CN101752241B - 大面积GaAs衬底腐蚀工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速获得大面积GaAs衬底上外延薄膜的简单腐蚀工艺。该工艺主要包括1、样品腐蚀阻挡层的设计；2、真空无气泡粘结工艺；3、GaAs衬底的背面腐蚀前处理；4、样品的放置；5、衬底腐蚀溶液的选择和配比保持；6、溶液的搅动；7、腐蚀阻挡层的去除。本发明可以广泛应用于III-V高效太阳电池、大功率AlGaInP LED器件、GaAs基薄膜电子学器件等。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电器件工艺的研究，涉及一种大面积GaAs衬底的简单快速腐蚀工艺。
背景技术
人类已经进入了一个能源节约的时代，能源的节约包括两部分：节省能源的消耗和开发新能源。
LED照明比传统的白炽灯能够节省70％的电力。目前的LED主要包含两种，一种是GaAs衬底上的AlGaInP体系，发射黄绿红光，另外是III-N体系，主要是蓝光，通过不同颜色光的混合可以获得白光。由于GaAs衬底的带隙与AlGaInP带隙的重合，使得LED本身发射的光又被衬底所吸收。为了进一步提高AlGaInPLED器件的功率，需要减少GaAs衬底对LED本身所发光的吸收，通常的做法是生长倒置结构的LED，然后将样品键合在宽带隙载体上，去掉GaAs衬底后制作LED图形，比如GaP。这种工艺已经大功率LED器件研究中广泛使用，其中主要的是如何键合和去除大面积GaAs衬底，比如目前做的尺寸已经到达2英寸以上。
目前空间和地面高效聚光系统众所使用的多结砷化镓(GaAs)太阳电池能够基本实现全光谱吸收，使光电转换效率有明显提高。然而，目前的三结电池是外延在锗衬底上的，在整个三结GaInP/InGaAs/Ge结构中，功能层的厚度仅5～6um，而Ge单晶衬底的厚度却为170um，几乎占了整个电池总重量的95％以上，导致电池重量比功率极大地限制于300W/kg左右，严重制约了三结砷化镓太阳电池的应用领域。因此，减薄或剥离Ge衬底就成为提高重量功率比的主要方向。
太阳能发电技术已经引起了世界各国的重视，然而目前的光伏发电成本与工业发电成本相比还是太高。聚光太阳电池发电技术在高输出功率大规模工业应用上更具有优势。目前超高效太阳电池中所广泛使用的GaInP/(In)GaAs/Ge体系，底电池Ge的电流过大，多余的光生载流子通过热损耗的形式散发导致系统的局部破损。另外，p-Ge衬底的厚度目前多达140um-180um而GaInP/(InGaAs)/Ge(扩散结)的总厚度不超过10微米，多余的Ge衬底起到的是电阻作用，大大增加器件发热。目前研究工作集中在GaAs衬底上的倒置GaInP/GaAs/InGaAs材料体系，其中底电池InGaAs采用Metamorphic结构把光学带隙提高到1.0-1.1eV左右，增加了光谱匹配，降低了载流子热效应，同时结合化合物半导体光电器件工艺，把GaAs衬底去除制作成薄膜型超高效太阳电池并转移到导热材料基体上，既增加了太阳电池的转换效率，又提升器件的散热能力，大大提高了整个系统的性能和可靠性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种简单快速有效的大面积GaAs衬底去除工艺。该工艺能够大大简化了一般半导体光电器件工艺中GaAs衬底去除，使得在没有机械减薄抛光或旋转喷涂设备下也可以快速均匀的获得大面积GaAs基III-V外延薄膜，极大地拓展该工艺的普适性。
为了解决上述技术问题，本发明提出的大面积GaAs衬底快速腐蚀工艺，包括如下步骤：
步骤1、GaAs样品采用300nmAlInP/300nmGaInP腐蚀阻挡层防止腐蚀穿通；
步骤2、通过热应力计算，选择与GaAs薄膜样品相匹配的支撑载体，比如玻璃、硅片或蓝宝石衬底。
步骤3、根据热应力匹配计算，选择蜡熔点附近真空中，GaAs样品通过施加大于大气压力的方法黏结在支撑载体的表面；
步骤4、腐蚀前，GaAs衬底的背面用稀释的10∶1NaOH溶液处理，去除样品表面的氧化物；
步骤5、腐蚀溶液为体积比H3PO4∶H2O2∶H2O＝1∶1∶3；
步骤6、腐蚀过程中GaAs衬底腐蚀面垂直向下，腐蚀溶液的温度在30℃左右，腐蚀一个半小时后每隔30分钟加20％体积的H2O2。每隔15分钟对腐蚀溶液进行搅拌；
步骤7、用80％的盐酸去掉腐蚀阻挡层
本发明的特点：采用通常的AlInP/GaInP腐蚀阻挡层结构确保生长简单，采用高温真空粘结工艺使整个大面积样品粘结在载体上没有气泡确保样品薄膜获得后没有破裂，采用独特的样品腐蚀面垂直向下放置方式，选择合适腐蚀溶液配比，通过适当搅动可以使样品无需GaAs衬底机械减薄抛光的情况下均匀快速腐蚀、采用通常的稀释HCl可以去掉腐蚀阻挡层，采用本工艺获得大面积外延薄膜可以通过采用室温VDW键合的方法或电子束蒸发的方法实现金属薄膜与样品的紧密结合，通过蜡的去除获得具有很好柔性的大面积III-V外延薄膜。
本发明的优点：本发明工艺通过革新样品腐蚀前表面处理、腐蚀过程中样品腐蚀面特殊放置、腐蚀溶液配比选择及其动力学控制大大简化了一般半导体光电器件工艺中衬底去除，使得在没有机械减薄抛光或旋转喷涂设备下也可以快速均匀的获得大面积III-V外延薄膜，极大地拓展该工艺的普适性，可以广泛应用于III-V高效太阳电池、大功率AlGaInP LED器件、GaAs基薄膜电子学器件等。
附图说明
图1为本发明GaAs衬底腐蚀过程中腐蚀面放置方式示意图。
图2为依据本发明获得的4cm2GaInP/GaAs薄膜太阳电池。
图3为依据本发明获得的4cm2GaInP/GaAs薄膜太阳电池电学性能测试曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
本发明中的大面积GaAs衬底简单快速腐蚀工艺方法包括如下的步骤：
步骤一、GaAs样品103采用300nmAl InP/300nmGaInP腐蚀阻挡层防止腐蚀穿通。该复合腐蚀阻挡层比单一GaInP腐蚀阻挡层更能抵挡H3PO4∶H2O2∶H2O体系的腐蚀；
步骤二、通过热应力计算，选择与GaAs薄膜样品103相匹配的支撑载体102，比如玻璃、硅片或蓝宝石衬底。根据蜡熔点温度与室温变化所引起的GaAs薄膜103与支撑材料之间的热应力，选择支撑载体102；
步骤三、大面积GaAs样品103的真空高温无气泡粘结工艺，其特征在于真空中在粘结蜡的熔点和软化点之间范围内把大面积样品103通过施加大于等于大气压力的方法黏结在支撑载体102的表面，比如玻璃、硅片、蓝宝石衬底等。保证大面积黏结没有气泡是防止样品103在腐蚀过程中很薄时破裂。
步骤四、GaAs样品103腐蚀前表面处理工艺，通过施加碱性表面处理液H2O10：1NaOH，可以有效去除表面的氧化物104，同也可以修改GaAs表面态的化学势，能够使使腐蚀能够快速均匀的进行。
步骤五、腐蚀溶液101配选择，选择H3PO4∶H2O2∶H2O＝1∶1∶3腐蚀溶液，保证腐蚀在氧化为主的动力学机制内进行并能保证比较快的腐蚀速率，加快氧化物104在表面的溶解和络合。
步骤六、腐蚀过程中样品103腐蚀面特殊放置，通过大量的实验，如图1所示，采用GaAs衬底103腐蚀面垂直向下的方式，其特征在于能够将GaAs衬底103的背面的氧化物络合物104不在表面堆积并利用重力作用快速自动脱离表面，使腐蚀能够继续在氧化的机制内进行
步骤七、腐蚀过程中腐蚀溶液组分的动力学控制。在腐蚀过程中将腐蚀溶液101的温度控制在30℃左右，并每隔15分钟对溶液101进行搅拌，腐蚀一个半小时后每隔30分钟加20％体积的H2O2。其特征在于控制整个腐蚀在氧化的机制内进行，使腐蚀速率主要取决于氧化的速度，同时也保证腐蚀在整个溶液101范围内均匀进行。
本发明中为了验证和检测整个工艺的可靠性，进行了初步的GaInP/GaAs薄膜太阳电池样品制作。图2为利用本发明制作的2×2cm2的GaInP/GaAs双结薄膜太阳电池，进行电学性能测试图3，开路电压达到2364mV填充因子达到0.844，短路电流密度达到13.5mA/cm2，效率为20％。高填充因子表明该工艺获得薄膜样品没有腐蚀穿通和局部破损，达到器件级要求。
由上所述，本发明对常规工艺的改进之处在于：步骤1，步骤3，步骤4，步骤5，步骤6，和步骤7，对传统厚GaAs衬底腐蚀工艺作了很大改变，提高了工艺的简单性和普适性，使厚GaAs衬底腐蚀工艺能够在没有复杂设备或不需要机械研磨的情况也能顺利进行。
Claims (1)
1.一种大面积GaAs衬底快速腐蚀工艺，包括如下步骤：
步骤1、GaAs样品采用300nmAl InP/300nmGaInP腐蚀阻挡层防止腐蚀穿通；
步骤2、通过热应力计算，选择与GaAs薄膜样品相匹配的支撑载体；
步骤3、根据热应力匹配计算，选择蜡熔点附近真空中，GaAs样品通过施加大于大气压力的方法黏结在支撑载体的表面；
步骤4、腐蚀前，GaAs衬底的背面用稀释的10∶1 NaOH溶液处理，去除样品表面的氧化物；
步骤5、腐蚀溶液为体积比H3PO4∶H2O2∶H2O＝1∶1∶3；
步骤6、腐蚀过程中GaAs衬底腐蚀面垂直向下，腐蚀溶液的温度在30℃左右，腐蚀一个半小时后每隔30分钟加20％体积的H2O2，每隔15分钟对腐蚀溶液进行搅拌；
步骤7、用80％的盐酸去掉腐蚀阻挡层。
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