактный n⁺- GaAs слой по маске лицевой металлизации химико-динамическим травлением в водном растворе гидроокиси тетраметиламмония и перекиси водорода (ТМАГ) при количественном соотношении гидроокиси тетраметиламмония 0,53 масс. %, перекиси водорода 10,7 масс. %, воды 88,77 масс. %. Ванночка для травления выполнена прямоугольной конфигурации размером 120×120 мм с плоским дном и двумя сообщающимися секциями, разделенными между собой перегородкой. На платформе, совершающей орбитальное вращение в горизонтальной плоскости с радиусом r=5 мм, частотой вращения 80 об/мин, устанавливают 5 ванночек, (см. фиг. 1). Обьем раствора в ванночке ~ 120 мл. Чипы фотопреобразователей укладывают фронтальным слоем вверх по четыре слоя последовательно в каждую секцию ванночек, (см. фиг. 2а). В процессе движения платформы происходит свободное взаимоперемещение заготовок фотопреобразователей, разделяемых между собой газовыми пузырьками, образующимися за счет разложения перекиси водорода. Температура раствора в результате тепловыделения при экзотермической реакции травления контактного n⁺- GaAs слоя возрастает от 23°С до 29°С. Величина максимальной температуры в растворе при увеличении числа обрабатываемых полупроводниковых структур ограничивается диапазоном (27÷33)°С вследствие снижения исходного содержания гидроокиси тетраметиламмония. Повышение температуры раствора ускоряет процесс стравливания. Контактный n⁺- GaAs слой удаляется на всех заготовках в одной ванночке за ~ 3 мин. После извлечения заготовок процесс повторяется. Общее время обработки партии из 80 заготовок фотопреобразователей без замены раствора травителя, при четырехслойном расположении полупроводниковых структур, составляет ~ 15 мин., что существенно меньше (в ~ 2,1 раза) в сравнении с прототипом, при этом сокращается расход дорогостоящего компонента - гидроокиси тетраметиламмония (в ~ 2 раза), (см.таблицу 1).

В процессе травления при восьмислойном расположении полупроводниковых структур, (см. фиг. 2б) температура раствора повышается до 32°С. Партия полупроводниковых структур в количестве 80 шт обрабатывается за одну загрузку в пять ванночек. Расход гидроокиси тетраметиламмония и время обработки сокращаются соответственно в ~ 2,3; 2,7 раза. Применение травителя с содержанием гидроокиси тетраметиламмония менее 0,7 масс. %, в случае однослойного расположения полупроводниковых структур, нецелесообразно в связи с завышенной для массового производства длительностью процесса (~ 50 мин) или необходимостью замены раствора, непроизводительно увеличивающей расход гидроокиси тетраметиламмония (см. таблицу 1). В процессе стравливания контактного слоя при повышенной температуре эффективно удаляются дефекты дискового реза (см. фиг. 3а,б) на торцевой поверхности мезы, обусловливающие микрошунтирование и трещинообразование, что способствует повышению электрических параметров и увеличению механической прочности фотопреобразователей, (см. фиг. 4а,б). Предложенным способом изготовлены фотопреобразователи с КПД более 29,5%, (см.таблицу2).

Пример 2.

Предложенный способ изготовления фотопреобразователя применим также, в части химико-динамического стравливания n⁺- GaAs контактного слоя, для выравненных, но неразделенных на чипы металлизированных Ga(In)As/GaInP/Ga(In)As/Ge структур, диаметром 100 мм. Полупроводниковые структуры укладывают в два слоя в ванночки (круглой конфигурации диаметром 120 мм) с раствором гидроокиси тетраметиламмония 0,6 масс. %, перекиси водорода 9,9 масс. %, воды 89,5 масс. %, взятым в количестве ~ 120 мл. Температура раствора в процессе химико-динамического травления повышается от 23°С до 28°С. Время стравливания контактного слоя полупроводниковых структур в одной ванночке ~ 3 мин. Общее время обработки партии из 40 полупроводниковых структур при использовании пяти ванночек без замены раствора составляет ~ 20 мин., (см. таблицу 1).

В сравнении с однослойным расположением полупроводниковых структур в травителе (согласно прототипу) сокращается время обработки и количество расходуемой гидроокиси тетраметиламмония в ~ 1,6 раза за счет более эффективного протекания химической реакции при повышенной температуре, что особенно важно при наличии на поверхности пластин технологических загрязнений. Далее выполняют напыление просветляющего покрытия TiO₂/Al₂O₃ и дисковую резку полупроводниковых структур на чипы фотопреобразователей.