專利名稱：單片集成的微型太陽電池陣列及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬無機光電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種單片集成的微型太陽電池陣列及其制 備方法。本發(fā)明采用半導(dǎo)體薄膜外延技術(shù)生長太陽電池外延片，并利用光刻等精細后工藝 處理制作特殊性能的太陽電池芯片，有望為微型精密儀器提供移動電源。
背景技術(shù)：
微機電系統(tǒng)MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)主要包含微型機構(gòu)、微型 傳感器、微型執(zhí)行器和相應(yīng)的處理電路等幾部分，它是在融合多種微細加工技術(shù)，并應(yīng)用現(xiàn) 代信息技術(shù)的最新成果的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高科技前沿學(xué)科。MEMS技術(shù)的發(fā)展開辟了一個全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，采用MEMS技術(shù)制作的微傳 感器、微執(zhí)行器、微型構(gòu)件、微機械光學(xué)器件、真空微電子器件、電力電子器件等在航空、航 天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊 的應(yīng)用前景。而一般具有移動性、自控性、集成化的MEMS系統(tǒng)都需要獨立的、微型化的電源。因 此微型電源研究已經(jīng)引起了國內(nèi)外MEMS研究者的高度關(guān)注，其中微型太陽電池，還有微型 鋰電池、微型鋅鎳電池、微型溫差電池等前景較好，而微型太陽電池有著壽命長、環(huán)境友好、 與MEMS材料基礎(chǔ)相同等優(yōu)點，成為了微型電源研究的焦點。太陽能電池是將太陽輻照的光能直接轉(zhuǎn)換為電能的器件。太陽能電池用來向負 載，如電燈、電視和計算機等提供電能。在實際應(yīng)用中還涉及電能儲存裝置，這樣才能在沒 有陽光照射的情況下對負載持續(xù)不斷地提供電能。太陽能電池在光照的情況下會產(chǎn)生光生 電壓。在外電路開路的情況下光生電壓為開路電壓V0C，在外電路短路下得到的電流為短路 電流ISC。在有負載的情況下，太陽能電池的輸出功率等于負載上的電壓降和通過負載的電 流的乘積，它是小于開路電壓和短路電流的乘積的。通常情況下，半導(dǎo)體太陽電池如Si太陽電池、GaAs太陽電池等，其開路電壓只有 0. 5-2. 5V。而負載往往需要較大的電壓，有些特殊的負載，如脈沖信號發(fā)射裝置等，需要幾 十伏甚至上百伏的電壓，因此需要提高太陽電池的輸出電壓。通常，對于大型的電池系統(tǒng)， 主要通過把電池切片，焊接串聯(lián)電池片來調(diào)節(jié)輸出電壓。而對于適用于微型機電系統(tǒng)的微 型太陽電池來說，宏觀的切割，粘接，焊接等技術(shù)已然不能適用，針對這一問題，利用微型加 工技術(shù)制備的集成太陽電池微型陣列，無疑會大大拓寬微型太陽電池在MEMS等微型系統(tǒng) 中的應(yīng)用前景。另一方面，MEMS系統(tǒng)、半導(dǎo)體器件都在向抗輻射、高速、高效方面發(fā)展，GaAs作為 替代Si的下一代高性能材料，已經(jīng)在無線通信等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，因此，GaAs基太陽 電池是制備集成微型太陽電池陣列首選。與此同時，得益于光電子技術(shù)的長足發(fā)展，GaAs太 陽電池的工藝技術(shù)如液相外延(LPE)和金屬有機氣相外延(MOCVD)，在過去幾十年中得到 了長足的發(fā)展。綜上所述，GaAs太陽電池微型陣列充分結(jié)合了 GaAs材料太陽電池制備技術(shù)和微 細加工技術(shù)的特點，可以有效的為不同需求的微型負載提供相應(yīng)的輸出電壓，具有轉(zhuǎn)換效率高，壽命長等特點，并且可以與負載做成單片系統(tǒng)，使得人們研究和開發(fā)新型MEMS器件成為可能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種單片集成的GaAs太陽電池微型陣列結(jié)構(gòu)及其制備方法。利用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及制備方法，可以研制出開路電壓從十幾伏到上百伏可調(diào)的微型太 陽電池。本發(fā)明提供一種單片集成的微型太陽電池陣列，其特征在于，其中包括一襯底；摻雜層，該摻雜層生長在襯底的上面的兩側(cè)；一太陽電池功能層，生長在摻雜層的上面；一帽子層，生長在太陽電池功能層的上面，該帽子層的面積小于太陽電池功能層 的面積，與太陽電池功能層一側(cè)端對齊；一下絕緣填充層，填充在摻雜層之間，且覆蓋于太陽電池功能層的一端及帽子層 一端和部分表面；一金屬遮光層，生長于下絕緣填充層中間之上，其面積小于下絕緣填充層的面 積；一上絕緣填充層，覆蓋于下絕緣填充層和金屬遮光層；一金屬電極，生長于一側(cè)的摻雜層之上，且覆蓋于上絕緣填充層及大部分帽子層 的上表面。其中所述的襯底為絕緣GaAs襯底。其中所述的摻雜層的材料為n-GaAs，厚度為2-3 μ m，摻雜濃度大于5X 1017_3。其中所述的太陽電池功能層的材料為多層n-GaAs/p-GaAs，厚度為1_1. 5 μ m。其中所述的太陽電池功能層的側(cè)面進行鈍化處理。其中下絕緣填充層和上絕緣填充層的材料為SiO2或聚酰亞胺；金屬電極為Au/Ti 雙層結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供一種單片集成的微型太陽電池陣列的制備方法，其特征在于，包括如 下步驟提供半絕緣GaAs襯底；利用金屬有機化合物氣相沉積法或液相外延生長技術(shù)，在半絕緣GaAs襯底上生 長摻雜層；在摻雜層上依序生長背場層、基區(qū)層、發(fā)射層和窗口層，形成太陽電池功能層；在太陽電池功能層上生長帽子層，以上步驟形成外延片；采用光刻和濕法腐蝕技術(shù)，在外延片的中間刻蝕出深至襯底的溝槽；將外延片溝槽一側(cè)刻蝕至摻雜層，形成臺面；采用硫化法對溝槽兩側(cè)即太陽電池功能層的側(cè)壁進行鈍化處理；將太陽電池功能層上面的帽子層部分去除；在溝槽中依次生長下絕緣填充層、金屬遮光層和上絕緣填充層，形成三明治結(jié)構(gòu)， 該下絕緣填充層，填充在摻雜層之間，且覆蓋于太陽電池功能層的一端及帽子層一端和部分表面；該金屬遮光層生長于下絕緣填充層中間之上，其面積小于下絕緣填充層的面積； 該上絕緣填充層覆蓋于下絕緣填充層和金屬遮光層；生長金屬電極，位于摻雜層上形成的臺面上，且覆蓋于上絕緣填充層及大部分帽子層的上表面，形成串聯(lián)的太陽電池陣列；采用光刻技術(shù)和磁控濺射技術(shù)在串聯(lián)的太陽電池陣列一端的兩側(cè)，生長出兩個輸出端。其中所述的摻雜層的材料為n-GaAs，厚度為2-3 μ m，摻雜濃度大于5X 1017cm_3。其中所述的太陽電池功能層的材料為多層n-GaAs/p-GaAs，厚度為1_1. 5 μ m。其中下絕緣填充層和上絕緣填充層的材料為SiO2或聚酰亞胺；金屬電極為Au/Ti 雙層結(jié)構(gòu)。本發(fā)明中超薄太陽電池外延片的厚度范圍根據(jù)GaAs材料的吸收系數(shù)而選定。發(fā) 射層和基區(qū)層的摻雜濃度根據(jù)GaAs太陽電池的開路電壓和轉(zhuǎn)換效率綜合而定。帽子層和 背電極層的摻雜濃度和厚度根據(jù)金屬-半導(dǎo)體歐姆接觸工藝要求而選定。減反射膜厚度根 據(jù)光學(xué)原理而選定。有效吸光區(qū)域根據(jù)負載所需電流而定。溝槽寬度，臺面寬度等根據(jù)光 刻等精細加工技術(shù)要求要選定。本發(fā)明的關(guān)鍵在于采用超薄高效GaAs太陽電池生長技術(shù)和精細加工技術(shù)，通過 合理的陣列設(shè)計和工藝流程設(shè)計，得到了輸出電壓可調(diào)節(jié)的微型太陽電池陣列。


為進一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，以下結(jié)合具體實施方式
及附圖對本發(fā)明作一詳細的 描述，其中圖1是本發(fā)明的單片集成的微型太陽電池陣列局部結(jié)構(gòu)剖面圖。圖2是本發(fā)明中的超薄太陽電池外延片結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明的單片集成的微型太陽電池陣列結(jié)構(gòu)俯視圖。
具體實施例方式請參閱圖1所示，本發(fā)明一種單片集成的微型太陽電池陣列，其中包括(以下為單 片集成的微型太陽電池陣列的一個單元的結(jié)構(gòu))一襯底10，該襯底10為絕緣GaAs襯底；摻雜層20，該摻雜層20生長在襯底10的上面的兩側(cè)；其中所述的摻雜層20的材 料為n-GaAs，厚度為2-3 μ m,優(yōu)選厚度2. 4 μ m，摻雜濃度大于5 X 1017cm_3 ；一太陽電池功能層70，生長在摻雜層20的上面，其側(cè)面進行了鈍化處理，太陽電 池功能層70為多層膜結(jié)構(gòu)，包含的各層從下至上依次為背場層30’、基區(qū)層40’、發(fā)射層50’ 和窗口層60’，其中背場層30，的材料為n-AlGaAs，厚度為0. 03-0. 06 μ m,優(yōu)選厚度為0. 05 μ m,摻雜 濃度為 5X 1017cnT3-2X 1018cm_3，優(yōu)選濃度為 2 X IO18CnT3 ； 基區(qū)層40’的材料為n-GaAs，厚度為0. 6-0. 8 μ m,優(yōu)選厚度為0. 7 μ m，摻雜濃度為 1 X 1017cnT3-5 X IO1W,優(yōu)選濃度為 1 X IO17CnT3 ； 發(fā)射層50’的材料為p-GaAs，厚度為0. 2-0. 4 μ m,優(yōu)選厚度為0. 3 μ m，摻雜濃度為5 X 1017cnT3-2 X IO1W3,優(yōu)選濃度為 2 X IO18CnT3 ；窗口層60，材料為p-AlGaAs，厚度為0. 02-0. 06 μ m，優(yōu)選厚度為0. 04 μ m，摻雜濃 度為 IX IO18CnT5X 1018cm_3，優(yōu)選濃度為 5 X IO18CnT3 ；一帽子層80，生長在太陽電池功能層70的上面，該帽子層80的材料為p-GaAs， 厚度為0. 5-1 μ m，優(yōu)選厚度為0. 5 μ m，摻雜濃度為2X 1018cm_3-2X 1019cm_3，優(yōu)選濃度為 1 X IO19Cm-3,面積小于太陽電池功能層70的面積，與太陽電池功能層70 —側(cè)端對齊；一下絕緣填充層30，填充在摻雜層20之間，且覆蓋于太陽電池功能層70的一端 及帽子層80 —端和部分表面，材料為SiO2或聚酰亞胺，若采用SiO2絕緣層，則其厚度為 300-500nm，優(yōu)選厚度 400nm ；一金屬遮光層40，生長于下絕緣填充層30中間之上，其面積小于下絕緣填充層30 的面積，材料為Au或Ag，厚度為300-500nm，優(yōu)選厚度為400nm，或者為Au/Ti雙層結(jié)構(gòu)，Au 厚度250-350nm，優(yōu)選厚度300nm，Ti厚度150_250nm，優(yōu)選厚度200nm ；一上絕緣填充層50，覆蓋于下絕緣填充層30和金屬遮光層40，材料為SiO2或聚 酰亞胺，若采用SiO2絕緣層，則其厚度為300-500nm，優(yōu)選厚度400nm ；一金屬電極60，生長于一側(cè)的摻雜層20之上，且覆蓋于上絕緣填充層50及大部分 帽子層80的上表面，材料為Au，與帽子層80的歐姆接觸為Au-Ti-pGaAs，與摻雜層20的歐 姆接觸為 Au-Ge-Ni-nGaAs。請再參閱圖1、圖2和圖3，本發(fā)明一種單片集成的微型太陽電池陣列的制備方法， 包括如下步驟(以下為單片集成的微型太陽電池陣列的一個單元結(jié)構(gòu)的制作步驟)提供半絕緣GaAs襯底10 ；利用金屬有機化合物氣相沉積法或液相外延生長技術(shù)，在半絕緣GaAs襯底10上 生長摻雜層20 ；在摻雜層20上依序生長背場層30，、基區(qū)層40，、發(fā)射層50，和窗口層60，，形成太 陽電池功能層70(圖2中)；在太陽電池功能層70上生長帽子層80，以上步驟形成外延片，其中源的純度應(yīng)大于5N(5個9以上)，溫度控制精度應(yīng)小于1K，MOCVD 一般采用低壓生長，襯底托用高頻感應(yīng)加熱，外延生長之前需高溫預(yù)熱(700-1073K)，生長過程采用兩 步法，首先是低溫慢速生長一過渡層，然后再生長其它各層等。采用光刻和濕法腐蝕技術(shù)，在外延片的中間刻蝕出深至襯底10的溝槽，溝槽相互 的間隔為20 μ m-40 μ m,優(yōu)選間隔為25 μ m,形成相互獨立太陽電池單元，其呈矩形，邊長 400-1000 μ m,根據(jù)負載需求調(diào)節(jié)；將外延片溝槽一側(cè)刻蝕至摻雜層20，形成臺面，臺面寬度100-200 μ m，優(yōu)選寬度 120 μ m,臺面高度位于高摻η型摻雜層20中部，高度距襯底1-2 μ m,優(yōu)選高度1. 5 μ m ；采用硫化法對溝槽兩側(cè)即太陽電池功能層70的側(cè)壁進行鈍化處理，為(NH4) 2S溶 液對GaAs的硫化鈍化技術(shù)，具體操作為將外延片浸泡于(NH4)2S溶液中，并且控溫控時；將太陽電池功能層70上面的帽子層80部分去除，去除帽子層的區(qū)域為單元電池 的有效吸光區(qū)域，區(qū)域尺寸根據(jù)目標器件(如MEMS)所需電流成比例設(shè)計；
在溝槽中依次生長下絕緣填充層30、金屬遮光層40和上絕緣填充層50，形成三明治結(jié)構(gòu)，該下絕緣填充層30，填充在摻雜層20之間，且覆蓋于太陽電池功能層70的一端及 帽子層80 —端和部分表面；該金屬遮光層40生長于下絕緣填充層30中間之上，其面積小 于下絕緣填充層30的面積；該上絕緣填充層50覆蓋于下絕緣填充層30和金屬遮光層40 ； 其中上下絕緣填充層的材料為Si02或聚酰亞胺；金屬遮光層40為材料為Au或者Ag，或者 為Au/Ti雙層結(jié)構(gòu)；生長金屬電極60，位于摻雜層20上形成的臺面上，且覆蓋于上絕緣填充層50及大 部分帽子層80的上表面，形成串聯(lián)的太陽電池陣列，材料為Au，與帽子層80的歐姆接觸為 Au-Ti-pGaAs,與摻雜層20的歐姆接觸為Au-Ge-Ni-nGaAs，并且進行控溫合金處理；采用光刻技術(shù)和磁控濺射技術(shù)在串聯(lián)的太陽電池陣列一端的兩側(cè)，生長出兩個輸 出端A、B (圖3中)，輸出端為常見電極材料Au，Ag或者Cu，大小以適合金絲點焊為宜；采用磁控濺射技術(shù)，在電池單元表面生長雙層減反射膜，減反射膜采用Ta205/Si02 雙層薄膜結(jié)構(gòu)，Ta2O5層厚度為65-75nm，優(yōu)選厚度69. 25nm, SiO2層厚度為95_105nm，優(yōu)選 厚度 100. 84nm ；采用IC封裝技術(shù)對電池陣列進行封裝，主要采用聚合物對邊緣進行保護。本發(fā)明提出了一種基于GaAs薄膜太陽電池的微型太陽電池陣列，充分結(jié)合了 GaAs太陽電池和微細加工的優(yōu)點，可以在微小的尺度上發(fā)揮GaAs太陽電池的潛力。因此， 本發(fā)明可更有效地提高現(xiàn)有太陽電池與微機電系統(tǒng)的匹配性，可顯著拓寬現(xiàn)有微機電系統(tǒng) 的使用范圍。
權(quán)利要求
一種單片集成的微型太陽電池陣列，其特征在于，其中包括一襯底；摻雜層，該摻雜層生長在襯底的上面的兩側(cè)；一太陽電池功能層，生長在摻雜層的上面；一帽子層，生長在太陽電池功能層的上面，該帽子層的面積小于太陽電池功能層的面積，與太陽電池功能層一側(cè)端對齊；一下絕緣填充層，填充在摻雜層之間，且覆蓋于太陽電池功能層的一端及帽子層一端和部分表面；一金屬遮光層，生長于下絕緣填充層中間之上，其面積小于下絕緣填充層的面積；一上絕緣填充層，覆蓋于下絕緣填充層和金屬遮光層；一金屬電極，生長于一側(cè)的摻雜層之上，且覆蓋于上絕緣填充層及大部分帽子層的上表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片集成的微型太陽電池陣列，其特征在于，其中所述的襯 底為絕緣GaAs襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片集成的微型太陽電池陣列，其特征在于，其中所述的摻 雜層的材料為n-GaAs，厚度為2_3μπι，摻雜濃度大于5Χ1017_3。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片集成的微型太陽電池陣列，其特征在于，其中所述的太 陽電池功能層的材料為多層n-GaAs/p-GaAs，厚度為1-1. 5 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片集成的微型太陽電池陣列，其特征在于，其中所述的太 陽電池功能層的側(cè)面進行鈍化處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片集成的微型太陽電池陣列，其特征在于，其中下絕緣填 充層和上絕緣填充層的材料為SiO2或聚酰亞胺；金屬電極為Au/Ti雙層結(jié)構(gòu)。
7.一種單片集成的微型太陽電池陣列的制備方法，其特征在于，包括如下步驟 提供半絕緣GaAs襯底；利用金屬有機化合物氣相沉積法或液相外延生長技術(shù)，在半絕緣GaAs襯底上生長摻 雜層；在摻雜層上依序生長背場層、基區(qū)層、發(fā)射層和窗口層，形成太陽電池功能層；在太陽電池功能層上生長帽子層，以上步驟形成外延片；采用光刻和濕法腐蝕技術(shù)，在外延片的中間刻蝕出深至襯底的溝槽；將外延片溝槽一側(cè)刻蝕至摻雜層，形成臺面；采用硫化法對溝槽兩側(cè)即太陽電池功能層的側(cè)壁進行鈍化處理；將太陽電池功能層上面的帽子層部分去除；在溝槽中依次生長下絕緣填充層、金屬遮光層和上絕緣填充層，形成三明治結(jié)構(gòu)，該下 絕緣填充層，填充在摻雜層之間，且覆蓋于太陽電池功能層的一端及帽子層一端和部分表 面；該金屬遮光層生長于下絕緣填充層中間之上，其面積小于下絕緣填充層的面積；該上 絕緣填充層覆蓋于下絕緣填充層和金屬遮光層；生長金屬電極，位于摻雜層上形成的臺面上，且覆蓋于上絕緣填充層及大部分帽子層 的上表面，形成串聯(lián)的太陽電池陣列；采用光刻技術(shù)和磁控濺射技術(shù)在串聯(lián)的太陽電池陣列一端的兩側(cè)，生長出兩個輸出端。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的單片集成的微型太陽電池陣列的制備方法，其特征在于，其 中所述的摻雜層的材料為n-GaAs，厚度為2_3 μ m，摻雜濃度大于5 X 1017cm_3。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的單片集成的微型太陽電池陣列的制備方法，其特征在于，其 中所述的太陽電池功能層的材料為多層n-GaAs/p-GaAs，厚度為1-1. 5 μ m。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的單片集成的微型太陽電池陣列的制備方法，其特征在于，其 中下絕緣填充層和上絕緣填充層的材料為SiO2或聚酰亞胺；金屬電極為Au/Ti雙層結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明一種單片集成的微型太陽電池陣列，其中包括一襯底；摻雜層，該摻雜層生長在襯底的上面的兩側(cè)；一太陽電池功能層，生長在摻雜層的上面；一帽子層，生長在太陽電池功能層的上面，該帽子層的面積小于太陽電池功能層的面積，與太陽電池功能層一側(cè)端對齊；一下絕緣填充層，填充在摻雜層之間，且覆蓋于太陽電池功能層的一端及帽子層一端和部分表面；一金屬遮光層，生長于下絕緣填充層中間之上，其面積小于下絕緣填充層的面積；一上絕緣填充層，覆蓋于下絕緣填充層和金屬遮光層；一金屬電極，生長于一側(cè)的摻雜層之上，且覆蓋于上絕緣填充層及大部分帽子層的上表面。
文檔編號H01L31/18GK101814538SQ200910078559
公開日2010年8月25日 申請日期2009年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月25日
發(fā)明者張漢, 王彥碩, 白一鳴, 陳曉峰, 陳諾夫, 黃添懋 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所