Рис.12.Солнечные элементы
солнечных элементов с вертикальными p-n переходами, состоящая из 2-х последовательно соединенных p-n переходов.
Эта структура получена методом твердофазного прямого сращивания двух монокристаллических кремниевых подложек, на которых предварительно с помощью диффузии сформированы n+ и p+ слои.
Солнечные элементы с вертикальными p-n переходами требуют хорошей пассивации фронтальной и тыльной поверхностей. Поскольку долгое время решение задачи пассивации поверхности наталкивалось на неразрешимые трудности, кпд кремниевых солнечных элементов с вертикальными p-n переходами не превышал 8% и планарная конструкция стала основной. Вместе с тем, кремниевые солнечные элементы с вертикальными p-n переходами имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с планарной конструкцией:
о
тсутствуют
взаимно противоречивые требования к
слоевому сопротивлению эмиттера,
спектральной чувствительности, площади
контактной сетки и т.д.
Рис.13. Нагрузочные
характеристики Si солнечных Спектральная
зависимость (1) внутреннего (1) и элементов
с 2-мя вертикальными внешнего (2)
квантового выходов и
p-n
переходами отражения (3)
поскольку на фронтальной и тыльной поверхности таких солнечных элементов нет металлизации, они прозрачны в длинноволновой области спектра за краем основной полосы поглощения. Поэтому их равновесная рабочая температура должна быть ниже, чем у планарного аналога.
Они являются двусторонними и могут служить составной частью каскадных солнечных элементов.
солнечные элементы с вертикальными p-n переходами генерируют, в отличие от планарных, высокое напряжение (за счет последовательного соединения элементов) и малый ток при той же мощности. Это приводит к повышению эффективности батареи, собранной из таких элементов, за счет снижения потерь, возникающих при создании сильноточных элементов.
На рис.13 приведена нагрузочная и спектральная характеристики солнечного элемента с вертикальными p-n переходами. КПД такого элемента составляет 12-14%.
Солнечные элементы с вертикальными p-n переходами, полученные без использования фотолитографии и текстурирования поверхности, позволяют получить спектральные характеристики, не зависящие от длины волны в широком спектральном диапазоне.
Рис.14. Прямые
ВАХ диода, полученного методом прямого
сращивания (1) и диффузионного диода
(2)
На рис.14 представлены прямые ВАХ силовых высоковольтных диодов, полученных методом прямого сращивания. Диоды изготавливались путем сращивания промышленных полированных пластин n-кремния с N=200 Омсм и р-кремния c P=0.005 Омсм. Затем с помощью диффузии создавались приконтактные p+ и n+ слои (см. рис.15). Для сравнения на рис. 14 приведены ВАХ диодов, полученных диффузионным способом. Полная идентичность ВАХ свидетельствует об отсутствии потенциального барьера на p-n переходе.
Рис.15. a
– структура диода, полученного методом
прямого сращивания b
– структура диффузионного диода
При изготовлении силовых приборов преимущества нового метода заключаются в быстроте и небольших затратах энергии при формировании глубоких р-п переходов, а также высоком кристаллическом совершенстве слоев, формирующих p-n переходы, и свободе выбора их толщины и степени легирования. ТПС открывает также возможности формирования резких переходов; возможности создания тонкобазовых многослойных структур на подложках, обеспечивающих их механическую прочность. Следует подчеркнуть, однако, что пока размеры pn-, npn-, и npnp-чипов обычно невелики. Наилучшие результаты известны для p-n-переходов площадью ~ 1см2. Они имеют
коэффициент идеальности вольтамперной характеристики 1,2-2,0 в диапазоне плотностей тока 5∙10-7 – 5∙10-1 А/см2, что не хуже, чем для известных диффузионных аналогов.
SMART-CUT PROCESS
Следующим революционным прорывом явилось объединение в начале 2000-х годов технологии прямого твердофазного сращивания с ионной имплантацией водорода в Smart Cut процессе (см. рис.16).
Рис.16. Smart-Cut process
В этой технологии вначале рабочая пластина высококачественного монокристаллического кремния подвергается ионной имплантации водорода. Параллельно на пластине-подложке заранее выращивается термический окисел для получения в дальнейшем хорошего интерфейса Si/SiO2. Иногда применяют метод, при котором исходная рабочая пластина предварительно термически окисляется перед ионной имплантацией, а затем сращивается с окисленной или неокисленной пластиной- подложкой. На следующем этапе проводится твердофазное прямое сращивание рабочей пластины и пластины, выполняющей роль подложки. Для проведения твердофазного прямого сращивания как обычно обе пластины гидрофилизуют, приводят в контакт и проводят первый отжиг при температуре 400-600 оС.
Имплантированный водород является элементом способным разрушать структуру пластины. Он делает кремний ломким уже при комнатной температуре. Это обусловлено тем, что водород вызывает в кремнии образование микротрещин, лежащих параллельно имплантированной поверхности. Заполнение микротрещин достаточным количеством водорода ведет к образованию макротрещин и пузырей, распространяющихся параллельно сращенному интерфейсу. В результате при термообработке слой кремния, содержащий имплантированные ионы водорода откалывается от рабочей пластины. Толщина слоя монокристаллического кремния, отколотого от рабочей пластины соответствует глубине проникновения ионов водорода в пластину в процессе отжига.
Для упрочнения связи между подложкой и перенесенным слоем кремния проводят дополнительный отжиг при 1100 оС. Поскольку ионы водорода это протоны, имеющие малую массу и размер, слои, подвергшиеся имплантации имеют незначительную атомную разупорядоченность, что приводит к низкой плотности дефектов в рабочих слоях. При высокотемпературном отжиге, проводимом после расщепления рабочей пластины дефекты отжигаются и их плотность в рабочей структуре снижается до нормальных значений. На заключительном этапе рабочая пластина слегка полируется.
Ионная имплантация водорода в Smart Cut процессе играет роль атомного скальпеля, делая возможным перенос ультратонких слоев монокристаллического кремния с пластины-донора на поверхность пластины-подложки. Из данных таблицы 2 видно, что изменяя энергию ионов водорода можно исключительно тонко регулировать толщину формируемых рабочих слоев в широких пределах. Важным моментом является то, что кристаллическое совершенство пластины-подложки может быть достаточно низким. Таким образом, высококачественный кремний расходуется очень экономно.
Таблица 2
Энергия имплантируемых ионов Н+, кЭв |
Толщина перенесенного слоя Si, мкм |
10 |
0.1 |
50 |
0.5 |
100 |
0.9 |
150 |
1.2 |
200 |
1.6 |
500 |
4.7 |
1000 |
13.5 |
В результате удается формировать слои толщиной 0.1 мкм на пластинах диаметром 300 мм. С помощью метода Smart Cut производятся приборы, рабочим элементом которых служит ультратонкая кремниевая мембрана – микроэлектронные приборы (microelectronic systems) и микромеханические системы (microelectromechanical systems – MEMS), а также трехмерные (three-dimensional-3D microcomponents). Исторически одним из наиболее ранних применений метода Smart Cut было изготовление сенсоров давления и акселерометров. Однако наиболее широко этот метод используется для изготовления МОП-транзисторов и биполярных транзисторов с тонкой базой.
Новый метод открывает возможность воспроизводимого получения бездефектных рабочих слоев кремния различной толщины с минимальным разбросом по удельному сопротивлению и толщине и надежной диэлектрической изоляцией за счет термически выращенного разделительного окисла. Все это должно повысить высоковольтность, быстродействие и радиационную стойкость СБИС.
Новый технологический метод открывает широкие возможности изготовления многослойных композиций, содержащих не только кремний, но и другие полупроводниковые материалы, с целью использования каждого из них при разработке приборов различного назначения.
ВОПРОСЫ:
Механизм твердофазного прямого сращивания гидрофильных кремниевых поверхностей.
Энергия связи сращенных пластин и ее зависимость от различных факторов.
Требования к качеству сращиваемых поверхностей.
Smart-Cut process.