Способ изготовления полупроводникового преобразователя солнечной энергии

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ(71) Заявитель Сычик Василий Андреевич(72) Авторы Сычик Василий Андреевич Латышев Сергей Викторович(73) Патентообладатель Сычик Василий Андреевич(57) Способ изготовления полупроводникового преобразователя солнечной энергии, в котором на металлическом основании с внешним выводом формируют слой диэлектрика,делящий основание на первую и вторую области для формирования первой и второй областей фоточувствительной структуры соответственно, последовательно формируют из одного и того же широкозонного полупроводника -слой на первой области основания,-слой на второй области основания, эпитаксиальный -слой на -слое, эпитаксиальный-слой на -слое, эпитаксиальный -слой на эпитаксиальном -слое, эпитаксиальный слой на эпитаксиальном -слое, формируют варизонный эпитаксиальный -слой на эпитаксиальном -слое и варизонный эпитаксиальный -слой на эпитаксиальном -слое, причем варизонные слои выполняют в виде структуры 121-, например, 1-, с изменением параметраот 1 до 0 в варизонных слоях со стороны широкозонного полупроводника, затем последовательно формируют из одного и того же более широкозонного полупроводника эпитаксиальный -слой на варизонном -слое, эпитаксиальный -слой на варизонном -слое, -слой на эпитаксиальном -слое, -слой на эпитаксиальном -слое,наносят на полученную фоточувствительную структуру, выполненную в виде первой и второй областей, разделенных слоем диэлектрика, просветляющий слой, на свободные от просветляющего слоя участки - и -слоев более широкозонного полупроводника наносят омические контакты, на которых формируют внешние металлические выводы. 18231 1 2014.06.30 Изобретение относится к технологии создания полупроводниковых фоточувствительных приборов с потенциальным барьером, в частности к технологии изготовления преобразователей солнечной энергии. Известен способ изготовления преобразователя солнечной энергии 1, включающий операции образования на поверхности полупроводниковой подложки структуры параллельно расположенных канавок путем механического удаления или травления, нанесения на всю структурированную поверхность пассивирующего слоя и срезания возвышенностей гребней на глубину пассивирующего слоя. На платообразные области, а также на один из скосов каждой области наносят электропроводящий материал. Такой способ изготовления солнечного элемента не позволяет создавать преобразователь солнечной энергии на основе полупроводниковых многослойных структур. Известен также способ изготовления преобразователя солнечной энергии 2, с помощью которого полупроводниковый слой изготовляют путем измельчения полупроводникового материала в порошок, нагрева порошка и спекания до образования полупроводникового слоя. Этот способ изготовления преобразователя солнечной энергии сложен в реализации, трудоемок, энергозатратен. Он также не позволяет создавать преобразователь солнечной энергии на основе полупроводниковых многослойных структур. Прототипом предлагаемого изобретения является способ изготовления полупроводникового преобразователя солнечной энергии с фоточувствительной структурой 3, который включает операции формирования первой и второй - и -областей фоточувствительной структуры при использовании жидкофазной и молекулярно-лучевой эпитаксии,легирования донорной и акцепторной примесью формируемых слоев. Недостатками способа-прототипа являются а) не указана последовательность технологических операций получения первой и второй областей фоточувствительной структуры полупроводникового преобразователя солнечной энергии б) не отражены технологические режимы формирования -, -областей первой и второй областей фоточувствительной структуры полупроводникового преобразователя солнечной энергии в) метод-прототип не позволяет создавать полупроводниковые слои первой и второй областей фоточувствительной структуры с требуемыми электрическими параметрами. Техническим результатом изобретения является разработка способа получения преобразователя солнечной энергии на двойной полупроводниковой структуре с областями обратной проводимости и варизонными слоями, что позволяет существенно увеличить его выходное напряжение, ток и отдаваемую в нагрузку мощность. Поставленная задача решается в способе изготовления полупроводникового преобразователя солнечной энергии, в котором на металлическом основании с внешним выводом формируют слой диэлектрика, делящий основание на первую и вторую области для формирования первой и второй областей фоточувствительной структуры соответственно, последовательно формируют из одного и того же широкозонного полупроводника -слой на первой области основания, -слой на второй области основания, эпитаксиальный -слой на -слое, эпитаксиальный -слой на -слое, эпитаксиальный -слой на эпитаксиальном-слое, эпитаксиальный -слой на эпитаксиальном -слое, формируют варизонный эпитаксиальный -слой на эпитаксиальном -слое и варизонный эпитаксиальный слой на эпитаксиальном -слое, причем варизонные слои выполняют в виде структуры 121-,например 1-, с изменением параметраот 1 до 0 в варизонных слоях со стороны широкозонного полупроводника, затем последовательно формируют из одного и того же широкозонного полупроводника эпитаксиальный -слой на эпитаксиальном -слое,-слой на эпитаксиальном -слое, наносят на полученную фоточувствительную структуру, выполненную в виде первой и второй областей, разделенных слоем диэлектрика, просветляющий слой, на свободные от просветляющего слоя участки - и -слоев более 2 18231 1 2014.06.30 широкозонного полупроводника наносят омические контакты, на которых формируют внешние металлические выводы. Параметры преобразователя солнечной энергии, полученного предлагаемым способом, составляют выходная мощность 4050 мВт/см 2 при интенсивности солнечного излучения 65 мВт/см 2, напряжение 2,6 В, ток 20 мА/см 2, что более чем в три раза выше, чем параметры преобразователя солнечной энергии, изготовленного способом-аналогом. Технология изготовления полупроводникового преобразователя солнечной энергии. На середину заданного участка металлического основания с химически чистой поверхностью, являющегося нижним электродом преобразователя солнечной энергии, наносят методом ионно-плазменного распыления через маску узкий слой диэлектрика,например 2, шириной 4-5 мкм и толщиной 3-4 мкм. Температура нагрева металлического основания составляет 300400 С, а средняя скорость формирования диэлектрика 3040 /с. Молекулярно-лучевой эпитаксией наносят с помощью маски на левую отделенную слоем диэлектрика область основания сильнолегированный донорной примесью монокристаллический слой широкозонного полупроводника -типа проводимости,например , легированныйс концентрацией (15)1019 см-3 толщиной 2,02,5 мкм. Средняя скорость наращивания - составляет 2030 /с, а температура нагрева основания Т 300400 С. Молекулярно-лучевой эпитаксией масочным методом наносят на правую отделенную слоем диэлектрика область основания сильнолегированной акцепторной примесью монокристаллический слой широкозонного полупроводника -типа проводимости, например , легированныйс концентрацией (15)1019 см-3 и толщиной 2,02,5 мкм. Средняя скорость наращивания - составляет 2030 /с, а температура нагрева основания Т 300400 С. На сформированные -слой и -слой широкозонного полупроводника соответственно наносят методом молекулярно-лучевой эпитаксии через соответствующие маски эпитаксиальный -слой широкозонного полупроводника , легированного донорной примесьюс концентрацией 5 1016 см-3 толщиной (0,40,6) мкм, и -слой того же полупроводника , легированного акцепторной примесьюс концентрацией(15) 1016 см-3 толщиной 0,4-0,6 мкм. Средняя скорость наращивания -слоя и -слоя широкозонного полупроводника составляет 2030 /с, а температура нагрева основания Т 300400 С. На -слой и -слой левой и правой областей фоточувствительной структуры наносят методом молекулярно-лучевой эпитаксии через соответствующие маски слои обратной проводимости из того же широкозонного полупроводника , то есть слои - и -типа проводимости, легированные акцепторной примесьюи донорной примесьюс концентрацией ,(15)1016 см-3. Толщина - и -слоев составляет (0,40,6) мкм. Средняя скорость наращивания - и -слоев составляет 2030 /с, а температура нагрева основания Т 300400 С. В результате формируются два перехода фоточувствительной структуры, ширина обедненной области которых составляет 00,65 мкм. Методом молекулярно-лучевой эпитаксии через соответствующие маски формируют на - и -слоях широкозонного полупроводника варизонные слои более широкозонного полупроводникатого же типа проводимости 12(1-), изменяя параметрот 1 до 0 в варизонных слоях со стороны широкозонного полупроводника. Варизонные слои- и -типа проводимости наращивают со средней скоростью 2030 /с с одновременным легированием акцепторной примесью-слоя с концентрацией(15)1016 см-3, и донорной примесью -слояс концентрацией(15)1016 см-3. Температура нагрева основания Т 300400 С. Толщина варизонных - и -слоев составляет 0,50,8 мкм. 18231 1 2014.06.30 Наносят методом молекулярно-лучевой эпитаксии на - и -варизонные слои через соответствующие маски соответственно слой -типа более широкозонного полупроводника , легированный акцепторной примесьюс концентрацией(15)1016 см-3,и слой -типа более широкозонного полупроводника , легированного донорной примесью с(15)1016 см-3. Средняя скорость наращивания - и -слоев более широкозонного полупроводника составляет 2030 /с, температура нагрева основания Т 300400 С, а толщина этих слоев составляет 0,40,6 мкм. На - и -слоях более широкозонного полупроводника методом молекулярно-лучевой эпитаксии через соответствующие маски формируют сильнолегированные слои более широкозонного полупроводника-типа слой, легированный акцепторной примесью с концентрацией(1019 1020 ) см 3 , и -типа слой, легированный донорной примесью(10191020) см-3. Их толщина составляет 0,40,7 мкм. Средняя скорость формирования - и -слоев более широкозонного полупроводника составляет 2030 /с, а температура нагрева основания Т 300400 С. Методом ионно-плазменного распыления или дискретного испарения на - и -слои более широкозонного полупроводника заданных размеров наносят через соответствующие маски просветляющий слой 2 толщиной 0,050,15 мкм. Средняя скорость формирования просветляющего слоя составляет 2040 /с, а температура нагрева основания Т 350400 С. Наносят на свободные от просветляющего слоя участки - и -слоев более широкозонного полупроводника через соответствующие маски электронно-лучевым напылением или электронно-плазменным распылением омические контакты путем последовательного нанесения на-слой структуры суммарной толщиной 1,52,0 мкм и на -слой структуры общей толщиной 1,52,0 мкм. Скорость формирования металлических слоев омического контакта составляет 60100 /с, а температура нагрева основания Т 300400 С. Завершающей операцией способа изготовления преобразователя солнечной энергии является термоотжиг сформированной структуры в инертной среде в течение 1015 мин при температуре 300450 С для создания надежных омических контактов к - и -слоям широкозонного полупроводникаи более широкозонного полупроводника . Пример. Изготовление полупроводникового преобразователя солнечной энергии с фоточувствительной структурой на двух последовательно соединенных и структурах типа(1-)- и р 1 с омическими контактами в соответствии с представленной на фигуре схемой. 1. На алюминиевом основании 1 размером 1010 мм с внешним выводом, приготовленном путем шлифовки, полировки, обезжиривания рабочей поверхности, наносят методом ионно-плазменного распыления через маску 1 на середину алюминиевого основания 1 узкий слой диэлектрика 2 - 2 толщиной 3 мкм и шириной 5 мкм. Средняя скорость формирования слоя 2 составляет 30 /с, а температура алюминиевого основания Т 350 С. 2. Наносят методом молекулярно-лучевой эпитаксии из двух источников через маску 2 на алюминиевое основание 1 первой области фоточувствительной структуры монокристаллический слой широкозонного полупроводника - 3 при одновременном легировании донорной примесью - теллуром с концентрацией 5 1019 см 3 толщиной 2,3 мкм. Скорость наращивания -слоя 3 составляет 30 /с, а температура алюминиевого основания 1 Т 400 С. 3. Наносят методом молекулярно-лучевой эпитаксии из двух источников через маску 3 на алюминиевое основание 1 второй области фоточувствительной структуры монокристаллический слой широкозонного полупроводника -типа 4 при одновременном легировании акцепторной примесью - кадмием с концентрацией 51019 см-3 толщиной 18231 1 2014.06.30 2,3 мкм. Скорость наращивания -слоя 4 составляет /с, а температура нагрева алюминиевого основания 1 Т 400 С. 4. Посредством молекулярно-лучевой эпитаксии из двух источников наносят на сформированный монокристаллический -слой 3 через маску 2 -эпитаксиальный слой широкозонного полупроводника 5 при одновременном легировании донорной примесьюс концентрацией 51016 см-3 толщиной 0,4 мкм. Скорость наращивания-слоя 5 составляет 30 /с, а температура алюминиевого основания 1 Т 400 С. 5. На сформированный монокристаллический -слой 4 наносят молекулярнолучевой эпитаксией их двух источников через маску 3 эпитаксиальный -слой широкозонного полупроводника 6 при одновременном легировании акцепторной примесьюс концентрацией 51019 см-3 толщиной 0,4 мкм. Скорость наращивания -слоя 6 составляет 30 /с, температура алюминиевого основания 1 Т 400 С. 6. Формируют на нарощенном эпитаксиальном -слое 5 эпитаксиальный слой обратной проводимости широкозонного полупроводника, то есть -слой 7, методом молекулярно-лучевой эпитаксии из двух источников через маску 2 при одновременном его легировании акцепторной примесью с концентрацией 51016 см-3. Скорость наращивания -слоя 7 составляет 30 /с, его толщина равна 0,4 мкм, а температура нагрева алюминиевого основания 1 Т 400 С. 7. Наносят на нарощенный эпитаксиальный -слой 6 через маску 3 эпитаксиальный слой обратной проводимости широкозонного полупроводника, то есть -слой 8,методом молекулярно-лучевой эпитаксии из двух источников при одновременном его легировании донорной примесьюс концентрацией 51016 см-3. Скорость наращивания -слоя 8 составляет 30 /с, его толщина равна 0,4 мкм, а температура нагрева алюминиевого основания 1 Т 400 С. В результате на границе контакта -слой 5 -слой 7 и -слой 6 - -слой 8 создаются и переходы суммарной толщиной 00,65 мкм. 8. Методом молекулярно-лучевой эпитаксии из двух источников через маску 2 формируют на -слое 7 варизонный эпитаксиальный -слой 1- 9 более широкозонного полупроводника , изменяя параметрот 1 до 0 в варизонном слое со стороны арсенида галлия. Варизонный -слой 1- 9 наращивают со скоростью 20 /с при одновременном его легировании акцепторной примесьюс концентрацией 51016 см-3. Температура нагрева алюминиевого основания 1 Т 400 С, а толщина варизонного -слоя 9 составляет 0,65 мкм. 9. Наносят на эпитаксиальный -слой 8 через маску 3 методом молекулярнолучевой эпитаксии из двух источников варизонный эпитаксиальный -слой 1- 10 более широкозонного полупроводника , изменяя параметрот 1 до 0 в варизонном слое со стороны . Варизонный -слой 1- 10 наращивают со скоростью 20 /с с одновременным его легированием донорной примесью 51016 см-3. Температура нагрева алюминиевого основания 1 Т 400 С, а толщина варизонного -слоя 10 составляет 0,65 мкм. 10. Формируют на эпитаксиальном -варизонном слое 1- 9 методом молекулярно-лучевой эпитаксии из двух источников через маску 2 эпитаксиальный -слой 11 более широкозонного полупроводника при одновременном его легировании акцепторной примесьюс концентрацией 1016 см-3. Скорость наращивания -слоя 11 составляет 30 /с, температура нагрева алюминиевого основания 1 Т 400 С, а толщина эпитаксиального -слоя 11 равна 0,5 мкм. 11. Методом молекулярно-лучевой эпитаксии из двух источников через маску 3 наносят на -варизонный слой 1- 10 эпитаксиальный -слой 12 более широкозонного полупроводника толщиной 0,5 мкм. Скорость наращивания эпитаксиального-слоя 12 составляет 30 /с, температура алюминиевого основания 1 Т 400 С. 5 18231 1 2014.06.30 12. Формируют методом молекулярно-лучевой эпитаксии из двух источников через маску 2 на -слое 11 сильнолегированный -слой 13 более широкозонного полупроводника толщиной 0,5 мкм при одновременном его легировании акцепторной примесьюс концентрацией 51019 см-3. Температура нагрева алюминиевого основания 1 Т 400 С, а скорость наращивания -слоя 13 составляет 30 /с. 13. Методом молекулярно-лучевой эпитаксии из двух источников наносят через маску 3 на эпитаксиальный -слой 12 сильнолегированный -слой 14 более широкозонного полупроводника толщиной 0,5 мкм при одновременном его легировании акцепторной примесьюс концентрацией 51019 см-3. Скорость наращивания -слоя 14 составляет 30 /с, а температура нагрева алюминиевого основания Т 400 С. 14. Наносят методом ионно-плазменного распыления через маску 4 на заданные участки размером 48 мм -слоя 13 и -слоя 14 просветляющий слой 2 15 толщиной 0,1 мкм. Скорость формирования просветляющего слоя 2 15 составляет 30 /с, а температура нагрева алюминиевого основания Т 400 С. 15. Наносят на свободные от просветляющего слоя 2 15 участки -слоя 13 и-слоя 14 через маску 5 методом электронно-лучевого испарения омические контакты 16 путем последовательного нанесения на -слой 13 структуры -суммарной толщиной 1,8 мкм и на -слой 14 структуры общей толщиной 1,8 мкм. Скорость формирования металлических слоев омического контакта составляет 80 /с, а температура нагрева основания Т 350 С. 16. Осуществляют термоотжиг нанесенных омических контактов 16 в среде аргона в течение 15 мин при температуре 350 С для формирования надежных омических контактов к - и -слоям . 17. Методом пайки или микроконтактной сварки присоединяют к омическим контактам 16 внешние металлические выводы 17. Изготовленный предложенным способом полупроводниковый преобразователь солнечной энергии с фоточувствительной структурой на двух последовательно соединенных и структурах типа 1 и 1- размером рабочей поверхности первой и второй областей фоточувствительной структуры 510 мм каждая позволяет получать при интенсивности солнечного излучения с энергией 65 мВт/см выходную электрическую мощность 40-50 мВт/см 2, максимальное выходное напряжение 2,6 В и максимальный выходной ток 20 м /см 2. Технико-экономические преимущества полупроводникового преобразователя солнечной энергии, полученного предлагаемым способом, в сравнении с базовым устройством,полученным способами-аналогами 1) более чем в 5 раз возрастает выходная мощность 2) более чем в 3 раза возрастает фотоЭДС. Источники информации 1.20122259, МПК 601 31/18. 2.02148876, МПК 601 31/18. 3.90691, МПК 01 31/04, 2007. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6