本發(fā)明涉及物理電源技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種太陽(yáng)電池集成式gaas結(jié)二極管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造方法。

背景技術(shù)：

太陽(yáng)電池在空間工作中，由于衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)造成的陰影或者電池單體失效等原因，很容易造成電池陣帆板熱斑效應(yīng)，破壞太陽(yáng)電池。為了防止熱斑效應(yīng)的產(chǎn)生，在單體太陽(yáng)電池的正負(fù)極間并聯(lián)一個(gè)旁路二極管，避開(kāi)問(wèn)題電池，起到分流作用。對(duì)于空間太陽(yáng)電池陣，旁路二極管必不可少，十分關(guān)鍵。

常用的空間用旁路二極管分為分體式和集成式，分體式旁路二極管與電池主體分別設(shè)計(jì)與制造，工序繁瑣；集成式能夠大大簡(jiǎn)化生產(chǎn)制作的器件工藝流程和后期的貼片工藝，因此，集成式電池的需求日益增大。

目前，集成式二極管均采用多結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)干法或濕法刻蝕隔離旁路二極管和電池主體，保留了太陽(yáng)電池主體的多結(jié)gainp/gaas/ge結(jié)構(gòu)。由于旁路二極管具有開(kāi)啟電壓高、串聯(lián)電阻大等原因，容易造成工作中發(fā)熱量大使得二極管失效等技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的問(wèn)題是提供一種太陽(yáng)電池集成式gaas結(jié)二極管的設(shè)計(jì)及制造方法，尤其適合于降低開(kāi)啟電壓，降低內(nèi)阻，降低成本的gaas結(jié)旁路二極管。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種太陽(yáng)電池集成式gaas結(jié)二極管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，三結(jié)gaas太陽(yáng)電池與集成二極管在同一晶片上，所述集成式二極管為單結(jié)結(jié)構(gòu)，從上到下依次設(shè)置有上電極金屬層、ge子電池、ge襯底和下電極金屬層。

還包括一種太陽(yáng)電池集成式gaas結(jié)二極管的制造方法，其特征在于：該方法包括以下步驟，

1)通過(guò)第一次光刻腐蝕工藝，將二極管區(qū)域腐蝕至隧穿結(jié)層；

2)通過(guò)第二次光刻腐蝕工藝，將跨越區(qū)腐蝕至襯底層；

3)通過(guò)第三次光刻腐蝕工藝，將隔離區(qū)腐蝕至襯底層；

4)光刻、蒸鍍主體電池電極、二極管上電極和短接金屬電極；

5)蒸鍍下電極；

6)通過(guò)劃片工藝劃成所需要的電池尺寸；

7)電池上表面蒸鍍減反射膜。

進(jìn)一步的，所述光刻腐蝕中的光刻方式的步驟為涂光刻膠1500-2500r/m，85-95℃下烘烤10-20min；再進(jìn)行曝光，時(shí)間為15-25s；顯影采用naoh溶液，溶度為0.8-1.2％，時(shí)間為15-25s；堅(jiān)膜溫度為120-130℃，時(shí)間為20-25min。

進(jìn)一步的，所述第一次光刻腐蝕和所述第二次光刻腐蝕中的腐蝕液包括腐蝕液f1和腐蝕液f2，所述腐蝕液f1為hcl溶液，所述腐蝕液f2為h3po4、h2o2和h2o的混合液，所述第三次光刻腐蝕中的腐蝕液為腐蝕液f3和腐蝕液f4，所述腐蝕液f3為hcl、h2o2和h2o的混合液，所述腐蝕液f4為hf、h2o2和h2o的混合液。

進(jìn)一步的，所述腐蝕液f2中h3po4、h2o2和h2o的體積比為1:2:7，所述腐蝕液f3中hcl、h2o2和h2o的體積比為6:2:1，所述腐蝕液f4中hf、h2o2和h2o的體積比為2:1:7。

進(jìn)一步的，所述第一次光刻腐蝕的腐蝕方式為依次使用所述腐蝕液f2腐蝕18-23s，所述腐蝕液f1腐蝕55-65s；所述第二次光刻腐蝕的腐蝕方式為依次使用所述腐蝕液f2腐蝕8-20s，所述腐蝕液f1腐蝕55-65s，所述腐蝕液f2腐蝕25-35s，所述腐蝕液f1腐蝕55-65s，所述腐蝕液f2腐蝕40-50s；所述第三次光刻腐蝕的腐蝕方式為使用所述腐蝕液f3腐蝕25-30s，所述腐蝕液f4腐蝕30-35s。

進(jìn)一步的，所述光刻上電極的光刻方式的步驟為涂光刻膠800-1300r/m，85-95℃下烘烤10-20min；再進(jìn)行曝光，時(shí)間為25-40s；顯影時(shí)間為45-60s。

進(jìn)一步的，所述蒸鍍上電極為在低真空條件下依次蒸鍍au、ag和au的復(fù)合薄膜，所述復(fù)合薄膜的厚度為4.9-5.1μm。

進(jìn)一步的，所述蒸鍍下電極為在低真空條件下依次蒸鍍au、ge、ag和au的復(fù)合薄膜，所述復(fù)合薄膜的厚度為4.9-5.1μm。

進(jìn)一步的，所述電池上表面制成減反射膜為在高真空條件下依次蒸鍍?nèi)趸伜腿趸X的復(fù)合薄膜，所述三氧化二鈦膜的厚度為40nm-50nm；所述三氧化二鋁膜的厚度為70nm-80nm。

本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：

1.降低開(kāi)啟電壓

旁路二極管的功能之一是正向?qū)ㄐ?，只要?dāng)二極管加上的正向電壓大于開(kāi)啟電壓時(shí)，二極管實(shí)現(xiàn)正向?qū)?。而開(kāi)啟電壓的大小跟本身材料和pn結(jié)內(nèi)電場(chǎng)有關(guān)，過(guò)往的集成式二極管是由ge結(jié)、gaas結(jié)、gainp結(jié)以及多種材料構(gòu)成，開(kāi)啟電壓為2ⅴ～3ⅴ，大大增大了其開(kāi)啟電壓，本發(fā)明的集成式二極管只采用gaas結(jié)單結(jié)結(jié)構(gòu)，其開(kāi)啟電壓只有1.1ⅴ左右，有益于并聯(lián)電池在出現(xiàn)故障之時(shí)，及時(shí)導(dǎo)通旁路二極管，避免出現(xiàn)更大的電池傷害。

2.降低內(nèi)阻

旁路二級(jí)管在導(dǎo)通工作時(shí)，其發(fā)熱量是跟熱阻有很大的關(guān)系，熱阻越小，發(fā)熱量就越小，散熱效果也就越好，相應(yīng)的工作溫度也就越低，即可避免或減小了因過(guò)熱導(dǎo)致的二極管失效的可能性。一般集成式旁路二極管主要由ge結(jié)、gaas結(jié)、gainp結(jié)等多結(jié)構(gòu)成，其熱阻是多種材料內(nèi)阻、結(jié)電阻、各結(jié)之間的面接觸電阻等多個(gè)串聯(lián)阻值之和；本發(fā)明的集成式旁路二極管由gaas結(jié)構(gòu)成，降低了其熱阻值，進(jìn)而大大降低旁路二極管被熱擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。

3.降低成本

本發(fā)明利用了主體電池外延結(jié)構(gòu)，而不是通過(guò)增加外延工藝實(shí)現(xiàn)旁路二極管的構(gòu)造，本發(fā)明取得了降低開(kāi)啟電壓、降低內(nèi)阻的有益效果，減少了外延的費(fèi)用，大大降低了電池的使用成本。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明集成式旁路二極管與其它類剖面結(jié)構(gòu)差異圖

其中，圖1a為一般集成式二極管的剖面圖，圖1b為本發(fā)明集成式單結(jié)式旁路二極管的剖面圖，101-ge襯底，102-ge子電池，103-gaas子電池，104-gainp子電池，105-上電極金屬層(au/ag/au)，106-下電極金屬層(au/ge/ag/au)

圖2是本發(fā)明集成式旁路二極管太陽(yáng)電池剖面結(jié)構(gòu)示意圖

其中，a-太陽(yáng)電池，b-隔離槽，c-二極管，201-ge襯底(p)，202-ge外延層(n+)，203-第一隧道二極管，204-gaas子電池，205-第二隧道二極管，206-gainp子電池，207-gaas帽子層，208-上電極金屬層(auagau)，209-減反射膜，210-下電極金屬層(augeagau)

圖3是本發(fā)明集成式旁路二極管太陽(yáng)電池正面俯視圖

其中，301-上電極金屬au/ag/au，3-a–隔離槽外邊緣，

3-b–金屬跨越條外邊緣，3-c–隔離槽內(nèi)邊緣，3-d–金屬跨越條內(nèi)邊緣，3-e–二極管上電極金屬區(qū)外邊緣

圖4是本發(fā)明集成式gaas結(jié)旁路二極管太陽(yáng)電池制造流程

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例做詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明對(duì)這種具有單結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的集成式旁路二極管進(jìn)行制作工藝說(shuō)明。圖4是依據(jù)集成式單結(jié)旁路二極管太陽(yáng)電池制造流程順序并結(jié)合圖1、圖2與圖3進(jìn)行工藝詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明只針對(duì)集成式單結(jié)旁路二極管，與主體太陽(yáng)電池有關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電極工藝、減反射膜工藝、劃片等工藝和一般工藝類似。

如圖1a所示，一種太陽(yáng)電池集成式gaas結(jié)二極管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，集成式二極管為單結(jié)結(jié)構(gòu)，從上到下依次設(shè)置有上電極金屬層、ge子電池、ge襯底和下電極金屬層，如圖1b所示，普通集成式二極管的結(jié)構(gòu)為多結(jié)結(jié)構(gòu)，從上到下依次為上電極金屬層、gainp子電池、gaas子電池、ge子電池、電池主體和下電極金屬層。

如圖4所示，一種太陽(yáng)電池集成式gaas結(jié)二極管的制造方法，該方法包括以下步驟，

1)依據(jù)三結(jié)外延結(jié)構(gòu)依次生長(zhǎng)ge子電池102、gaas子電池103、gainp子電池104；

2)經(jīng)過(guò)第一次光刻腐蝕去除隔離環(huán)c區(qū)域以及二極管pn結(jié)區(qū)域上的gainp結(jié)子電池206、gaas帽子層207的外延層，腐蝕至隧穿結(jié)205；

3)經(jīng)過(guò)第二次光刻腐蝕去除二極管邊緣c-e區(qū)域內(nèi)的外延層，腐蝕至隧穿結(jié)203；

4)經(jīng)過(guò)第三次光刻腐蝕依次去除隔離環(huán)c區(qū)域的gaas帽子層207、gainp子電池206、第二隧道二極管205、gaas子電池204、第一隧道二極管203、ge結(jié)子電池，腐蝕至ge襯底201；

5)光刻蒸鍍主體電池上電極208、二極管上電極206以及短接金屬電極b-d區(qū)域；

6)蒸鍍下電極208；

7)通過(guò)劃片工藝，將圓片劃成所需要的電池尺寸；

8)電池上表面制成減反射膜209；

如圖1所示，依據(jù)三結(jié)外延結(jié)構(gòu)依次生長(zhǎng)ge子電池102、gaas子電池103、gainp子電池104。利用了主體電池外延結(jié)構(gòu)，而不是通過(guò)增加外延工藝實(shí)現(xiàn)旁路二極管的構(gòu)造，通過(guò)將多結(jié)結(jié)構(gòu)變?yōu)閱谓Y(jié)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)啟電壓降低、內(nèi)阻降低的有益效果，減少了外延的費(fèi)用，大大降低了電池的使用成本。

如圖2所示，通過(guò)第一次光刻圖形，濕法腐蝕去除隔離環(huán)c區(qū)域以及二極管pn結(jié)區(qū)域上的gainp結(jié)子電池206、gaas帽子層207的外延層，腐蝕至隧穿結(jié)205，此步驟即可完成集成式旁路二極管保留單結(jié)結(jié)構(gòu)的目的。第一次光刻腐蝕工藝，應(yīng)準(zhǔn)備帶有二極管c區(qū)域圖形的光刻版，腐蝕液f1和腐蝕液f2，腐蝕液f1為hcl溶液，腐蝕液f2為h3po4、h2o2和h2o的混合液，它們的體積比為1:2:7。第一次光刻方式的步驟為涂光刻膠1500-2500r/m，85-95℃下烘烤10-20min；再進(jìn)行曝光，時(shí)間為15-25s；顯影采用naoh溶液，溶度為0.8-1.2％，時(shí)間為15-25s。堅(jiān)膜溫度為120-130℃，時(shí)間為20-25min。第一次光刻腐蝕的腐蝕方式為依次使用腐蝕液f2腐蝕18-23s，腐蝕液f1腐蝕55-65s；最后去膠處理。

通過(guò)第二次光刻圖形，濕法腐蝕去除二極管邊緣c-e區(qū)域內(nèi)的外延層，腐蝕至隧穿結(jié)203位置。第二次光刻腐蝕工藝，應(yīng)準(zhǔn)備帶有二極管邊緣c-e區(qū)域圖形的光刻版，腐蝕液f1和腐蝕液f2，腐蝕液f1為hcl溶液，腐蝕液f2為h3po4、h2o2和h2o的混合液，它們的體積比為1:2:7。第二次光刻方式的步驟為涂光刻膠1500-2500r/m，85-95℃下烘烤10-20min；再進(jìn)行曝光，時(shí)間為15-25s；顯影采用naoh溶液，溶度為0.8-1.2％，時(shí)間為15-60s。堅(jiān)膜溫度為110-120℃，時(shí)間為8-12min。第二次光刻腐蝕的腐蝕方式為依次使用腐蝕液f2腐蝕18-23s，腐蝕液f1腐蝕55-65s，腐蝕液f2腐蝕25-35s，腐蝕液f1腐蝕55-65s，腐蝕液f2腐蝕40-50s。最后去膠處理。

通過(guò)第三次光刻圖形，采用濕法腐蝕依次去除隔離環(huán)c區(qū)域的gaas帽子層207、gainp子電池206、第二隧道二極管205、gaas子電池204、第一隧道二極管203、ge結(jié)子電池，腐蝕至ge襯底201，此步驟即可完成集成式旁路二極管與主體電池分離的任務(wù)。第三次光刻腐蝕工藝，應(yīng)準(zhǔn)備帶有隔離環(huán)b區(qū)域圖形的光刻版，腐蝕液f3和腐蝕液f4，腐蝕液f3為hcl、h2o2和h2o的混合液，它們的體積比為6:2:1，腐蝕液f4為hf、h2o2和h2o的的混合液，它們的體積比為2:1:7。第三次光刻方式的步驟為涂光刻膠1500-2500r/m，85-95℃下烘烤10-20min；再進(jìn)行曝光，時(shí)間為15-25s；顯影采用naoh溶液，溶度為0.8-1.2％，時(shí)間為15-60s。堅(jiān)膜溫度為120-130℃，時(shí)間為20-25min。第三次光刻腐蝕的腐蝕方式為依次使用使用腐蝕液f3腐蝕25-30s，腐蝕液f4腐蝕30-35s。最后去膠處理。

通過(guò)光刻，為下一步蒸鍍電極做圖形準(zhǔn)備。

準(zhǔn)備帶有主體上電極圖形、集成二極管上電極301圖形的光刻版：涂光刻膠800-1300r/m，85-95℃下烘烤10-20min；再進(jìn)行曝光，時(shí)間為25-40s；顯影時(shí)間為45-60s。

蒸鍍上電極為在低真空條件下依次蒸鍍au、ag和au的復(fù)合薄膜，復(fù)合薄膜的厚度為4.9-5.1μm。

蒸鍍下電極為在低真空條件下依次蒸鍍au、ge、ag和au的復(fù)合薄膜，復(fù)合薄膜的厚度為4.9-5.1μm。

如圖3所示，采用劃片機(jī)，依據(jù)電池的尺寸設(shè)置好程序，從操作屏幕上校準(zhǔn)所劃電池的定位位置，校準(zhǔn)完畢后，按start鍵，劃片機(jī)自動(dòng)進(jìn)行劃片。通過(guò)劃片工藝，將圓片劃成所需要的電池尺寸。

電池上表面制成減反射膜為在高真空條件下依次蒸鍍?nèi)趸伜腿趸X的復(fù)合薄膜，三氧化二鈦膜的厚度為40nm-50nm；三氧化二鋁膜的厚度為70nm-80nm。

本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：

1.降低開(kāi)啟電壓

旁路二極管的功能之一是正向?qū)ㄐ?，只要?dāng)二極管加上的正向電壓大于開(kāi)啟電壓時(shí)，二極管實(shí)現(xiàn)正向?qū)?。而開(kāi)啟電壓的大小跟本身材料和pn結(jié)內(nèi)電場(chǎng)有關(guān)，過(guò)往的集成式二極管是由ge結(jié)、gaas結(jié)、gainp結(jié)以及多種材料構(gòu)成，開(kāi)啟電壓為2ⅴ～3ⅴ，大大增大了其開(kāi)啟電壓，本發(fā)明的集成式二極管只采用gaas結(jié)單結(jié)結(jié)構(gòu)，其開(kāi)啟電壓只有1.1ⅴ左右，有益于并聯(lián)電池在出現(xiàn)故障之時(shí)，及時(shí)導(dǎo)通旁路二極管，避免出現(xiàn)更大的電池傷害。

2.降低內(nèi)阻

旁路二級(jí)管在導(dǎo)通工作時(shí)，其發(fā)熱量是跟熱阻有很大的關(guān)系，熱阻越小，發(fā)熱量就越小，散熱效果也就越好，相應(yīng)的工作溫度也就越低，即可避免或減小了因過(guò)熱導(dǎo)致的二極管失效的可能性。一般集成式旁路二極管主要由ge結(jié)、gaas結(jié)、gainp結(jié)等多結(jié)構(gòu)成，其熱阻是多種材料內(nèi)阻、結(jié)電阻、各結(jié)之間的面接觸電阻等多個(gè)串聯(lián)阻值之和；本發(fā)明的集成式旁路二極管由gaas結(jié)構(gòu)成，降低了其熱阻值，進(jìn)而大大降低旁路二極管被熱擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。

3.降低成本

本發(fā)明利用了主體電池外延結(jié)構(gòu)，而不是通過(guò)增加外延工藝實(shí)現(xiàn)旁路二極管的構(gòu)造，本發(fā)明取得了降低開(kāi)啟電壓、降低內(nèi)阻的有益效果，減少了外延的費(fèi)用，大大降低了電池的使用成本。

以上對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，但所述內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，不能被認(rèn)為用于限定本發(fā)明的實(shí)施范圍。凡依本發(fā)明申請(qǐng)范圍所作的均等變化與改進(jìn)等，均應(yīng)仍歸屬于本發(fā)明的專利涵蓋范圍之內(nèi)。