RU2662254C1 - Method of manufacture of semiconductor structure containing a p-n junction under porous silicon film for implementation of a photoelectric converter - Google Patents
Method of manufacture of semiconductor structure containing a p-n junction under porous silicon film for implementation of a photoelectric converter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2662254C1 RU2662254C1 RU2017120708A RU2017120708A RU2662254C1 RU 2662254 C1 RU2662254 C1 RU 2662254C1 RU 2017120708 A RU2017120708 A RU 2017120708A RU 2017120708 A RU2017120708 A RU 2017120708A RU 2662254 C1 RU2662254 C1 RU 2662254C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- porous silicon
- phosphorus
- junction
- film
- semiconductor structure
- Prior art date
Links
- 229910021426 porous silicon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 46
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 22
- 238000000034 method Methods 0.000 title abstract description 15
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 claims abstract description 20
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 20
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 17
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 12
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 8
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 8
- QPJSUIGXIBEQAC-UHFFFAOYSA-N n-(2,4-dichloro-5-propan-2-yloxyphenyl)acetamide Chemical compound CC(C)OC1=CC(NC(C)=O)=C(Cl)C=C1Cl QPJSUIGXIBEQAC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 235000011007 phosphoric acid Nutrition 0.000 claims abstract description 7
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 abstract description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 11
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 10
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 6
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 5
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 4
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 2
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- MPNNOLHYOHFJKL-UHFFFAOYSA-N peroxyphosphoric acid Chemical compound OOP(O)(O)=O MPNNOLHYOHFJKL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RLOWWWKZYUNIDI-UHFFFAOYSA-N phosphinic chloride Chemical compound ClP=O RLOWWWKZYUNIDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000009738 saturating Methods 0.000 description 1
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 1
- HJELPJZFDFLHEY-UHFFFAOYSA-N silicide(1-) Chemical compound [Si-] HJELPJZFDFLHEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- -1 silver-aluminum Chemical compound 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F71/00—Manufacture or treatment of devices covered by this subclass
- H10F71/121—The active layers comprising only Group IV materials
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F71/00—Manufacture or treatment of devices covered by this subclass
- H10F71/121—The active layers comprising only Group IV materials
- H10F71/1224—The active layers comprising only Group IV materials comprising microcrystalline silicon
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/545—Microcrystalline silicon PV cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к области изготовления полупроводниковых структур с p-n-переходом и может быть использовано для изготовления фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) солнечной энергии.The invention relates to the manufacture of semiconductor structures with a p-n junction and can be used for the manufacture of photovoltaic converters (PEC) of solar energy.
Уровень техникиState of the art
Из существующего уровня техники известен способ изготовления ФЭП с p-n-переходом под пленкой пористого кремния, заключающийся в следующем [1]. Производится формирование р-n-перехода на поверхности зеркально полированной кремниевой пластины р-типа проводимости, с удельным сопротивлением 1 Ом⋅см и ориентацией (100) методом термической диффузии фосфора при температуре 920°C в течение 8 минут из жидкого источника POCl3. Затем с поверхности удаляется фосфоросиликатное стекло и с помощью плазменного травления изолируются паразитные краевые p-n-переходы. Далее методом трафаретной печати создают проводящую серебряную контактную сетку на фронтальной поверхности и серебряно-алюминиевый контакт к тыльной поверхности. На заключительном этапе формируют пленку пористого кремния на фронтальной поверхности в электролите HF:HNO3:H2O в течение 20 секунд [1]. Пленка пористого кремния играет роль антиотражающего покрытия.From the existing level of technology there is a known method of manufacturing a photomultiplier with a pn junction under a film of porous silicon, which consists in the following [1]. A pn junction is formed on the surface of a mirror-polished p-type silicon wafer with a resistivity of 1 Ohm⋅cm and orientation (100) by thermal diffusion of phosphorus at a temperature of 920 ° C for 8 minutes from a POCl 3 liquid source. Then phosphorosilicate glass is removed from the surface and parasitic edge pn junctions are isolated by plasma etching. Next, a conductive silver contact grid on the front surface and a silver-aluminum contact to the back surface are created by screen printing. At the final stage, a porous silicon film is formed on the front surface in the HF: HNO 3 : H 2 O electrolyte for 20 seconds [1]. A porous silicon film plays the role of an antireflection coating.
Недостатком данного способа является то, что пленку пористого кремния формируют после изготовления p-n-перехода и контактной сетки на фронтальной поверхности, при этом проводники контактной сетки могут быть повреждены агрессивными компонентами электролита (в первую очередь HNO3). Другим существенным недостатком способа, предложенного в [1] является то, что ФЭП формируется на зеркально полированной подложке, в то время как применение текстурированной подложки позволяет существенно снизить потери света на отражение и повысить эффективность ФЭП [2]. Также важным недостатком способа, предложенного в [1], является возможность прокола p-n-перехода нижней границей растущей пленки пористого кремния, что приведет к возникновению рекомбинационно-генерационных дефектов в области пространственного заряда и снизит эффективность ФЭП.The disadvantage of this method is that a porous silicon film is formed after the manufacture of the pn junction and the contact grid on the front surface, while the conductors of the contact grid can be damaged by aggressive components of the electrolyte (primarily HNO 3 ). Another significant drawback of the method proposed in [1] is that the photomultiplier is formed on a mirror-polished substrate, while the use of a textured substrate can significantly reduce the reflection light loss and increase the photoconductor efficiency [2]. Another important disadvantage of the method proposed in [1] is the possibility of puncturing the pn junction with the lower boundary of the growing film of porous silicon, which will lead to the appearance of recombination-generation defects in the space charge region and reduce the efficiency of the photomultiplier.
Известен способ изготовления ФЭП с пленкой пористого кремния [3], включающий легирование фосфором лицевой стороны пластин кремния, избирательное нанесение металлических контактов на контактные участки кремния и создание просветляющей пленки пористого кремния между контактными участками, отличающийся тем, что после легирования поверхности пластин кремния на нее наносят кислотостойкую защитную маску в форме контактного рисунка, погружением в кислотный раствор, на свободных от маски участках поверхности кремния создают пленку пористого кремния и после удаления маски на занимаемые ею участки кремния проводят избирательное осаждение металлических контактов. Дополнительное повышение эффективности ФЭП в изобретении [3] достигается тем, что при создании p-n-перехода толщину легированного фосфором слоя на участках образования пористого кремния делают меньше, чем на контактных участках.A known method of manufacturing a photomultiplier with a film of porous silicon [3], including doping with phosphorus the front side of the silicon wafers, the selective deposition of metal contacts on the contact areas of silicon and the creation of an antireflection film of porous silicon between the contact areas, characterized in that after doping the surface of the silicon wafers on it is applied an acid-resistant protective mask in the form of a contact pattern, by immersing in an acid solution, a porous film is created on silicon-free areas of the surface of the mask of silicon, and after removing the mask on lots of silicon occupied by it is carried out the selective deposition of metal contacts. An additional increase in the efficiency of PECs in the invention [3] is achieved by the fact that when creating a p-n junction, the thickness of the phosphorus-doped layer in the areas of porous silicon formation is less than in the contact areas.
Недостатком данного изобретения является добавление операций создания на фронтальной и тыльной сторонах ФЭП кислотостойкой полимерной маски в форме будущего контактного рисунка между процессами формирования p-n-перехода и роста пленки пористого кремния. Это приводит к увеличению трудоемкости технологического процесса изготовления ФЭП. Другим недостатком изобретения [3] является необходимость проведения двойной диффузии для того, чтобы глубина залегания p-n-перехода на контактных участках была больше, чем на участках, покрытых пористым кремнием. Это приведет к увеличению продолжительности технологического процесса изготовления ФЭП, повышению трудоемкости. Кроме того, возрастает вероятность прокола р-n-перехода нижней границей растущей пленки пористого кремния, что приведет к возникновению рекомбинационно-генерационных дефектов в области пространственного заряда и снизит эффективность ФЭП.The disadvantage of this invention is the addition of the operations of creating an acid-resistant polymer mask in the form of a future contact pattern between the processes of formation of the p-n junction and the growth of a film of porous silicon on the front and back sides of the photomultiplier. This leads to an increase in the complexity of the manufacturing process of solar cells. Another disadvantage of the invention [3] is the need for double diffusion so that the depth of the pn junction in the contact areas is greater than in areas coated with porous silicon. This will lead to an increase in the duration of the manufacturing process of photovoltaic cells, increasing the complexity. In addition, the probability of a pn junction being punctured by the lower boundary of the growing porous silicon film increases, which will lead to the appearance of recombination-generation defects in the space charge region and decrease the efficiency of the photomultiplier.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является солнечный элемент с улучшенной эффективностью и способ его изготовления, включающий в себя формирование пористого слоя на поверхности полупроводниковой подложки; распыление соединения, содержащего диффузант на пористом слое; формирование эмиттерного слоя на поверхности полупроводниковой подложки путем диффузии легирующей примеси [4].The closest technical solution to the claimed invention is a solar cell with improved efficiency and a method for its manufacture, including the formation of a porous layer on the surface of a semiconductor substrate; spraying a compound containing a diffusant on the porous layer; the formation of the emitter layer on the surface of the semiconductor substrate by diffusion of the dopant [4].
Недостаток данного изобретения состоит в том, что формирование пористого слоя и нанесение диффузанта - две отдельные операции. Это увеличивает трудоемкость изготовления ФЭП и требует дополнительного оборудования на этапе нанесения диффузанта на поверхность пористого слоя.The disadvantage of this invention is that the formation of a porous layer and the application of a diffusant are two separate operations. This increases the complexity of the manufacture of solar cells and requires additional equipment at the stage of applying a diffusant to the surface of the porous layer.
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа изготовления полупроводниковой структуры, содержащей p-n-переход под пленкой пористого кремния и предназначенной для реализации ФЭП.The problem to which the invention is directed, is to provide a method for manufacturing a semiconductor structure containing a pn junction under a film of porous silicon and intended for the implementation of photomultiplier.
Для решения этой задачи предложено выращивать пленку пористого кремния, содержащую в своем объеме примесь диффузанта - фосфора, на поверхности монокристаллической кремниевой подложки р-типа электрохимическим анодным травлением в электролите, состоящем из плавиковой кислоты (HF), этанола (С2Н5ОН) и ортофосфорной кислоты (H3PO4), после чего проводится термическая диффузия фосфора из пленки пористого кремния с примесью фосфора в монокристаллическую кремниевую подложку.To solve this problem, it was proposed to grow a porous silicon film containing a diffusant-phosphorus admixture on the surface of a p-type single crystal silicon substrate by electrochemical anodic etching in an electrolyte consisting of hydrofluoric acid (HF), ethanol (C 2 H 5 OH), and phosphoric acid (H 3 PO 4 ), followed by thermal diffusion of phosphorus from a film of porous silicon with an admixture of phosphorus in a single-crystal silicon substrate.
Сущность изобретения заключается в использовании для выращивания на поверхности монокристаллической кремниевой подложки пленки пористого кремния с примесью фосфора, электролита, состоящего из плавиковой кислоты (HF), этанола (С2Н5ОН) и ортофосфорной кислоты (H3PO4), после чего для формирования p-n-перехода проводится термическая диффузия фосфора из пленки пористого кремния в монокристаллическую кремниевую подложку.The invention consists in the use of a film of porous silicon with an admixture of phosphorus, an electrolyte consisting of hydrofluoric acid (HF), ethanol (C 2 H 5 OH) and orthophosphoric acid (H 3 PO 4 ) for growing on the surface of a single-crystal silicon substrate The formation of the pn junction is carried out by thermal diffusion of phosphorus from a film of porous silicon into a single-crystal silicon substrate.
Технический результат от использования изобретения заключается в получении полупроводниковой структуры с p-n-переходом под пленкой пористого кремния, которая играет роль антиотражающего покрытия, способствуя увеличению эффективности преобразования ФЭП, также минимизируется число технологических операций, снижается трудоемкость и повышается производительность процесса изготовления ФЭП, что важно в условиях массового производства.The technical result from the use of the invention is to obtain a semiconductor structure with a pn junction under a porous silicon film, which plays the role of an antireflection coating, contributing to an increase in the conversion efficiency of the photomultiplier, the number of technological operations is also minimized, the labor input is reduced, and the productivity of the photomultiplier manufacturing process is increased, which is important in the conditions mass production.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Способ изготовления полупроводниковой структуры, содержащей р-n-переход под пленкой пористого кремния для реализации ФЭП, заключается в следующем.A method of manufacturing a semiconductor structure containing a pn junction under a film of porous silicon for the implementation of PECs is as follows.
Технологический процесс изготовления полупроводниковой структуры проводится в два этапа:The manufacturing process of a semiconductor structure is carried out in two stages:
1) рост пленки пористого кремния, содержащей примесь фосфора на поверхности кремниевой монокристаллической подложки р-типа;1) the growth of a porous silicon film containing an admixture of phosphorus on the surface of a p-type silicon single-crystal substrate;
2) термическая диффузия фосфора из пленки пористого кремния в монокристаллическую подложку.2) thermal diffusion of phosphorus from a film of porous silicon into a single crystal substrate.
В результате формируется n+-р-переход в монокристаллическом кремнии в непосредственной близости от границы раздела слоя пористого кремния и подложки.As a result, an n + p junction is formed in single-crystal silicon in the immediate vicinity of the interface between the porous silicon layer and the substrate.
Пленка пористого кремния изготавливается методом анодного электрохимического травления монокристаллической кремниевой пластины р-типа проводимости. Электролит представляет собой состав HF:C2H5OH:H3PO4 с соотношением компонентов 1:1:1. При указанном соотношении компонентов формируются наиболее качественные пленки пористого кремния в широком диапазоне значений плотностей тока (10-50 мА/см2) анодного электрохимического травления. При увеличении содержания ортофосфорной кислоты формировались рыхлые пленки пористого кремния с большим содержанием аморфной фазы и плохой адгезией с подложкой. Во время высушивания в сушильном шкафу после изготовления такие пленки частично отслаиваются и разрушаются.A porous silicon film is produced by anodic electrochemical etching of a p-type single crystal silicon wafer. The electrolyte is a composition of HF: C 2 H 5 OH: H 3 PO 4 with a ratio of components 1: 1: 1. With the indicated ratio of components, the most high-quality films of porous silicon are formed in a wide range of current densities (10-50 mA / cm 2 ) of anodic electrochemical etching. With an increase in the content of orthophosphoric acid, loose films of porous silicon with a high content of amorphous phase and poor adhesion with the substrate were formed. During drying in an oven after manufacture, such films are partially peeled off and broken.
Диффузия фосфора из пленки пористого кремния в монокристаллическую кремниевую подложку р-типа проводимости осуществлялась в один этап в течение 10 минут при температуре 1100°C.Diffusion of phosphorus from a porous silicon film into a single-crystal silicon p-type substrate was carried out in one step for 10 minutes at a temperature of 1100 ° C.
Проводились сравнительные измерения спектров отражения фронтальных поверхностей предлагаемой полупроводниковой структуры, содержащей p-n-переход под пленкой пористого кремния и традиционного кремниевого ФЭП с p-n-переходом и антиотражающей пленкой фосфоросиликатного стекла. Спектры отражения (фиг. 1) измерялись при облучении образцов вдоль нормали к поверхности светом от лампы накаливания. Отраженное излучение регистрировалось под углом 15° относительно нормали к поверхности образца объективом спектрометра USB-4000-VIS-NIR (Ocean Optic, США) в диапазоне длин волн 350-1050 нм.Comparative measurements were made of the reflection spectra of the front surfaces of the proposed semiconductor structure containing a pn junction under a film of porous silicon and a traditional silicon PEC with a pn junction and an antireflection film of phosphorosilicate glass. The reflection spectra (Fig. 1) were measured by irradiating the samples along the normal to the surface with light from an incandescent lamp. The reflected radiation was recorded at an angle of 15 ° relative to the normal to the surface of the sample with the objective of a USB-4000-VIS-NIR spectrometer (Ocean Optic, USA) in the wavelength range of 350-1050 nm.
Сравнение кривых 1 и 2 на фиг. 1 показывает, что отражательная способность фронтальной поверхности предлагаемой полупроводниковой структуры с p-n-переходом под пленкой пористого кремния и традиционного кремниевого ФЭП близки в рассматриваемом спектральном диапазоне. Поэтому предлагаемая полупроводниковая структура перспективна для применения в качестве ФЭП.A comparison of
Измерения методом поверхностной термоэдс, которые проводились после термической диффузии и полного стравливания пористого слоя в водном растворе HF, показали, что поверхность монокристаллического кремния имеет n-тип проводимости. Следовательно, произошло диффузионное легирование монокристаллического кремния фосфором из пористого слоя.Measurements by the surface thermopower method, which were carried out after thermal diffusion and complete etching of the porous layer in an aqueous HF solution, showed that the surface of single-crystal silicon has n-type conductivity. Consequently, diffusion doping of single-crystal silicon with phosphorus from the porous layer occurred.
Для исследования созданного p-n-перехода проводились измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) и вольт-фарадных характеристик (ВФХ) обсуждаемой полупроводниковой структуры при температуре 300 K.To study the created pn junction, we measured the current – voltage (I – V) characteristics and the capacitance – voltage (V – V) characteristics of the semiconductor structure under discussion at a temperature of 300 K.
Прямая ветвь ВАХ (фиг. 2) характерна для диода с p-n-переходом и может быть представлена зависимостьюThe direct branch of the I – V characteristic (Fig. 2) is characteristic of a diode with a pn junction and can be represented by the dependence
где I - ток через диод при прямом смещении,where I is the current through the diode at forward bias,
q - элементарный заряд,q is the elementary charge,
U - приложенное внешнее напряжение смещения,U is the applied external bias voltage,
n - показатель неидеальности р-n-перехода,n is an indicator of the non-ideality of the pn junction,
Т - абсолютная температура [2].T is the absolute temperature [2].
Для исследуемой партии, состоящей из 10 образцов, изготовленных при одинаковых условиях, величина n изменялась в пределах 0,8-1,3. Следовательно, при прямом смещении токопрохождение определяется рекомбинацией носителей в области пространственного заряда р-n-перехода [2].For the investigated batch, consisting of 10 samples made under the same conditions, the value of n varied in the range of 0.8-1.3. Therefore, with forward bias, the current passage is determined by the recombination of carriers in the space charge region of the pn junction [2].
Вольт-фарадная характеристика исследуемого p-n-перехода была измерена с помощью цифрового измерителя иммитанса Е7-20 (МНИЛИ, Белоруссия) на частоте 1 МГЦ. На фиг. 3 измеренная ВФХ представлена в виде зависимости барьерной емкости p-n-перехода от напряжения смещения в координатах С-2=f(V).The capacitance-voltage characteristic of the pn junction under study was measured using an E7-20 digital immitance meter (MNILI, Belarus) at a frequency of 1 MHz. In FIG. 3, the measured C – V characteristic is presented as the dependence of the barrier capacitance of the pn junction on the bias voltage in the coordinates C -2 = f (V).
Так как ВФХ в координатах С-2=f(V) (фиг. 3) практически линейна, то исследуемый p-n-переход можно считать резким. Значение концентрации мелкой акцепторной примеси в базовой области исследуемой структуры, определенное по наклону прямой на фиг. 3, составляет 1,41⋅1016 см-3. Это значение близко к концентрации акцепторной примеси в монокристаллической кремниевой подложке (1,50⋅1016 см-3), которая является базовой областью исследуемой полупроводниковой структуры.Since the C – V characteristic in coordinates C -2 = f (V) (Fig. 3) is almost linear, the pn junction under investigation can be considered sharp. The value of the concentration of fine acceptor impurities in the base region of the investigated structure, determined by the slope of the straight line in FIG. 3, is 1.41⋅10 16 cm -3 . This value is close to the concentration of the acceptor impurity in a single-crystal silicon substrate (1.50⋅10 16 cm -3 ), which is the base region of the studied semiconductor structure.
На основании полученных экспериментальных данных можно заключить, что предлагаемая полупроводниковая структура с р-n- переходом под пленкой пористого кремния пригодна для создания ФЭП.Based on the obtained experimental data, it can be concluded that the proposed semiconductor structure with a pn junction under a film of porous silicon is suitable for the creation of PECs.
Физико-химические процессы насыщения пленки пористого кремния фосфором при ее формировании способом анодного электрохимического травления можно объяснить следующим образом.The physicochemical processes of saturation of a porous silicon film with phosphorus during its formation by anodic electrochemical etching can be explained as follows.
Процесс формирования пленки пористого кремния при анодном электрохимическом травлении монокристаллического кремния в электролите, состоящем из HF и С2Н5ОН, достаточно подробно описан в [5].The process of formation of a porous silicon film during anodic electrochemical etching of single-crystal silicon in an electrolyte consisting of HF and C 2 H 5 OH is described in detail in [5].
Электролиз ортофосфорной кислоты согласно [6] можно представить химическим уравнением:The electrolysis of phosphoric acid according to [6] can be represented by the chemical equation:
откуда следует, что вблизи анода, в роли которого выступает монокристаллическая кремниевая пластина с формирующимся пористым слоем, образуется пероксофосфорная кислота
в результате данной реакции в растворе электролита опять образуется ортофосфорная кислота [6].As a result of this reaction, phosphoric acid is again formed in the electrolyte solution [6].
Одновременно с ростом пленки пористого кремния происходит насыщение пространства между кремниевыми кристаллитами пероксопирофосфорной кислотой. Последующий термический отжиг приводит к диффузии фосфора в монокристаллическую подложку и наиболее крупные кремниевые кристаллиты, приводя к образованию р-n-перехода.Simultaneously with the growth of the porous silicon film, the space between the silicon crystallites of peroxopyrophosphoric acid is saturated. Subsequent thermal annealing leads to the diffusion of phosphorus into the single crystal substrate and the largest silicon crystallites, leading to the formation of a pn junction.
Таким образом, предлагаемый способ изготовления полупроводниковой структуры с p-n-переходом под пленкой пористого кремния обладает следующими преимуществами:Thus, the proposed method of manufacturing a semiconductor structure with a p-n junction under a film of porous silicon has the following advantages:
1. Отсутствует возможность прокола p-n-перехода нижней границей пленки пористого кремния, так как p-n-переход формируется после выращивания пленки пористого кремния на поверхности монокристаллической кремниевой подложки.1. There is no possibility of puncturing the pn junction with the lower boundary of the porous silicon film, since the pn junction is formed after growing the porous silicon film on the surface of a single-crystal silicon substrate.
2. Формирование пленки пористого кремния позволит реализовать ФЭП с более высокой эффективностью преобразования солнечного излучения за счет снижения отражательной способности фронтальной поверхности, по сравнению с техническим решением, предложенным в [1].2. The formation of a porous silicon film will make it possible to realize a photomultiplier with a higher conversion efficiency of solar radiation due to a decrease in the reflectivity of the front surface, in comparison with the technical solution proposed in [1].
3. Предложенный способ совмещает процесс формирования слоя пористого кремния, играющего роль антиотражающего слоя ФЭП, и насыщения его примесью диффузанта (фосфора). В результате минимизируется число технологических операций, снижается трудоемкость и повышается производительность процесса изготовления ФЭП, что важно в условиях массового производства.3. The proposed method combines the process of forming a layer of porous silicon, which plays the role of an antireflection layer of the photomultiplier, and saturating it with an admixture of a diffusant (phosphorus). As a result, the number of technological operations is minimized, the labor input is reduced, and the productivity of the photomultiplier manufacturing process is increased, which is important in mass production.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Фиг. 1. Спектры отражения фронтальной поверхности полупроводниковой структуры с p-n-переходом под пленкой пористого кремния (1) и традиционного ФЭП (2).FIG. 1. Reflection spectra of the front surface of a semiconductor structure with a p-n junction under a film of porous silicon (1) and a traditional PEC (2).
Фиг. 2. Вольт-амперная характеристика полупроводниковой структуры с p-n-переходом при T=300 K.FIG. 2. The current – voltage characteristic of a semiconductor structure with a p – n junction at T = 300 K.
Фиг. 3. Вольт-фарадная характеристика полупроводниковой структуры с p-n-переходом при T=300 K.FIG. 3. Capacitance – voltage characteristic of a semiconductor structure with a pn junction at T = 300 K.
ЛитератураLiterature
1. Chaoui R., Messaoud A. Screen-printed solar cells with simultaneous formation of porous silicon selective emitter and antireflection coating / Desalination, 209, 2007, p. 118-121.1. Chaoui R., Messaoud A. Screen-printed solar cells with simultaneous formation of porous silicon selective emitter and antireflection coating / Desalination, 209, 2007, p. 118-121.
2. С. Зи. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х томах, т. 2. - М.: Мир, 1984, 456 с.2. S. Zee. Physics of semiconductor devices: In 2 volumes, vol. 2. - M.: Mir, 1984, 456 p.
3. Заддэ В.В., Стребков Д.С., Поляков В.И., Старшинов И.П. Способ изготовления фотопреобразователей с пленкой пористого кремния / Патент RU 2151449.3. Zadde V.V., Strebkov D.S., Polyakov V.I., Starshinov I.P. A method of manufacturing photoconverters with a film of porous silicon / Patent RU 2151449.
4. Solar cell and its method of manufacture / United States patent US 8.227.881 B2, Jul. 24, 2012.4. Solar cell and its method of manufacture / United States patent US 8.227.881 B2, Jul. 24, 2012.
5. Горячев Д.Н., Беляков Л.В., Сресели O.M. Формирование толстых слоев пористого кремния при недостаточной концентрации неосновных носителей // Физика и техника полупроводников. 2004. Т. 38. №6. С. 739-744.5. Goryachev D.N., Belyakov L.V., Siteli O.M. The formation of thick layers of porous silicon with an insufficient concentration of minority carriers // Physics and Technology of Semiconductors. 2004.V. 38. No. 6. S. 739-744.
6. Лидин, Р.А. Химические свойства неорганических веществ [Текст] / Р.А. Лидин, В.А. Молочко, Л.Л. Андреева. - М.: КолосС, 2006. - 480 с.6. Lidin, R.A. Chemical properties of inorganic substances [Text] / R.A. Lidin, V.A. Milk, L.L. Andreeva. - M .: KolosS, 2006 .-- 480 p.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017120708A RU2662254C1 (en) | 2017-06-13 | 2017-06-13 | Method of manufacture of semiconductor structure containing a p-n junction under porous silicon film for implementation of a photoelectric converter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017120708A RU2662254C1 (en) | 2017-06-13 | 2017-06-13 | Method of manufacture of semiconductor structure containing a p-n junction under porous silicon film for implementation of a photoelectric converter |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2662254C1 true RU2662254C1 (en) | 2018-07-25 |
Family
ID=62981518
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017120708A RU2662254C1 (en) | 2017-06-13 | 2017-06-13 | Method of manufacture of semiconductor structure containing a p-n junction under porous silicon film for implementation of a photoelectric converter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2662254C1 (en) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2151449C1 (en) * | 1999-01-15 | 2000-06-20 | Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства | Method for producing photoelectric transducers with porous silicon film |
| US20070238216A1 (en) * | 2006-04-05 | 2007-10-11 | Sang-Wook Park | Solar cell and its method of manufacture |
| RU2330352C1 (en) * | 2006-10-31 | 2008-07-27 | Фонд поддержки науки и образования | Method of obtaining photosensitive structure |
| WO2009108479A1 (en) * | 2008-02-29 | 2009-09-03 | International Business Machines Corporation | Porous silicon quantum dot photodetector |
| CN101916797A (en) * | 2010-07-14 | 2010-12-15 | 江苏林洋太阳能电池及应用工程技术研究中心有限公司 | Polysilicon selective emitter solar cell manufacture process |
| US20140127849A1 (en) * | 2010-09-20 | 2014-05-08 | Thomas Pass | Method of fabricating a solar cell |
| CN104328503A (en) * | 2014-08-28 | 2015-02-04 | 奥特斯维能源（太仓）有限公司 | Polycrystalline silicon roughening method through diamond wire cutting |
-
2017
- 2017-06-13 RU RU2017120708A patent/RU2662254C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2151449C1 (en) * | 1999-01-15 | 2000-06-20 | Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства | Method for producing photoelectric transducers with porous silicon film |
| US20070238216A1 (en) * | 2006-04-05 | 2007-10-11 | Sang-Wook Park | Solar cell and its method of manufacture |
| RU2330352C1 (en) * | 2006-10-31 | 2008-07-27 | Фонд поддержки науки и образования | Method of obtaining photosensitive structure |
| WO2009108479A1 (en) * | 2008-02-29 | 2009-09-03 | International Business Machines Corporation | Porous silicon quantum dot photodetector |
| CN101916797A (en) * | 2010-07-14 | 2010-12-15 | 江苏林洋太阳能电池及应用工程技术研究中心有限公司 | Polysilicon selective emitter solar cell manufacture process |
| US20140127849A1 (en) * | 2010-09-20 | 2014-05-08 | Thomas Pass | Method of fabricating a solar cell |
| CN104328503A (en) * | 2014-08-28 | 2015-02-04 | 奥特斯维能源（太仓）有限公司 | Polycrystalline silicon roughening method through diamond wire cutting |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7368653B2 (en) | Solar cells and photovoltaic modules | |
| US20220123158A1 (en) | Efficient black silicon photovoltaic devices with enhanced blue response | |
| US7838400B2 (en) | Rapid thermal oxide passivated solar cell with improved junction | |
| JP5490231B2 (en) | SOLAR CELL DEVICE, ITS MANUFACTURING METHOD, AND SOLAR CELL MODULE | |
| JP6285545B2 (en) | Solar cell element and solar cell module | |
| CN107026218B (en) | Method of making solar cells | |
| KR101654691B1 (en) | A method for cleaning the surface of a silicon substrate | |
| Kafle et al. | On the emitter formation in nanotextured silicon solar cells to achieve improved electrical performances | |
| EP2782146A1 (en) | Solar cell with reduced potential induced degradation and manufacturing method thereof | |
| US20090205705A1 (en) | Method for Fabricating a Semiconductor Component With a Specifically Doped Surface Region Using Out-Diffusion, and Corresponding Semiconductor Component | |
| US20090084440A1 (en) | Semiconductor photovoltaic devices and methods of manufacturing the same | |
| Iftiquar et al. | Fabrication of crystalline silicon solar cell with emitter diffusion, SiNx surface passivation and screen printing of electrode | |
| CN111092128A (en) | Manufacturing method of substrate for solar cell, and substrate for solar cell | |
| CN104362219B (en) | Crystalline solar cell production process | |
| KR102674774B1 (en) | High photoelectric conversion efficiency solar cell and manufacturing method of high photoelectric conversion efficiency solar cell | |
| RU2662254C1 (en) | Method of manufacture of semiconductor structure containing a p-n junction under porous silicon film for implementation of a photoelectric converter | |
| JP2019050329A (en) | Solar cell manufacturing method | |
| JP2015228416A (en) | Manufacturing method of solar cell | |
| CN110112260B (en) | Diffusion Method of Monocrystalline Silicon-Based Inverted Pyramid-like Textured Structure | |
| Kong et al. | Fabrication of silicon pyramid-nanocolumn structures with lowest reflectance by reactive ion etching method | |
| KR102563642B1 (en) | High-efficiency back-electrode solar cell and its manufacturing method | |
| Panek et al. | Crystalline silicon solar cells with high resistivity emitter | |
| Cherukat et al. | Screen Printed Phosphorus Dopant Paste Diffusion optimization for Silicon Solar Cell Applications | |
| CN106415783B (en) | Process and fabrication technique for oxide layer | |
| CN104167460A (en) | Solar cell manufacturing method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200614 |