CN101807626A - 用于多结太阳电池的GaAs/InP晶片低温直接键合方法 - Google Patents
用于多结太阳电池的GaAs/InP晶片低温直接键合方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101807626A CN101807626A CN201010128380A CN201010128380A CN101807626A CN 101807626 A CN101807626 A CN 101807626A CN 201010128380 A CN201010128380 A CN 201010128380A CN 201010128380 A CN201010128380 A CN 201010128380A CN 101807626 A CN101807626 A CN 101807626A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- gaas
- wafer
- inp
- solar cell
- temperature
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- 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
Abstract
一种用于多结太阳电池的GaAs/InP晶片低温直接键合方法，包括如下步骤：步骤1：将单面抛光的GaAs、InP晶片在多种有机溶剂中反复煮洗，以去掉晶片表面的残留有机物分子，并初步提高晶片表面的亲水性；步骤2：将步骤1处理后的GaAs、InP晶片，分别进行去金属氧化物处理、去C元素处理和亲水性处理；步骤3：在键合夹具的协助下，将亲水处理后的GaAs、InP晶片在去离子水中对准晶向并贴合；步骤4：将贴合后的晶片置于干燥箱中烘干，除去贴合晶片表面水份和界面部分水气，形成晶片间范德瓦耳斯结合；步骤5：进行低温退火，退火后对GaAs晶片单面减薄；步骤6：进行高温退火，最终实现键合界面的原子原子键结合，完成GaAs、InP晶片低温键合过程。
Description
技术领域
本发明属于一种半导体材料低温直接键合方法。特别是一种可用于多结太阳电池结构的GaAs/InP晶片低温(300℃以下)直接键合方法，属于半导体器件工艺领域。
背景技术
由于晶格匹配三结太阳电池的转换效率已经接近其理论极限，所以人们开始考虑采用晶格失配材料构造三结以及四结太阳电池。采用渐变缓冲层结构的晶格失配Ge/Ga0.35In0.65P/Ga0.83In0.17As三结太阳电池创造了太阳电池转换效率的新纪录，达到41.1％(AM1.5)。然而缓冲层的设计目前仅适用于三结太阳电池，对于四结太阳电池，由于缓冲层之上仍要外延生长至少两结电池，复杂的电池结构使得缓冲层的设计无能为力。理论上四结太阳电池的最佳结构应由GaAs基、InP基两类材料实现，然而其晶格失配高达3.8％。如果能够采用某种方法使得GaAs基、InP基两类材料在同一个多结太阳电池中采用，多结太阳电池的效率还有望进一步提升。
通过低温键合方法可以将晶格失配的材料直接连接在一起。虽然GaAs/InP晶片的直接键合方法在以往也有报道，“Tunablephotodetector based on GaAs/InP wafer bonding，“IEEE ELECTRON DEVICELETTERS，Vol.27：10，pp.827-829(2006)，“Low-temperature InP/GaAswafer bonding using sulfide-treated surface”，APPLIED PHYSICSLETTERS，Vol.88：6，No.061104(2006)，然而他们所采用的GaAs/InP晶片直接键合方法往往采用较高的键合退火温度(400-600℃)，同时在键合前GaAs表面的化学清洗过程中多采用了H2SO4:H2O2:H2O溶液。这样一方面过高的退火温度有可能导致太阳电池叠层材料的组分发生改变；另一方面H2SO4:H2O2:H2O溶液对GaAs表面的处理会导致GaAs表面粗糙度大幅上升(均方根粗糙度超过2nm)，从而严重影响到键合的成功率，也影响了太阳电池的转换效率。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种可用于多结太阳电池的GaAs/InP晶片低温直接键合方法，实现GaAs、InP晶片的低粗糙度化学清洗(粗糙度小于0.5nm)，并在300℃的退火温度下实现GaAs/InP直接键合。由于退火温度不超过300℃，使得在退火过程中GaAs、InP晶片的外延结构得到了更好的保护，不会因为过高的退火温度而发生组分变化，因而本发明的键合方法可以应用于GaAs基、InP基多结太阳电池的直接键合工艺。
本发明提供提供一种用于多结太阳电池的GaAs/InP晶片低温直接键合方法，包括如下步骤：
步骤1：将单面抛光的GaAs、InP晶片在多种有机溶剂中反复煮洗，以去掉晶片表面的残留有机物分子，并初步提高晶片表面的亲水性；
步骤2：将步骤1处理后的GaAs、InP晶片，分别进行去金属氧化物处理、去C元素处理和亲水性处理；
步骤3：在键合夹具的协助下，将亲水处理后的GaAs、InP晶片在去离子水中对准晶向并贴合；
步骤4：将贴合后的晶片置于干燥箱中烘干，除去贴合晶片表面水份和界面部分水气，形成晶片间范德瓦耳斯结合；
步骤5：进行低温退火，退火后对GaAs晶片单面减薄；
步骤6：进行高温退火，最终实现键合界面的原子原子键结合，完成GaAs、InP晶片低温键合过程。
其中多种有机溶剂是采用乙醇、丙酮和三氯乙烯三种有机溶剂顺序煮洗，以清洗GaAs晶片表面的有机污染物。
其中对GaAs晶片进行去金属氧化物处理是采用1％-40％的HF溶液，处理时间为10-100s。
其中对GaAs晶片进行去C元素处理，是采用0.5％-5％的H2O2溶液，处理时间为10-60s。
其中对GaAs晶片进行亲水性处理，是采用1％-20％的HF溶液，处理时间为10-200s。
其中干燥箱中的烘干温度为80℃，烘干时间为10-20个小时，同时于干燥箱中对贴合晶片施加10N/cm2-20N/cm2的正压力。
其中低温退火的温度为160℃，并在退火过程中对晶片施加10N/cm2-50N/cm2的正压力。
其中对GaAs晶片单面减薄至50-150μm。
其中高温退火的温度为300℃。
附图说明：
下面结合附图和实施例对本发明的结构和特征作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明的步骤流程图；
图2为不同比例HF溶液处理后的GaAs表面均方根粗糙度；
图3为不同比例H2O2溶液处理后的GaAs表面粗糙度；
图4为再次经过不同比例HF溶液处理后的GaAs表面均方根粗糙度；
图5为键合所用的夹具。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种用于多结太阳电池的GaAs/InP晶片低温直接键合方法，包括如下步骤：
步骤1：将单面抛光的GaAs、InP晶片在多种有机溶剂中反复煮洗，以去掉晶片表面的残留有机物分子，并初步提高晶片表面的亲水性。其中多种有机溶剂是采用乙醇、丙酮和三氯乙烯三种有机溶剂，按照乙醇→丙酮→三氯乙烯→丙酮→乙醇的顺序，每步均要煮沸，每步煮洗3-5min，随后再用大量的去离子水冲洗晶片，去掉可能残留的有机溶剂。之所以考虑采取这样的有机溶剂选择和有机溶剂处理顺序，是考虑到有机溶剂之间的互溶性以及有机溶剂与水的互溶性，既能把沾污在晶片表面的有机物分子去除掉，同时处理后这些有机溶剂也容易被水清除掉。
步骤2：将步骤1处理后的GaAs、InP晶片，分别进行去金属氧化物处理、去C元素处理和亲水性处理。其中对GaAs晶片进行去金属氧化物处理是采用1％-40％的HF溶液，处理时间为10-100s，图2示出了原子力显微镜下我们采取不同浓度HF溶液对GaAs晶片处理时的表面均方根粗糙度变化；对GaAs晶片进行去C元素处理，是采用0.5％-5％的H2O2溶液，处理时间为10-60s，图3示出了原子力显微镜下我们采取不同浓度H2O2溶液对GaAs晶片处理时的表面均方根粗糙度变化；对GaAs晶片进行亲水性处理，是采用1％-20％的HF溶液，处理时间为10-200s，图4示出了原子力显微镜下我们采取不同浓度HF溶液对GaAs晶片再进行亲水性处理时的表面均方根粗糙度变化。最终我们每步均选择了处理后均方根粗糙度小于0.5nm的方案，而经过上述处理后的GaAs晶片表面均方根粗糙度在0.3-0.5nm之间。对于InP晶片的处理，我们首先采用浓度仅为1％的HF溶液处理1-20s，以除去其表面可能存在的金属氧化物。然后将InP晶片放入浓度为20％-50％的H2O2溶液中，在30-120℃的条件下反复处理两遍，每遍1-10min，用于氧化并去除其表面可能存在的C元素污染。最后采用RCA1溶液(NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5)处理InP晶片1-20min，以提高InP晶片表面的亲水性，便于之后亲水键合的实现。经过上述处理后的InP晶片表面均方根粗糙度在0.32-0.45nm之间。经过步骤2处理后，GaAs、InP晶片表面均方根粗糙度均小于0.5nm，这样低的粗糙度非常有利于后续键合步骤的实施，降低了伪键合出现的可能性，也在一定程度上降低了对后续退火温度和退火时间的要求，提高了键合成功率。
步骤3：在键合夹具的协助下，将亲水处理后的GaAs、InP晶片在去离子水中对准贴合；其中所采用的键合夹具，如图5所示，夹具上端为用于手持的手柄，下端主体部分为一方格凹槽，用于盛放贴合晶片并对准晶片晶向。在凹槽的下端开两个排水口，当晶片贴合完成后从去离子水中取出时，两个排水口可将方格凹槽中的绝大部分水分排出。该自制夹具采用聚四氟材料。
步骤4：将贴合后的晶片置于干燥箱中烘干，除去贴合晶片表面水份和界面部分水气，形成晶片间范德瓦耳斯结合；其中干燥箱中的烘干温度为80℃，烘干时间为10-20个小时，同时于干燥箱中对贴合晶片施加10N/cm2-20N/cm2的正压力。通过正压力的施加，一方面协助了界面水气的排出，另一方面也有利于键合界面分子初步形成范德瓦耳斯结合。
步骤5：进行低温退火，退火后对GaAs晶片单面减薄；其中低温退火的温度为160℃，并在退火过程中对晶片施加10-50N/cm2的正压力。随后对GaAs晶片单面减薄至50-150μm。160℃低温退火的时间要求稍长，为100-200小时，这是由于160℃退火产生的热应力应在临界应力以下，而增加退火时间可以增加键合能，100-200小时的退火时间能够实现该温度下的饱和键合能。而随后进行的减薄处理，其目的在于相同的退火温度条件下，键合晶片越薄，其界面键合能越高，同时界面热应力越小。因而对GaAs晶片的减薄处理对于后续退火步骤的实施非常有利。
步骤6：进行高温退火，最终实现键合界面的原子键结合，完成GaAs、InP晶片低温键合过程。其中高温退火的温度为300℃，整个退火过程持续60-120个小时，首先在120-160℃的温度中恒温10-30个小时，以进一步排出键合界面的气体，随后升温至300℃，退火约30-60个小时，在此过程中键合界面的成键方式伴随温度的上升和气体的逸出从范德瓦耳斯结合逐渐转变为原子键结合。这样便最终实现了300℃以下退火温度的GaAs、InP晶片直接键合，其键合强度非常高，经过减薄、湿法衬底腐蚀等后工艺后，键合界面仍然完好。同时由于键合过程中步骤1和步骤2所采用的化学清洗过程着重注意了控制晶片表面的粗糙度，处理好的晶片其表面粗糙度不超过0.5nm，这样提高了键合强度，也降低了伪键合产生的概率，通过红外透射观察比较多组实验结果，键合后晶片的有效键合面积均在90％以上。同时，这样低温度的直接键合实现，使得在退火过程中GaAs基、InP基外延片的外延结构得到了更好的保护，不会因为较高的退火温度而发生组分变化，因而本发明的键合方法可以应用于GaAs基、InP基多结太阳电池的直接键合工艺。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种用于多结太阳电池的GaAs/InP晶片低温直接键合方法，包括如下步骤：
步骤1：将单面抛光的GaAs、InP晶片在多种有机溶剂中反复煮洗，以去掉晶片表面的残留有机物分子，并初步提高晶片表面的亲水性；
步骤2：将步骤1处理后的GaAs、InP晶片，分别进行去金属氧化物处理、去C元素处理和亲水性处理；
步骤3：在键合夹具的协助下，将亲水处理后的GaAs、InP晶片在去离子水中对准晶向并贴合；
步骤4：将贴合后的晶片置于干燥箱中烘干，除去贴合晶片表面水份和界面部分水气，形成晶片间范德瓦耳斯结合；
步骤5：进行低温退火，退火后对GaAs晶片单面减薄；
步骤6：进行高温退火，最终实现键合界面的原子原子键结合，完成GaAs、InP晶片低温键合过程。
2.根据权利要求1所述的用于多结太阳电池的GaAs/InP晶片低温直接键合方法，其中多种有机溶剂是采用乙醇、丙酮和三氯乙烯三种有机溶剂顺序煮洗，以清洗GaAs晶片表面的有机污染物。
3.根据权利要求1所述的用于多结太阳电池的GaAs/InP晶片低温直接键合方法，其中对GaAs晶片进行去金属氧化物处理是采用1％-40％的HF溶液，处理时间为10-100s。
4.根据权利要求1所述的用于多结太阳电池的GaAs/InP晶片低温直接键合方法，其中对GaAs晶片进行去C元素处理，是采用0.5％-5％的H2O2溶液，处理时间为10-60s。
5.根据权利要求1所述的用于多结太阳电池的GaAs/InP晶片低温直接键合方法，其中对GaAs晶片进行亲水性处理，是采用1％-20％的HF溶液，处理时间为10-200s。
6.根据权利要求1所述的用于多结太阳电池的GaAs/InP晶片低温直接键合方法，其中干燥箱中的烘干温度为80℃，烘干时间为10-20个小时，同时于干燥箱中对贴合晶片施加10N/cm2-20N/cm2的正压力。
7.根据权利要求1所述的用于多结太阳电池的GaAs/InP晶片低温直接键合方法，其中低温退火的温度为160℃，并在退火过程中对晶片施加10N/cm2-50N/cm2的正压力。
8.根据权利要求1所述的用于多结太阳电池的GaAs/InP晶片低温直接键合方法，其中对GaAs晶片单面减薄至50-150μm。
9.根据权利要求1所述的用于多结太阳电池的GaAs/InP晶片低温直接键合方法，其中高温退火的温度为300℃。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201010128380A CN101807626A (zh) | 2010-03-17 | 2010-03-17 | 用于多结太阳电池的GaAs/InP晶片低温直接键合方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201010128380A CN101807626A (zh) | 2010-03-17 | 2010-03-17 | 用于多结太阳电池的GaAs/InP晶片低温直接键合方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101807626A true CN101807626A (zh) | 2010-08-18 |
Family
ID=42609327
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201010128380A Pending CN101807626A (zh) | 2010-03-17 | 2010-03-17 | 用于多结太阳电池的GaAs/InP晶片低温直接键合方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN101807626A (zh) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102184980A (zh) * | 2011-04-02 | 2011-09-14 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 基于晶片键合的三结太阳能电池及其制备方法 |
| CN103219414A (zh) * | 2013-04-27 | 2013-07-24 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池的制作方法 |
| CN104282795A (zh) * | 2013-07-03 | 2015-01-14 | 中国电子科技集团公司第十八研究所 | GaInP/GaAs/InGaAs/Ge太阳能电池的制备方法 |
| CN104924199A (zh) * | 2015-05-28 | 2015-09-23 | 洛阳鸿泰半导体有限公司 | 一种粘合法单面研磨硅片的制作工艺 |
| CN105374664A (zh) * | 2015-10-23 | 2016-03-02 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种InP薄膜复合衬底的制备方法 |
| CN111900200A (zh) * | 2020-06-24 | 2020-11-06 | 西安交通大学 | 一种金刚石基氮化镓复合晶片及其键合制备方法 |
| CN113284839A (zh) * | 2021-05-21 | 2021-08-20 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种钻石晶体的异质键合方法及异质结构 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1933096A (zh) * | 2005-09-14 | 2007-03-21 | 中国科学院半导体研究所 | 一种低温晶片直接键合方法 |
| CN101281856A (zh) * | 2007-04-05 | 2008-10-08 | 北京邮电大学 | 晶片键合的硼化物表面处理剂及键合方法 |
-
2010
- 2010-03-17 CN CN201010128380A patent/CN101807626A/zh active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1933096A (zh) * | 2005-09-14 | 2007-03-21 | 中国科学院半导体研究所 | 一种低温晶片直接键合方法 |
| CN101281856A (zh) * | 2007-04-05 | 2008-10-08 | 北京邮电大学 | 晶片键合的硼化物表面处理剂及键合方法 |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102184980A (zh) * | 2011-04-02 | 2011-09-14 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 基于晶片键合的三结太阳能电池及其制备方法 |
| CN103219414A (zh) * | 2013-04-27 | 2013-07-24 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池的制作方法 |
| CN103219414B (zh) * | 2013-04-27 | 2016-12-28 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池的制作方法 |
| CN104282795A (zh) * | 2013-07-03 | 2015-01-14 | 中国电子科技集团公司第十八研究所 | GaInP/GaAs/InGaAs/Ge太阳能电池的制备方法 |
| CN104282795B (zh) * | 2013-07-03 | 2017-08-08 | 中国电子科技集团公司第十八研究所 | GaInP/GaAs/InGaAs/Ge太阳能电池的制备方法 |
| CN104924199A (zh) * | 2015-05-28 | 2015-09-23 | 洛阳鸿泰半导体有限公司 | 一种粘合法单面研磨硅片的制作工艺 |
| CN105374664A (zh) * | 2015-10-23 | 2016-03-02 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种InP薄膜复合衬底的制备方法 |
| CN111900200A (zh) * | 2020-06-24 | 2020-11-06 | 西安交通大学 | 一种金刚石基氮化镓复合晶片及其键合制备方法 |
| CN113284839A (zh) * | 2021-05-21 | 2021-08-20 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种钻石晶体的异质键合方法及异质结构 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101807626A (zh) | 用于多结太阳电池的GaAs/InP晶片低温直接键合方法 | |
| CN103872184B (zh) | 一种抗pid晶体硅太阳能电池制作方法 | |
| CN102110594A (zh) | 一种对GaAs与Si进行低温金属键合的方法 | |
| CN103943722B (zh) | 一种抗pid太阳能电池制作方法 | |
| CN111509090B (zh) | 电池边缘钝化方法 | |
| CN103700733B (zh) | 太阳能电池的n型晶体硅衬底的清洗处理方法 | |
| CN102110595B (zh) | 一种对InGaAs与GaAs进行低温金属键合的方法 | |
| CN104617219A (zh) | 基于CH3NH3PbI2+xCl1-x光活性层的平面钙钛矿太阳能电池及制备方法 | |
| CN111509091B (zh) | 一种电池边缘钝化方法 | |
| CN101752458A (zh) | 一种太阳能电池单晶硅片的界面钝化方法 | |
| US20130252427A1 (en) | Method for cleaning textured silicon wafers | |
| TWI424578B (zh) | 半導體元件的鈍化層結構及其形成方法 | |
| CN102306683A (zh) | 一种经丝网印刷后返工硅片的处理方法 | |
| CN104393094B (zh) | 一种用于hit电池的n型硅片清洗制绒方法 | |
| CN103887367A (zh) | 一种银纳米颗粒辅助两次刻蚀硅微纳米洞减反射织构的制备方法 | |
| CN108389913A (zh) | 一种GaAs表面钝化增强石墨烯肖特基结太阳电池性能的方法 | |
| CN103456838A (zh) | 太阳能电池钝化膜的制作方法及太阳能电池的制作方法 | |
| CN103924306B (zh) | 一种硅异质结太阳电池的制绒方法 | |
| CN102738292A (zh) | 多结叠层电池及其制备方法 | |
| CN109768111A (zh) | 一种GaAs纳米柱-石墨烯肖特基结太阳能电池及其制备方法 | |
| CN115881853A (zh) | 一种太阳电池及其制备方法 | |
| CN209472000U (zh) | 一种平面硅基有机/无机杂化太阳电池结构 | |
| CN106653954A (zh) | 一种多晶硅太阳能电池用二氧化硅钝化层的制备工艺 | |
| CN107578985A (zh) | 锑化镓衬底及锑化物基ⅱ类超晶格材料的表面清理方法 | |
| Zhang et al. | Key Equipments for O3-based Wet-Chemical Surface Engineering and PVD Processes Tailored for High-Efficiency Silicon Heterojunction Solar Cells |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Open date: 20100818 |