CN107068787A - 太阳电池集成式GaAs结二极管的结构设计及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种太阳电池集成式GaAs结二极管的结构设计及制造方法，该集成式二极管为单结结构，从上到下依次设置有上电极金属层、Ge子电池、Ge衬底和下电极金属层。该方法包括以下步骤，1)第一次光刻腐蚀，将二极管区域腐蚀至隧穿结层；2)第二次光刻腐蚀，将跨越区腐蚀至衬底层；3)第三次光刻腐蚀，将隔离区腐蚀至衬底层；4)光刻、蒸镀上电极；5)蒸镀下电极；6)划片；7)制减反射膜。本发明的有益效果是：集成式二极管只采用GaAs结单结结构，其开启电压只有1.1Ⅴ左右，有益于并联电池在出现故障之时，及时导通旁路二极管，避免出现更大的电池伤害；本发明降低了其热阻值，进而大大降低旁路二极管被热击穿的风险。
Description
技术领域
本发明涉及物理电源技术领域，尤其涉及一种太阳电池集成式GaAs结二极管的结构设计及制造方法。
背景技术
太阳电池在空间工作中，由于卫星运动造成的阴影或者电池单体失效等原因，很容易造成电池阵帆板热斑效应，破坏太阳电池。为了防止热斑效应的产生，在单体太阳电池的正负极间并联一个旁路二极管，避开问题电池，起到分流作用。对于空间太阳电池阵，旁路二极管必不可少，十分关键。
常用的空间用旁路二极管分为分体式和集成式，分体式旁路二极管与电池主体分别设计与制造，工序繁琐；集成式能够大大简化生产制作的器件工艺流程和后期的贴片工艺，因此，集成式电池的需求日益增大。
目前，集成式二极管均采用多结结构设计，通过干法或湿法刻蚀隔离旁路二极管和电池主体，保留了太阳电池主体的多结GaInP/GaAs/Ge结构。由于旁路二极管具有开启电压高、串联电阻大等原因，容易造成工作中发热量大使得二极管失效等技术问题。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种太阳电池集成式GaAs结二极管的设计及制造方法，尤其适合于降低开启电压，降低内阻，降低成本的GaAs结旁路二极管。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种太阳电池集成式GaAs结二极管的结构设计，三结GaAs太阳电池与集成二极管在同一晶片上，所述集成式二极管为单结结构，从上到下依次设置有上电极金属层、Ge子电池、Ge衬底和下电极金属层。
还包括一种太阳电池集成式GaAs结二极管的制造方法，其特征在于：该方法包括以下步骤，
1)通过第一次光刻腐蚀工艺，将二极管区域腐蚀至隧穿结层；
2)通过第二次光刻腐蚀工艺，将跨越区腐蚀至衬底层；
3)通过第三次光刻腐蚀工艺，将隔离区腐蚀至衬底层；
4)光刻、蒸镀主体电池电极、二极管上电极和短接金属电极；
5)蒸镀下电极；
6)通过划片工艺划成所需要的电池尺寸；
7)电池上表面蒸镀减反射膜。
进一步的，所述光刻腐蚀中的光刻方式的步骤为涂光刻胶1500-2500r/m，85-95℃下烘烤10-20min；再进行曝光，时间为15-25s；显影采用NaOH溶液，溶度为0.8-1.2％，时间为15-25s；坚膜温度为120-130℃，时间为20-25min。
进一步的，所述第一次光刻腐蚀和所述第二次光刻腐蚀中的腐蚀液包括腐蚀液F1和腐蚀液F2，所述腐蚀液F1为HCl溶液，所述腐蚀液F2为H3PO4、H2O2和H2O的混合液，所述第三次光刻腐蚀中的腐蚀液为腐蚀液F3和腐蚀液F4，所述腐蚀液F3为HCl、H2O2和H2O的混合液，所述腐蚀液F4为HF、H2O2和H2O的混合液。
进一步的，所述腐蚀液F2中H3PO4、H2O2和H2O的体积比为1:2:7，所述腐蚀液F3中HCl、H2O2和H2O的体积比为6:2:1，所述腐蚀液F4中HF、H2O2和H2O的体积比为2:1:7。
进一步的，所述第一次光刻腐蚀的腐蚀方式为依次使用所述腐蚀液F2腐蚀18-23s，所述腐蚀液F1腐蚀55-65s；所述第二次光刻腐蚀的腐蚀方式为依次使用所述腐蚀液F2腐蚀8-20s，所述腐蚀液F1腐蚀55-65s，所述腐蚀液F2腐蚀25-35s，所述腐蚀液F1腐蚀55-65s，所述腐蚀液F2腐蚀40-50s；所述第三次光刻腐蚀的腐蚀方式为使用所述腐蚀液F3腐蚀25-30s，所述腐蚀液F4腐蚀30-35s。
进一步的，所述光刻上电极的光刻方式的步骤为涂光刻胶800-1300r/m，85-95℃下烘烤10-20min；再进行曝光，时间为25-40s；显影时间为45-60s。
进一步的，所述蒸镀上电极为在低真空条件下依次蒸镀Au、Ag和Au的复合薄膜，所述复合薄膜的厚度为4.9-5.1μm。
进一步的，所述蒸镀下电极为在低真空条件下依次蒸镀Au、Ge、Ag和Au的复合薄膜，所述复合薄膜的厚度为4.9-5.1μm。
进一步的，所述电池上表面制成减反射膜为在高真空条件下依次蒸镀三氧化二钛和三氧化二铝的复合薄膜，所述三氧化二钛膜的厚度为40nm-50nm；所述三氧化二铝膜的厚度为70nm-80nm。
本发明具有的优点和积极效果是：
1.降低开启电压
旁路二极管的功能之一是正向导通性，只要当二极管加上的正向电压大于开启电压时，二极管实现正向导通。而开启电压的大小跟本身材料和PN结内电场有关，过往的集成式二极管是由Ge结、GaAs结、GaInP结以及多种材料构成，开启电压为2Ⅴ～3Ⅴ，大大增大了其开启电压，本发明的集成式二极管只采用GaAs结单结结构，其开启电压只有1.1Ⅴ左右，有益于并联电池在出现故障之时，及时导通旁路二极管，避免出现更大的电池伤害。
2.降低内阻
旁路二级管在导通工作时，其发热量是跟热阻有很大的关系，热阻越小，发热量就越小，散热效果也就越好，相应的工作温度也就越低，即可避免或减小了因过热导致的二极管失效的可能性。一般集成式旁路二极管主要由Ge结、GaAs结、GaInP结等多结构成，其热阻是多种材料内阻、结电阻、各结之间的面接触电阻等多个串联阻值之和；本发明的集成式旁路二极管由GaAs结构成，降低了其热阻值，进而大大降低旁路二极管被热击穿的风险。
3.降低成本
本发明利用了主体电池外延结构，而不是通过增加外延工艺实现旁路二极管的构造，本发明取得了降低开启电压、降低内阻的有益效果，减少了外延的费用，大大降低了电池的使用成本。
附图说明
图1是本发明集成式旁路二极管与其它类剖面结构差异图
其中，图1A为一般集成式二极管的剖面图，图1B为本发明集成式单结式旁路二极管的剖面图，101-Ge衬底，102-Ge子电池，103-GaAs子电池，104-GaInP子电池，105-上电极金属层(Au/Ag/Au)，106-下电极金属层(Au/Ge/Ag/Au)
图2是本发明集成式旁路二极管太阳电池剖面结构示意图
其中，A-太阳电池，B-隔离槽，C-二极管，201-Ge衬底(p)，202-Ge外延层(n+)，203-第一隧道二极管，204-GaAs子电池，205-第二隧道二极管，206-GaInP子电池，207-GaAs帽子层，208-上电极金属层(AuAgAu)，209-减反射膜，210-下电极金属层(AuGeAgAu)
图3是本发明集成式旁路二极管太阳电池正面俯视图
其中，301-上电极金属Au/Ag/Au，3-A–隔离槽外边缘，
3-B–金属跨越条外边缘，3-C–隔离槽内边缘，3-D–金属跨越条内边缘，3-E–二极管上电极金属区外边缘
图4是本发明集成式GaAs结旁路二极管太阳电池制造流程
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。
本发明对这种具有单结结构设计的集成式旁路二极管进行制作工艺说明。图4是依据集成式单结旁路二极管太阳电池制造流程顺序并结合图1、图2与图3进行工艺详细说明。本发明只针对集成式单结旁路二极管，与主体太阳电池有关的结构设计、电极工艺、减反射膜工艺、划片等工艺和一般工艺类似。
如图1A所示，一种太阳电池集成式GaAs结二极管的结构设计，集成式二极管为单结结构，从上到下依次设置有上电极金属层、Ge子电池、Ge衬底和下电极金属层，如图1B所示，普通集成式二极管的结构为多结结构，从上到下依次为上电极金属层、GaInP子电池、GaAs子电池、Ge子电池、电池主体和下电极金属层。
如图4所示，一种太阳电池集成式GaAs结二极管的制造方法，该方法包括以下步骤，
1)依据三结外延结构依次生长Ge子电池102、GaAs子电池103、GaInP子电池104；
2)经过第一次光刻腐蚀去除隔离环C区域以及二极管PN结区域上的GaInP结子电池206、GaAs帽子层207的外延层，腐蚀至隧穿结205；
3)经过第二次光刻腐蚀去除二极管边缘C-E区域内的外延层，腐蚀至隧穿结203；
4)经过第三次光刻腐蚀依次去除隔离环C区域的GaAs帽子层207、GaInP子电池206、第二隧道二极管205、GaAs子电池204、第一隧道二极管203、Ge结子电池，腐蚀至Ge衬底201；
5)光刻蒸镀主体电池上电极208、二极管上电极206以及短接金属电极B-D区域；
6)蒸镀下电极208；
7)通过划片工艺，将圆片划成所需要的电池尺寸；
8)电池上表面制成减反射膜209；
如图1所示，依据三结外延结构依次生长Ge子电池102、GaAs子电池103、GaInP子电池104。利用了主体电池外延结构，而不是通过增加外延工艺实现旁路二极管的构造，通过将多结结构变为单结结构，实现了开启电压降低、内阻降低的有益效果，减少了外延的费用，大大降低了电池的使用成本。
如图2所示，通过第一次光刻图形，湿法腐蚀去除隔离环C区域以及二极管PN结区域上的GaInP结子电池206、GaAs帽子层207的外延层，腐蚀至隧穿结205，此步骤即可完成集成式旁路二极管保留单结结构的目的。第一次光刻腐蚀工艺，应准备带有二极管C区域图形的光刻版，腐蚀液F1和腐蚀液F2，腐蚀液F1为HCl溶液，腐蚀液F2为H3PO4、H2O2和H2O的混合液，它们的体积比为1:2:7。第一次光刻方式的步骤为涂光刻胶1500-2500r/m，85-95℃下烘烤10-20min；再进行曝光，时间为15-25s；显影采用NaOH溶液，溶度为0.8-1.2％，时间为15-25s。坚膜温度为120-130℃，时间为20-25min。第一次光刻腐蚀的腐蚀方式为依次使用腐蚀液F2腐蚀18-23s，腐蚀液F1腐蚀55-65s；最后去胶处理。
通过第二次光刻图形，湿法腐蚀去除二极管边缘C-E区域内的外延层，腐蚀至隧穿结203位置。第二次光刻腐蚀工艺，应准备带有二极管边缘C-E区域图形的光刻版，腐蚀液F1和腐蚀液F2，腐蚀液F1为HCl溶液，腐蚀液F2为H3PO4、H2O2和H2O的混合液，它们的体积比为1:2:7。第二次光刻方式的步骤为涂光刻胶1500-2500r/m，85-95℃下烘烤10-20min；再进行曝光，时间为15-25s；显影采用NaOH溶液，溶度为0.8-1.2％，时间为15-60s。坚膜温度为110-120℃，时间为8-12min。第二次光刻腐蚀的腐蚀方式为依次使用腐蚀液F2腐蚀18-23s，腐蚀液F1腐蚀55-65s，腐蚀液F2腐蚀25-35s，腐蚀液F1腐蚀55-65s，腐蚀液F2腐蚀40-50s。最后去胶处理。
通过第三次光刻图形，采用湿法腐蚀依次去除隔离环C区域的GaAs帽子层207、GaInP子电池206、第二隧道二极管205、GaAs子电池204、第一隧道二极管203、Ge结子电池，腐蚀至Ge衬底201，此步骤即可完成集成式旁路二极管与主体电池分离的任务。第三次光刻腐蚀工艺，应准备带有隔离环B区域图形的光刻版，腐蚀液F3和腐蚀液F4，腐蚀液F3为HCl、H2O2和H2O的混合液，它们的体积比为6:2:1，腐蚀液F4为HF、H2O2和H2O的的混合液，它们的体积比为2:1:7。第三次光刻方式的步骤为涂光刻胶1500-2500r/m，85-95℃下烘烤10-20min；再进行曝光，时间为15-25s；显影采用NaOH溶液，溶度为0.8-1.2％，时间为15-60s。坚膜温度为120-130℃，时间为20-25min。第三次光刻腐蚀的腐蚀方式为依次使用使用腐蚀液F3腐蚀25-30s，腐蚀液F4腐蚀30-35s。最后去胶处理。
通过光刻，为下一步蒸镀电极做图形准备。
准备带有主体上电极图形、集成二极管上电极301图形的光刻版：涂光刻胶800-1300r/m，85-95℃下烘烤10-20min；再进行曝光，时间为25-40s；显影时间为45-60s。
蒸镀上电极为在低真空条件下依次蒸镀Au、Ag和Au的复合薄膜，复合薄膜的厚度为4.9-5.1μm。
蒸镀下电极为在低真空条件下依次蒸镀Au、Ge、Ag和Au的复合薄膜，复合薄膜的厚度为4.9-5.1μm。
如图3所示，采用划片机，依据电池的尺寸设置好程序，从操作屏幕上校准所划电池的定位位置，校准完毕后，按START键，划片机自动进行划片。通过划片工艺，将圆片划成所需要的电池尺寸。
电池上表面制成减反射膜为在高真空条件下依次蒸镀三氧化二钛和三氧化二铝的复合薄膜，三氧化二钛膜的厚度为40nm-50nm；三氧化二铝膜的厚度为70nm-80nm。
本发明具有的优点和积极效果是：
1.降低开启电压
旁路二极管的功能之一是正向导通性，只要当二极管加上的正向电压大于开启电压时，二极管实现正向导通。而开启电压的大小跟本身材料和PN结内电场有关，过往的集成式二极管是由Ge结、GaAs结、GaInP结以及多种材料构成，开启电压为2Ⅴ～3Ⅴ，大大增大了其开启电压，本发明的集成式二极管只采用GaAs结单结结构，其开启电压只有1.1Ⅴ左右，有益于并联电池在出现故障之时，及时导通旁路二极管，避免出现更大的电池伤害。
2.降低内阻
旁路二级管在导通工作时，其发热量是跟热阻有很大的关系，热阻越小，发热量就越小，散热效果也就越好，相应的工作温度也就越低，即可避免或减小了因过热导致的二极管失效的可能性。一般集成式旁路二极管主要由Ge结、GaAs结、GaInP结等多结构成，其热阻是多种材料内阻、结电阻、各结之间的面接触电阻等多个串联阻值之和；本发明的集成式旁路二极管由GaAs结构成，降低了其热阻值，进而大大降低旁路二极管被热击穿的风险。
3.降低成本
本发明利用了主体电池外延结构，而不是通过增加外延工艺实现旁路二极管的构造，本发明取得了降低开启电压、降低内阻的有益效果，减少了外延的费用，大大降低了电池的使用成本。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.一种太阳电池集成式GaAs结二极管的结构设计，其特征在于：三结GaAs太阳电池与集成二极管在同一晶片上，所述集成式二极管为单结结构，从上到下依次设置有上电极金属层、Ge子电池、Ge衬底和下电极金属层。
2.一种太阳电池集成式GaAs结二极管的制造方法，其特征在于：该方法包括以下步骤，
1)通过第一次光刻腐蚀工艺，将二极管区域腐蚀至隧穿结层；
2)通过第二次光刻腐蚀工艺，将跨越区腐蚀至衬底层；
3)通过第三次光刻腐蚀工艺，将隔离区腐蚀至衬底层；
4)光刻、蒸镀主体电池电极、二极管上电极和短接金属电极；
5)蒸镀下电极；
6)通过划片工艺划成所需要的电池尺寸；
7)电池上表面蒸镀减反射膜。
3.根据权利要求2所述的一种太阳电池集成式GaAs结二极管的制造方法，其特征在于：所述光刻腐蚀中的光刻方式的步骤为涂光刻胶1500-2500r/m，85-95℃下烘烤10-20min；再进行曝光，时间为15-25s；显影采用NaOH溶液，溶度为0.8-1.2％，时间为15-25s；坚膜温度为120-130℃，时间为20-25min。
4.根据权利要求2或3所述的一种太阳电池集成式GaAs结二极管的制造方法，其特征在于：所述第一次光刻腐蚀和所述第二次光刻腐蚀中的腐蚀液包括腐蚀液F1和腐蚀液F2，所述腐蚀液F1为HCl溶液，所述腐蚀液F2为H3PO4、H2O2和H2O的混合液，所述第三次光刻腐蚀中的腐蚀液为腐蚀液F3和腐蚀液F4，所述腐蚀液F3为HCl、H2O2和H2O的混合液，所述腐蚀液F4为HF、H2O2和H2O的混合液。
5.根据权利要求4所述的一种太阳电池集成式GaAs结二极管的制造方法，其特征在于：所述腐蚀液F2中H3PO4、H2O2和H2O的体积比为1:2:7，所述腐蚀液F3中HCl、H2O2和H2O的体积比为6:2:1，所述腐蚀液F4中HF、H2O2和H2O的体积比为2:1:7。
6.根据权利要求4所述的一种太阳电池集成式GaAs结二极管的制造方法，其特征在于：所述第一次光刻腐蚀的腐蚀方式为依次使用所述腐蚀液F2腐蚀18-23s，所述腐蚀液F1腐蚀55-65s；所述第二次光刻腐蚀的腐蚀方式为依次使用所述腐蚀液F2腐蚀8-20s，所述腐蚀液F1腐蚀55-65s，所述腐蚀液F2腐蚀25-35s，所述腐蚀液F1腐蚀55-65s，所述腐蚀液F2腐蚀40-50s；所述第三次光刻腐蚀的腐蚀方式为使用所述腐蚀液F3腐蚀25-30s，所述腐蚀液F4腐蚀30-35s。
7.根据权利要求2所述的一种太阳电池集成式GaAs结二极管的制造方法，其特征在于：所述光刻上电极的光刻方式的步骤为涂光刻胶800-1300r/m，85-95℃下烘烤10-20min；再进行曝光，时间为25-40s；显影时间为45-60s。
8.根据权利要求2所述的一种太阳电池集成式GaAs结二极管的制造方法，其特征在于：所述蒸镀上电极为在低真空条件下依次蒸镀Au、Ag和Au的复合薄膜，所述复合薄膜的厚度为4.9-5.1μm。
9.根据权利要求2所述的一种太阳电池集成式GaAs结二极管的制造方法，其特征在于：所述蒸镀下电极为在低真空条件下依次蒸镀Au、Ge、Ag和Au的复合薄膜，所述复合薄膜的厚度为4.9-5.1μm。
10.根据权利要求2所述的一种太阳电池集成式GaAs结二极管的制造方法，其特征在于：所述电池上表面制成减反射膜为在高真空条件下依次蒸镀三氧化二钛和三氧化二铝的复合薄膜，所述三氧化二钛膜的厚度为40nm-50nm；所述三氧化二铝膜的厚度为70nm-80nm。
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|---|---|---|---|---|
| CN109768104A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-05-17 | 中国电子科技集团公司第十八研究所 | 自保式集成二极管电池的结构及其制备方法 |
| CN110534601A (zh) * | 2019-08-14 | 2019-12-03 | 上海空间电源研究所 | 一种带防护集成旁路二极管的太阳电池及其制作方法 |
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2016
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