一種雷射供能微型GaAs電池的製作方法
2023-05-05 18:12:01 1
一種雷射供能微型GaAs電池的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種雷射供能微型GaAs電池，包括串聯成一體的複數個子電池，其特點是：所述子電池包括在襯底上面自下至上依次生長的p-GaAs反結層、i-GaAs非摻雜層、n-GaAs緩衝層、n-GaAs窗口層、n-GaAs基區層、p-GaAs發射層、p-GaAs窗口層和p-GaAs重摻層構成的P-N-N-P反結外延結構。本發明通過在GaAs襯底上面外延出PN和NP形成的P-N-N-P反結外延結構，使襯底和p-GaAs反結層形成了反偏電壓，起到了電流截止的作用，解決了單元電池間的物理隔離造成底部漏電流的問題，有效減小了電池底部的漏電流，並且外延層很薄，外形尺寸為2.2×2.2mm，適合於雷射供能。
【專利說明】一種雷射供能微型GaAs電池
【技術領域】
[0001] 本發明屬於光電轉換【技術領域】，特別是涉及一種雷射供能微型GaAs電池。
【背景技術】
[0002] 雷射供能微型GaAs電池是採用雷射作為光源能量而發電的電池。由於雷射是頻 率響應最好的單波長的光源，而太陽光是全光譜，因此相同單位面積的雷射供能微型GaAs 電池產生的電流遠遠大於太陽光供能電池產生的電流，形成了穩定大電流效應，並且雷射 供能微型GaAs電池還具有體積小、重量輕、不受無線電波和電磁幹擾、安全等特點；當前， 雷射供能微型GaAs電池主要是作為微機電系統(MEMS)的驅動電源，並在電力、無線通信、 醫療、航空航天等各領域有著廣泛的應用前景。
[0003] 目前，雷射供能微型GaAs電池主要結構為在光斑大小面積的GaAs襯底上串聯多 個子電池；由於是串聯結構，具有開路電壓高的特點，但同時存在底部漏電流大的問題，因 此大幅降低了雷射供能微型GaAs電池的使用效果。為了減小雷射供能微型GaAs電池的底 部漏電流，採用的方法大多是增加GaAs外延結構中各生長層的厚度，尤其是增加緩衝層的 厚度(達到10Um?20ym)，取得了降低電池底部漏電流的效果；但由於該方法製成的雷射 供能微型GaAs電池外延層厚度大(達到18ii?28iim)，不僅外延生長複雜、成本高，並且增 加了電池後期製作工藝的難度。
【發明內容】
[0004] 本發明為解決公知技術中存在的技術問題而提供一種厚度薄、外延生長和整體電 池製作工藝簡單、成本低，並且電池底部漏電流小的一種雷射供能微型GaAs電池。
[0005] 本發明採取的技術方案是：
[0006] -種雷射供能微型GaAs電池，包括串聯成一體的複數個子電池，其特點是：所述 子電池包括在襯底上面自下至上依次生長的P-GaAs反結層、i-GaAs非摻雜層、n-GaAs緩 衝層、n-GaAs窗口層、n-GaAs基區層、p-GaAs發射層、p-GaAs窗口層和p-GaAs重摻層構成 的P-N-N-P反結外延結構；子電池的上電極制於p-GaAs重摻層上，子電池的下電極制於下 電極區域，所述下電極區域為去掉P-N-N-P反結外延結構中部分p-GaAs重摻層、p-GaAs窗 口層、P-GaAs發射層、n-GaAs基區層和n-GaAs窗口層露出的n-GaAs緩衝層；所述上電極 下面的P-N-N-P反結外延結構和下電極下面的n-GaAs緩衝層、i-GaAs非摻雜層、p-GaAs反 結層之間有隔離槽，隔離槽內的露出的襯底作為隔離槽底部。
[0007] 本發明還可以採用如下技術方案：
[0008] 所述上電極為上電極金下層、上電極銀層和上電極金上層蒸鍍成的一體。
[0009] 所述下電極為下電極金下層、下電極鍺層、下電極銀層和下電極金上層蒸鍍成的 一體。
[0010] 所述複數個子電池串聯成一體用的金絲焊接作為互聯電極。
[0011] 構成微型GaAs電池的襯底周圍的電池邊界線圍城2. 2mmX2. 2mm的電池面積。
[0012] 本發明具有的優點和積極效果是：
[0013] 1、本發明通過在GaAs襯底上面外延出PN和NP形成的P-N-N-P反結外延結構， 使襯底和P-GaAs反結層形成了反偏電壓，起到了電流截止的作用，解決了單元電池間的物 理隔離造成底部漏電流的問題，有效減小了電池底部的漏電流，並且外延層很薄，厚度僅為 9ym以下，降低了後期腐蝕隔離等工藝的難度，並有效提高了外延生長的質量。
[0014] 2、本發明採用了金絲焊接互聯電極，無需PI膠隔離工藝，不僅避免電極互聯短 路，並且工藝簡單、有效降低了產品的製造成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015] 圖1是本發明雷射供能微型GaAs電池主視剖面展開示意圖；
[0016] 圖2是本發明雷射供能微型GaAs電池俯視外形示意圖；
[0017] 圖3是本發明雷射供能微型GaAs電池I-V電性能測試曲線圖。
[0018] 圖中：1、p-GaAs重摻層，2、p-GaAs窗口層，3、p-GaAs發射層，4、n-GaAs基區層， 5、n-GaAs窗口層，6、n-GaAs緩衝層，7、i-GaAs非摻雜層，8、p-GaAs反結層，9、襯底，10、上 電極，11、上電極金下層，12、上電極銀層，13、上電極金上層，14、下電極，15、下電極金下層， 16、下電極鍺層，17、下電極銀層，18、下電極金上層，19、隔離槽，20、互聯電極，21、電池邊界 線，22、隔離槽底部，23、下電極區域。
【具體實施方式】
[0019] 為能進一步了解本發明的
【發明內容】
、特點及功效，茲例舉以下實施例，並配合附圖 詳細說明如下：
[0020] -種雷射供能微型GaAs電池，包括串聯成一體的複數個子電池；
[0021] 本發明的創新點包括：
[0022] 所述子電池包括在襯底9上面自下至上依次生長的p-GaAs反結層8、i-GaAs非摻 雜層7、n_GaAs緩衝層6、n_GaAs窗口層5、n_GaAs基區層4、p_GaAs發射層3、p_GaAs窗口 層2和p-GaAs重摻層1構成的P-N-N-P反結外延結構；子電池的上電極10制於p-GaAs重 摻層上，子電池的下電極14制於下電極區域23,所述下電極區域為去掉P-N-N-P反結外延 結構中部分p-GaAs重摻層、p-GaAs窗口層、p-GaAs發射層、n-GaAs基區層和n-GaAs窗口層 露出的n-GaAs緩衝層；所述上電極下面的P-N-N-P反結外延結構和下電極下面的n-GaAs 緩衝層、i-GaAs非摻雜層、p-GaAs反結層之間有隔離槽19,隔離槽內的露出的襯底作為隔 離槽底部22。
[0023] 本發明的創新點還包括：
[0024] 所述上電極為上電極金下層11、上電極銀層12和上電極金上層13蒸鍍成的一體。
[0025] 所述下電極為下電極金下層15、下電極鍺層16、下電極銀層17和下電極金上層18 蒸鍍成的一體。
[0026] 所述複數個子電池串聯成一體用的金絲焊接作為互聯電極20。
[0027] 構成微型GaAs電池的襯底周圍的電池邊界線21圍城2. 2_X2. 2mm的電池面積。
[0028] 本發明雷射供能微型GaAs電池的製作過程：
[0029] 步驟1、準備襯底
[0030] 選用直徑100mm、厚度300i!m、徑向偏離2°的半絕緣GaAs材料作為如圖1所示 生長外延層的GaAs襯底；
[0031] 步驟2、反結生長外延層
[0032] 採用氣相外延生長（MOVPE)技術，在步驟1中GaAs襯底上面自下至上依次生長厚 度為0? 3 ii m的p-GaAs反結層、0? I ii m的i-GaAs非摻雜層、2 ii m的n-GaAs緩衝層、I(X)O人 的n-GaAs窗口層、3 y m的n-GaAs基區層、I y m的p-GaAs發射層、2 y m的p-GaAs窗口層、 0. 2iim的p-GaAs重摻層；形成P-N-N-P反結外延層；
[0033] 步驟3、製作子電池
[0034] ⑴光刻隔離槽圖形
[0035] 步驟2完成後,將GaAs襯底置於塗膠機,在p-GaAs重摻層上塗上一層膠厚在5iim 以上的BP218正型光刻膠，1000轉/分鐘以下的轉速甩膠，勻膠後，90°C烘膠30分鐘；用光 刻機以20mW/cm2曝光12秒，室溫環境用1 %NaOH溶液顯影35秒，用熱阻式烘箱IKTC堅 膜30分鐘；以2. 2mmX2. 2mm為一個電池的面積，用光刻版在直徑IOOmm面積的p-GaAs重 摻層上光刻出多個電池如圖2所示隔離槽圖形；
[0036] ⑵溼法腐蝕隔離槽
[0037] 在步驟3⑴光刻出的隔離槽的圖形內，依次用體積比檸檬酸飽和液：H202=5:1作為 檸檬酸腐蝕液腐蝕3分鐘，去掉p-GaAs重摻層，去離子水衝洗掉檸檬酸腐蝕液；用濃HCL腐 蝕1分鐘，去掉P-GaAs窗口層，去離子水衝洗掉濃HCL腐蝕液；用檸檬酸腐蝕液腐蝕6分 鍾,去掉P-GaAs發射層和n-GaAs基區層，去離子水衝洗掉檸檬酸腐蝕液；用濃HCL腐蝕1 分鐘,去掉n-GaAs窗口層，去離子水衝洗掉濃HCL腐蝕液；用檸檬酸腐蝕液腐蝕4min，去掉 n-GaAs緩衝層、i-GaAs非摻雜層和p-GaAs反結層，去離子水衝洗掉檸檬酸腐蝕液，直至露 出GaAs襯底作為隔離槽底部，每個電池面積腐蝕出圖2所示六條均布的隔離槽，GaAs襯底 每個電池面積上隔離出的六個凸出塊作為六個子電池；
[0038] 步驟4、製作下電極
[0039] ⑴光刻下電極區域的圖形
[0040] 步驟3完成後，將GaAs襯底置於塗膠機上，在步驟3製成的每六個子電池p-GaAs 重摻層上塗上一層5iim以上厚的BP218正型光刻膠，1000轉/分鐘以下的轉速甩膠，勻膠 後，90°C烘膠30分鐘；用光刻機以20mW/cm2曝光12秒，室溫環境用1%NaOH溶液顯影35 秒，用熱阻式烘箱IKTC堅膜30分鐘，用光刻版在p-GaAs重摻層上光刻出圖2所示的蒸鍍 下電極的下電極區域的圖形；
[0041] ⑵溼法腐蝕出下電極區域
[0042] 在步驟4⑴光刻出的下電極區域圖形上，依次用體積比檸檬酸飽和液：H20 2=5:1作 為檸檬酸腐蝕液腐蝕腐蝕3分鐘，去除掉p-GaAs重摻層，去離子水衝洗掉檸檬酸腐蝕液；用 濃HCL腐蝕1分鐘，去除掉p-GaAs窗口層，去離子水衝洗掉濃HCL腐蝕液；用檸檬酸腐蝕液 腐蝕6分鐘，去除掉p-GaAs發射層和n-GaAs基區層，去離子水衝洗掉檸檬酸腐蝕液；用濃 HCL腐蝕1分鐘，去除掉n-GaAs窗口層至露出n-GaAs緩衝層，去離子水衝洗掉濃HCL腐蝕 液，每個電池面積腐蝕出圖1所示蒸鍍下電極的下電極區域；
[0043] ⑶蒸鍍下電極金屬層
[0044] 為防止電池短路，在隔離槽中填充PI膠，用真空度大於5XKT4Pa的高真空鍍膜 機，在每一個子電池下電極區域中的n-GaAs緩衝層上面按照圖2所示的下電極區域自下至 上依次蒸鍍厚度為1000人的下電極金下層、3000人的下電極鍺層、5 的下電極銀層和 3000人的下電極金上層，完成每一個子電池下電極的製作過程。
[0045] 步驟5、製作上電極
[0046] 在各子電池與其下電極之間的空隙處填充PI膠，用真空度大於5XKT4Pa的高真 空鍍膜機，用光刻版在每一個子電池的P-GaAs重摻層上面光刻出圖2所示的上電極圖形， 按照上電極圖形在P-GaAs重摻層上面自下至上依次蒸鍍厚度為1000人的上電極金下層、 5ym的上電極銀層和3〇〇〇人的上電極金上層，完成每一個子電池上電極的製作過程；
[0047] 步驟6、焊接互聯電極
[0048] 用直徑為25iim的金絲對六個子電池中相鄰子電池的上電極和下電極焊接，形成 五個金線互聯電極，使六個子電池串聯成一體；
[0049] 步驟7、蒸鍍減反射膜
[0050] 步驟6完成後，GaAs襯底放到高真空鍍膜機的蒸鍍盤上，將50g_60g的三氧化二 鈦和SOg-IlOg的一氧化矽分別裝入坩堝，坩堝放在蒸鍍盤上；關閉高真空鍍膜機的真空室 門，對高真空鍍膜機進行真空度大於5XKT4Pa的抽真空，對電池整體表面先後進行56nm 厚的三氧化二鈦蒸鍍和90nm厚的一氧化矽蒸鍍，電池整體表面形成減反射膜；
[0051] 步驟8、劃片
[0052] 用劃片機將蒸鍍減反射膜後的電池圓片沿著圖2所示電池邊界線進行劃片， 製成多個2. 2mmX2. 2mm正方形的防漏電流超薄微型GaAs電池，完成本發明外形為 2. 2_X2. 2_、外延層厚度為9iim的防漏電流超薄微型GaAs電池的製造過程。
[0053] 雷射供能微型GaAs電池的電性能測試：
[0054] 由於短路電流和填充因子的大小能夠反應電池的漏電是否得到有效控制。採用激 光波長830nm、功率為600mW、光纖直徑為I. 8mm的可調式雷射器對本發明製備的雷射供能 微型GaAs電池進行I-V電性能測試和電池底部漏電測試，如表1和圖3所示的測試數據：開 路電壓為6. 5V，短路電流達到47. 2mA、填充因子為67%，最大功率點處電壓值達到5. 4V。實 驗結果說明了本發明製造的電池不僅厚度薄、外延生長和整體電池製作工藝簡單、成本低， 而且對降低電池底部漏電的發生起到了明顯的效果。
[0055] 表1電池底部漏電測試數據表
[0056]
【權利要求】
1. 一種雷射供能微型GaAs電池，包括串聯成一體的複數個子電池，其特徵在於：所述 子電池包括在襯底上面自下至上依次生長的p-GaAs反結層、i-GaAs非摻雜層、n-GaAs緩 衝層、n-GaAs窗口層、n-GaAs基區層、p-GaAs發射層、p-GaAs窗口層和p-GaAs重摻層構成 的P-N-N-P反結外延結構；子電池的上電極制於p-GaAs重摻層上，子電池的下電極制於下 電極區域，所述下電極區域為去掉P-N-N-P反結外延結構中部分p-GaAs重摻層、p-GaAs窗 口層、p-GaAs發射層、n-GaAs基區層和n-GaAs窗口層露出的n-GaAs緩衝層；所述上電極 下面的P-N-N-P反結外延結構和下電極下面的n-GaAs緩衝層、i-GaAs非摻雜層、p-GaAs反 結層之間有隔離槽，隔離槽內的露出的襯底作為隔離槽底部。
2. 根據權利要求1所述的雷射供能微型GaAs電池，其特徵在於：所述上電極為上電極 金下層、上電極銀層和上電極金上層蒸鍍成的一體。
3. 根據權利要求1所述的雷射供能微型GaAs電池，其特徵在於：所述下電極為下電極 金下層、下電極鍺層、下電極銀層和下電極金上層蒸鍍成的一體。
4. 根據權利要求1所述的雷射供能微型GaAs電池，其特徵在於：所述複數個子電池串 聯成一體用的金絲焊接作為互聯電極。
5. 根據權利要求1所述的雷射供能微型GaAs電池，其特徵在於：構成微型GaAs電池 的襯底周圍的電池邊界線圍城2. 2mmX2. 2mm的電池面積。
【文檔編號】H01L31/02GK104332479SQ201310308779
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2013年7月22日 優先權日:2013年7月22日
【發明者】梁存寶, 杜永超, 肖志斌 申請人:天津恆電空間電源有限公司, 中國電子科技集團公司第十八研究所