CN104241205B - 一种衬底可剥离的外延结构及其应用 - Google Patents

一种衬底可剥离的外延结构及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种衬底可剥离的外延结构，电池外延结构或外延发光结构与衬底之间设置牺牲层，牺牲层由交替生长的AlInP/AlAs多层结构组成。本发明还公开一种具有衬底可剥离的太阳能电池外延结构及一种具有衬底可剥离的发光二极管外延结构。本发明可以提高外延层与衬底的剥离速率，同时有效解决剥离时外延层容易破损的问题。

Description

一种衬底可剥离的外延结构及其应用
技术领域
本发明涉及光电技术领域，特别提供了一种衬底可剥离的外延结构及其应用。
背景技术
光电技术领域的发展日新月异，其中，三结砷化镓太阳能电池的吸收范围覆盖太阳光大部分波段，是当前所有太阳能电池中转换效率最高。发光二极管（LED）由于其低功耗、尺寸小和可靠性高而作为主要的光源得到迅猛的发展。
衬底剥离技术为太阳能电池、发光二极管向薄膜化发展提供了必要技术支持。衬底的重复性利用也降低了薄膜太阳能电池、薄膜LED的制作成本，且减少制作过程对环境的污染和资源的浪费。因此，采用有效的衬底剥离技术成为薄膜器件发展的重要技术。
现有技术中，通常在衬底与外延层之间设置牺牲层，牺牲层采用AlAs单层膜，由于外延层与牺牲层接触面积小且无法有效释放外延层与牺牲层的连接力，容易导致接触面积内的外延层被拉扯力撕破，为解决所述问题，本案由此产生。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种衬底可剥离的外延结构，以提高外延层与衬底的剥离速率，且有效解决剥离时外延层容易破损的问题。
本发明的目的之二在于提供一种具有衬底可剥离的太阳能电池外延结构。
本发明的目的之三在于提供一种具有衬底可剥离的发光二极管外延结构。
为达成上述目的，本发明的解决方案为：
一种衬底可剥离的外延结构，电池外延结构或外延发光结构与衬底之间设置牺牲层，牺牲层由交替生长的AlInP/AlAs多层结构组成。
进一步，交替生长的AlInP/AlAs多层结构，其交替生长的对数为3-8对。采用3对以上能有效缓冲和释放剥离过程外延层与衬底产生的拉扯力，且随着对数的增加有效缓冲和释放的能力变得更有效。当对数超过8对后腐蚀蚀刻的速率下降明显。因此采用3-8对交替生长的AlInP/AlAs结构为最优选择。
进一步，AlInP层的单层厚度为20-60nm。AlInP层的主要作用是起到缓冲剥离过程外延层与衬底产生的拉扯力，但由于AlInP层蚀刻速率较AlAs层慢，采用厚度不宜厚。
进一步，AlAs层的单层厚度为40-150nm。在蚀刻AlInP层、AlAs层的速率不同，AlAs层的厚度采用40nm以上，蚀刻过程会逐渐产生AlInP层与之相邻的上、下层AlAs层都被蚀刻，形成半悬空的AlInP层，在多组交替生长的AlInP/AlAs牺牲层会产生不同区域的AlAs层被相邻的两层AlInP层弯曲所合闭，但另一层AlAs层相邻的两层AlInP层反而是弯曲张开，从而AlAs层一侧更多地接触腐蚀溶液。导致各层AlAs层及各区域的AlAs层的蚀刻速率不同，促进了整体蚀刻速率的提高。但AlAs层的厚度达到150nm以上时，该效应反而减弱，蚀刻速率降低明显。
进一步，交替生长的AlInP/AlAs多层结构的第一层为AlInP层，且与衬底相邻。
进一步，交替生长的AlInP/AlAs多层结构的最后一层为AlInP层，且与外延层相邻。
进一步，交替生长的AlInP/AlAs多层结构的最后一层为AlInP层的厚度较其它AlInP层厚。
一种具有衬底可剥离的太阳能电池外延结构，电池外延结构与衬底之间设置牺牲层，牺牲层由交替生长的AlInP/AlAs多层结构组成。
进一步，电池外延结构由下自上依次设置欧姆接触层、顶电池窗口层、顶电池发射区、顶电池基区、顶电池BSF层、中顶电池隧穿结、中电池窗口层、中电池发射区、中电池基区、中电池BSF层、中底电池隧穿结、组分渐变层、底电池窗口层、底电池发射区、底电池基区及底电池BSF层，欧姆接触层与牺牲层相邻。
一种具有衬底可剥离的发光二极管外延结构，外延发光结构与衬底之间设置牺牲层，牺牲层由交替生长的AlInP/AlAs多层结构组成。
进一步，外延发光结构由下自上依次设置第一型导电层、有源层及第二型导电层，第一型导电层与牺牲层相邻。
一种高效的衬底剥离方法，包括以下步骤：
步骤一，外延发光结构与衬底之间设置牺牲层，牺牲层由交替生长的AlInP/AlAs多层结构组成；
步骤二，采用化学腐蚀液蚀刻和剥离牺牲层。
进一步，所述化学腐蚀液配方为：氢氟酸3-5mol/L；柠檬酸0.5-2mol /L；过氧化氢200-500g/L；水500-800g/L。
采用上述方案后，本发明通过在衬底与外延结构之间设置用于腐蚀剥离的牺牲层，牺牲层采用交替生长的AlInP/AlAs多层结构，提高了外延层与衬底的剥离速率。由于AlInP层与AlAs层存在蚀刻速率不同，使得腐蚀过程中AlAs层与AlInP层形成深、浅交替的弹簧状蚀刻形貌，有效释放外延层与衬底分离所产生的拉扯力。
解决现有技术牺牲层采用AlAs单层膜蚀刻到后期，由于外延层与牺牲层接触面积小，且无法有效释放拉扯力，从而容易导致接触面积内的外延层被撕破的问题。
附图说明
图1为应用衬底可剥离的外延结构的太阳能电池结构示意图；
图2为应用衬底可剥离的外延结构的发光二极管结构示意图。
标号说明
衬底1 缓冲层2
牺牲层3 欧姆接触层4
顶电池窗口层5 顶电池发射区6
顶电池基区7 顶电池BSF层8
中顶电池隧穿结9 中电池窗口层10
中电池发射区11 中电池基区12
中电池BSF层13 中底电池隧穿结14
组分渐变层15 底电池窗口层16
底电池发射区17 底电池基区18
底电池BSF层19
衬底21 缓冲层22
牺牲层23 第一型导电层24
有源层25 第二型导电层26。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做详细描述。
如图1所示，本发明揭示的一种具有衬底可剥离的太阳能电池外延结构，在衬底1表面由下自上依次外延缓冲层2、牺牲层3、欧姆接触层4、顶电池窗口层5、顶电池发射区6、顶电池基区7、顶电池BSF层8、中顶电池隧穿结9、中电池窗口层10、中电池发射区11、中电池基区12、中电池BSF层13、中底电池隧穿结14、组分渐变层15、底电池窗口层16、底电池发射区17、底电池基区18及底电池BSF层19。
其中衬底1采用4英寸的GaAs衬底，厚度为400μm。缓冲层2的材料为GaAs三五族化合物，厚度为500nm。
牺牲层3由7组AlInP层和AlAs层交替构成，且第一层和最后一层都为AlInP层。AlInP层厚度为40nm，AlAs层厚度为100nm。
欧姆接触层4材料为GaAs三五族化合物，厚度为200nm。
顶电池窗口层5材料为AlGaInP三五族化合物，顶电池窗口层5厚度为30nm。
电池发射区6和顶电池基区7材料采用GaInP三五族化合物，顶电池发射区6厚度为650nm，顶电池基区7厚度为6μm。
顶电池BSF层8材料为AlGaInP，顶电池BSF层8厚度为100nm。中顶隧穿结9材料为GaInP/AlGaAs，中顶隧穿结9厚度为50nm。
中电池窗口层10材料为AlGaAs三五族化合物，中电池窗口层10厚度为100nm。
中电池发射区11和中电池基区12材料采用GaInAs三五族化合物，中电池发射区11的厚度为100nm，中电池基区12厚度为6μm。
中电池BSF层13材料为AlGaAs，中电池BSF层13的厚度为30nm。中底隧穿结14材料为GaAs，中底隧穿结14的厚度为50nm。
组分渐变层15由In组分渐变的GaInAs材料构成，组分渐变层15的厚度为600nm。
底电池窗口层16材料为AlGaInAs三五族化合物，底电池窗口层16的厚度为30nm。
底电池发射区17和底电池基区18材料采用GaInAs三五族化合物，底电池发射区17的厚度为650nm，底电池基区18的厚度为3μm。
使用下述腐蚀溶液进行外延层和衬底1的剥离：氢氟酸4.5mol/L；柠檬酸1mol /L；过氧化氢500g/L；氧化氢（水）500g/L。使用所述腐蚀液腐蚀速度较快，当然也可以使用其它的腐蚀液。腐蚀液的温度控制在45℃。腐蚀液环绕外延衬底的流速范围控制在1.2m/s。使用所述腐蚀液腐蚀速度较快，当然也可以使用其它的腐蚀液。
如图2所示，本发明揭示的一种具有衬底可剥离的发光二极管外延结构，在衬底21表面由下自上依次外延缓冲层22、牺牲层23、第一型导电层24、有源层25及第二型导电层26，其中，牺牲层23由交替生长的AlInP/AlAs多层结构组成。
其中，衬底21采用2英寸的具有n型导电性的GaAs衬底，厚度为350μm。缓冲层22的材料为GaAs三五族化合物，厚度为500nm。
牺牲层23由5组AlInP层和AlAs层交替构成，且第一层和最后一层都为AlInP层。AlInP层厚度为30nm，AlAs层厚度为70nm。
第一型导电层24的材料为(Al0.4Ga0.5)0.5In0.5P三五族化合物，采用厚度为6μm。有源层25采用量子阱与量子垒交替生长的量子结构。量子阱的材料为(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P三五族化合物，厚度为10nm。量子垒的材料为(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P三五族化合物，厚度为18nm。量子阱和量子垒交叉的对数为30对。第二型导电层26的材料为(Al0.4Ga0.5)0.5In0.5P 、GaP三五族化合物，厚度为5μm。
采用下述腐蚀溶液进行外延层和衬底的剥离。氢氟酸2mol/L；柠檬酸0.5mol /L；过氧化氢300g/L；氧化氢（水）700g/L。腐蚀液的温度控制在30℃。腐蚀液环绕外延衬底的流速范围控制在2 m/s。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本案设计的限制，凡依本案的设计关键所做的等同变化，均落入本案的保护范围。

Claims (3)

1.一种衬底可剥离的外延结构，其特征在于：电池外延结构或外延发光结构与衬底之间设置牺牲层，牺牲层由交替生长的AlInP/AlAs多层结构组成；所述的交替生长的AlInP/AlAs多层结构，其交替生长的对数为3-8对；AlInP层的单层厚度范围20-60nm； AlAs层的单层厚度范围40-150nm；交替生长的AlInP/AlAs多层结构的第一层为AlInP层，且与衬底相邻；交替生长的AlInP/AlAs多层结构的最后一层为AlInP层，且与外延结构相邻；最后一层的AlInP层的厚度较其它AlInP层厚。
2.一种具有衬底可剥离的太阳能电池外延结构，其特征在于：电池外延结构与衬底之间设置牺牲层，牺牲层由交替生长的AlInP/AlAs多层结构组成；电池外延结构由下至上依次设置欧姆接触层、顶电池窗口层、顶电池发射区、顶电池基区、顶电池BSF层、中顶电池隧穿结、中电池窗口层、中电池发射区、中电池基区、中电池BSF层、中底电池隧穿结、组分渐变层、底电池窗口层、底电池发射区、底电池基区及底电池BSF层组成，且欧姆接触层与牺牲层相邻；所述的交替生长的AlInP/AlAs多层结构，其交替生长的对数为3-8对；AlInP层的单层厚度范围20-60nm； AlAs层的单层厚度范围40-150nm；交替生长的AlInP/AlAs多层结构的第一层为AlInP层，且与衬底相邻；交替生长的AlInP/AlAs多层结构的最后一层为AlInP层，且与外延结构相邻；最后一层的AlInP层的厚度较其它AlInP层厚。
3.一种具有衬底可剥离的发光二极管外延结构，其特征在于：发光外延结构与衬底之间设置牺牲层，牺牲层由交替生长的AlInP/AlAs多层结构组成；发光外延结构由下至上依次设置的第一型导电层、有源层及第二型导电层组成，且第一型导电层与牺牲层相邻；所述的交替生长的AlInP/AlAs多层结构，其交替生长的对数为3-8对；AlInP层的单层厚度范围20-60nm； AlAs层的单层厚度范围40-150nm；交替生长的AlInP/AlAs多层结构的第一层为AlInP层，且与衬底相邻；交替生长的AlInP/AlAs多层结构的最后一层为AlInP层，且与外延结构相邻；最后一层的AlInP层的厚度较其它AlInP层厚。
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