專利名稱：一種對GaAs與Si進行低溫金屬鍵合的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體技術中多結太陽能電池技術領域，特別是指一種對GaAs與Si 進行低溫金屬鍵合的方法，通過鍵合實現(xiàn)任意電池的連接。
背景技術：
利用多結、多能帶或多能級結構是實現(xiàn)超高效率的太陽電池最現(xiàn)實的方法之一。 與太陽光譜相匹配的多結太陽電池的單層材料的晶格常數(shù)相差比較大，采用鍵合技術實現(xiàn) 高效多結電池成為未來電池發(fā)展得一種趨勢。鍵合的實驗方法簡單；位錯僅局域于界面， 突破了晶向、晶格匹配等限制，最大限度地與太陽光譜匹配，實現(xiàn)高效率。美國加州理工大 學在國際上率先將半導體鍵合技術應用于多結高效化合物太陽電池研究中，目前研究的中 心是GaInP2/GaAs和InGaAsP/InGaAs體系的直接鍵合。同時德國Fraunhofer研究所把直 接鍵合集成技術和外延層轉移技術應用在GaAs與Si緩沖襯底上，之后外延生長高效多結 太陽電池。美國加州Anoex公司和加州理工大學等將InGaAs太陽電池制作在InP/Si襯底 上，使得在Si襯底上生長超過4節(jié)的太陽能電池成為可能。目前鍵合的雙結電池最好指標 為美國加州理工大學的Tanabe等人報道的直接鍵合的GaAs/InGaAs雙結電池(KTanabe， Anna Fontcuberta i Morral, Harry A. Atwater ane etc, Direct-bondedGaAs/InGaAs tandem solar cell,APPLIED PHYSICS LETTERS，89，102106，2006.)，其指標如下電池效率 (1 suns，AMl. 5，25°C )為9. 3%，電池面積為0. 337cm2，填充因子為0. 62。國內尚無相關鍵 合電池效率的報導，國外目前尚沒有金屬鍵合實現(xiàn)多結太陽電池的報道。對于半導體材料之間的直接鍵合，其鍵合界面處的半導體材料摻雜濃度和表面粗 糙度都有極其嚴格的要求，否則鍵合質量不高，導致電池效率降低甚至假鍵合。而金屬鍵 合相對比較簡單，只需在原來的電池材料鍵合面分別蒸鍍合適厚度的金屬就可很容易鍵合 上，界面質量很好且鍵合面積大、成功率高。采用合理設計的有一定圖形結構的金屬鍵合， 可以影響鍵合界面兩側半導體材料的勢壘和電導，減少金屬對光的吸收，避免了生長隧道 結的復雜性，不會造成明顯的電壓損失和太大的電流損失。對于金屬鍵合很容易實現(xiàn)低溫鍵合，鍵合后的晶片可以耐住所有的半導體工藝如 高溫煮沸、腐蝕、減薄等。目前國際上低溫鍵合的成功范例很多，如童勤義等人利用等離子 體處理晶片表面后，在200度獲得界面鍵合能高于體InP材料鍵合能的鍵合晶片；加州大學 的Mages等人也是先經(jīng)過低溫熱處理后再進行高溫鍵合；國內曾有過趙洪泉等人的低溫鍵 合技術。不過前兩者對實驗儀器和條件要求都很高，而第三者雖然對實驗儀器條件要求不 高，但是鍵合時間很長，鍵合過程中對操作人員的要求很高。

發(fā)明內容
(一)要解決的技術問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種對GaAs與Si進行低溫金屬鍵合的方 法，以實現(xiàn)GaAs與Si的低溫金屬鍵合。
( 二)技術方案為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種對GaAs與Si進行低溫金屬鍵合的方法，該方 法包括清洗單面拋光的GaAs外延片，去除表面的有機物；對該GaAs外延片進行光刻腐蝕，得到帶窄條的GaAs外延片；在該GaAs外延片上蒸鍍金屬層；采用剝離方法去膠，得到一定厚度的金屬條；清洗Si外延片，去除表面的有機物；采用H2SO4溶液及RCAl溶液對Si外延片表面進行處理，將清洗干凈的Si外延片 與GaAs外延片進行貼合，得到貼合后的晶片；將該貼合后的晶片對置于真空鍵合機內進行鍵合，并進行熱處理，以驅除鍵合界 面的水氣；以及對鍵合后的晶片進行減薄，并腐蝕掉鍵合晶片的GaAs襯底。上述方案中，所述清洗單面拋光的GaAs外延片，去除表面的有機物的步驟，包括 將單面拋光的GaAs外延片用有機溶劑清洗，去除表面的有機物，再用等離子水沖洗至少5 分鐘。上述方案中，所述清洗Si外延片，去除表面的有機物的步驟，包括將Si外延片用 有機溶劑清洗，去除表面的有機物，再用等離子水沖洗至少5分鐘。上述方案中，所述GaAs外延片包括一 η 型 GaAs 襯底 16 ；一 η 型 GaAs 緩沖層 17 ；一 ρ型GaAs層18，該ρ型層18制作在η型GaAs緩沖層17上；一 ρ 型 Ala9GaaiAs 層 19，該 Ala9GaaiAs 層 19 制作在 ρ 型 GaAs 層 18 上;一 ρ 型 GaAs 層 20，該 ρ 型 GaAs 層 20 制作在 ρ 型 Ala9Ga0. ,As 層 19 上；一 η型GaAs層21，該η型GaAs層21制作在ρ型GaAs層20上；一 η 型 Ala2Gaa8As 層 22，該 η 型 Ala2Gaa8As 層 22 制作在 η 型 GaAs 層 21 上；以 及一 η 型 GaAs 層 23，該 η 型 GaAs 層 23 制作在 η 型 Altl. 2Ga0.8As 層 22 上。上述方案中，所述Si外延片包括一 η 型 Si 襯底 11;一 ρ型Si層12，該ρ型Si層12制作在η型Si襯底11上；一 η型Si層13，該η型Si層13制作在ρ型Si層12上。上述方案中，所述將該貼合后的晶片對置于真空鍵合機內進行鍵合的步驟中，真 空鍵合的真空度采用10_4至10_5Pa。上述方案中，所述在GaAs外延片上蒸鍍金屬層的步驟中，金屬層采用的金屬材料 為 Ti/Au、AuGeNi/Au, Al 或 Ni/Au，金屬材料的厚度為 200nm 至 350nm。上述方案中，所述進行熱處理的步驟中，施加在鍵合后晶片上的壓力為IMPa至 5MPa。上述方案中，所述進行熱處理的步驟包括以下四個溫度階段
階段1 :30 90°C溫度范圍內預鍵合1小時；階段2 120 200°C溫度范圍內預鍵合1小時；階段3 :250°C預鍵合0. 5小時;階段4 緩慢降溫，至室溫后取出晶片。上述方案中，所述熱處理在溫度為250°C以上時，升溫要求緩慢，平均0. 2 0. 5°C /分鐘；降溫過程也要求同樣緩慢，平均0. 2 0. 5°C /分鐘；而在溫度低于200°C時 采取自然降溫的方式降溫。(三)有益效果從上述技術方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、本發(fā)明提供的對GaAs與Si進行低溫金屬鍵合的方法，實現(xiàn)了 GaAs與Si的低 溫金屬鍵合，并通過先光刻再濺射金屬的方法，能比較好的實現(xiàn)金屬鍵合的太陽電池結構， 相對于先濺射金屬再光刻的方法，成功率更高，鍵合力更強。本發(fā)明為實現(xiàn)高效太陽電池提 供了一種新的工藝方法，為通過鍵合實現(xiàn)高效多結太陽電池打下基礎。2、本發(fā)明提供的對GaAs與Si進行低溫金屬鍵合的方法，可重復性比較高，鍵合時 間大大縮短，只需要按照設定的操作流程認真執(zhí)行，就可以獲得質量很高的鍵合晶片。一般 的襯底晶片厚度在350 μ m左右，對于比較厚的外延片(如400 μ m-460 μ m)也可使用本發(fā) 明得到高質量的鍵合晶片。3、本發(fā)明可廣泛應用于微電子、硅基光電子、光通信領域，特別是對于靈敏度要求 極高的長距離光纖通信系統(tǒng)及新型高效太陽能電池等。


圖1為本發(fā)明提供的對GaAs與Si進行低溫金屬鍵合的方法流程圖；圖2a至圖2c為本發(fā)明提供的對GaAs與Si進行低溫金屬鍵合的工藝流程圖；GaAs 外延片15和Si外延片10經(jīng)過前述方法清洗后，將η Si層13的表面與金屬層24的表面 鍵合在一起，進行熱處理，然后減薄GaAs襯底16，用腐蝕液去掉GaAs襯底16，將GaAs薄膜 轉移到了 Si襯底11上；圖3a是GaAs外延片的結構示意圖；圖3b是Si外延片的結構示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。本發(fā)明是利用真空鍵合機對GaAs與Si進行低溫金屬鍵合的方法，如圖1所示，該 方法包括以下步驟步驟1 清洗單面拋光的GaAs外延片，去除表面的有機物；步驟2 對該GaAs外延片進行光刻腐蝕，得到帶窄條的GaAs外延片；步驟3 在該GaAs外延片上蒸鍍金屬層；步驟4 采用剝離方法去膠，得到一定厚度的金屬條；步驟5 清洗Si外延片，去除表面的有機物；
步驟6 采用H2SO4溶液及RCAl溶液對Si外延片表面進行處理，將清洗干凈的Si 外延片與GaAs外延片進行貼合，得到貼合后的晶片；步驟7 將該貼合后的晶片對置于真空鍵合機內進行鍵合，并進行熱處理，以驅除 鍵合界面的水氣；以及步驟8 對鍵合后的晶片進行減薄，并腐蝕掉鍵合晶片的GaAs襯底?；趫D1所示的對GaAs與Si進行低溫金屬鍵合的方法流程圖，圖2a至圖2c示 出了本發(fā)明提供的對GaAs與Si進行低溫金屬鍵合的工藝流程圖，包括如下步驟步驟1 將單面拋光的GaAs外延片15用有機溶劑清洗，去除表面的有機物，再用 等離子水沖洗5分鐘以上；如圖3a所示，GaAs外延片15包括一 η 型 GaAs 襯底 16 ；一 η 型 GaAs buffer 17 ；一 ρ 型 GaAs 層 18，該 ρ 型層 18 制作在 η 型 GaAs bufferl7 上；一 ρ 型 Ala9Gatl. As 層 19，該 Ala9GaaiAs 層 19 制作在 ρ 型 GaAs 層 18 上;一 ρ 型 GaAs 層 20，該 ρ 型 GaAs 層 20 制作在 ρ 型 Ala9Ga0. ,As 層 19 上；一 η型GaAs層21，該η型GaAs層21制作在ρ型GaAs層20上；一 η 型 Ala2Gaa8As 層 22，該 η 型 Ala2Gaa8As 層 22 制作在 η 型 GaAs 層 21 上；以 及一 η 型 GaAs 層 23，該 η 型 GaAs 層 23 制作在 η 型 Ala 2Ga0.8As 層 22 上。
GaAs外延片的清洗過程①用丙酮棉球擦拭GaAs外延片15的表面，在顯微鏡下觀察無明顯的臟污顆粒，這 樣的外延片才可以用于鍵合；②用乙醇、丙酮、三氯乙烯按順序來回高溫超聲煮洗GaAs外延片15各3遍，最后 用乙醇清洗完后，用去離子水反復沖洗5分鐘，目的在于清除表面有機物污染；步驟2 對GaAs外延片15進行光刻腐蝕，根據(jù)器件要求設計條的寬度，得到帶窄 條的GaAs外延片15 ；步驟3 =GaAs外延片15上蒸鍍金屬層24 ；該金屬層24制作在η型GaAs層23上。步驟4 采用剝離方法去膠，得到一定厚度的金屬條；步驟5 將Si外延片10用有機溶劑清洗，去除表面的有機物，再用等離子水 沖洗5分鐘以上；采用H2SO4溶液及RCAl溶液對Si表面進行處理，其中RCAl配比為 NH4OH H2O2 H2O = 1 1 4(體積比)。如圖3b所示，Si外延片10包括一 η 型 Si 襯底 11;一 ρ型Si層12，該η型Si層21制作在η型Si襯底11上；一 η型Si層13，該Si層13制作在ρ型Si層12上。步驟6 將清洗干凈的Si外延片10和GaAs外延片15進行貼合，貼合后的晶片對 置于真空鍵合機內鍵合，進行熱處理，以驅除鍵合界面的水氣。這里所述的熱處理包括(1)將放置有兩貼合好的外延片的夾具置于真空鍵合機內，密封之后通過施力 裝置給晶片施加一定的壓力，一般在l_5MPa之間。然后開始抽真空，到達一定的真空度(3X IO-3Pa以下)后可以開始設定低溫30-90度，在30-90°C溫度范圍內預鍵合1小時左 右。在保溫過程中真空度保持在io-4-io_5pa。(2)預鍵合后的晶片進行1小時以上的120-200度的低溫鍵合，壓力同上。此過程 可以去除界面間的水汽，此過程鍵合時間越長鍵合能越大。(3)預鍵合后的晶片再進行1小時左右的250度的低溫鍵合。進一步清除界面水 汽，增加界面鍵合能。鍵合界面的成鍵方式伴隨溫度的上升和氣體的逸出，從預鍵合時的范 德瓦爾斯結合轉變成為原子鍵結合。(4)然后開始緩慢降溫，到室溫后可取出晶片，進行下一步的處理。注意200°C以 后升溫和降溫的過程要比較緩慢，平均0. 2-0. 5°C /分鐘左右，防止熱應力得不到及時釋放 而導致鍵合失敗。步驟7 對鍵合后的晶片進行減薄。將上述鍵合晶片取出后，機械減薄GaAs襯底， 減薄到100 μ m左右。步驟8 腐蝕掉鍵合晶片的GaAs襯底16，完成低溫金屬鍵合的制作。GaAs襯底16的腐蝕步驟如下(1)用光刻膠或蠟保護晶片側面，防止腐蝕液側蝕。(2)將鍵合好的晶片置于H3PO4 H2O2 H2O = 1 1 3溶液中進行GaAs襯底 16的腐蝕；獲得表面層為P+GaAs的電極接觸層18，這樣表面約幾微米的GaAs薄膜就轉移 到了 Si襯底上，得到了鍵合的GaAs/Si雙結太陽電池晶片。(3)利用有機溶劑去除膠或蠟。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保 護范圍之內。
權利要求
1.一種對GaAs與Si進行低溫金屬鍵合的方法，其特征在于，該方法包括 清洗單面拋光的GaAs外延片，去除表面的有機物；對該GaAs外延片進行光刻腐蝕，得到帶窄條的GaAs外延片； 在該GaAs外延片上蒸鍍金屬層； 采用剝離方法去膠，得到一定厚度的金屬條； 清洗Si外延片，去除表面的有機物；采用H2SO4溶液及RCAl溶液對Si外延片表面進行處理，將清洗干凈的Si外延片與GaAs 外延片進行貼合，得到貼合后的晶片；將該貼合后的晶片對置于真空鍵合機內進行鍵合，并進行熱處理，以驅除鍵合界面的 水氣；以及對鍵合后的晶片進行減薄，并腐蝕掉鍵合晶片的GaAs襯底。
2.根據(jù)權利要求1所述的對GaAs與Si進行低溫金屬鍵合的方法，其特征在于，所述清 洗單面拋光的GaAs外延片，去除表面的有機物的步驟，包括將單面拋光的GaAs外延片用有機溶劑清洗，去除表面的有機物，再用等離子水沖洗至 少5分鐘。
3.根據(jù)權利要求1所述的對GaAs與Si進行低溫金屬鍵合的方法，其特征在于，所述清 洗Si外延片，去除表面的有機物的步驟，包括將Si外延片用有機溶劑清洗，去除表面的有機物，再用等離子水沖洗至少5分鐘。
4.根據(jù)權利要求1所述的對GaAs與Si進行低溫金屬鍵合的方法，其特征在于，所述 GaAs外延片包括一 η 型 GaAs 襯底(16)； 一 η型GaAs緩沖層(17)；一 ρ型GaAs層(18)，該ρ型層(18)制作在η型GaAs緩沖層(17)上； 一 ρ 型 Ala9GaaiAs 層(19)，該 Ala9Gaa ^s 層(19)制作在 ρ 型 GaAs 層(18)上； 一 ρ 型 GaAs 層(20)，該 ρ 型 GaAs 層(20)制作在 ρ 型 Ala9GaaiAs 層(19)上； 一 η型GaAs層(21)，該η型GaAs層(21)制作在ρ型GaAs層(20)上； 一 η 型 Ala2Gaa8As 層(22)，該 η 型 Ala2Gaa8As 層(22)制作在 η 型 GaAs 層(21)上；以及一 η 型 GaAs 層(23)，該 η 型 GaAs 層(23)制作在 η 型 Ala2Gaa8As 層(22)上。
5.根據(jù)權利要求1所述的對GaAs與Si進行低溫金屬鍵合的方法，其特征在于，所述 Si外延片包括一 η型Si襯底(11)；一 P型Si層(12)，該ρ型Si層(12)制作在η型Si襯底(11)上； 一 η型Si層(13)，該η型Si層(13)制作在ρ型Si層(12)上。
6.根據(jù)權利要求1所述的對GaAs與Si進行低溫金屬鍵合的方法，其特征在于，所述 將該貼合后的晶片對置于真空鍵合機內進行鍵合的步驟中，真空鍵合的真空度采用10_4至 l(T5Pa。
7.根據(jù)權利要求1所述的對GaAs與Si進行低溫金屬鍵合的方法，其特征在于，所述 在GaAs外延片上蒸鍍金屬層的步驟中，金屬層采用的金屬材料為Ti/Au、AuGeNi/Au, Al或Ni/Au,金屬材料的厚度為200nm至350nm。
8.根據(jù)權利要求1所述的對GaAs與Si進行低溫金屬鍵合的方法，其特征在于，所述進 行熱處理的步驟中，施加在鍵合后晶片上的壓力為IMPa至5MPa。
9.根據(jù)權利要求1所述的對GaAs與Si進行低溫金屬鍵合的方法，其特征在于，所述進 行熱處理的步驟包括以下四個溫度階段階段1 :30 90°C溫度范圍內預鍵合1小時； 階段2 120 200°C溫度范圍內預鍵合1小時； 階段3:250°C預鍵合0.5小時； 階段4 緩慢降溫，至室溫后取出晶片。
10.根據(jù)權利要求1所述的對GaAs與Si進行低溫金屬鍵合的方法，其特征在于，所述 熱處理在溫度為250°C以上時，升溫要求緩慢，平均0. 2 0. 5°C /分鐘；降溫過程也要求同 樣緩慢，平均0. 2 0. 5°C /分鐘；而在溫度低于200°C時采取自然降溫的方式降溫。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種對GaAs與Si進行低溫金屬鍵合的方法，包括清洗單面拋光的GaAs外延片，去除表面的有機物；對該GaAs外延片進行光刻腐蝕，得到帶窄條的GaAs外延片；在該GaAs外延片上蒸鍍金屬層；采用剝離方法去膠，得到一定厚度的金屬條；清洗Si外延片，去除表面的有機物；采用H2SO4溶液及RCA1溶液對Si外延片表面進行處理，將清洗干凈的Si外延片與GaAs外延片進行貼合，得到貼合后的晶片；將該貼合后的晶片對置于真空鍵合機內進行鍵合，并進行熱處理，以驅除鍵合界面的水汽；對鍵合后的晶片進行減薄，并腐蝕掉鍵合晶片的GaAs襯底。利用本發(fā)明，實現(xiàn)了GaAs與Si的低溫金屬鍵合，并可以推廣到III-V族與III-V族(或IV族的Si、Ge等材料)的鍵合。
文檔編號H01L21/20GK102110594SQ201010595700
公開日2011年6月29日 申請日期2010年12月20日 優(yōu)先權日2010年12月20日
發(fā)明者彭紅玲, 石巖, 鄭婉華, 馬紹棟 申請人:中國科學院半導體研究所