CN101894884A - 一种ⅲ族氮化物纳米阵列结构太阳能电池的制作方法 - Google Patents

一种ⅲ族氮化物纳米阵列结构太阳能电池的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种Ⅲ族氮化物纳米阵列结构太阳能电池的制作方法，包括步骤：Ⅰ、对GaN样品台面进行第一次刻蚀，形成台阶状的样品结构；Ⅱ、在台阶上方的p区或n区的台面上制作微结构掩模层并进行第二次台面刻蚀形成纳米柱阵列，同时露出与台阶下方台面相一致的n区或p区；Ⅲ、对带纳米柱阵列的GaN样品旋涂填充物，使之平面化；Ⅳ、在对应于纳米柱阵列的平面化GaN样品表面制作电流扩展层；Ⅴ、在电流扩展层表面及台阶下方台面上沉积金属，制作n/p电极。本发明基于传统工艺作出调整，能有效避免台阶下方电极区粗糙，使淀积的金属粘附性增强，不易剥落；提高了电学连接的稳定性和器件的可靠性；同时该制作方法还具有简单快捷，普适性强的特点。

Description

一种Ⅲ族氮化物纳米阵列结构太阳能电池的制作方法
技术领域
本发明涉及半导体工艺领域，特别涉及一种基于半导体材料制作纳米阵列结构太阳能电池的方法，该方法能显著改善Ⅲ族氮化物纳米阵列结构太阳能电池的电极区粗糙度，从而提高电池电学连接的稳定性和可靠性。
背景技术
太阳能电池是指利用光电效应将光能转化成电能的装置。由于太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源，近年来太阳能电池产业的发展受到了广泛的关注。太阳能电池根据所用材料的不同，可分为Si系太阳能电池、化合物半导体太阳能电池、有机太阳能电池、薄膜太阳能电池、纳米结构太阳能电池等。
在众多种类的太阳能电池中，Ⅲ族氮化物禁带宽度覆盖范围达0.7eV～3.4eV，几乎覆盖了整个太阳光谱的范围，同时具有良好的抗辐照特性，高的光吸收系数。因而Ⅲ族氮化物成为制作全光谱高效太阳能电池的理想材料。此外，Ⅲ族氮化物还可以用于搭载其它电池作为顶电池，吸收短波长光，用于全光谱高效多结太阳能电池的制作。
尽管Ⅲ族氮化物材料在制作太阳能电池方面有很大的优势，但是外延生长高晶体质量、高In组分的InGaN薄膜非常困难，使太阳能电池的转换效率受到很大限制。采用纳米结构便能缓解这一问题，相对于传统的体材料的电池，纳米结构的太阳能电池具有释放应力，终止位错，增强光吸收等优点，有利于提高太阳能电池的转换效率。目前典型的垂直排列纳米阵列结构太阳能电池的制作工艺(如图1所示)包括：(a)制作微结构掩模层，刻蚀衬底203上的纳米阵列结构，如顶部为p型半导体201，则底部及阵列间隙便为n型半导体202；(b)对纳米阵列结构用填充物204进行填充，使其平面化；(c)制作电流扩展层205；(d)台面刻蚀，暴露出n区(或p区)；(e)淀积金属，制作n/p电极206。
如图2和图3所示按此工艺，在样品的整个表面刻蚀了纳米阵列结构，然后通过台面刻蚀刻出n(或p)电极区。由于表面纳米阵列结构的存在，干法刻蚀后n(或p)电极区表面存在尖峰状凸起。这些凸起一方面不利于后续的金属电极的淀积，降低了附着力；另一方面，若器件的制作工艺流程中还有晶片键合、镀Ag镜等后续工艺，表面凸起的存在将不利于这些工艺的进行。另外，如果台面刻蚀是在电流扩展层的制作之后进行，在台面刻蚀以及刻蚀掩模的去除过程中可能对电流扩展层表面造成损伤，在后续工艺中可能造成器件短路，降低成品率。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种Ⅲ族氮化物纳米阵列结构太阳能电池的制作方法，在传统工艺的基础上能较好地避免台阶下方的n电极区(或p电极区)粗糙。
本发明的上述目的，实现的技术方案是：
一种Ⅲ族氮化物纳米阵列结构太阳能电池的制作方法，针对应用于具有垂直pn结或np结且为同侧电极的太阳能电池，其特征在于该方法包括步骤：
Ⅰ、以光刻胶、SiO2对GaN样品台面进行第一次刻蚀，形成台阶状的样品结构；
Ⅱ、在台阶上方的p区或n区台面上制作微结构掩模层并进行第二次台面刻蚀形成纳米柱阵列，同时露出与台阶下方台面相一致的n区或p区；
Ⅲ、对带纳米柱阵列的GaN样品旋涂填充物，使之平面化；
Ⅳ、在对应于纳米柱阵列的平面化GaN样品表面制作电流扩展层；
Ⅴ、在电流扩展层表面及台阶下方的n区或p区台面上沉积金属，制作n/p电极。
进一步地，前述一种Ⅲ族氮化物纳米阵列结构太阳能电池的制作方法，其中该微结构掩模层仅制作于台阶上方的p区或n区的台面上，并且该微结构掩模层的制作方法至少包括自组装形成金属微球及旋涂单层微粒。
进一步地，前述一种Ⅲ族氮化物纳米阵列结构太阳能电池的制作方法，步骤Ⅲ中对GaN样品填充指的是：采用填充物对纳米柱阵列及台阶下方的n区或p区台面进行填充，并刻蚀掉顶部多余的填充物使之形成一平整面。该填充物包括光刻胶、聚酰亚胺或旋涂玻璃。
进一步地，前述一种Ⅲ族氮化物纳米阵列结构太阳能电池的制作方法，步骤Ⅳ中所述电流扩展层包括铟锡氧化物或金属。
实施本发明的技术方案，其显著的优点在于：
本发明在传统工艺的基础上，对工艺步骤作出了调整，能有效避免台阶下方n电极区(或p电极区)粗糙，使后续淀积的金属与n区或p区材料更好地粘附、不易剥落；提高了电学连接的稳定性和器件的可靠性；同时该制作方法还具有简单快捷，普适性强的特点。
为使本发明一种Ⅲ族氮化物纳米阵列结构太阳能电池的制作方法更易于理解其实质性特点及其所具的实用性，下面便结合附图对本发明若干具体实施例作进一步的详细说明。但以下关于实施例的描述及说明对本发明保护范围不构成任何限制。
附图说明
图1是传统Ⅲ族氮化物纳米阵列结构太阳能电池制作的方法流程图；
图2是图1方法制得的Ⅲ族氮化物纳米阵列结构太阳能电池的扫描电镜照片；
图3是传统Ⅲ族氮化物纳米阵列结构太阳能电池制作方法的工艺流程图；
图4是本发明Ⅲ族氮化物纳米阵列结构太阳能电池制作的方法流程图；
图5是图4方法制得的Ⅲ族氮化物纳米阵列结构太阳能电池的扫描电镜照片；
图6是本发明Ⅲ族氮化物纳米阵列结构太阳能电池制作方法的工艺流程图。
图中各附图标记的含义为：
201、501～p型半导体；202、502～n型半导体；203、503～衬底；
204、504～填充物；205、505～电流扩展层；206、506～金属电极。
具体实施方式
在蓝宝石衬底上外延生长InGaN/GaN太阳能电池，由于衬底不导电，Ⅲ族氮化物电池采用的是同侧电极结构。图1和图3分别是传统的Ⅲ族氮化物纳米阵列结构太阳能电池的制作方法流程图和工艺流程示意图。由于在p电极区刻蚀有纳米阵列结构，在进行n区GaN台面刻蚀的时候会造成n区表面粗糙，如图2所示。
为避免台阶下方n电极区(或p电极区)粗糙，制造电学连接稳定和器件可靠性高的太阳能电池，本发明提出了一种改善Ⅲ族氮化物纳米阵列结构太阳能电池的制作方法，主要针对应用于具有垂直pn结或np结且为同侧电极的太阳能电池，其方法及工艺流程如图4和图6所示，主要包括：
步骤1：对GaN样品进行第一次台面刻蚀，形成台阶状的样品结构；
在本步骤中，首先对样品进行充分清洗，然后以光刻胶为掩模进行刻蚀，具体包括：在100℃以上干燥10分钟，去除样品表面吸附的水汽；涂胶，前烘，曝光，显影，得到厚度约为1.2μm的光刻胶掩模。用等离子体去胶机去除光刻胶底膜后，将样品放入感应耦合等离子体(inductively coupled plasma，ICP)刻蚀机中进行GaN刻蚀。该工艺气体包含Cl2和BCl3，ICP源和样片台偏置射频源的功率分别为500W和300W，刻蚀深度约400nm。如图6(a)所示，形成上部为p型半导体501，下部为n型半导体502的台阶状样品结构。
步骤2：在台阶上方的p区台面上制作微结构掩模层，进行第二次台面刻蚀形成纳米柱阵列，同时暴露出与台阶下方台面相一致的n型半导体502；但刻蚀深度不至于深达衬底503。
上微结构掩模层可通过金属(如Ni、Pd、Cu等)自组装形成微球，或者旋涂单层微颗粒(如二氧化硅微球、聚苯乙烯微球等)的方式形成。
在本步骤中以Ni自组装为例，将样品放入等离子体增强化学气相淀积(plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD)真空室，使衬底升温至350℃并通入工艺气体，该工艺气体包含SiH4、N2O和N2，气压保持在2Torr，采用20W的射频功率起辉，在衬底上淀积厚度为300nm的SiO2薄膜。光刻，电子束蒸发淀积15nm的Ni，剥离去胶，并850℃退火1分钟，只在GaN台阶上方的台面上形成直径约200nm～300nm的Ni球。以Ni球为掩模，进行SiO2的反应离子刻蚀(reactive ion etching，RIE)，再以Ni球和SiO2共同作为掩模，进行GaN的ICP刻蚀，刻蚀深度约700nm。最后用BOE去除SiO2和Ni，得到GaN纳米柱阵列。本实施例中，台阶上方台面为p区；台阶下方台面为n区。由于只在台阶上方的p区台面上存在Ni球，刻蚀后仅在p区刻蚀出纳米柱阵列，台阶下方的n电极区没有Ni的掩蔽，SiO2和GaN均被刻蚀掉，因此通过两步刻蚀，共形成1.1μm高度的台阶，如图6(b)所示。
步骤3：对纳米柱阵列的GaN样品采用填充物504进行填充，使其平面化，具体包括：
干燥，去除样品表面吸附的水汽；滴PMMA，静置15分钟使PMMA充分下渗，对纳米柱阵列进行填充，在4000rpm的转速下匀胶，用热板180℃烘烤，使PMMA固化；用等离子体去胶机去除纳米柱顶部多余的胶，露出纳米柱顶部的p型层，如图6(c)所示。
步骤4：在对应于纳米柱阵列的平面化GaN样品表面制作电流扩展层505，具体包括：
蒸发180nm ITO，光刻，以光刻胶做掩模，用体积比为1∶1的盐酸水溶液作为刻蚀液进行ITO的湿法刻蚀，去胶，退火，使ITO和p-GaN形成欧姆接触，如图6(d)所示。
步骤5：淀积金属，制作n/p电极506。
光刻，蒸发Ti/Al/Ti/Au，利用剥离的方法在电流扩展层及台阶下方的n区或p区台面上制作金属电极，如图6(e)所示。
以上仅是本发明众多具体应用范例中的颇具代表性的一个实施例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或是等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (7)

1.一种Ⅲ族氮化物纳米阵列结构太阳能电池的制作方法，其特征在于该方法包括步骤：
Ⅰ、对GaN样品台面进行第一次刻蚀，形成台阶状的样品结构；
Ⅱ、在台阶上方的p区或n区的台面上制作微结构掩模层并进行第二次台面刻蚀形成纳米柱阵列，同时露出与台阶下方台面相一致的n区或p区；
Ⅲ、对带纳米柱阵列的GaN样品旋涂填充物，使之平面化；
Ⅳ、在对应于纳米柱阵列的平面化GaN样品表面制作电流扩展层；
Ⅴ、在电流扩展层表面及台阶下方的n区或p区台面上沉积金属，制作n/p电极。
2.根据权利要求1所述的一种Ⅲ族氮化物纳米阵列结构太阳能电池的制作方法，其特征在于：所述微结构掩模层仅制作于台阶上方的p区或n区的台面上。
3.根据权利要求1或2所述的一种Ⅲ族氮化物纳米阵列结构太阳能电池的制作方法，其特征在于：所述微结构掩模层的制作方法至少包括自组装形成金属微球及旋涂单层微粒。
4.根据权利要求1所述的一种Ⅲ族氮化物纳米阵列结构太阳能电池的制作方法，其特征在于：步骤Ⅲ中对GaN样品填充指的是：采用填充物对纳米柱阵列及台阶下方的n区或p区台面进行填充，并刻蚀掉顶部多余的填充物使之形成一平整面。
5.根据权利要求4所述的一种Ⅲ族氮化物纳米阵列结构太阳能电池的制作方法，其特征在于：所述填充物包括光刻胶、聚酰亚胺或旋涂玻璃。
6.根据权利要求1所述的一种Ⅲ族氮化物纳米阵列结构太阳能电池的制作方法，其特征在于：步骤Ⅳ中所述电流扩展层包括铟锡氧化物或金属。
7.根据权利要求1所述的一种Ⅲ族氮化物纳米阵列结构太阳能电池的制作方法，其特征在于：所述制作方法针对应用于具有垂直pn结或np结且为同侧电极的太阳能电池。
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