способ изготовления полупроводникового фотоэлектрического генератора

Формула изобретения

Способ изготовления полупроводникового фотоэлектрического генератора, включающий формирование многослойной n-р-структуры методом эпитаксиального выращивания слоев n- и р-типа на полупроводниковой подложке, формирование металлизации, резание заготовки на матрицы, нанесения просветляющего покрытия и присоединения токоотводов, перед присоединением токоотводов на матрицы подают импульсное напряжение и пробивают обратносмещенные р-n-переходы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электронной технике, а именно к технологии изготовления полупроводниковых фотоэлектрических генераторов.

Известен способ изготовления полупроводникового фотоэлектрического генератора путем диффузии примеси через маску сквозь пластину кремния. Поскольку фото-ЭДС р-n-переходов в образованной n-р-n-структуре направлены встречно, один из р-n-переходов шунтируют путем локального нанесения металлического контакта на одной стороне генератора (патент США №3015762, кл.317-234, 1960 г.).

Недостатком способа является сложная технология изготовления, низкая производительность процесса из-за длительного процесса диффузии и трудность прецизионного шунтирования части р-n-переходов. Другим недостатком является низкая фото-ЭДС за счет больших размеров базовых областей, ограниченных технологией диффузии, которая идет не только вглубь, но и по ширине пластины. Низкая мощность обусловлена большой величиной последовательного сопротивления генератора.

Известный способ изготовления фотоэлектрического генератора состоит в создании диодных n⁺-р-p⁺-структур в пластине кремния путем диффузии фосфора и бора, металлизации, разрезания заготовки на матрицы, нанесения просветляющего покрытия и присоединения токоотводов.

Согласно этому способу заготовку получают соединением большого количества пластин кремния n⁺ -p-р⁺-переходами и омическими контактами большой площади в столбик при помощи пайки металлических контактов.

Недостатками данного способа являются низкое выходное напряжение и мощность генератора, обусловленные технологическим ограничением толщины используемых пластин кремния из-за их хрупкости, а также низкая технологичность и производительность процесса изготовления.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение выходного напряжения и мощности генератора, повышение производительности, технологичности.

В результате использования предлагаемого изобретения увеличивается выходное напряжение и мощность, повышается технологичность и производительность изготовления полупроводникового высоковольтного генератора. Способ обеспечивает высокое качество генераторов.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления полупроводникового фотоэлектрического генератора путем создания р-n-структур на полупроводниковой подложке, металлизации, разрезания заготовки на матрицы, нанесения просветляющего покрытия и присоединения токоотводов, многослойную n-р структуру формируют методом эпитаксиального выращивания слоев n- и р-типа на полупроводниковой подложке, перед присоединением токоотводов на матрицы подают импульсное напряжение и пробивают обратносмещенные р-n-переходы.

На полупроводниковой подложке создают методом эпитаксиального выращивания 10-65 слоев n и p типа толщиной 10-15 мкм и получают заготовку, проводят металлизацию заготовки. Полученную заготовку разрезают на матрицы толщиной 0,3-1,2 мм, подают на матрицы перед присоединением токоотводов импульсное напряжение величиной 60-120 В на р-n-переход при емкости 35-1000 мкФ и пробивают обратносмещенные р-n-переходы.

Сущность прелагаемого способа поясняется фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6.

На фиг.1 представлена модель для определения характеристик n-p-n-перехода до и после пробоя.

На фиг.2 - схема пробойной установки.

На фиг.3 - зависимость напряжения пробоя от емкости пробойной установки.

На фиг.4 - вольт-амперная характеристика модели до пробоя.

На фиг.5 и фиг.6 показана вольт-амперная характеристика модели после пробоя.

На фиг.5 показана зависимость I от U_общ и I от U₁.

На фиг.6 показана зависимость I от U₂.

Создание методом эпитаксиального выращивания многопереходной структуры на полупроводниковой подложке используется в производстве интегральных схем (П.Н.Масленников и др. Оборудование полупроводникового производства. М.: Радио и связь, 1981 г., стр.71-80). Однако при изготовлении полупроводниковых фотоэлектрических генераторов создание методом эпитаксиального выращивания многопереходной структуры не применяется, в основном из-за образования в результате применения эпитаксии n-p-n-...-n-p-структур с обратносмещенными переходами. Образующиеся барьеры не позволяют функционировать полупроводниковому фотоэлектрическому генератору.

Подача импульсного напряжения на матрицы перед присоединением токоотводов и пробивания обратносмещенных p-n-переходов позволяет устранить образующиеся барьеры: в результате пробоя получают последовательную коммутацию n-p-n-...- n-p-структур.

При условии устранения обратносмещенных переходов метод эпитаксиального выращивания при изготовлении полупроводникового фотоэлектрического генератора более технологичен. В прототипе для получения заготовки в каждой отдельной пластине создают диффузией n⁺-р-p ⁺-структуры, проводят металлизацию каждой пластины и т.д., то есть большая часть операций проводится для каждой пластины, а затем проводится сборка в столбик для получения многопереходной структуры.

В предлагаемом способе многопереходную структуру создают одной операцией - эпитаксией, а затем проводят металлизацию готовой заготовки. Пластины в прототипе обрабатываются партиями и для создания 10-65 слойной структуры требуются большие технологические затраты, это более трудоемко, требует больше времени и соответственно ниже производительность, чем для создания многопереходной структуры методом эпитаксии. Увеличение выходной мощности и напряжения генератора в предлагаемом способе происходит за счет устранения потерь внутри матрицы на контакты между отдельными эпитаксиальными р-n-переходами, собранными в столбик, а также за счет структурных изменений, происходящих в процессе пробоя, влияние пробоя на структуру и изменения границ перехода, что подтверждается полученными данными, приведенными на фиг.4, 5 и 6. График на фиг.6 подтверждает устранение обратносмещенных переходов. Величину импульсного напряжения и емкости регулируют в зависимости от количества р-n-структур и устанавливают соответствующую длительность импульса, исключающую разогрев матрицы и влияние температурного фактора на пробой.

Величина напряжения пробоя и величина емкости пробивной установки взаимозависимы: увеличение одного параметра вызывает уменьшение другого и связаны с временем пробоя (временем разряда конденсатора, длительностью импульса поступления напряжения).

Определенной емкости соответствует определенная поступающая на матрицу энергия разряда, если эта энергия недостаточна для мгновенного (импульсного пробоя матрицы) происходит разогрев матрицы и, затем, тепловой пробой, который влечет за собой резкое изменение структуры и другие нежелательные эффекты.

Верхний предел напряжения 120 В соответственно (нижний предел емкости 35 мкФ) был выбран исходя из того, что во первых нецелесообразно применение более мощных пробивных установок из условий технологичности предлагаемого способа: величина напряжения пробоя растет пропорционально увеличению количества слоев и для создания 65 слойной матрицы требуется уже напряжение пробоя в 63-65 раз больше, чем для одного микроэлемента; во-вторых, было замечено, что при более высоких напряжениях наблюдается ухудшение выходных характеристик, по-видимому за счет ухудшения равномерности распространения пробоя по барьеру и изменения структуры в области пробоя.

Нижний предел напряжения 60 В (верхний предел емкости 1000 мкФ) определен из теоретических и экспериментальных исследований на основе того, что при более низких значениях происходит разогрев матриц и тепловой пробой.

В процессе изготовления величину импульсного напряжения и емкости регулируют в зависимости от количества р-n-структур и устанавливают соответствующую длительность импульса. Выбирают либо установочное напряжение пробоя, либо емкость и определяют соответствующее напряжение пробоя.

На фиг.3 приведена зависимость, на основании которой подбирая один из входных параметров (напряжение пробоя или емкость) как установочной можно определять величину другого входного параметра, проводить корректировку в процессе изготовления.

Значения слоев 10-65, их толщины 10-15 мкм и толщины полученных матриц 0,3-1,2 мм определяются, во-первых, исходя из того, что количество слоев, толщина слоев, толщина матриц задают габаритные характеристики генератора, а получаемые согласно предлагаемому способу генераторы должны соответствовать габаритным характеристикам генераторов, изготавливаемых традиционными способами.

Генераторы с количеством слоев меньше 10 могут применяться в конструкциях только с скоммутированными по несколько штук и, следовательно, технологичнее и эффективнее изначально изготавливать генераторы с числом слоев более 10 штук. Верхнее значение количества слоев - 65 определено из того, что технологически большее количество слоев изготавливать сложно, возможен неполный пробоя, неравномерность пробоя по матрице.

Пределы толщины слоев 3-15 мкм связаны с особенностями проведения процесса эпитаксии и с характеристиками существующего эпитаксиального оборудования.

Пример конкретного выполнения способа.

На подложке из кремния n типа создают эпитаксиальную многослойную структуру из 10-65 слоев пир типа толщиной 10-15 мкм.

Металлизацию двух поверхностей структуры осуществляют напылением в вакууме или химическим осаждением металла. После металлизации заготовку облуживают припоем ПОС-60. Разрезают заготовку, например, перпендикулярно плоскости р-n переходов на матрицы толщиной 0,3-1,2 мм.

Полученные многопереходные матрицы с вертикальной n-р-n-р...-структурой механически шлифуют и протравливают в растворе состава HF:HNO ₃=1:2 при комнатной температуре в течение 10-20 секунд для снятия шунтов, матрицы тщательно промывают, сушат.

Затем на поверхности кремния формируют просветляющую пленку из Та₂O₅ или Nb₂O₅. Наносят просветляющее покрытие на матрицу вращающуюся со скоростью свыше 2000 об/мин, и после стабилизации цвета пленки (2-5 сек) выдерживают матрицу в осушенном азоте при температур 500±8°С в течение 7-12 минут.

Далее на матрицы подают импульсное напряжение величиной 60-120 В на один р-n-переход при емкости 35 мкФ и пробивают обратносмещенные р-n-переходы с образованием последовательных коммутаций р-n-структур. Присоединяют к матрицам токоотводы.

Экспериментальные данные, результаты расчетов показывают, что за счет получения заготовки путем создания эпитаксиальной многослойной структуры и пробоя обратносмещенных р-n-переходов происходит увеличение выходного напряжения до величины 0,3-0,6 В на один р-n-переход, увеличение тока и мощности.