专利名称：单片集成的微型太阳电池阵列及其制备方法
技术领域：
本发明属无机光电技术领域，具体涉及一种单片集成的微型太阳电池阵列及其制 备方法。本发明采用半导体薄膜外延技术生长太阳电池外延片，并利用光刻等精细后工艺 处理制作特殊性能的太阳电池芯片，有望为微型精密仪器提供移动电源。
背景技术：
微机电系统MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)主要包含微型机构、微型 传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现 代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传 感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航 天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔 的应用前景。而一般具有移动性、自控性、集成化的MEMS系统都需要独立的、微型化的电源。因 此微型电源研究已经引起了国内外MEMS研究者的高度关注，其中微型太阳电池，还有微型 锂电池、微型锌镍电池、微型温差电池等前景较好，而微型太阳电池有着寿命长、环境友好、 与MEMS材料基础相同等优点，成为了微型电源研究的焦点。太阳能电池是将太阳辐照的光能直接转换为电能的器件。太阳能电池用来向负 载，如电灯、电视和计算机等提供电能。在实际应用中还涉及电能储存装置，这样才能在没 有阳光照射的情况下对负载持续不断地提供电能。太阳能电池在光照的情况下会产生光生 电压。在外电路开路的情况下光生电压为开路电压V0C，在外电路短路下得到的电流为短路 电流ISC。在有负载的情况下，太阳能电池的输出功率等于负载上的电压降和通过负载的电 流的乘积，它是小于开路电压和短路电流的乘积的。通常情况下，半导体太阳电池如Si太阳电池、GaAs太阳电池等，其开路电压只有 0. 5-2. 5V。而负载往往需要较大的电压，有些特殊的负载，如脉冲信号发射装置等，需要几 十伏甚至上百伏的电压，因此需要提高太阳电池的输出电压。通常，对于大型的电池系统， 主要通过把电池切片，焊接串联电池片来调节输出电压。而对于适用于微型机电系统的微 型太阳电池来说，宏观的切割，粘接，焊接等技术已然不能适用，针对这一问题，利用微型加 工技术制备的集成太阳电池微型阵列，无疑会大大拓宽微型太阳电池在MEMS等微型系统 中的应用前景。另一方面，MEMS系统、半导体器件都在向抗辐射、高速、高效方面发展，GaAs作为 替代Si的下一代高性能材料，已经在无线通信等领域得到广泛的应用，因此，GaAs基太阳 电池是制备集成微型太阳电池阵列首选。与此同时，得益于光电子技术的长足发展，GaAs太 阳电池的工艺技术如液相外延(LPE)和金属有机气相外延(MOCVD)，在过去几十年中得到 了长足的发展。综上所述，GaAs太阳电池微型阵列充分结合了 GaAs材料太阳电池制备技术和微 细加工技术的特点，可以有效的为不同需求的微型负载提供相应的输出电压，具有转换效率高，寿命长等特点，并且可以与负载做成单片系统，使得人们研究和开发新型MEMS器件成为可能。
发明内容
本发明的目的在于提出一种单片集成的GaAs太阳电池微型阵列结构及其制备方法。利用本发明的结构及制备方法，可以研制出开路电压从十几伏到上百伏可调的微型太 阳电池。本发明提供一种单片集成的微型太阳电池阵列，其特征在于，其中包括一衬底；掺杂层，该掺杂层生长在衬底的上面的两侧；一太阳电池功能层，生长在掺杂层的上面；一帽子层，生长在太阳电池功能层的上面，该帽子层的面积小于太阳电池功能层 的面积，与太阳电池功能层一侧端对齐；一下绝缘填充层，填充在掺杂层之间，且覆盖于太阳电池功能层的一端及帽子层 一端和部分表面；一金属遮光层，生长于下绝缘填充层中间之上，其面积小于下绝缘填充层的面 积；一上绝缘填充层，覆盖于下绝缘填充层和金属遮光层；一金属电极，生长于一侧的掺杂层之上，且覆盖于上绝缘填充层及大部分帽子层 的上表面。其中所述的衬底为绝缘GaAs衬底。其中所述的掺杂层的材料为n-GaAs，厚度为2-3 μ m，掺杂浓度大于5X 1017_3。其中所述的太阳电池功能层的材料为多层n-GaAs/p-GaAs，厚度为1_1. 5 μ m。其中所述的太阳电池功能层的侧面进行钝化处理。其中下绝缘填充层和上绝缘填充层的材料为SiO2或聚酰亚胺；金属电极为Au/Ti 双层结构。本发明提供一种单片集成的微型太阳电池阵列的制备方法，其特征在于，包括如 下步骤提供半绝缘GaAs衬底；利用金属有机化合物气相沉积法或液相外延生长技术，在半绝缘GaAs衬底上生 长掺杂层；在掺杂层上依序生长背场层、基区层、发射层和窗口层，形成太阳电池功能层；在太阳电池功能层上生长帽子层，以上步骤形成外延片；采用光刻和湿法腐蚀技术，在外延片的中间刻蚀出深至衬底的沟槽；将外延片沟槽一侧刻蚀至掺杂层，形成台面；采用硫化法对沟槽两侧即太阳电池功能层的侧壁进行钝化处理；将太阳电池功能层上面的帽子层部分去除；在沟槽中依次生长下绝缘填充层、金属遮光层和上绝缘填充层，形成三明治结构， 该下绝缘填充层，填充在掺杂层之间，且覆盖于太阳电池功能层的一端及帽子层一端和部分表面；该金属遮光层生长于下绝缘填充层中间之上，其面积小于下绝缘填充层的面积； 该上绝缘填充层覆盖于下绝缘填充层和金属遮光层；生长金属电极，位于掺杂层上形成的台面上，且覆盖于上绝缘填充层及大部分帽子层的上表面，形成串联的太阳电池阵列；采用光刻技术和磁控溅射技术在串联的太阳电池阵列一端的两侧，生长出两个输出端。其中所述的掺杂层的材料为n-GaAs，厚度为2-3 μ m，掺杂浓度大于5X 1017cm_3。其中所述的太阳电池功能层的材料为多层n-GaAs/p-GaAs，厚度为1_1. 5 μ m。其中下绝缘填充层和上绝缘填充层的材料为SiO2或聚酰亚胺；金属电极为Au/Ti 双层结构。本发明中超薄太阳电池外延片的厚度范围根据GaAs材料的吸收系数而选定。发 射层和基区层的掺杂浓度根据GaAs太阳电池的开路电压和转换效率综合而定。帽子层和 背电极层的掺杂浓度和厚度根据金属-半导体欧姆接触工艺要求而选定。减反射膜厚度根 据光学原理而选定。有效吸光区域根据负载所需电流而定。沟槽宽度，台面宽度等根据光 刻等精细加工技术要求要选定。本发明的关键在于采用超薄高效GaAs太阳电池生长技术和精细加工技术，通过 合理的阵列设计和工艺流程设计，得到了输出电压可调节的微型太阳电池阵列。
为进一步说明本发明的内容，以下结合具体实施方式
及附图对本发明作一详细的 描述，其中图1是本发明的单片集成的微型太阳电池阵列局部结构剖面图。图2是本发明中的超薄太阳电池外延片结构示意图。图3是本发明的单片集成的微型太阳电池阵列结构俯视图。
具体实施例方式请参阅图1所示，本发明一种单片集成的微型太阳电池阵列，其中包括(以下为单 片集成的微型太阳电池阵列的一个单元的结构)一衬底10，该衬底10为绝缘GaAs衬底；掺杂层20，该掺杂层20生长在衬底10的上面的两侧；其中所述的掺杂层20的材 料为n-GaAs，厚度为2-3 μ m,优选厚度2. 4 μ m，掺杂浓度大于5 X 1017cm_3 ；一太阳电池功能层70，生长在掺杂层20的上面，其侧面进行了钝化处理，太阳电 池功能层70为多层膜结构，包含的各层从下至上依次为背场层30’、基区层40’、发射层50’ 和窗口层60’，其中背场层30，的材料为n-AlGaAs，厚度为0. 03-0. 06 μ m,优选厚度为0. 05 μ m,掺杂 浓度为 5X 1017cnT3-2X 1018cm_3，优选浓度为 2 X IO18CnT3 ； 基区层40’的材料为n-GaAs，厚度为0. 6-0. 8 μ m,优选厚度为0. 7 μ m，掺杂浓度为 1 X 1017cnT3-5 X IO1W,优选浓度为 1 X IO17CnT3 ； 发射层50’的材料为p-GaAs，厚度为0. 2-0. 4 μ m,优选厚度为0. 3 μ m，掺杂浓度为5 X 1017cnT3-2 X IO1W3,优选浓度为 2 X IO18CnT3 ；窗口层60，材料为p-AlGaAs，厚度为0. 02-0. 06 μ m，优选厚度为0. 04 μ m，掺杂浓 度为 IX IO18CnT5X 1018cm_3，优选浓度为 5 X IO18CnT3 ；一帽子层80，生长在太阳电池功能层70的上面，该帽子层80的材料为p-GaAs， 厚度为0. 5-1 μ m，优选厚度为0. 5 μ m，掺杂浓度为2X 1018cm_3-2X 1019cm_3，优选浓度为 1 X IO19Cm-3,面积小于太阳电池功能层70的面积，与太阳电池功能层70 —侧端对齐；一下绝缘填充层30，填充在掺杂层20之间，且覆盖于太阳电池功能层70的一端 及帽子层80 —端和部分表面，材料为SiO2或聚酰亚胺，若采用SiO2绝缘层，则其厚度为 300-500nm，优选厚度 400nm ；一金属遮光层40，生长于下绝缘填充层30中间之上，其面积小于下绝缘填充层30 的面积，材料为Au或Ag，厚度为300-500nm，优选厚度为400nm，或者为Au/Ti双层结构，Au 厚度250-350nm，优选厚度300nm，Ti厚度150_250nm，优选厚度200nm ；一上绝缘填充层50，覆盖于下绝缘填充层30和金属遮光层40，材料为SiO2或聚 酰亚胺，若采用SiO2绝缘层，则其厚度为300-500nm，优选厚度400nm ；一金属电极60，生长于一侧的掺杂层20之上，且覆盖于上绝缘填充层50及大部分 帽子层80的上表面，材料为Au，与帽子层80的欧姆接触为Au-Ti-pGaAs，与掺杂层20的欧 姆接触为 Au-Ge-Ni-nGaAs。请再参阅图1、图2和图3，本发明一种单片集成的微型太阳电池阵列的制备方法， 包括如下步骤(以下为单片集成的微型太阳电池阵列的一个单元结构的制作步骤)提供半绝缘GaAs衬底10 ；利用金属有机化合物气相沉积法或液相外延生长技术，在半绝缘GaAs衬底10上 生长掺杂层20 ；在掺杂层20上依序生长背场层30，、基区层40，、发射层50，和窗口层60，，形成太 阳电池功能层70(图2中)；在太阳电池功能层70上生长帽子层80，以上步骤形成外延片，其中源的纯度应大于5N(5个9以上)，温度控制精度应小于1K，MOCVD 一般采用低压生长，衬底托用高频感应加热，外延生长之前需高温预热(700-1073K)，生长过程采用两 步法，首先是低温慢速生长一过渡层，然后再生长其它各层等。采用光刻和湿法腐蚀技术，在外延片的中间刻蚀出深至衬底10的沟槽，沟槽相互 的间隔为20 μ m-40 μ m,优选间隔为25 μ m,形成相互独立太阳电池单元，其呈矩形，边长 400-1000 μ m,根据负载需求调节；将外延片沟槽一侧刻蚀至掺杂层20，形成台面，台面宽度100-200 μ m，优选宽度 120 μ m,台面高度位于高掺η型掺杂层20中部，高度距衬底1-2 μ m,优选高度1. 5 μ m ；采用硫化法对沟槽两侧即太阳电池功能层70的侧壁进行钝化处理，为(NH4) 2S溶 液对GaAs的硫化钝化技术，具体操作为将外延片浸泡于(NH4)2S溶液中，并且控温控时；将太阳电池功能层70上面的帽子层80部分去除，去除帽子层的区域为单元电池 的有效吸光区域，区域尺寸根据目标器件(如MEMS)所需电流成比例设计；
在沟槽中依次生长下绝缘填充层30、金属遮光层40和上绝缘填充层50，形成三明治结构，该下绝缘填充层30，填充在掺杂层20之间，且覆盖于太阳电池功能层70的一端及 帽子层80 —端和部分表面；该金属遮光层40生长于下绝缘填充层30中间之上，其面积小 于下绝缘填充层30的面积；该上绝缘填充层50覆盖于下绝缘填充层30和金属遮光层40 ； 其中上下绝缘填充层的材料为Si02或聚酰亚胺；金属遮光层40为材料为Au或者Ag，或者 为Au/Ti双层结构；生长金属电极60，位于掺杂层20上形成的台面上，且覆盖于上绝缘填充层50及大 部分帽子层80的上表面，形成串联的太阳电池阵列，材料为Au，与帽子层80的欧姆接触为 Au-Ti-pGaAs,与掺杂层20的欧姆接触为Au-Ge-Ni-nGaAs，并且进行控温合金处理；采用光刻技术和磁控溅射技术在串联的太阳电池阵列一端的两侧，生长出两个输 出端A、B (图3中)，输出端为常见电极材料Au，Ag或者Cu，大小以适合金丝点焊为宜；采用磁控溅射技术，在电池单元表面生长双层减反射膜，减反射膜采用Ta205/Si02 双层薄膜结构，Ta2O5层厚度为65-75nm，优选厚度69. 25nm, SiO2层厚度为95_105nm，优选 厚度 100. 84nm ；采用IC封装技术对电池阵列进行封装，主要采用聚合物对边缘进行保护。本发明提出了一种基于GaAs薄膜太阳电池的微型太阳电池阵列，充分结合了 GaAs太阳电池和微细加工的优点，可以在微小的尺度上发挥GaAs太阳电池的潜力。因此， 本发明可更有效地提高现有太阳电池与微机电系统的匹配性，可显著拓宽现有微机电系统 的使用范围。
权利要求
一种单片集成的微型太阳电池阵列，其特征在于，其中包括一衬底；掺杂层，该掺杂层生长在衬底的上面的两侧；一太阳电池功能层，生长在掺杂层的上面；一帽子层，生长在太阳电池功能层的上面，该帽子层的面积小于太阳电池功能层的面积，与太阳电池功能层一侧端对齐；一下绝缘填充层，填充在掺杂层之间，且覆盖于太阳电池功能层的一端及帽子层一端和部分表面；一金属遮光层，生长于下绝缘填充层中间之上，其面积小于下绝缘填充层的面积；一上绝缘填充层，覆盖于下绝缘填充层和金属遮光层；一金属电极，生长于一侧的掺杂层之上，且覆盖于上绝缘填充层及大部分帽子层的上表面。
2.根据权利要求1所述的单片集成的微型太阳电池阵列，其特征在于，其中所述的衬 底为绝缘GaAs衬底。
3.根据权利要求1所述的单片集成的微型太阳电池阵列，其特征在于，其中所述的掺 杂层的材料为n-GaAs，厚度为2_3μπι，掺杂浓度大于5Χ1017_3。
4.根据权利要求1所述的单片集成的微型太阳电池阵列，其特征在于，其中所述的太 阳电池功能层的材料为多层n-GaAs/p-GaAs，厚度为1-1. 5 μ m。
5.根据权利要求1所述的单片集成的微型太阳电池阵列，其特征在于，其中所述的太 阳电池功能层的侧面进行钝化处理。
6.根据权利要求1所述的单片集成的微型太阳电池阵列，其特征在于，其中下绝缘填 充层和上绝缘填充层的材料为SiO2或聚酰亚胺；金属电极为Au/Ti双层结构。
7.一种单片集成的微型太阳电池阵列的制备方法，其特征在于，包括如下步骤 提供半绝缘GaAs衬底；利用金属有机化合物气相沉积法或液相外延生长技术，在半绝缘GaAs衬底上生长掺 杂层；在掺杂层上依序生长背场层、基区层、发射层和窗口层，形成太阳电池功能层；在太阳电池功能层上生长帽子层，以上步骤形成外延片；采用光刻和湿法腐蚀技术，在外延片的中间刻蚀出深至衬底的沟槽；将外延片沟槽一侧刻蚀至掺杂层，形成台面；采用硫化法对沟槽两侧即太阳电池功能层的侧壁进行钝化处理；将太阳电池功能层上面的帽子层部分去除；在沟槽中依次生长下绝缘填充层、金属遮光层和上绝缘填充层，形成三明治结构，该下 绝缘填充层，填充在掺杂层之间，且覆盖于太阳电池功能层的一端及帽子层一端和部分表 面；该金属遮光层生长于下绝缘填充层中间之上，其面积小于下绝缘填充层的面积；该上 绝缘填充层覆盖于下绝缘填充层和金属遮光层；生长金属电极，位于掺杂层上形成的台面上，且覆盖于上绝缘填充层及大部分帽子层 的上表面，形成串联的太阳电池阵列；采用光刻技术和磁控溅射技术在串联的太阳电池阵列一端的两侧，生长出两个输出端。
8.根据权利要求7所述的单片集成的微型太阳电池阵列的制备方法，其特征在于，其 中所述的掺杂层的材料为n-GaAs，厚度为2_3 μ m，掺杂浓度大于5 X 1017cm_3。
9.根据权利要求7所述的单片集成的微型太阳电池阵列的制备方法，其特征在于，其 中所述的太阳电池功能层的材料为多层n-GaAs/p-GaAs，厚度为1-1. 5 μ m。
10.根据权利要求7所述的单片集成的微型太阳电池阵列的制备方法，其特征在于，其 中下绝缘填充层和上绝缘填充层的材料为SiO2或聚酰亚胺；金属电极为Au/Ti双层结构。
全文摘要
本发明一种单片集成的微型太阳电池阵列，其中包括一衬底；掺杂层，该掺杂层生长在衬底的上面的两侧；一太阳电池功能层，生长在掺杂层的上面；一帽子层，生长在太阳电池功能层的上面，该帽子层的面积小于太阳电池功能层的面积，与太阳电池功能层一侧端对齐；一下绝缘填充层，填充在掺杂层之间，且覆盖于太阳电池功能层的一端及帽子层一端和部分表面；一金属遮光层，生长于下绝缘填充层中间之上，其面积小于下绝缘填充层的面积；一上绝缘填充层，覆盖于下绝缘填充层和金属遮光层；一金属电极，生长于一侧的掺杂层之上，且覆盖于上绝缘填充层及大部分帽子层的上表面。
文档编号H01L31/18GK101814538SQ200910078559
公开日2010年8月25日 申请日期2009年2月25日 优先权日2009年2月25日
发明者张汉, 王彦硕, 白一鸣, 陈晓峰, 陈诺夫, 黄添懋 申请人:中国科学院半导体研究所