專利名稱：一種Ⅲ族氮化物納米陣列結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體工藝領(lǐng)域，特別涉及一種基于半導(dǎo)體材料制作納米陣列結(jié)構(gòu)太 陽(yáng)能電池的方法，該方法能顯著改善III族氮化物納米陣列結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的電極區(qū)粗糙 度，從而提高電池電學(xué)連接的穩(wěn)定性和可靠性。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)能電池是指利用光電效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。由于太陽(yáng)能是一種取之 不盡用之不竭的清潔能源，近年來太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到了廣泛的關(guān)注。太陽(yáng)能電池 根據(jù)所用材料的不同，可分為Si系太陽(yáng)能電池、化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池、有機(jī)太陽(yáng)能電 池、薄膜太陽(yáng)能電池、納米結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池等。在眾多種類的太陽(yáng)能電池中，III族氮化物禁帶寬度覆蓋范圍達(dá)0. 7eV 3. 4eV，幾 乎覆蓋了整個(gè)太陽(yáng)光譜的范圍，同時(shí)具有良好的抗輻照特性，高的光吸收系數(shù)。因而III族氮 化物成為制作全光譜高效太陽(yáng)能電池的理想材料。此外，III族氮化物還可以用于搭載其它 電池作為頂電池，吸收短波長(zhǎng)光，用于全光譜高效多結(jié)太陽(yáng)能電池的制作。盡管III族氮化物材料在制作太陽(yáng)能電池方面有很大的優(yōu)勢(shì)，但是外延生長(zhǎng)高晶體 質(zhì)量、高In組分的InGaN薄膜非常困難，使太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率受到很大限制。采用納 米結(jié)構(gòu)便能緩解這一問題，相對(duì)于傳統(tǒng)的體材料的電池，納米結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池具有釋放 應(yīng)力，終止位錯(cuò)，增強(qiáng)光吸收等優(yōu)點(diǎn)，有利于提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率。目前典型的垂直 排列納米陣列結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的制作工藝(如圖1所示)包括(a)制作微結(jié)構(gòu)掩模層，刻 蝕襯底203上的納米陣列結(jié)構(gòu)，如頂部為ρ型半導(dǎo)體201，則底部及陣列間隙便為η型半導(dǎo) 體202 ;(b)對(duì)納米陣列結(jié)構(gòu)用填充物204進(jìn)行填充，使其平面化；(c)制作電流擴(kuò)展層205 ； (d)臺(tái)面刻蝕，暴露出η區(qū)(或ρ區(qū))；(e)淀積金屬，制作η/ρ電極206。如圖2和圖3所示按此工藝，在樣品的整個(gè)表面刻蝕了納米陣列結(jié)構(gòu)，然后通過臺(tái) 面刻蝕刻出η(或P)電極區(qū)。由于表面納米陣列結(jié)構(gòu)的存在，干法刻蝕后η(或P)電極區(qū) 表面存在尖峰狀凸起。這些凸起一方面不利于后續(xù)的金屬電極的淀積，降低了附著力 ’另一 方面，若器件的制作工藝流程中還有晶片鍵合、鍍Ag鏡等后續(xù)工藝，表面凸起的存在將不 利于這些工藝的進(jìn)行。另外，如果臺(tái)面刻蝕是在電流擴(kuò)展層的制作之后進(jìn)行，在臺(tái)面刻蝕以 及刻蝕掩模的去除過程中可能對(duì)電流擴(kuò)展層表面造成損傷，在后續(xù)工藝中可能造成器件短 路，降低成品率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種III族氮化物納米陣列結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的制作方法， 在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上能較好地避免臺(tái)階下方的η電極區(qū)(或P電極區(qū))粗糙。本發(fā)明的上述目的，實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案是一種III族氮化物納米陣列結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的制作方法，針對(duì)應(yīng)用于具有垂直ρη 結(jié)或ηρ結(jié)且為同側(cè)電極的太陽(yáng)能電池，其特征在于該方法包括步驟
I、以光刻膠、SiOji GaN樣品臺(tái)面進(jìn)行第一次刻蝕，形成臺(tái)階狀的樣品結(jié)構(gòu)；II、在臺(tái)階上方的ρ區(qū)或η區(qū)臺(tái)面上制作微結(jié)構(gòu)掩模層并進(jìn)行第二次臺(tái)面刻蝕形 成納米柱陣列，同時(shí)露出與臺(tái)階下方臺(tái)面相一致的η區(qū)或ρ區(qū)；III、對(duì)帶納米柱陣列的GaN樣品旋涂填充物，使之平面化；IV、在對(duì)應(yīng)于納米柱陣列的平面化GaN樣品表面制作電流擴(kuò)展層；V、在電流擴(kuò)展層表面及臺(tái)階下方的η區(qū)或ρ區(qū)臺(tái)面上沉積金屬，制作η/ρ電極。進(jìn)一步地，前述一種III族氮化物納米陣列結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的制作方法，其中該微 結(jié)構(gòu)掩模層僅制作于臺(tái)階上方的P區(qū)或η區(qū)的臺(tái)面上，并且該微結(jié)構(gòu)掩模層的制作方法至 少包括自組裝形成金屬微球及旋涂單層微粒。進(jìn)一步地，前述一種III族氮化物納米陣列結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的制作方法，步驟III中 對(duì)GaN樣品填充指的是采用填充物對(duì)納米柱陣列及臺(tái)階下方的η區(qū)或ρ區(qū)臺(tái)面進(jìn)行填充， 并刻蝕掉頂部多余的填充物使之形成一平整面。該填充物包括光刻膠、聚酰亞胺或旋涂玻
^^ ο進(jìn)一步地，前述一種III族氮化物納米陣列結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的制作方法，步驟IV中 所述電流擴(kuò)展層包括銦錫氧化物或金屬。實(shí)施本發(fā)明的技術(shù)方案，其顯著的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上，對(duì)工藝步驟作出了調(diào)整，能有效避免臺(tái)階下方η電 極區(qū)(或P電極區(qū))粗糙，使后續(xù)淀積的金屬與η區(qū)或P區(qū)材料更好地粘附、不易剝落；提 高了電學(xué)連接的穩(wěn)定性和器件的可靠性；同時(shí)該制作方法還具有簡(jiǎn)單快捷，普適性強(qiáng)的特
點(diǎn)ο為使本發(fā)明一種III族氮化物納米陣列結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的制作方法更易于理解其 實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)及其所具的實(shí)用性，下面便結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明若干具體實(shí)施例作進(jìn)一步的詳細(xì) 說明。但以下關(guān)于實(shí)施例的描述及說明對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍不構(gòu)成任何限制。


圖1是傳統(tǒng)III族氮化物納米陣列結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池制作的方法流程圖；圖2是圖1方法制得的III族氮化物納米陣列結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的掃描電鏡照片；圖3是傳統(tǒng)III族氮化物納米陣列結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池制作方法的工藝流程圖；圖4是本發(fā)明III族氮化物納米陣列結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池制作的方法流程圖；圖5是圖4方法制得的III族氮化物納米陣列結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的掃描電鏡照片；圖6是本發(fā)明III族氮化物納米陣列結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池制作方法的工藝流程圖。圖中各附圖標(biāo)記的含義為201,501 ρ型半導(dǎo)體；202,502 η型半導(dǎo)體；203,503 襯底；204,504 填充物；205、505 電流擴(kuò)展層；206、506 金屬電極。
具體實(shí)施例方式在藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)InGaN/GaN太陽(yáng)能電池，由于襯底不導(dǎo)電，III族氮化物 電池采用的是同側(cè)電極結(jié)構(gòu)。圖1和圖3分別是傳統(tǒng)的III族氮化物納米陣列結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電 池的制作方法流程圖和工藝流程示意圖。由于在P電極區(qū)刻蝕有納米陣列結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行η區(qū)GaN臺(tái)面刻蝕的時(shí)候會(huì)造成η區(qū)表面粗糙，如圖2所示。為避免臺(tái)階下方η電極區(qū)(或ρ電極區(qū))粗糙，制造電學(xué)連接穩(wěn)定和器件可靠性高 的太陽(yáng)能電池，本發(fā)明提出了一種改善III族氮化物納米陣列結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的制作方法， 主要針對(duì)應(yīng)用于具有垂直ρη結(jié)或ηρ結(jié)且為同側(cè)電極的太陽(yáng)能電池，其方法及工藝流程如 圖4和圖6所示，主要包括步驟1 對(duì)GaN樣品進(jìn)行第一次臺(tái)面刻蝕，形成臺(tái)階狀的樣品結(jié)構(gòu)；在本步驟中，首先對(duì)樣品進(jìn)行充分清洗，然后以光刻膠為掩模進(jìn)行刻蝕，具體包 括在100°C以上干燥10分鐘，去除樣品表面吸附的水汽；涂膠，前烘，曝光，顯影，得到厚度 約為1. 2μπι的光刻膠掩模。用等離子體去膠機(jī)去除光刻膠底膜后，將樣品放入感應(yīng)耦合等 離子體(inductively coupled plasma, I CP)刻蝕機(jī)中進(jìn)行GaN刻蝕。該工藝氣體包含Cl2 和BCl3, ICP源和樣片臺(tái)偏置射頻源的功率分別為500W和300W，刻蝕深度約400nm。如圖 6(a)所示，形成上部為ρ型半導(dǎo)體501，下部為η型半導(dǎo)體502的臺(tái)階狀樣品結(jié)構(gòu)。步驟2 在臺(tái)階上方的ρ區(qū)臺(tái)面上制作微結(jié)構(gòu)掩模層，進(jìn)行第二次臺(tái)面刻蝕形成納 米柱陣列，同時(shí)暴露出與臺(tái)階下方臺(tái)面相一致的η型半導(dǎo)體502 ；但刻蝕深度不至于深達(dá)襯 底 503。上微結(jié)構(gòu)掩模層可通過金屬(如Ni、Pd、Cu等)自組裝形成微球，或者旋涂單層微 顆粒(如二氧化硅微球、聚苯乙烯微球等)的方式形成。在本步驟中以Ni自組裝為例，將樣品放入等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(plasma enhanced chemical vapor d印osition，PECVD)真空室，使襯底升溫至350°C并通入工藝氣 體，該工藝氣體包含SiH4、N20和N2，氣壓保持在2Torr，采用20W的射頻功率起輝，在襯底上 淀積厚度為300nm的SiO2薄膜。光刻，電子束蒸發(fā)淀積15nm的Ni，剝離去膠，并850°C退 火1分鐘，只在GaN臺(tái)階上方的臺(tái)面上形成直徑約200nm 300nm的Ni球。以Ni球?yàn)檠?模，進(jìn)行SiO2的反應(yīng)離子刻蝕(reactive ion etching, RIE)，再以Ni球和SiO2共同作為 掩模，進(jìn)行GaN的ICP刻蝕，刻蝕深度約700nm。最后用BOE去除SiO2和Ni，得到GaN納米 柱陣列。本實(shí)施例中，臺(tái)階上方臺(tái)面為ρ區(qū)；臺(tái)階下方臺(tái)面為η區(qū)。由于只在臺(tái)階上方的ρ 區(qū)臺(tái)面上存在Ni球，刻蝕后僅在ρ區(qū)刻蝕出納米柱陣列，臺(tái)階下方的η電極區(qū)沒有Ni的掩 蔽，SiOjP GaN均被刻蝕掉，因此通過兩步刻蝕，共形成Ι. μπι高度的臺(tái)階，如圖6(b)所
7J\ ο步驟3 對(duì)納米柱陣列的GaN樣品采用填充物504進(jìn)行填充，使其平面化，具體包 括干燥，去除樣品表面吸附的水汽；滴PMMA，靜置15分鐘使PMMA充分下滲，對(duì)納米 柱陣列進(jìn)行填充，在4000rpm的轉(zhuǎn)速下勻膠，用熱板180°C烘烤，使PMMA固化；用等離子體 去膠機(jī)去除納米柱頂部多余的膠，露出納米柱頂部的P型層，如圖6(c)所示。步驟4 在對(duì)應(yīng)于納米柱陣列的平面化GaN樣品表面制作電流擴(kuò)展層505，具體包 括蒸發(fā)ISOnm ΙΤ0，光刻，以光刻膠做掩模，用體積比為1 1的鹽酸水溶液作為刻蝕 液進(jìn)行ITO的濕法刻蝕，去膠，退火，使ITO和P-GaN形成歐姆接觸，如圖6 (d)所示。步驟5 淀積金屬，制作η/ρ電極506。光刻，蒸發(fā)Ti/Al/Ti/Au，利用剝離的方法在電流擴(kuò)展層及臺(tái)階下方的η區(qū)或ρ區(qū)臺(tái)面上制作金屬電極，如圖6(e)所示。 以上僅是本發(fā)明眾多具體應(yīng)用范例中的頗具代表性的一個(gè)實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的保 護(hù)范圍不構(gòu)成任何限制。凡采用等同變換或是等效替換而形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明 權(quán)利保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種Ⅲ族氮化物納米陣列結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的制作方法，其特征在于該方法包括步驟Ⅰ、對(duì)GaN樣品臺(tái)面進(jìn)行第一次刻蝕，形成臺(tái)階狀的樣品結(jié)構(gòu)；Ⅱ、在臺(tái)階上方的p區(qū)或n區(qū)的臺(tái)面上制作微結(jié)構(gòu)掩模層并進(jìn)行第二次臺(tái)面刻蝕形成納米柱陣列，同時(shí)露出與臺(tái)階下方臺(tái)面相一致的n區(qū)或p區(qū)；Ⅲ、對(duì)帶納米柱陣列的GaN樣品旋涂填充物，使之平面化；Ⅳ、在對(duì)應(yīng)于納米柱陣列的平面化GaN樣品表面制作電流擴(kuò)展層；Ⅴ、在電流擴(kuò)展層表面及臺(tái)階下方的n區(qū)或p區(qū)臺(tái)面上沉積金屬，制作n/p電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種III族氮化物納米陣列結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的制作方法，其特 征在于所述微結(jié)構(gòu)掩模層僅制作于臺(tái)階上方的P區(qū)或η區(qū)的臺(tái)面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種III族氮化物納米陣列結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的制作方法， 其特征在于所述微結(jié)構(gòu)掩模層的制作方法至少包括自組裝形成金屬微球及旋涂單層微 粒。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種III族氮化物納米陣列結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的制作方法，其特 征在于步驟III中對(duì)GaN樣品填充指的是采用填充物對(duì)納米柱陣列及臺(tái)階下方的η區(qū)或ρ 區(qū)臺(tái)面進(jìn)行填充，并刻蝕掉頂部多余的填充物使之形成一平整面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種III族氮化物納米陣列結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的制作方法，其特 征在于所述填充物包括光刻膠、聚酰亞胺或旋涂玻璃。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種III族氮化物納米陣列結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的制作方法，其特 征在于步驟IV中所述電流擴(kuò)展層包括銦錫氧化物或金屬。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種III族氮化物納米陣列結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的制作方法，其特 征在于所述制作方法針對(duì)應(yīng)用于具有垂直ρη結(jié)或ηρ結(jié)且為同側(cè)電極的太陽(yáng)能電池。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種Ⅲ族氮化物納米陣列結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的制作方法，包括步驟Ⅰ、對(duì)GaN樣品臺(tái)面進(jìn)行第一次刻蝕，形成臺(tái)階狀的樣品結(jié)構(gòu)；Ⅱ、在臺(tái)階上方的p區(qū)或n區(qū)的臺(tái)面上制作微結(jié)構(gòu)掩模層并進(jìn)行第二次臺(tái)面刻蝕形成納米柱陣列，同時(shí)露出與臺(tái)階下方臺(tái)面相一致的n區(qū)或p區(qū)；Ⅲ、對(duì)帶納米柱陣列的GaN樣品旋涂填充物，使之平面化；Ⅳ、在對(duì)應(yīng)于納米柱陣列的平面化GaN樣品表面制作電流擴(kuò)展層；Ⅴ、在電流擴(kuò)展層表面及臺(tái)階下方臺(tái)面上沉積金屬，制作n/p電極。本發(fā)明基于傳統(tǒng)工藝作出調(diào)整，能有效避免臺(tái)階下方電極區(qū)粗糙，使淀積的金屬粘附性增強(qiáng)，不易剝落；提高了電學(xué)連接的穩(wěn)定性和器件的可靠性；同時(shí)該制作方法還具有簡(jiǎn)單快捷，普適性強(qiáng)的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L31/18GK101894884SQ20101019647
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月10日
發(fā)明者唐龍娟, 楊輝, 鄭新和 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所