一种柔性砷化镓太阳电池及其制作方法与流程

本发明涉及半导体，具体涉及一种柔性砷化镓太阳电池及其制作方法。

背景技术：

1、柔性砷化镓多结太阳电池在空间电源和可穿戴能源等领域具有重要应用价值，其中的三结砷化镓电池采用倒装工艺，底电池p型ingaas基区为最后生长的外延层，理想的背面结构需继续生长高掺杂背场层和接触层，但是，在p型ingaas基区表面继续生长高掺杂背场层和接触层，面临p型掺杂剂掺杂效率低、掺杂剂易向基区反扩散等问题，强行生长反而引入缺陷，导致开路电压下降。以低温沉积的al2o3介质层替代高掺杂外延层进行场效应钝化，可规避上述生长困难，但al2o3介质层本身并不具备欧姆接触功能。此外，脆性外延层与柔性衬底集成，现有键合方案通常需要高温热压条件，极易导致外延层开裂，降低器件制备良率。本技术旨在提供一种柔性砷化镓太阳电池及其制作方法，在规避高掺杂外延生长困难、不损伤脆性外延层前提下，同步实现高质量背面钝化、欧姆接触和高可靠性柔性集成。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种柔性砷化镓太阳电池及其制作方法，能够在规避高掺杂外延生长困难、不损伤脆性外延层前提下，实现高质量背面钝化、欧姆接触和高可靠性柔性集成。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明提供一种柔性砷化镓太阳电池，包括从上至下依次堆叠设置的砷化镓外延层、al2o3钝化层、第一介质键合层、第二介质键合层、cr横向连接层和聚酰亚胺柔性衬底；

4、所述太阳电池的背面电极包括焊盘部和微针部，所述焊盘部包括第一焊盘和第二焊盘，所述第一焊盘和第二焊盘之间上下对应并具有电连接，所述微针部包括第一微针阵列和第二微针阵列，所述第一微针阵列和第二微针阵列之间一一上下对应并具有电连接，所述第一焊盘和第一微针阵列均垂直贯穿所述第一介质键合层和al2o3钝化层；所述第二焊盘和第二微针阵列均垂直贯穿所述第二介质键合层，所述第二焊盘和第二微针阵列均与cr横向连接层具有电连接；所述砷化镓外延层靠焊盘部一侧侧壁具有台阶状刻蚀道，所述台阶状刻蚀道从砷化镓外延层的上表面刻蚀至焊盘部上表面；

5、所述第一微针阵列具有种子层和铜芯，所述种子层采用由外向内依次设置的ti层、pt层和au层，所述au层紧贴所述铜芯；所述砷化镓外延层采用倒装生长的三结砷化镓结构，所述三结砷化镓结构包括从上至下依次堆叠设置的gainp顶电池、第一隧穿结、gaas中电池、第二隧穿结和ingaas底电池，所述ingaas底电池包括从上至下依次堆叠设置的n型alinp窗口层、n型ingaas发射层和p型ingaas基区，所述第一微针阵列的上表面与p型ingaas基区的下表面相接触，通过第一微针阵列种子层中的ti与ingaas之间的固相反应形成欧姆接触。

6、进一步地，所述p型ingaas基区采用硫钝化处理；所述al2o3钝化层厚度为10nm～30nm，所述第一介质键合层的厚度为1.5μm～3μm；所述第一微针阵列占所述第一介质键合层面积的2%～8%。

7、进一步地，所述ti层、pt层和au层厚度依次为20nm～40nm、40nm～60nm和80nm～120nm；聚酰亚胺柔性衬底的厚度为25μm～50μm，cr横向连接层的厚度为10nm～50nm。

8、本发明还提供一种柔性砷化镓太阳电池的制作方法，包括以下步骤：

9、s1、在n型gaas衬底表面，通过mocvd依次生长algainp牺牲层、gaas接触层、gainp顶电池、第一隧穿结、gaas中电池、第二隧穿结和ingaas底电池，外延生长至ingaas底电池的p型ingaas基区为止；

10、s2、将完成生长的晶片清洗后，对p型ingaas基区表面进行硫钝化处理，然后在硫钝化后的p型ingaas基区表面依次制作al2o3钝化层和第一介质键合层；

11、s3、制备贯穿al2o3钝化层和第一介质键合层的第一微针阵列以及第一焊盘；

12、s4、对第一介质键合层的表面依次进行cmp、等离子体低温活化处理；

13、s5、在临时玻璃载片表面依次制备聚酰亚胺柔性衬底、cr横向连接层和第二介质键合层；

14、s6、制备贯穿第二介质键合层的第二微针阵列以及第二焊盘；

15、s7、对第二介质键合层的表面依次进行cmp、等离子体低温活化处理；

16、s8、将第一介质键合层和第二介质键合层对准，在真空、室温以及0.01mpa～0.05mpa的压力下进行预贴合，将预贴合后的晶片在还原气氛下，于常压，300～400℃下退火键合；

17、s9、键合完成后将砷化镓外延层上的n型gaas衬底和algainp牺牲层去除，露出gaas接触层，然后依次制备正面电极和减反射膜；

18、s10、通过正面光刻定义背面焊盘部图形，采用cl基icp刻蚀，自上而下穿透砷化镓外延层，直至完全暴露第一焊盘的上表面；

19、s11、用准分子激光从临时玻璃载片背面均匀扫描照射，将聚酰亚胺柔性衬底从临时玻璃载片上剥离；

20、s12、采用晶圆切割机分离成单个电池芯片，进行光电性能测试与分选。

21、进一步地，s2中，硫钝化处理的方法为，将完成生长的晶片清洗后，浸入浓度为4%～10%的硫酸铵溶液处理10min～15min，取出后用氮气吹干。

22、进一步地，s2中，al2o3钝化层的制备方法为，以三甲基铝和去离子水为前驱体，衬底温度为240℃～260℃，通过交替脉冲在硫钝化后的p型ingaas基区的表面沉积al2o3，所制备的al2o3钝化层厚度为10nm～30nm。

23、进一步地，s3中，第一微针阵列和第一焊盘的制备方法包括以下步骤：

24、s31、在第一介质键合层的表面旋涂光刻胶，采用步进式光刻机曝光定义第一微针阵列和第一焊盘图形，显影后进行坚膜固化，采用icp设备，以流量比为10:1的cf4/o2混合气体为气源，偏压功率150w，快速刻蚀第一介质键合层至剩余80nm～120nm停止，降低偏压功率至50w，将cf4/o2混合气体调整流量比为5:1，刻蚀至al2o3钝化层的表面，采用bcl3/ar为刻蚀气体，刻穿al2o3钝化层至暴露p型ingaas基区表面；

25、s32、采用丙酮浸泡去除光刻胶，通过氧等离子处理去除残留胶渣，用稀盐酸浸泡30s，进行h2等离子体进行原位表面处理；

26、s33、采用电子束蒸发依次沉积ti/pt/au作为种子层，采用脉冲电镀工艺进行铜填充至高于第一介质键合层的表面，其中，正向脉冲电流密度为2a/dm2，反向脉冲电流密度0.5a/dm2，占空比为1:10。

27、进一步地，s6中，第二微针阵列和第二焊盘的制备方法包括以下步骤：

28、s61、在第二介质键合层的表面旋涂光刻胶，采用步进式光刻机曝光定义第二微针阵列和第二焊盘图形，显影后进行坚膜固化，采用icp设备，以流量比为10:1的cf4/o2混合气体为气源，偏压功率150w，快速刻蚀第二介质键合层至剩余80nm～120nm停止，降低偏压功率至50w，将cf4/o2混合气体调整流量比为5:1，刻蚀至暴露cr横向连接层的表面；

29、s62、采用丙酮浸泡去除光刻胶，通过氧等离子处理去除残留胶渣，进行h2等离子体进行原位表面处理；

30、s63、采用电子束蒸发依次沉积cr/cu作为种子层，采用脉冲电镀工艺进行铜填充至高于第二介质键合层的表面，其中，正向脉冲电流密度为2a/dm2，反向脉冲电流密度0.5a/dm2，占空比为1:10。

31、进一步地，s4和s7中，cmp的具体方法为，采用含铜缓蚀剂的碱性二氧化硅抛光液，对晶片背面进行cmp，利用光学反射率终点检测系统实时监控，当抛光至第一介质键合层或第二介质键合层表面时反射率突变触发停止，抛光后金属与第一介质键合层或第二介质键合层实现全局共面，平整度偏差小于50nm，表面粗糙度ra<0.5nm；

32、s4和s7中，等离子体低温活化处理的具体方法为，将cmp后的晶片用酸清洗液去除表面残留磨料和金属离子，对第一介质键合层或第二介质键合层的表面进行ar/o2混合等离子体低温活化处理。

33、进一步地，s8中，键合的具体方法包括以下步骤：

34、s81、第一介质键合层和第二介质键合层对准时，将第一微针阵列与第二微针阵列一一对准，将第一焊盘和第二焊盘对准，装入晶圆键合机，在真空环境、室温下，施加0.01mpa～0.05mpa压力进行预贴合；

35、s82、将预贴合后的晶片送入退火炉，在95%n2/5%h2混合气氛下，以5℃/min升温速率升温至300℃～400℃下进行退火，保温30min后自然降温。

36、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

37、1. 本技术提供的上述柔性砷化镓太阳结构，以al2o3钝化层替代外延高掺杂背场层，通过对p型ingaas基区表面硫钝化预处理，硫原子与ingaas表面的悬挂键结合降低ingaas界面态密度，使得后续ald沉积的al2o3与ingaas之间界面更洁净，附着力更好。再通过低温ald工艺沉积的al2o3钝化层，利用其固定负电荷在基区表面诱导反型层，从根本上规避了倒装外延末端高掺杂层生长困难，al2o3钝化层与第一介质键合层之间具有良好的结合性能，能够保证al2o3钝化层与第一介质键合层之间具有良好的结合可靠性；通过在背面设置极小面积的嵌入式微针部和焊盘部，键合退火时ti与ingaas在开窗处原位反应形成低阻欧姆接触，通过微针部、焊盘部以及cr横向连接层之间的电连接实现背面电极功能，嵌入式微针部开窗仅占背面极小比例，绝大部分区域保持完整al2o3钝化层，同时实现欧姆接触窗口、键合导电通路和共面化平面。上述背面键合结构，外延侧通过在较为平整的al2o3钝化层的表面设置带有第一焊盘和第一微针阵列的第一介质键合层，柔性衬底侧通过在cr横向连接层表面设置带有第二焊盘和第二微针阵列的第二介质键合层，该结构可依靠sio2表面活化和铜原子互扩散实现低温无压键合，避免了传统热压导致的外延层开裂。

38、2. 结合本技术设计的上述背面结构，针对砷化镓外延层极薄、机械强度低的特点，本技术设计了低压预贴合加无外加压力退火的混合键合方法，依靠sio2表面活化和铜原子互扩散实现键合，避免了传统热压导致的外延层开裂，整个退火过程同时完成介质键合、金属键合和欧姆接触形成。以介质层替代外延高掺杂层完成背面钝化、以极小接触面积换取大面积钝化、以无压力永久键合完成脆性外延层无损集成。整个流程无需生长高掺杂外延层、永久键合过程中无需施加外部机械压力、无需独立合金化退火，避免了传统热压导致的外延层开裂。