способ изготовления чипов фотоэлектрических преобразователей

Формула изобретения

Способ изготовления чипов фотоэлектрических преобразователей на основе многослойной полупроводниковой пластины со структурой n-Ge подложка, p-Al_0,5GaAs и p-Al_0,8GaAs эмиттер, p⁺-GaAs контактный слой, включающий нанесение сплошного металлического омического контакта на тыльную поверхность структуры, локального металлического омического контакта на фронтальную поверхность структуры методом взрывной фотолитографии, вжигание металлических омических контактов, разделение структуры на чипы, пассивацию боковой поверхности чипов диэлектриком, удаление части фронтального контактного слоя структуры методом химического травления и нанесение антиотражающего покрытия на светочувствительную область фронтальной поверхности структуры, при этом разделение структуры на чипы проводят электрохимическим травлением полупроводниковой структуры и германиевой подложки через маску фоторезиста со стороны фронтальной поверхности структуры на глубину 15-50 мкм при внешнем напряжении 9-15 В и при температуре 19-23°С в электролите, содержащем компоненты при следующем их соотношении, г/л:

глицерин	30-50
КОН	1-4
вода	остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности к способу создания фотоэлектрических преобразователей, и может быть использовано в электронной промышленности для преобразования световой энергии в электрическую.

Известен способ изготовления фотопреобразователя (см. патент RU № 2244986 МПК H01L 31/18, опубликован 20.01.2005), заключающийся в том, что на лицевую сторону полупроводниковой пластины со структурой n-Ge подложка, n-GaAs буферный слой, n-GaAs базовый слой, p-GaAs эмиттерный слой, p⁺-GaAlAs широкозонный слой, p ⁺-GaAs контактный слой наносят слой двуокиси кремния. Напыляют слой контактной металлизации на тыл пластины и наращивают тыльный контакт электрохимическим осаждением. Вытравливают слой двуокиси кремния в окнах над контактными областями. Напыляют последовательно слои контактной металлизации хрома и наращивают контакты электрохимическим осаждением серебра и защитного слоя никеля. Удаляют слой двуокиси кремния в окнах по периметру фотопреобразователя и вытравливают слои арсенида галлия до германиевой подложки. Удаляют слой двуокиси кремния, стравливают p⁺-GaAs слой за пределами контактных областей и наносят просветляющее покрытие.

Недостатком данного способа изготовления фотопреобразователей является наличие тока утечки р-n перехода по боковой поверхности, что приводит к ухудшению параметров фотопреобразователя.

Известен способ изготовления фотоэлектрического преобразователя (см. патент US № 5330585, МПК H01L 31/068, опубликован 19.07.1994). Он включает следующие стадии: создание фоточувствительной многослойной структуры; создание пассивирующего слоя или окна из чувствительного к окружающей среде материала (AlGaAs) на поверхности фоточувствительной многослойной структуры; создание контактного слоя из нечувствительного к окружающей среде материала, обладающего электрической проводимостью на поверхности пассивирующего слоя; удаление части контактного слоя для открытия части нижележащего пассивирующего слоя таким образом, чтобы оставшаяся часть контактного слоя осталась на поверхности пассивирующего слоя; создание просветляющего покрытия из нечувствительного к окружающей среде электрически непроводящего материала на вышеуказанной открытой части пассивирующего слоя таким образом, чтобы оставшаяся часть контактного слоя не была закрыта просветляющим покрытием, и чтобы покрытие вместе с оставшейся частью контактного слоя полностью закрывали пассивирующий слой. Далее создают омический контакт из материала, обладающего электрической проводимостью на поверхности оставшейся части контактного слоя, включающий следующие стадии: создание маски на поверхности вышеуказанного просветляющего покрытия таким образом, чтобы оставался зазор между маской и вышеуказанной оставшейся частью контактного слоя; создание слоя из контактного материала на поверхности маски, на части просветляющего покрытия в вышеуказанном зазоре, и на вышеуказанной оставшейся части контактного слоя; удаление маски и вышеуказанного контактного материала, лежащего на маске.

Недостатком данного способа изготовления солнечного элемента является наличие тока утечки р-n перехода по боковой поверхности, что ведет к ухудшению параметров фотопреобразователя.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков является способ изготовления фотопреобразователя (см. заявку RU № 2292610, МПК H01L 31/18, опубликован 27.01.2007), принятый за прототип. Фотопреобразователь изготавливают на основе полупроводниковой пластины со структурой n-Ge подложка, n-GaAs буферный слой, n-GaAs базовый слой, p-GaAs эмиттерный слой, p⁺-GaAlAs широкозонный слой, p⁺-GaAs контактный слой. Способ включает напыление слоя контактной металлизации на тыл пластины, наращивание тыльного контакта электрохимическим осаждением серебра, напыление последовательно слоев контактной металлизации хрома толщиной 200÷400 Å, палладия толщиной 200÷500 Å, серебра толщиной 500÷1500 Å, наращивание контактов электрохимическим осаждением серебра. Далее вытравливают слои арсенида галлия до германиевой подложки через фоторезистивную маску с рисунком окон по периметру фотопреобразователя. Стравливают p⁺-GaAs слой за пределами контактных областей и наносят просветляющее покрытие.

Недостатками способа-прототипа изготовления фотопреобразователя являются отсутствие ровной вертикальной стенки разделительной мезы и значительный ток утечки р-n перехода по боковой поверхности, что приводит к ухудшению параметров фотопреобразователя.

Задачей заявляемого технического решения является улучшение параметров фотопреобразователя за счет создания ровной вертикальной стенки разделительной мезы, посредством травления структуры и германиевой подложки в одном технологическом цикле с использованием одного электролита на основе раствора глицерина и щелочи, и последующего проведения процесса пассивации боковой поверхности чипов.

Поставленная задача достигается тем, что способ изготовления чипов фотоэлектрических преобразователей на основе многослойной полупроводниковой пластины со структурой n-Ge подложка, p-Al _0,5GaAs и р-Al_0,8GaAs эмиттер, p⁺ -GaAs контактный слой включает нанесение сплошного металлического омического контакта на тыльную поверхность структуры, локального металлического омического контакта на фронтальную поверхность структуры методом "взрывной" фотолитографии, вжигание металлических омических контактов, разделение структуры на чипы, пассивацию боковой поверхности чипов диэлектриком, удаление части фронтального контактного слоя структуры методом химического травления и нанесение антиотражающего покрытия на светочувствительную область фронтальной поверхности структуры, при этом разделение структуры на чипы проводят электрохимическим травлением полупроводниковой структуры и германиевой подложки через маску фоторезиста со стороны фронтальной поверхности структуры на глубину 15-50 мкм при внешнем напряжении 9-15 В и при температуре 19-23°С в электролите, содержащем компоненты при следующем их соотношении, г/л:

глицерин	30-50
КОН	1-4
вода	остальное.

Использование электрохимического метода травления и электролита заявляемого состава для травления полупроводниковой структуры и германиевой подложки обусловлено отсутствием строгой селективности травления по отношению к слоям данных составов, что позволяет осуществлять травление в одном технологическом цикле и, следовательно, создать ровную вертикальную разделительную мезу, что обеспечивает наилучшую пассивацию боковой поверхности чипов.

При глубине разделительного травления меньше 15 мкм невозможно разделение структуры на отдельные солнечные элементы. При глубине травления более 50 мкм невозможна дальнейшая работа с полупроводниковой структурой из-за ее хрупкости. При содержании глицерина меньше 30 г/л, при содержании КОН меньше 1 г/л в электролите, используемом для травления структуры и германиевой подложки, падает скорость травления, ухудшается морфология поверхности травления и, следовательно, ухудшаются условия для оптимальной пассивации боковой поверхности чипов, сильно увеличивается время травления и, следовательно, трудозатраты на изготовление фотопреобразователя. При содержании глицерина больше 50 г/л ухудшается морфология поверхности травления. При содержании КОН больше 4 г/л происходит подтравливание под маску фоторезиста, через которую проводится травление, и, следовательно, осуществляется травление светочувствительной поверхности фотопреобразователя, что приводит к резкому ухудшению его параметров. При внешнем напряжении меньше 9 В травление идет неравномерно и медленно, на поверхности образуется окисный слой, препятствующий травлению. При напряжении больше 15 В происходит подтравливание под маску фоторезиста и, следовательно, осуществляется травление светочувствительной поверхности фотопреобразователя. При температуре меньше 19°С уменьшается скорость травления, что приводит к ухудшению морфологии поверхности и к увеличению трудозатрат на изготовление фотопреобразователя. При температуре больше 23°С увеличивается скорость травления, что приводит к подтравливанию под маску фоторезиста.

Заявляемое техническое решение поясняется иллюстрациями, где:

на фиг.1 приведено схематическое изображение полупроводниковой структуры и германиевой подложки;

на фиг.2 показано напыление тыльного и лицевого омических контактов;

на фиг.3 изображено электрохимическое осаждение контактов;

на фиг.4 показано травление разделительной мезы;

на фиг.5 приведен процесс пассивации боковой поверхности чипов;

на фиг.6 показано локальное химическое травление контактного слоя структуры;

на фиг.7 приведен процесс напыления просветляющего покрытия.

Заявляемый способ изготовления чипов фотоэлектрических преобразователей осуществляют на основе многослойной полупроводниковой пластины, состоящей из n-Ge подложки 1 и полупроводниковой структуры 2, содержащей p-Al_0,5GaAs 3 и

р-Al _0,8GaAs 4 эмиттер 5, p⁺-GaAs контактный слой 6 (см. фиг.1). Процесс изготовления чипов фотоэлектрического преобразователя ведут в несколько стадий: осуществляют химическое травление тыльной стороны структуры на глубину 20-30 мкм в травителе, например, СР4, проводят напыление сплошного тыльного металлического омического контакта 7 (см. фиг.2) толщиной 0,4-0,5 мкм методом вакуумно-термического испарения, например, на установке вакуумный универсальный пост ВУП-5М. Проводят очистку фронтальной поверхности структуры методом ионно-лучевого травления, например, на установке ионно-лучевого травления Rokappa IBE на глубину 0,005-0,1 мкм. Осуществляют напыление локального металлического омического контакта 8 (см. фиг.2) толщиной 0,2-0,4 мкм на фронтальную поверхность структуры методом "взрывной" фотолитографии путем вакуумно-термического испарения, например, на установке ВУП-5М. Проводят вжигание металлических омических контактов при температуре 410-430°С в течение 10-60 с. Осуществляют электрохимическое осаждение тыльного и лицевого металлических омических контактов 9 (см. фиг.3) толщиной 1,6-3,5 мкм через маску фоторезиста последовательным нанесением золота, никеля и вновь золота. Проводят разделительное травление, т.е. создают разделительную мезу 10 (см. фиг.4), полупроводниковой структуры и германиевой подложки на глубину 15-50 мкм через маску фоторезиста при температуре 19-23°С в электролите, содержащем компоненты при следующем их соотношении, г/л:

глицерин	30-50
КОН	1-4
вода	остальное,

при внешнем напряжении 9-15 В.

Осуществляют пассивацию боковой поверхности чипов нанесением слоя нитрида кремния 11 (см. фиг.5) методом плазмохимического осаждения при пониженном давлении с использованием ВЧ плазмы на установке плазмохимического осаждения диэлектриков Rokappa PCVD. Проводят локальное химическое травление контактного слоя структуры 12 (см. фиг.6) в местах, свободных от омического контакта для открытия светочувствительной поверхности солнечного элемента в две стадии: на первой стадии осуществляют удаление окислов в травителе, содержащем компоненты при следующем их соотношении, г/л:

NH4OH	2-3
H 2O2	6-7
вода	остальное,

на второй стадии осуществляют полное стравливание контактного слоя структуры до стоп-слоя AlGaAs в травителе, содержащем компоненты при следующем их соотношении, г/л:

лимонная кислота	550-570
H 2O2	60-70

Осуществляют напыление антиотражающего покрытия 13 (см. фиг.7) методом вакуумно-термического испарения на установке ВУП-5М последовательным напылением слоев ZnS толщиной 0,045 мкм и MgF₂ толщиной 0,095 мкм в свободных от омических контактов местах через окна в магнитной маске.

Пример 1

Были изготовлены чипы фотоэлектрического преобразователя на основе многослойной полупроводниковой пластины со структурой n-Ge подложка, р-Al _0,5GaAs толщиной 80 нм и p-Al_0,8GaAs эмиттер толщиной 40 нм, p⁺-GaAs контактный слой толщиной 300 нм. Процесс изготовления чипов фотоэлектрических преобразователей осуществляли в несколько стадий. Проводили химическое травление тыльной стороны структуры на глубину 20 мкм в травителе СР4, осуществляли напыление сплошного тыльного металлического омического контакта толщиной 0,5 мкм путем вакуумно-термического испарения на установке ВУП-5М последовательным напылением слоев сплава, содержащего золото 90 мас.% и германий 10 мас.%, никеля и золота. Проводили очистку фронтальной поверхности структуры на установке ионно-лучевого травления Rokappa IBE на глубину 0,005 мкм. Напыляли локальный металлический омический контакт толщиной 0,2 мкм на фронтальную поверхность структуры через маску фоторезиста методом "взрывной" фотолитографии путем вакуумно-термического испарения на установке ВУП-5М последовательным напылением слоев хрома и золота. Проводили вжигание металлических омических контактов при температуре 420°С 30 с. Осуществили электрохимическое осаждение металлического омического контакта толщиной 3,5 мкм через маску фоторезиста последовательным нанесением золота, никеля и вновь золота. Проводили разделительное травление полупроводниковой структуры и германиевой подложки на глубину 15 мкм через маску фоторезиста при температуре 19°С в электролите, содержащем компоненты при следующем их соотношении, г/л:

глицерин	50
КОН	4
вода	остальное,

при внешнем напряжении 9 В.

Осуществили пассивацию боковой поверхности чипов нанесением слоя нитрида кремния методом плазмохимического осаждения при пониженном давлении с использованием ВЧ плазмы на установке плазмохимического осаждения диэлектриков Rokappa PCVD. Осуществили локальное химическое травление контактного слоя структуры в местах, свободных от омического контакта, в две стадии: на первой стадии в травителе, содержащем компоненты при следующем их соотношении, г/л:

NH4OH	3
Н2 О2	7
вода	остальное,

на второй стадии в травителе, содержащем компоненты при следующем их соотношении, г/л:

лимонная кислота	570
H 2O2	70
вода	остальное.

Напыляли антиотражающее покрытие на установке ВУП-5М последовательным напылением слоев ZnS толщиной 0,045 мкм и MgF₂ толщиной 0,095 мкм в свободных от омических контактов местах через окна в магнитной маске.

Пример 2

Были изготовлены чипы фотоэлектрического преобразователя способом, описанным в примере 1, со следующими отличиями: разделительное травление полупроводниковой структуры и германиевой подложки проводили на глубину 50 мкм при температуре 23°С в электролите, содержащем компоненты при следующем их соотношении, г/л:

глицерин	50
КОН	4
вода	остальное,

при внешнем напряжении 9 В.

Пример 3

Были изготовлены чипы фотоэлектрического преобразователя способом, описанным в примере 1, со следующими отличиями: разделительное травление полупроводниковой структуры и германиевой подложки проводили на глубину 50 мкм при температуре 23°С в электролите, содержащем компоненты при следующем их соотношении, г/л:

глицерин	50
КОН	4
вода	остальное,

при внешнем напряжении 15 В.

Пример 4

Были изготовлены чипы фотоэлектрического преобразователя способом, описанным в примере 1, со следующими отличиями: разделительное травление полупроводниковой структуры и германиевой подложки проводили на глубину 15 мкм при температуре 23°С в электролите, содержащем компоненты при следующем их соотношении, г/л:

глицерин	30
КОН	1
вода	остальное,

при внешнем напряжении 15 В.

Пример 5

Были изготовлены чипы фотоэлектрического преобразователя способом, описанным в примере 1, со следующими отличиями: разделительное травление полупроводниковой структуры и германиевой подложки проводили на глубину 15 мкм при температуре 19°С в электролите, содержащем компоненты при следующем их соотношении, г/л:

глицерин	30
КОН	1
вода	остальное,

при внешнем напряжении 15 В.

Пример 6

Были изготовлены чипы фотоэлектрического преобразователя способом, описанным в примере 1, со следующими отличиями: разделительное травление полупроводниковой структуры и германиевой подложки проводили на глубину 15 мкм при температуре 19°С в электролите, содержащем компоненты при следующем их соотношении, г/л:

глицерин	30
КОН	4
вода	остальное,

при внешнем напряжении 15 В.

Пример 7

Были изготовлены чипы фотоэлектрического преобразователя способом, описанным в примере 1, со следующими отличиями: разделительное травление полупроводниковой структуры и германиевой подложки проводили на глубину 50 мкм при температуре 23°С в электролите, содержащем компоненты при следующем их соотношении, г/л:

глицерин	50
КОН	1
вода	остальное,

при внешнем напряжении 9 В.

Пример 8

Были изготовлены чипы фотоэлектрического преобразователя способом, описанным в примере 1, со следующими отличиями: разделительное травление полупроводниковой структуры и германиевой подложки проводили на глубину 50 мкм при температуре 19°С в электролите, содержащем компоненты при следующем их соотношении, г/л:

глицерин	30
КОН	1
вода	остальное,

при внешнем напряжении 9 В.

Пример 9

Были изготовлены чипы фотоэлектрического преобразователя способом, описанным в примере 1, со следующими отличиями: разделительное травление полупроводниковой структуры и германиевой подложки проводили на глубину 40 мкм при температуре 20°С в электролите, содержащем компоненты при следующем их соотношении, г/л:

глицерин	40
КОН	2
вода	остальное,

при внешнем напряжении 10 В.

Пример 10

Были изготовлены чипы фотоэлектрического преобразователя способом, описанным в примере 1, со следующими отличиями: разделительное травление полупроводниковой структуры и германиевой подложки проводили на глубину 25 мкм при температуре 22°С в электролите, содержащем компоненты при следующем их соотношении, г/л:

глицерин	35
КОН	1
вода	остальное,

при внешнем напряжении 10 В.

Проведение процесса создания чипов фотоэлектрических преобразователей с соблюдением вышеуказанных параметров позволило получить ровную вертикальную стенку разделительной мезы, осуществить оптимальную пассивацию боковой поверхности чипов, тем самым устранить утечки р-n перехода и улучшить параметры фотопреобразователей.