ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕМНИЕВОГО ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Исходным ‘материалом для изготовления фотапрео’б- разователей является кремний, обладающий электрон­ной или дырочной проводимостью, с удельным сопротив­лением в среднем около 1 ом см. Такай кремний ‘про­изводится в виде монокристалличеоких слитков ци­линдрической формы.

Креміний не встречается в природе в свободном со­стоянии. Наиболее распространена двуокись кремния, обычно ‘встречающаяся в виде кварцевого песка, а так­же породообразующих материалов (кварца, аметиста и др.) и содержащая до 26% кремния.

Первым этапом получения кремния является полу­чение четыреххлористого кремния ‘Путем взаимодей­ствия хлора со смссью песка и угля при температуре 800° С.

Этому процессу соответствует реакция Si02—J—2С—)—2С1а = SiCl4-j-2CO.

Технический продукт SiCl4 используют для получе­ния чистого кремния. Очистку четыреххлористого крем­ния от посторонних примесей можно производить ие — сколькими способами. Одним из них является метод вос­становления четыреххлористого кремния цинком Zn [14]. Пары SiCl4 и Zn пропускают при температуре 950° С через кварцевый реактор. Восстановленный кремний оседает в реакторе в виде иглообразных кристаллов, чистота которые превышает 99,9%. Основной примесью является углерод.

Получение монокристаллического кремния произво­дится по методу вытягивания из расплава в специаль­ных установках. В тигле, находящемся в атмосфере во­дорода или инертного газа, с помощью токов высокой частоты расплавляется исходное вещество (Si). После выравнивания температуры в соприкосновение с зерка­лом расплава приводится монокрисгаллическая крем­ниевая затравка, которая выдерживается в таком поло­жении несколько минут. Затем ей сообщается медленное (0,2—1 мм/мин) движение от поверхности расплава. Если температурный режим выбран правильно, то на конце затравки, соприкасающемся с расплавом, будет наращиваться кристалл со скоростью, примерно равной скорости вытягивания. Для лучшего выравнивания тем­пературы’ и получения кристаллов удобной для исполь­зования формы’ полезно одновременно с поступательным движением затравки сообщать ей и медленное враща­тельное движение.

Расплавленный кремний, температура плавления ко­торого примерно равна 1 420° С, химически очень акти* вен и разрушает материал тигля, образуя соединения с составляющими его элементами. Значение концентра­ции примесей так велико, что. приходится производить спектральный анализ кварцевьих изделий с целью выбо­ра тиглей с наименьшей — степенью загрязнения. Такие же требования предъявляются и к выбору держателя затравки.

Процесс ‘получения чистого кремния ‘В силу столь вы­соких требований, предъявляемых к аппаратуре и очи­стке сырья, ‘представляет большие трудности и является очень дорогостоящим.

Чтобы получить монокристаллический слиток крем­ния с определенным типом проводимости, в расплав добавляют ‘некоторое количество донорнай (или актеп — торной) примеси, которая при вытягивании монокри­сталла распределяется в нем равномерно и тем самым создает материал с определенным удельным сопротивле­нием. Затем слитки разрезают на тонкие пластинки и тщательно очищают последние от загрязнений, которые остаются на их поверхности после резки.

Чтобы такая кремниевая пластинка могла преобра­зовать энергию света в энергию электрического тока, в ней необходимо на глубине нескольких микрон от по­верхности создать р-п переход. Для того чтобы свести к минимуму потери энергии на р-п-переходе, его необхо­димо создавать в ненарушенной кристаллической струк­туре, т. е. в одном и том же куске материала. Чтобы создать р-/г-переход большой площади и на небольшой глубине от «поверхности, используют метод термической диффузии донорной или акцепторной примеси в крем­ний.

Если, например, мы имеем пластинку из кремния p-типа, то для создания в ней р-я-перехода в поверхно­стный слой. пластинки необходимо внедрить какую-либо донорвую примесь; обычно в силу физических свойств донорных примесей (элементов пятой группы) они в условиях термодиффузии диффундируют в кремний из парообразной фазы. Число внедрившихся атомов донор­най примеси должно превысить число атомов акцептор­ной примеси, имеющейся в исходном материале, так как только в этом случае будет создан поверхностный слой с противоположным знаком проводимости. Сам р-п-шереход при ©том образуется на такой глубине, где концентрация акцепторов исходного материала и кон­центрация внедрившихся доноров становятся одинако­выми. Образовавшийся таким путем слой «-типа доста­точно тонок и почти прозрачен для падающего излуче­ния и, кроме того, имеет достаточно вязкое удельное со­

противление, чтобы обеспечить малые потери при дви­жении носителей тока.

Аналогично можно рассуждать и в случае, когда мы имеем пластинку из кремния n-типа. Только здесь для создания ‘В ней р-я-перехода необходимо внедрять в по­верхностный слой какую-нибудь акцепторную примесь, наїпример бор.

В случае диффузии бора кварцевый контейнер с пла­стинками кремния п-типа помещают в высокотемпера­турную печь, пропуская азот и треххлористый бор. В те­чение процесса диффузии атомы Si, реагируя с трех- хлористым бором, образуют парообразный четыреххло — ристый кремний, который уносится азотом, а атомы бора осаждаются ва поверхности пластинки кремния и диффундируют из твердой фазы в ее кристаллическую решетку.

Процесс создания в кремниевых пластинках р-n-пе­рехода путем внедрения соответствующих примесей является одним из наиболее сложны*, важных и ответ­ственных моментов всего технологического процесса из­готовления кремниевых фотоэлектрических преобразо­вателей.

Чтобьи скорость внедрения примеси в кремний была достаточно большой, процесс диффузии приходится про­водить в условиях очень высоких температур (около 1 300°С). Однако, несмотря на это, скорость проникнове­ния доноров или акцепторов в кремний сравнительно низка. Поэтому для создания р-п-перехода на необходи­мой глубине от поверхности диффузионный прогрев должен быть довольно продолжительным. Весь процесс диф’фузии примеси должен проводиться в идеально чи­стых условиях, чтобьи избежать проникновения в крем­ний нежелательных загрязнений, ухудшающих ‘качество фотопреобразователя.

Следующий этап состоит в снятии диффундированно — го слоя с одной из. поверхностей пластинки с тем, чтобьи обнажить материал исходного типа проводимости. Те­перь на одной и той же пластинке мы имеем слои с разными типами проводимости. Далее, к верхней и нижней поверхностям полупроводника нужно подвести надежные металлические контакты. В качестве контакта на пластинку кремния наносят тем или иным способом слой металла. Обычно нерабочую сторону покрывают 48

Металлическим контактом по всей ее поверхности, а на рабочей стороне контакт осуществляют по-разному в за­висимости от конструкции, размеров и формы элемента.

Последним этапом изготовления является обработка поверхности с целью уменьшения поверхностной реком­бинации и нанесение на фотопреобразователь различ-

ных пленок для уменьшения коэффициента отражения. Для защиты преобразователей от механических повреж­дений, влаги и загрязнений их заключают в защитные корпуса, а рабочую поверхность покрывают специаль­ным лаком.

На рис. 15 приведены! некоторые типы кремниевых фотопреобразователей, выпускаемые отечественной про­мышленностью. Чтобы судить об их размерах, следует иметь в виду, что фото преобразователи на ток 18 ма имеют площадь 1 см2.