![]() 蝕刻多層磊晶材料的方法及太陽能電池裝置
专利摘要:
本發明提供了一種單一步驟濕蝕刻製程來隔離半導體基底上的多接面太陽能電池,其中,濕蝕刻化學物質非選擇性地去除半導體材料而在不同異質磊晶層之間沒有蝕刻速度的明顯不同。如此形成的太陽能電池包含在半導體基底上磊晶生長的多個異質半導體層。 公开号:TW201322327A 申请号:TW101143168 申请日:2012-11-19 公开日:2013-06-01 发明作者:Onur Fidaner;Michael W Wiemer;Vijit A Sabnis;Ewelina N Lucow 申请人:Solar Junction Corp; IPC主号:H01L31-00
专利说明:
蝕刻多層磊晶材料的方法及太陽能電池裝置 本發明涉及一種單一步驟濕蝕刻製程和使用該製程分隔半導體基底上的多接面太陽能電池,其中,所述濕蝕刻化學物質非選擇性地去除半導體材料而在不同的異質磊晶層之間沒有蝕刻速度的明顯差異。如此形成的太陽能電池包含在半導體基底上磊晶生長的多個異質半導體層。 本發明涉及多接面太陽能電池領域,所述多接面太陽能電池在半導體基底上包含多個異質磊晶材料層。更具體地,本發明涉及一種使用單一步驟濕蝕刻製程圖案化磊晶層的改進的方法。 太陽能電池是重要的可再生能源,其在空間和地上的應用已經得到廣泛有效地利用。目前,最高效率的太陽能電池使用多接面太陽能電池法實現。多接面太陽能電池通常由2、3、或更多個接面(即亞電池)組成,這些亞電池在疊層(stack)中串聯連接,如圖1A所示。所述接面通常通過在半導體基底12上生長多個異質磊晶層9來實現。每個接面114、115和116被設計為從分開部分的太陽能光譜吸收,允許有高效率的太陽能轉換。所述接面通過互連區域117和118隔開。構成多接面太陽能電池的磊晶層9選自具有不同光學和電學性質的多種半導體材料,以吸收不同部分的太陽能光譜。 多接面太陽能電池的製備通常使用本領域技術人員已知的傳統半導體製程方法在晶圓尺度上進行。製造典型多接面太陽能電池的製程步驟的評述可見以下引用的Danzilio等人的文獻。 多接面太陽能電池製備中的一個重要步驟,如圖1B所示,是在半導體基底12上的單體電池100的隔離,本文稱為“凸型(mesa)隔離”。進行凸型隔離來消除相同晶圓上相鄰太陽能電池之間的電接觸,這然後允許進行單體電池100的機械分離(也稱為切單顆(singulation)),而不會干擾每個單體電池的邊緣。 在凸型隔離步驟中,必須在單體太陽能電池晶片的全部四個邊緣上去除磊晶層9,如圖1A和圖2中可以看到的。如果如圖2所示疊層中最下部的接面使用基底12作為所述接面的基極區(例如鍺),則凸型隔離必須延伸到基底區域,產生部分蝕刻的基底12,使得進入到基底中的蝕刻深度超過在該基極區中的少數載子擴散長度。 電池的凸型隔離可以利用許多技術實現,包括但不限於乾蝕刻、使用諸如鋸或鐳射切割的技術的部分(或全部)切割、和濕蝕刻。這些技術,如在現有技術中所用的,可以簡單回顧如下: 乾蝕刻:乾蝕刻是通過暴露材料到真空室中的活性氣體的電漿來去除半導體材料。乾蝕刻是半導體工業中已為大家接受的製程技術。但是,由於低產量和設備安裝與維護中涉及的高成本,在太陽能電池製造中發現其用途有限。因此,乾蝕刻通常不用於多接面太陽能電池的凸型隔離。 部分切割:部分切割技術使用切割機或雷射光束部分切割晶圓來在電學上隔離太陽能電池。半導體材料的機械去除導致碎屑和側壁上的損傷,這導致晶片的電性能差。難以控制太陽能電池的有效吸收面積,導致性能變化。此外,部分切割也是低產量的技術。但是,部分切割技術是相對有成本效益的並且有時被使用。 濕蝕刻:濕蝕刻是使用液相中的化學物質去除半導體材料。濕蝕刻是現有技術中發現的優選方法,因為它是有成本效益的、不需要先進的製程設備、以及晶圓產量高。本發明是用於多接面太陽能電池製程的濕蝕刻技術。 多接面太陽能電池由具有不同電、光、和化學性質的多個磊晶層形成。用於多接面太陽能電池中的半導體材料包括但不限於磷化鎵銦、磷化銦、砷化鎵、砷化鎵鋁、砷化鎵銦、稀釋氮化物化合物、和鍺。對於三元和四元化合物半導體,可以使用大範圍的合金比例。 存在常用於化合物半導體製造中的若干種濕蝕刻化學物質。濕蝕刻劑的綜合列表、以及蝕刻速度和選擇性關係由Clawson,Materials Science and Engineering, 31 (2001) 1-438公開。通常,用於蝕刻一類半導體材料的濕蝕刻劑是選擇性的並且不蝕刻某些其他類的半導體材料。濕蝕刻劑的選擇性還取決於化合物的合金濃度。因此,用於凸型隔離的蝕刻多接面太陽能電池中的磊晶層的全部疊層通常需要利用多種濕蝕刻化學物質。 使用多次施加選擇性(或非選擇性)蝕刻劑通常導致粗糙的、不光滑的、和/或不規則的凸型側壁輪廓。圖4表示現有技術中的多接面太陽能電池的一個實例,如可以通過掃描式電子顯微鏡的圖像所產生的。在圖4所示的太陽能電池的製備中,使用不同的蝕刻化學物質來蝕刻接面114、115和116中的每一個接面。由於化學物質的不同和選擇性關係,三個接面中的每一個接面和基底112具有明顯不同的蝕刻輪廓,產生圖4中所示的粗糙的、不光滑的、和/或不規則的形狀。凸型側壁的形狀隨著太陽能電池中所用的半導體材料和用來蝕刻它們的化學物質而變化。通常,與均勻的側壁輪廓相比,這樣的粗糙凸型側壁輪廓導致更大的側壁表面積(對於一定的凸型尺寸和蝕刻深度)。這樣的更大的側壁表面積可能導致太陽能電池周邊上更大的漏電流,這有可能導致多接面太陽能電池中的開路電壓和效率降低。 除了周邊漏電流以外,與單一蝕刻化學物質相比,多種蝕刻劑的使用具有其他缺點,包括,例如: 1. 更長的製程時間。 2. 控制蝕刻速度和層的相對底切的難度增大。 3. 在製備過程中化學物質、水和能量消耗更多。 4. 更多化學廢棄物產生。 5. 可能需要多個光刻步驟以防止對側壁的損傷。 6. 不同半導體層的不均勻蝕刻。 傳統製程已經不足以製備有成本效益的高性能多接面太陽能電池。因此,已存在嘗試發現非選擇性蝕刻劑。現有已存在的嘗試簡單描述如下。 Turala等(CPV-7 Las Vegas, NV 2011)公開一種使用高黏度溴溶液來蝕刻在鍺基底上的多接面太陽能電池中所用的III-V材料。然而,Turala等提出的溶液要求使用氮化矽硬遮罩,氮化矽硬遮罩必須使用電漿增強化學氣相沉積來沉積。使用介電硬遮罩在太陽能電池的製備中不是優選的方法,因為在所有半導體製造中常見的使用光阻遮罩是明顯更有成本效益的。 在一種不同的方法中,Zaknoune等,J. Vac. Sci. Technol. B16, 223 (1998),報導了對砷化鎵和磷化銦鎵鋁為非選擇性的一種蝕刻過程,其中磷化銦鎵鋁四元化合物含有35%的磷化鋁、15%的磷化鎵和50%的磷化銦。Zaknoune等人描述的蝕刻過程使用鹽酸、碘酸的稀溶液和水用光阻遮罩來蝕刻砷化鎵基底上生長的300 nm的所述四元化合物。在Zaknoune等人的文章中描述的主要應用領域是異質接面雙極性電晶體(heterojunction bipolar transistor, HBT)、各種量子井雷射器和高電子遷移率電晶體(high electron mobility transistor, HEMT),要求它們具有大的導帶和價帶不連續性。這些裝置是多數載子裝置,其中,通常使用大帶隙材料作為多數載子的障壁材料。Zaknoune等描述了具有一個磊晶層的系統並且沒認識到與多層磊晶相關的任何側壁問題,多層磊晶是太陽能電池的特徵。 多接面太陽能電池的裝置要求明顯不同於HBT、QWL和HEMT的裝置要求,主要是因為多接面太陽能電池是少數載子裝置。因此,Zahnoune等人描述的過程對蝕刻多接面太陽能電池結構沒有直接用途,多接面太陽能電池結構包括具有寬範圍帶隙(通常為0.67 eV到2.25 eV)的許多種半導體材料。 在多接面太陽能電池製造中的凸型隔離步驟的要求可以總結如下: 1. 不影響標準光阻材料的蝕刻劑,使得傳統光刻技術可以用於確定半導體基底上的凸型圖案,並且暴露區域可以使用濕蝕刻化學物質去除。特別是在確定凸型圖案時因此可以避免介電硬遮罩。 2. 蝕刻帶隙範圍為0.67 eV(鍺)到2.25 eV(磷化鎵)的所有材料的非選擇性蝕刻劑。圖3表示在所述帶隙能量範圍內的這些半導體材料及其合金中的一些。 3. 小的側壁表面積,導致漏電流減小。 4. 改變和控制太陽能電池內的磊晶層的相對蝕刻速度的能力,例如通過改變蝕刻劑的組成。具有類似蝕刻速度的蝕刻在所述帶隙範圍內的所有材料的蝕刻劑可能是優選的。 5. 使用化學物質的單一混合物,使得用於凸型隔離的濕蝕刻可以在一個單一步驟中完成,具有最小的廢棄物產生以及最小的水和能量消耗。 需要的是更適合於多接面太陽能電池製造的製備製程。 根據本發明,提供一種單一步驟濕蝕刻製程,來在切單顆之前隔離半導體基底上的多接面太陽能電池,其中,濕蝕刻化學物質非選擇性地去除半導體材料而在不同異質磊晶層之間沒有蝕刻速度上的明顯不同。如此形成的太陽能電池包含在半導體基底上磊晶生長的多個異質半導體層而沒有粗糙的側壁。 本發明包括以下化學物質的混合物來實現凸型隔離:(1)碘酸(HIO3)、(2)鹽酸(HCl)和(3)水(H2O)。 這些化學物質的莫耳比和化學混合物的溫度可以變化以改變總蝕刻速度和不同磊晶材料的相對蝕刻速度。在蝕刻過程中可以使用攪拌來控制蝕刻速度和均勻性。 在應用中,在凸型隔離步驟中進行的製程的實例列出如下: 1. 使用標準光刻技術將光阻10圖案化來限定基底上的凸型區域6(圖5A)。 2. 用上面列出的化學物質的混合物蝕刻晶圓來去除相鄰凸型結構之間的暴露區域中的磊晶材料11和部分基底12(圖5B)。 3. 去除光阻層10(圖5C)。 本發明的製程步驟構成多接面太陽能電池製備中的凸型隔離步驟。本文所述的步驟沒有限制意義。可以使用其他實施方案,並且可以進行所述製程的結構或邏輯變化,假定使用包括碘酸、鹽酸和水的混合物實現暴露區域中磊晶材料的去除。應當理解,本發明是一種可以在需要凸型隔離的所有多接面太陽能電池製程中插入的製程模組。 本發明解決了如先前技術部分所述的現有技術中沒有解決的一些關鍵問題: 1. 該技術蝕刻在多接面太陽能電池中常用的所有半導體材料和合金,包括但不限於: - 鍺 - 磷化銦 - 磷化鋁 - 磷化鎵 - 砷化銦 - 砷化鋁 - 砷化鎵 - 稀釋氮化物化合物 2. 蝕刻速度不取決於結晶取向。 3. 該方法不明顯蝕刻標準光刻法中常用的常見光阻材料。 4. 該技術不明顯蝕刻介電質,如用作抗反射塗層(anti-reflection coating, ARC)的常見介電層疊層。 5. 該技術使用化學物質的單一混合物,並且凸型隔離步驟可以在一個單一步驟中實現。 6. 與現有技術相比,通過使用本發明獲得的凸型側壁面積一般更小。 通過參見結合圖式的以下詳細描述,本發明將會被更好地理解。 圖1B和圖2舉例說明晶圓12上通過凸型隔離過程的太陽能電池結構100製程的一部分。在俯視圖中,現有技術的結構和本發明的結構是不能分辨的。半導體基底12上的單體太陽能電池100通過去除相鄰凸型結構之間的區域8(蝕刻的區域)中的生長磊晶層和一部分基底12來隔離。匯流排(bus bars) 22連接柵線(grid lines) 2。凸型結構6由沿著蝕刻區域8的邊界的邊緣限定,如下文所解釋的。 圖3是表示多接面太陽能電池中常用的常見化合物和元素半導體和合金的晶格常數-帶隙關係的圖。在凸型隔離中,蝕刻通過多接面太陽能電池中所用的所有半導體材料是一個要求。而如圖4所代表的現有技術在蝕刻過程中產生不一致的截面,本發明如圖6所示不會產生不一致的截面。 根據本發明的濕蝕刻製程的一些實施方案的混合物,包含分別以莫耳比1:62:760製備的碘酸、鹽酸和水。碘酸和鹽酸的所述莫耳比可以在± 5.0%內變化,因此混合物中的莫耳比對於碘酸、鹽酸和水分別為(0.95-1.05):(59-65):760。實驗室中的製備或製備製程按體積比1:2:3進行,其中鹽酸的水溶液重量百分比為38.0% ± 3.0%,碘酸的水溶液重量百分比為6.6% ± 1.0%。在濕蝕刻製程中使用其他溶質或除了水以外的液體混合物在本發明的意圖內,雖然水是最容易獲得的。類似地,不同莫耳濃度的其他酸可以替代鹽酸來產生相同的結果。但是,正是在上述濃度範圍內的碘酸HIO3被認為對本發明的目的是有效的,以在所有異質磊晶層中產生基本向內彎曲的側壁。 圖5A、5B和5C表示如前總結的根據本發明的製程步驟。多接面太陽能電池的層由未修改的基底12上的異質磊晶材料疊層11表示。光阻10覆蓋在磊晶疊層11上(圖5A)。當在蝕刻水溶液的儲液器中根據本發明蝕刻(圖5B)時,異質磊晶疊層11被轉變成單體元件13,所述單體元件13穿透到基底(現標記為121)形成電池100(圖1)並產生凸型結構6,如根據本發明的圖6所示。(未表示出針對蝕刻液保護基底12下側的可選製程)。 在凸型隔離步驟之後所得的截面形狀(圖6)是特徵為基本向內彎曲的外形的側壁外形,即與其他接面區域相比,具有基本宏觀上光滑的表面而沒有接面區域的明顯底切。與現有技術相比,基本向內彎曲的外形表示由本發明的濕蝕刻製程產生的非選擇性蝕刻。與所述接面中使用的半導體相比,在接面14、15和16之間的互連區域17和18常常表現出不同的蝕刻速度。如圖6所示,本公開提供的方法從接面14朝著並沿著基底121逐漸變寬地產生凸型側壁外形,其特徵為宏觀光滑的外形。所述凸型側壁外形特徵還在於在最下層和互連層17之下底切最小,和在互連層18的適中的回蝕(etch-back)。特別地,含鋁層可能表現出比其他層更大的底切。應當理解,作為本發明的結果,可以在蝕刻表面19上發現碘的痕跡(圖6),蝕刻表面19包括凸型結構9的側壁和基底121的暴露部分4 (圖5C)。 在一些實施方案中,晶圓在蝕刻液中攪動以控制蝕刻速度和提供在晶圓上的蝕刻均勻性。 在另一個實施方案中,抗反射塗層(ARC)用作凸型隔離的介電硬遮罩。在本實施方案中的製程步驟表示在圖7中。在凸型隔離步驟之前進行ARC沉積20,並在使用本發明去除電池周圍的異質磊晶層的過程中使用圖案化的ARC 21保護太陽能電池。在本實施方案的一種變化中(圖8),使用光阻10來圖案化ARC 20。在完成ARC蝕刻後,在凸型隔離過程中光阻10也被保留。 在本發明的一些實施方案中,混合物中鹽酸的體積比為10% - 50%,混合物中碘酸的體積比為10% - 50%,其中鹽酸水溶液重量百分比為38.0% ± 3.0%,碘酸水溶液重量百分比為6.6% ± 1.0%。應當注意,在所用水溶液中,用不同莫耳濃度,使用不同體積比可以提供成分化學物質的相同莫耳比。在製程過程中,混合物的溫度保持在10°C和140°C之間。 在本發明的另一具體實施方案中,鹽酸的體積比為30% - 35%,碘酸的體積比為14% - 19%,在成分化學物質的水溶液中使用所述莫耳濃度,混合物的溫度保持在30°C和45°C之間。 本公開所提供的蝕刻方法可以用來製備包括多接面太陽能電池的太陽能電池。因此,提供了使用本文公開的方法製備的包括多接面太陽能電池的太陽能電池。 在一些實施方案中,太陽能電池裝置包含多接面光伏電池,所述多接面光伏電池包含第一亞電池和疊加在第一亞電池上的第二亞電池,其中,所述多接面光伏電池特徵在於由非選擇性濕蝕刻製程形成的凸型側壁,其中,所述凸型側壁基本向內彎曲。 在太陽能電池的一些實施方案中,第一亞電池和第二亞電池中至少一個亞電池含有包含由週期表第III族的一種或更多種元素、氮、砷、以及選自Sb、Bi的一種元素的合金及其組合的基極層;第一亞電池和第二亞電池基本上晶格匹配。 在太陽能電池的一些實施方案中,第一亞電池和第二亞電池與選自Si、Ge、SiGe、GaAs和InP中的材料基本上晶格匹配。 在太陽能電池的一些實施方案中,第一亞電池包含選自GaInNAsSb、GaInNAsBi、GaInNAsSbBi、GaNAsSb、GaNAsBi和GaNAsSbBi中的基極層。 在太陽能電池的一些實施方案中,所述太陽能電池包含在第一亞電池之下的含砷化鎵的材料。 在太陽能電池的一些實施方案中,所述太陽能電池包含在第一亞電池之下的含鍺材料。 在太陽能電池的一些實施方案中,第一亞電池包含含鍺材料。 在太陽能電池的一些實施方案中,用來形成凸型側壁的非選擇性濕蝕刻製程包含使用含鹽酸、碘酸和水的單一蝕刻劑混合物。 在太陽能電池的一些實施方案中,用來形成凸型側壁的蝕刻劑混合物包含體積比為10% - 50%的鹽酸、體積比為10% - 50%的碘酸;並且所述蝕刻劑混合物特徵為溫度為10°C到140°C。 在太陽能電池的一些實施方案中,用來形成凸型側壁的蝕刻劑混合物包含體積比為30% - 35%的鹽酸、體積比為14% - 19%的碘酸;並且所述蝕刻劑混合物特徵為溫度為30°C到45°C。 已經以上述具體實施方式解釋了本發明。其他實施方式對於本領域技術人員是顯而易見的。所以,本發明的保護範圍不應該因上述所揭露的具體實施方式而被限制,而應該以所附申請專利範圍表明的為準。 9...磊晶層 12、112...基底 114、115、116...接面 117、118...互連區域 100...單體電池 2...柵線 6...凸型區域 8...蝕刻區域 22...匯流排 4...基底的暴露部分 10...光阻 11...磊晶疊層 12、121...基底 13...單體元件 14、15、16...接面 17、18...互連區域 19...蝕刻表面 20...ARC沉積 21...ARC 圖1A是其中可以使用本發明的多接面太陽能電池的截面圖。 圖1B是現有技術的電池的俯視圖。 圖2是現有技術的凸型隔離製程結構的一部分的近視圖,半導體基底上的單體電池通過去除在相鄰凸型結構之間區域內的生長磊晶層和一部分基底來分隔。 圖3是表示在多接面太陽能電池中常用的常見化合物和元素半導體和合金的晶格常數-帶隙關係的圖。 圖4是現有技術的典型多接面太陽能電池的截面圖。 圖5A、5B和5C表示根據本發明的製程步驟的結果。 圖6是使用本發明的濕蝕刻製程製造的多接面太陽能電池的截面圖。 圖7A、7B和7C表示本發明的一個實施方案的製程步驟的結果,其中,圖案化的光阻遮罩21用來將凸型結構圖案化。 圖8A、8B和8C表示本發明的一個實施方案的製程步驟的結果,其中,圖案化的光阻10先用來將介電質21圖案化,然後在凸型蝕刻過程中被保留。 14、15、16...接面 17、18...互連區域 19...蝕刻表面 121...基底
权利要求:
Claims (16) [1] 一種蝕刻多層磊晶材料的方法,包含以下步驟: 提供包含基底和生長的異質磊晶層疊層的晶圓,其中所述疊層包含一個或更多個接面的太陽能電池; 使用光刻法將具有凸型蝕刻圖案的晶圓圖案化;和 使用單一蝕刻劑混合物根據所述凸型蝕刻圖案在暴露區域中蝕刻所述疊層和部分或全部基底,以產生特徵為基本向內彎曲的側壁外形的單體太陽能電池的凸型隔離,所述單一蝕刻劑混合物包含鹽酸、碘酸和水。 [2] 如申請專利範圍第1項所述之蝕刻多層磊晶材料的方法,其中所述蝕刻劑混合物包含: 體積比為10% - 50%的鹽酸;和 體積比為10% - 50%的碘酸; 其中所述混合物的溫度為10°C到140°C。 [3] 如申請專利範圍第1項所述之蝕刻多層磊晶材料的方法,其中所述蝕刻劑混合物包含: 體積比為30% - 35%的鹽酸;和 體積比為14% - 19%的碘酸; 其中所述混合物的溫度為30°C到45°C。 [4] 如申請專利範圍第1項所述之蝕刻多層磊晶材料的方法,其中圖案化包括使用光阻、使用介電硬遮罩、或使用光阻和介電硬遮罩二者。 [5] 如申請專利範圍第1項所述之蝕刻多層磊晶材料的方法,其中圖案化包括使用光阻來圖案化介電硬遮罩,並且所述光阻在凸型蝕刻過程中的去除異質磊晶層的過程中被保留。 [6] 如申請專利範圍第1項所述之蝕刻多層磊晶材料的方法,其中蝕刻包括攪動所述晶圓。 [7] 一種太陽能電池裝置,包含: 多接面光伏電池,其包含第一亞電池和疊加在第一亞電池上的第二亞電池,其中: 所述多接面光伏電池特徵為由非選擇性濕蝕刻製程形成的凸型側壁,其中所述凸型側壁基本向內彎曲。 [8] 如申請專利範圍第7項的太陽能電池裝置,其中: 第一亞電池和第二亞電池的至少一個含有包含週期表第III族的一種或更多種元素、氮、砷以及選自Sb、Bi的元素的合金及其組合的基極層;和 第一亞電池和第二亞電池基本上晶格匹配。 [9] 如申請專利範圍第7項的太陽能電池裝置,其中,第一亞電池和第二亞電池與選自Si、Ge、SiGe、GaAs和InP中的材料基本上晶格匹配。 [10] 如申請專利範圍第7項的太陽能電池裝置,其中,第一亞電池包含選自GaInNAsSb、GaInNAsBi、GaInNAsSbBi、GaNAsSb、GaNAsBi和GaNAsSbBi中的基極層。 [11] 如申請專利範圍第7項的太陽能電池裝置,其包含在第一亞電池下的含砷化鎵的材料。 [12] 如申請專利範圍第7項的太陽能電池裝置,其包含在第一亞電池下的含鍺材料。 [13] 如申請專利範圍第7項的太陽能電池裝置,其中,所述第一亞電池包含含鍺材料。 [14] 如申請專利範圍第7項的太陽能電池裝置,其中,所述非選擇性濕蝕刻製程包括使用含有鹽酸、碘酸和水的單一蝕刻劑混合物。 [15] 如申請專利範圍第14項的太陽能電池裝置,其中,所述蝕刻劑混合物包含: 體積比為10% - 50%的鹽酸;和 體積比為10% - 50%的碘酸;和 所述蝕刻劑混合物特徵為溫度為10°C到140°C。 [16] 如申請專利範圍第14項的太陽能電池裝置,其中,所述蝕刻劑混合物包含: 體積比為30% - 35%的鹽酸;和 體積比為14% - 19%的碘酸;和 所述蝕刻劑混合物特徵為溫度為30°C到45°C。
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引用文献:
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申请号 | 申请日 | 专利标题 US201161561179P| true| 2011-11-17|2011-11-17|| 相关专利
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