фотоэлектрический преобразователь и способ его изготовления (варианты)

Формула изобретения

1. Фотопреобразователь с двухсторонней рабочей поверхностью из пластин кремния, содержащий диодные структуры с n ⁺-p (p⁺-n) переходом на лицевой поверхности кремниевой пластины и изотопными p-p⁺(n-n ⁺) переходами в базовой области на тыльной поверхности кремниевой пластины, у которых площади и конфигурации металлических контактов на лицевой и тыльной поверхностях совпадают в плане, а толщина фотопреобразователя соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, отличающийся тем, что диодные структуры выполнены в виде отдельных скоммутированных контактами участков, совмещенных в плане на лицевой и тыльной поверхности с участками, на которые нанесены контакты, расстояние между отдельными соседними участками с n⁺ -р (p⁺-n) переходами на лицевой поверхности не превышает удвоенную диффузионную длину неосновных носителей тока в базовой области, а на лицевой поверхности, свободной от n⁺-p (р⁺-n) перехода, и на тыльной поверхности, свободной от контактов, расположена пассивирующая, антиотражающая пленка.

2. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что конфигурация и площадь изотопных р-p⁺ (n-n⁺) переходов на тыльной стороне совпадает с конфигурацией и площадью диодных структур с n⁺-р (р⁺ -n) переходами на лицевой поверхности, расстояние между отдельными участками с изотопным р-p⁺(n-n ⁺) переходом на тыльной поверхности не превышает диффузионную длину неосновных носителей в базовой области, на тыльной поверхности, свободной от изотопного р-p⁺(n-n ⁺) перехода, расположена пассивирующая, антиотражающая пленка.

3. Фотопреобразователь с двухсторонней рабочей поверхностью из пластин кремния, содержащий диодные структуры с n⁺-p (р⁺-n) переходами на лицевой поверхности кремниевой пластины и изотипными р-р ⁺ (n-n⁺) переходами в базовой области на тыльной поверхности кремниевой пластины, у которого площади и конфигурации металлических контактов на лицевой и тыльной поверхности совпадают в плане, а толщина фотопреобразователя соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, отличающийся тем, что диодные структуры выполнены в виде отдельных скоммутированных контактами участков, совмещенных в плане на лицевой и тыльной поверхности с участками, на которые нанесены контакты, расстояние между отдельными соседними участками с р ⁺-n (n⁺-р) переходами, а также между отдельными соседними участками с р⁺-р (n ⁺-n) изотипным и переходами не превышает диффузионную длину неосновных носителей тока в базовой области, на поверхностях, свободных от n⁺-p (р⁺ -n) переходов и p⁺-p (n ⁺-n) изотипных переходов, выполнена пассивирующая, антиотражающая пленка, на которой как с лицевой, так и с тыльной сторон расположены нанокластеры с линейным размером 10-100 нм из атомов металлов, расстояние между которыми в 2-4 раза превышает размеры нанокластеров.

4. Способ изготовления фотоэлектрических преобразователей с двухсторонней рабочей поверхностью из пластин кремния по п.1 или 2, включающий химическое травление поверхности кремния, создание на лицевой стороне пассивирующей, антиотражающей пленки и окон в этой пленке, легирование кремния в окнах соответственно донорной и акцепторной примесью на глубину более 0,5 мкм для формирования р-n переходов с использованием термообработки и нанесение в окна металлического контакта, отличающийся тем, что окна шириной 1-50 мкм создают в пассивирующей, антиотражающей пленке из Si _xN_y, размещают окна друг от друга на расстоянии, не превышающем удвоенную диффузионную длину, а от торца фотопреобразователя на расстоянии, не превышающем диффузионную длину неосновных носителей заряда в базовой области, и всю поверхность окон покрывают металлическим контактом, создают на тыльной стороне пассивирующую, антиотражающую пленку Si_x N_y, в пленке, вскрывают окна шириной 1-50 мкм, совмещая в плане с окнами на лицевой поверхности, размещают окна друг от друга на расстоянии, не превышающем удвоенную диффузионную длину, а от торца фотопреобразователей на расстоянии, не превышающем диффузионную длину неосновных носителей заряда в базовой области, проводят легирование кремния в окнах с использованием термообработки до образования изотипных переходов, всю поверхность кремния в окнах покрывают металлическим контактом.

5. Способ изготовления фотоэлектрических преобразователей с двухсторонней рабочей поверхностью из пластин кремния по п.3, включающий химическое травление поверхности кремния, создание на лицевой стороне пассивирующей, антиотражающей пленки и окон в этой пленке, легирование кремния в окнах соответственно донорной и акцепторной примесью на глубину более 0,5 мкм для формирования р-n переходов с использованием термообработки и нанесение в окна металлического контакта, отличающийся тем, что окна шириной 1-50 мкм создают в пассивирующей, антиотражающей пленке из Si_xN_y, размещают окна друг от друга на расстоянии, не превышающем удвоенную диффузионную длину, а от торца фотопреобразователя на расстоянии, не превышающем диффузионную длину неосновных носителей заряда в базовой области, и всю поверхность окон покрывают металлическим контактом, создают на тыльной стороне пассивирующую, антиотражающую пленку Si_xN_y, в пленке, вскрывают окна шириной 1-50 мкм, совмещая в плане с окнами на лицевой поверхности, размещают окна друг от друга на расстоянии, не превышающем удвоенную диффузионную длину, а от торца фотопреобразователей на расстоянии, не превышающем диффузионную длину неосновных носителей заряда в базовой области, проводят легирование кремния в окнах с использованием термообработки до образования изотипных переходов, всю поверхность кремния в окнах покрывают металлическим контактом, на обе поверхности фотопреобразователя, свободные от контактов, на пассивирующую диэлектрическую пленку наносят нанокластеры из металлов размером 10-100 нм с расстоянием между нанокластерами 30-100 нм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области конструкции и технологии изготовления оптоэлектронных приборов, а именно фотоэлектрических преобразователей (ФП).

Известна конструкция и способ изготовления кремниевых ФП в виде диодной структуры с р-n-переходом на лицевой стороне, токосъемными металлическими контактами к легированному слою в форме гребенки, сплошным тыльным контактом и антиотражающим покрытием на лицевой (рабочей) стороне (книга «Полупроводниковые фотопреобразователи» Васильев А.М., Ландсман А.П., М., «Советское Радио», 1971 г.). Процесс изготовления ФП основан на диффузионном легировании лицевой стороны фосфором, химическом осаждении никелевого контакта, избирательном травлении контактного рисунка и нанесении антиотражающего покрытия. Недостатком получаемых ФП является сравнительно большая глубина р-n-перехода и, как следствие, невысокое значение их кпд.

Известна конструкция и способ изготовления кремниевых ФП с мелкозалегающим р-n-переходом на большей части лицевой стороны и глубоким р-n-переходом под металлическими контактами (Green M.A., Blakers A.W. et al. Improvements in flat-plate and concentrator silicon solar cell efficiency // 19th IEEE Photovolt. Spec. Conf., New Orleans, 1987. - P.49-52). Процесс изготовления включает проведение следующих операций на лицевой стороне: диффузионное легирование на глубину менее 0,5 мкм, термическое окисление, лазерное скрайбирование канавок, химическое травление кремния в канавках, диффузионное легирование поверхности канавок на глубину более 1 мкм и электрохимическое осаждение никеля и меди в канавки. Недостатком получаемых ФП является увеличение толщины первоначально созданного легированного слоя во время диффузионного легирования канавок и, как следствие, недостаточно высокое кпд ФП.

Известна конструкция и способ изготовления ФП с окисной пленкой на лицевой стороне, свободной от легированных слоев и контактов, которые создаются на тыльной стороне в виде чередующихся, точечных, сильно легированных областей, образующих р-n-переходы и изотипные переходы (Sinton R.A., Swanson R.M. An optimization study of Si point-contact concentrator solar cell // 19 ^th IEEE Photovolt. Spec. Conf., New Orleans, 1987. N.Y., 1987. - P.1201-1208). Недостатком этих ФП является необходимость неоднократного проведения операций фотолитографического травления, что усложняет процесс изготовления и повышает стоимость ФП.

В качестве прототипа принята конструкция ФП с двухсторонней рабочей поверхностью с диодной n⁺-р-р ⁺ структурой, у которого конфигурация и площадь контактов на тыльной стороне совпадают в плане с конфигурацией и площадью контактов с рабочей стороны, а толщина базовой области не превышает диффузионную длину неосновных носителей заряда (патент США № 3948682, кл. 136/84, от 06.04.1976 г.). Недостатком прототипа является наличие на всей рабочей и тыльной поверхностях сильно легированного слоя, верхние слои которого имеют очень низкую диффузионную длину неосновных носителей заряда, что снижает кпд таких ФП.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение стоимости изготовления и повышение кпд ФП.

Технический результат достигается тем, что в фотопреобразователе с двухсторонней рабочей поверхностью, содержащем диодные структуры с n ⁺-р (р⁺-n) переходом на лицевой поверхности кремниевой пластины и изотипными р-p⁺ (n-n ⁺) переходами в базовой области на тыльной поверхности кремниевой пластины, у которых площади и конфигурации металлических контактов на лицевой и тыльной поверхностях совпадают в плане, а толщина фотопреобразователя соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, диодные структуры выполнены в виде отдельных скоммутированных контактами участков, совмещенных в плане на лицевой и тыльной поверхностях с участками, на которые нанесены контакты, расстояние между отдельными соседними участками с n⁺-р (n⁺ -n) переходами на лицевой поверхности не превышает удвоенную диффузионную длину неосновных носителей тока в базовой области, а на лицевой поверхности, свободной от n⁺ -р (р⁺-n) перехода, и на тыльной поверхности, свободной от контактов, расположена пассивирующая, антиотражающая пленка.

Дополнительное увеличение кпд достигается тем, что конфигурация и площадь изотипных p-р⁺ (n-n⁺) переходов совпадает с конфигурацией и площадью диодных структур с n⁺-р (р ⁺-n) переходами на лицевой поверхности, расстояние между отдельными участками с изотипным р-р⁺(n-n ⁺) переходом на тыльной поверхности не превышает диффузионную длину неосновных носителей в базовой области, на тыльной поверхности, свободной от изотипного р-р⁺ (n-n ⁺) перехода, расположена пассивирующая, антиотражающая пленка.

В варианте конструкции фотопреобразователя с двухсторонней рабочей поверхностью, содержащем диодные структуры с n ⁺-р (р⁺-n) переходами на лицевой поверхности кремниевой пластины и изотипными р-p ⁺ (n-n⁺) переходами в базовой области на тыльной поверхности кремниевой пластины, у которого площади и конфигурации металлических контактов на лицевой и тыльной поверхностях совпадают в плане, а толщина фотопреобразователя соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, диодные структуры выполнены в виде отдельных скоммутированных контактами участков, совмещенных в плане на лицевой и тыльной поверхностях с участками, на которые нанесены контакты, расстояние между отдельными соседними участками с р⁺ -n (n⁺-р) переходами, а также между отдельными соседними участками с р⁺-р (n ⁺-n) изотипными переходами не превышает диффузионную длину неосновных носителей тока в базовой области, на поверхностях, свободных от n⁺-р (р⁺ -n) переходов и р⁺-р (n ⁺-n) изотипных переходов, выполнена пассивирующая, диэлектрическая пленка, на которой как с лицевой, так и с тыльной сторон расположены нанокластеры с линейным размером 10-100 нм из атомов металлов, расстояние между которыми в 2-4 раза превышает размеры нанокластеров.

В способе изготовления фотоэлектрических преобразователей с двухсторонней рабочей поверхностью из пластин кремния, включающем химическое травление поверхности, создание на лицевой стороне пассивирующей, антиотражающей пленки и окон в этой пленке, легирование кремния в окнах соответственно донорной и акцепторной примесью на глубину более 0,5 мкм для формирования р-n переходов с использованием термообработки и нанесение в окна металлического контакта, окна шириной 1-50 мкм создают в пассивирующей, антиотражающей пленке из Si_xN_y, размещают окна друг от друга на расстоянии, не превышающем удвоенную диффузионную длину, а от торца фотопреобразователя на расстоянии, не превышающем диффузионную длину неосновных носителей заряда в базовой области, и всю поверхность окон покрывают металлическим контактом, создают на тыльной стороне пассивирующую, антиотражающую пленку Si _xN_y, в пленке вскрывают окна шириной 1-50 мкм, совмещая в плане с окнами на лицевой поверхности, размещают окна друг от друга на расстоянии, не превышающем удвоенную диффузионную длину, а от торца фотопреобразователей на расстоянии, не превышающем диффузионную длину неосновных носителей заряда в базовой области, проводят легирование окон с использованием термообработки до образования изотипных переходов, всю поверхность кремния в окнах покрывают металлическим контактом.

Для повышения величины кпд фотоэлектрических преобразователей с двухсторонней рабочей поверхностью из пластин кремния, способ изготовления включает химическое травление поверхности, создание на лицевой стороне пассивирующей, антиотражающей пленки и окон в этой пленке, легирование кремния в окнах соответственно донорной и акцепторной примесью на глубину более 0,5 мкм для формирования р-n переходов с использованием термообработки и нанесение в окна металлического контакта, окна шириной 1-50 мкм создают в пассивирующей, антиотражающей пленке из Si_xN_y, размещают окна друг от друга на расстоянии, не превышающем удвоенную диффузионную длину, а от торца фотопреобразователя на расстоянии, не превышающем диффузионную длину неосновных носителей заряда в базовой области, и всю поверхность окон покрывают металлическим контактом, создают на тыльной стороне пассивирующую, антиотражающую пленку Si _xN_y, в пленке вскрывают окна шириной 1-50 мкм, совмещая в плане с окнами на лицевой поверхности, размещают окна друг от друга на расстоянии, не превышающем удвоенную диффузионную длину, а от торца фотопреобразователей на расстоянии, не превышающем диффузионную длину неосновных носителей заряда в базовой области, проводят легирование окон с использованием термообработки до образования изотипных переходов, всю поверхность кремния в окнах покрывают металлическим контактом, на обе поверхности фотопреобразователя, свободные от контактов, на пассивирующую, диэлектрическую пленку наносят нанокластеры из металлов размером 10-100 нм с расстоянием между нанокластерами 30-100 нм.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, 2 и 3, где в сечении показаны основные элементы конструкции двухсторонних ФП с изотопным переходом по всей тыльной поверхности (фиг.1), в виде отдельных участков с n⁺ -p-p⁺ диодными структурами под контактами (фиг.2) и с нанокластерами между контактными участками (фиг.3). На фиг.1 ФП состоит из пластины кристаллического кремния с базовой областью 1, n⁺-р (р⁺ -n) переходом 2, изотопного p⁺-p (n ⁺-n) перехода 3, металлических контактов 4 к р ⁺-n (n⁺-n) переходам 2 и металлическому контакту 5 к изотопному n-n⁺ (р-р ⁺) переходу 3. Площадь участков с р-n переходами составляет 1-10% от площади фотопреобразователя/

Конфигурация и площадь контактов 4 и 5 совпадают в плане между собой и с конфигурацией и площадью участков с р⁺-n (n ⁺-р) переходами 2. Расстояние l₁ между участками с р⁺-n (n ⁺-р) переходами 2 соизмеримо с удвоенной диффузионной длиной L неосновных носителей заряда в базовой области 7, т.е. диффузионной длиной электронов L_n в базовой области 1 р-типа или диффузионной длиной дырок L_p в базовой области 1 р-типа. Расстояние l₂ между участками с контактами 4 к р⁺-n (n⁺-р) переходам равно расстоянию l ₃ между контактами 5 к изотипному р-р⁺ (n⁺-n) переходу и также равно расстоянию l₁ между участками с р⁺ -n (n⁺-р) переходами 2.

l ₁=l₂=l₃.

На поверхности ФП с р⁺-n (n ⁺-р) переходами 2 и на противоположной поверхности ФП с изотипным р⁺-р (n⁺ -n) переходом 3, свободной от контактов 4 и 5, нанесена просветляющая пассивирующая пленка 6, например, из нитрида кремния. Толщина базовой области 1 ФП d не превышает диффузионную длину L ФП в базовой области 1, d L.

На фиг.2 участки с изотипными p ⁺-p (n⁺-n) переходами 7 совпадают в плане с участками с р⁺-n (n ⁺-р) переходами 2 и с участками с контактами 4 к р ⁺-n (n⁺-р) переходам 2 и с контактами 5 к изотипным р⁺-р (n⁺ -n) переходам. Расстояние l₄ между участками с р⁺-р (n⁺-n) переходами 7 равно l₁, l₂ и l₃.

l₁=l ₂=l₃=l₄.

Поверхность ФП, свободная от участков с изотипными р ⁺-р (n⁺-n) переходами 7, содержит пассивирующее просветляющее покрытие 6, например, из нитрида кремния Si_xN_y.

На фиг.3 на поверхности пассивирующего, диэлектрического покрытия 6 с двух сторон ФП нанесены нанокластеры 8 с линейным размером l₅ 10-100 нм из атомов металлов, расстояние l₆ между которыми в 2-5 раз превышает размеры нанокластеров, l₆=(2-5)l ₅. В качестве нанокластеров используют атомы серебра, золота, никеля и других металлов.

Примеры изготовления ФП.

Пример 1. Используются пластины из моно- или мультикристаллического кремния толщиной d=200 мкм р- или n-типа проводимости с диффузионной длиной 200 мкм. Путем легирования на тыльной стороне создают изотипный переход. С лицевой стороны поверхность кремния текстурируют травлением в щелочном растворе и покрывают обе стороны при нагревании пленкой нитрида кремния типа Si_xN _y осаждением из парогазовой фазы, содержащей моносилан и азот. С помощью скрайбирования поверхности лучом лазера или твердосплавным резцом (при ширине менее 10 мкм целесообразно использовать фотолитографию), создают в пленке Si _xN_y окна шириной 1-50 мкм, расположенные друг от друга на расстоянии l₁, не превышающем 400 мкм. l₁=l₂=l ₃=l₄=400 мкм. Травлением в щелочи удаляют на лицевой стороне нарушенный слой кремния с поверхности окон и термической диффузией легируют кремний в окнах, соответственно, донорной или акцепторной примесью, обеспечивающей создание р-n-перехода на глубине 1-2 мкм. Фотолитографией с помощью маски из фоторезиста создают на тыльной стороне контактные окна. Химическим или электрохимическим осаждением создают металлический контакт последовательно из слоев никеля-меди-олова по всей поверхности окон на лицевой и тыльной сторонах.

В результате получается конструкция ФП, представленная на фиг.1, где на лицевой стороне контакты и участки с р-n-переходом занимают менее 10% площади поверхности лицевой стороны. Граница р-n-перехода заканчивается под пассивирующей пленкой Si _xN_y, что обеспечивает низкий ток утечки ФП. Большая часть лицевой стороны (более 90%) свободна от легированных слоев и имеет низкую скорость поверхностной рекомбинации за счет пленки Si_xN_y . Высокий кпд и большой фототок обеспечивается низкой скоростью поверхностной и объемной рекомбинации неосновных носителей заряда из областей в промежутке между окнами, поскольку большинство носителей успевает дойти до р-n-перехода, размещенного на стенках окон на расстоянии, не превышающем диффузионную длину неосновных носителей заряда.

Пример 2. На поверхности пластины кремния р-типа создают с двух сторон при нагревании в высокочастотном разряде в газе, содержащем моносилан и азот, пленку нитрида кремния типа SixNy, которая пассивирует поверхность кремния и снижает потери света на отражение. С помощью лазера создают в пленке нитрида кремния окна на лицевой и тыльной сторонах, совмещенные в плане. Путем диффузии или ионной имплантации создают с лицевой стороны n⁺-р переход 2, а на тыльной стороне изотипный p⁺-p переход 3. На обе стороны в окна наносят путем напыления, сеткографии или химического осаждения контакты 2 и 5 в виде участков, совмещенных в плане таким образом, чтобы полная площадь участков с контактами не превышала 10% от общей площади ФП, а расстояние l₁ и l ₃ между участками с контактами не превышало удвоенной диффузионной длины L_n электронов в базовой области р-типа: l₂=l₁ 2L_n. В результате получаем конструкцию изображенную на фиг.2, которая более эффективно работает при освещении с двух сторон.

Пример 3. Изготовление ФП проходит все этапы, указанные в примере 2. Процесс изготовления завершается нанесением на пассивирующую, диэлектрическую пленку, например, центрифугированием коллоидного раствора или вакуумным напылением, нанокластеров 8 из атомов серебра, золота или никеля размером 10-100 нм с расстоянием между нанокластерами 30-100 нм.

В результате получаем ФП, изображенный на фиг.3. ФП работает следующим образом. Излучение попадает на одну или обе поверхности ФП, проникает в базовую область 1 и создает неравновесные пары носителей заряда: электроны и дырки. Другая часть излучения попадает на нанокластеры 8, которые играют роль резонаторов и переизлучают падающее излучение в базовую область 1, увеличивая функцию генерации в области базы 1. Генерированные избыточные неравновесные неосновные носители заряда ускоряются электрическим полем изотипного р-р ⁺ перехода 6 по направлению к р-п-переходу 2 и разделяются в электрическом поле п⁺-р перехода 2 и через контактные участки 4 поступают в электрическую цепь (на фиг. не показана), а затем замыкаются в контактах 5.

Следует отметить, что указанные примеры осуществления никак не ограничивают притязания заявителя, которые могут быть определены прилагаемой формулой изобретения, и множество модификаций и усовершенствований может быть сделано в рамках настоящего изобретения. Например, рассмотренные конструкции и технологии изготовления ФП позволяют создавать ФП с двухсторонней рабочей поверхностью, у которых фототок и кпд отличаются при освещении с каждой стороны не более чем на 20%, а также ФП, прозрачные для инфракрасной части спектра излучения, лежащей за краем ₀ собственного поглощения, ₀ 1,1 мкм для кремния и ₀>1,8 мкм для германия.

Достоинством предложенной конструкции является малый темновой ток насыщения и низкая скорость поверхностной рекомбинации на поверхностях ФП, которые влияют на фотоЭДС V₀ и фототок I_ф.

ФотоЭДС определяется выражением:

где А - коэффициент;

к - постоянная Больцмана;

Т - температура ФП;

q - заряд электрона;

I _s - темновой ток насыщения.

где j_s - плотность темнового тока насыщения, А/см²;

S _p-n - площадь участков с p⁺-n (n ⁺-р) переходом;

где j_ф - плотность фототока, А/см²;

S_ФП - площадь ФП.

Для обычного планарного ФП S _p-nS_ф. Для предлагаемой конструкции двухстороннего ФП площадь ФП удваивается, а площадь участков с р-n-переходами составит:

Подставляя (2), (3) и (4) в (1), получим, что отношение , увеличивается в 20 раз по сравнению со значением для обычного планарного ФП, что и приводит к увеличению фотоЭДС и рабочего напряжения ФП. Сильнолегированные участки с р ⁺-n (n⁺-р) переходами имеют более высокую скорость поверхностной и объемной рекомбинации, снижающей фототок. Снижение площади этих участков с p⁺ -n (n⁺-p) переходами снижает рекомбинационные потери и увеличивает фототок и кпд фотопреобразователя.