半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]新一代光電子器件的目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)光電子的集成化與小型化，但晶格失配的異質(zhì)半導(dǎo)體材料的兼容問(wèn)題卻成為光電子集成道路上面臨的最主要障礙之一。利用鍵合技術(shù)將異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體材料鍵合在一起，從而制備各種激光器、探測(cè)器、太陽(yáng)電池等半導(dǎo)體器件的技術(shù)越來(lái)越受到廣泛關(guān)注。晶片鍵合技術(shù)是指將兩個(gè)平整的晶片，通過(guò)表面清潔和表面處理后，經(jīng)過(guò)晶向?qū)?zhǔn)、鍵合、熱處理，最終使兩個(gè)晶片的鍵合界面以化學(xué)鍵結(jié)合在一起的技術(shù)。該技術(shù)組合新結(jié)構(gòu)材料時(shí)具有極大的自由度和靈活性，因此對(duì)光電子器件的性能改善和新型半導(dǎo)體器件的發(fā)展新型半導(dǎo)體器件的發(fā)展有著非同尋常的意義。
[0003]回顧光伏技術(shù)在最近10年的發(fā)展，在效率提高方面，多結(jié)級(jí)聯(lián)式的太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)是最引人矚目的。但在實(shí)踐上，很難找到在帶隙寬度上如此理想搭配，晶格常數(shù)又非常匹配的兩種材料來(lái)實(shí)現(xiàn)整體級(jí)聯(lián)電池。鍵合技術(shù)相對(duì)于外延生長(zhǎng)和機(jī)械疊層有著極大的優(yōu)越性:操作方法簡(jiǎn)單；位錯(cuò)僅局域于界面，適用于晶格失配和晶向失配的情況；可最大限度地實(shí)現(xiàn)與太陽(yáng)光譜的匹配。因此人們開(kāi)始探索鍵合技術(shù)在多結(jié)太陽(yáng)電池集成中的應(yīng)用。國(guó)際上，德國(guó)Fraunhofer研究所，美國(guó)加州理工大學(xué)，美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室，美國(guó)波音-光譜實(shí)驗(yàn)室及安科公司越來(lái)越關(guān)注鍵合太陽(yáng)電池的分析研究。最近，美國(guó)波音-光譜實(shí)驗(yàn)室報(bào)道的將GaAs基與InP基電池進(jìn)行直接鍵合得到帶隙組合為2.2/1.7/1.4/1.05/0.73eV的五結(jié)半導(dǎo)體電池(P.T.Chiu, D.C.Law, R.L.Woo, etal, IEEE JOURNAL OF PH0T0V0LTAICS, VOL.4，N0.1, JANUARY2014)。
[0004]對(duì)于半導(dǎo)體材料之間的鍵合，其鍵合界面處的半導(dǎo)體材料摻雜濃度和表面粗糙度、清潔度都有極其嚴(yán)格的要求，否則鍵合質(zhì)量不高。因此鍵合多結(jié)太陽(yáng)電池中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)由于鍵合強(qiáng)度低、鍵合界面產(chǎn)生光和電損耗，從而降低太陽(yáng)電池效率的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)上述提到的現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制備方法，所獲得的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中鍵合界面具有鍵合強(qiáng)度高、光學(xué)損耗低的優(yōu)點(diǎn)。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案:
[0007]—種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括相鍵合的第一半導(dǎo)體晶片和第二半導(dǎo)體晶片，其中，所述第一半導(dǎo)體晶片和第二半導(dǎo)體晶片之間設(shè)有結(jié)構(gòu)層，所述結(jié)構(gòu)層上分布有多個(gè)納米孔。
[0008]優(yōu)選地，所述第一半導(dǎo)體晶片上設(shè)置有第一鍵合層，所述第二半導(dǎo)體晶片上設(shè)置有第二鍵合層，其中，所述結(jié)構(gòu)層位于所述第一鍵合層和第二鍵合層之間，所述結(jié)構(gòu)層為納米孔陣列結(jié)構(gòu)層，所述第一鍵合層和第二鍵合層通過(guò)所述納米孔陣列結(jié)構(gòu)層鍵合。
[0009]優(yōu)選地,所述納米孔陣列結(jié)構(gòu)層的材料為Ag、Au或Cu。
[0010]優(yōu)選地，所述納米孔陣列結(jié)構(gòu)層的厚度為10?30nm ;所述納米孔陣列結(jié)構(gòu)層中的納米孔孔徑為200?300nm，孔間距為300?450nm。
[0011]優(yōu)選地，所述第一半導(dǎo)體晶片和第二半導(dǎo)體晶片為半導(dǎo)體光電器件。
[0012]優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體光電器件為單結(jié)太陽(yáng)電池晶片，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)為多結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池。
[0013]優(yōu)選地，所述單結(jié)太陽(yáng)電池晶片為II1- V族太陽(yáng)電池晶片。
[0014]優(yōu)選地，所述第一半導(dǎo)體晶片為GaAs太陽(yáng)電池晶片，所述第二半導(dǎo)體晶片為InGaAs太陽(yáng)電池晶片，其中:
[0015]所述GaAs太陽(yáng)電池晶片包括依次疊層設(shè)置的n+型GaAs蓋層、η型AlInP窗口層、η型GaAs發(fā)射區(qū)、P型GaAs基區(qū)以及ρ型GaInP背場(chǎng)層；其中，所述第一鍵合層為P+型GaAs材料層，位于所述P型GaInP背場(chǎng)層上；
[0016]所述InGaAs太陽(yáng)電池晶片包括依次疊層設(shè)置的P型InP襯底、ρ型InP背場(chǎng)層、P型Ina53GaAs基區(qū)以及η型Ina53GaAs發(fā)射區(qū)；其中，所述第二鍵合層為η+型InP材料層，位于所述η型Ina53GaAs發(fā)射區(qū)上；
[0017]其中，所述ρ+型GaAs材料層和η+型InP材料層摻雜濃度均為1.0X 119以上，厚度范圍是:15?30nm。
[0018]本發(fā)明還提供了一種半導(dǎo)體器件，所述半導(dǎo)體器件包括如前所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體器件為激光器、探測(cè)器或太陽(yáng)能電池。
[0019]本發(fā)明的另一方面是提供了如上所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制備方法，包括步驟:
[0020](I)、提供第一半導(dǎo)體晶片并在第一半導(dǎo)體晶片的鍵合面制備第一鍵合層；
[0021](2)、提供第二半導(dǎo)體晶片并在第二半導(dǎo)體晶片的鍵合面制備第二鍵合層；
[0022](3)、在第一鍵合層和/或第二鍵合層上制備納米孔陣列結(jié)構(gòu)層；
[0023](4)、將第一鍵合層朝向第二鍵合層進(jìn)行鍵合使所述第一半導(dǎo)體晶片和第二半導(dǎo)體晶片之間鍵合結(jié)合形成所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；其中，所述第一鍵合層和第二鍵合層通過(guò)所述納米孔陣列結(jié)構(gòu)層鍵合。
[0024]優(yōu)選地，該方法還包括步驟:
[0025]對(duì)第一鍵合層和第二鍵合層進(jìn)行氫離子束轟擊處理工藝，所述氫離子束轟擊處理工藝是在真空度10_5Pa以下的真空環(huán)境下進(jìn)行，離子束流能量為200?300eV，首先室溫下轟擊20?30分鐘，然后再加熱到100?120°C，轟擊6?8分鐘。
[0026]優(yōu)選地，其中制備納米孔陣列結(jié)構(gòu)層的步驟具體包括:
[0027](al)、在鍵合層上制備膠體球單層；
[0028](bl)、采用刻蝕工藝將所述膠體球的粒徑減小到200?300nm ；
[0029](Cl)、以膠體球單層為掩膜，在鍵合層上制備一厚度為10?30nm的金屬層，所述金屬為Ag、Au或Cu ；
[0030](dl)、去除鍵合層上的膠體球，在鍵合層上獲得由所述金屬層形成的納米孔陣列結(jié)構(gòu)層。
[0031]優(yōu)選地，所述第一鍵合層與第二鍵合層的進(jìn)行鍵合的步驟具體包括:
[0032](a2)、將第一半導(dǎo)體晶片和第二半導(dǎo)體晶片放置于真空室中，真空度為10_4?KT5Pa ；
[0033](b2)、在真空室為室溫的條件下，將第一鍵合層朝向第二鍵合層貼合并施加30?50N/cm2的壓力，保持I?2小時(shí)；
[0034](c2)、將在真空室加熱到150?200°C，向第一鍵合層和第二鍵合層均勻施加100?150N/cm2的壓力，保持I?2小時(shí)。
[0035]優(yōu)選地，該方法還包括對(duì)鍵合后得到的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱處理的步驟，具體包括:首先，將半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)放置于氬氣或氮?dú)獾臍怏w環(huán)境中；然后，加熱至350?400°C并保溫2?3小時(shí)，其中，當(dāng)溫度大于150°C時(shí)，升溫的速率為0.2?0.50C /分鐘；最后，以降溫速率為0.2?0.5°C /分鐘進(jìn)行降溫處理，其中，當(dāng)溫度小于150°C，采用自然降溫的方式降溫至室溫。
[0036]有益效果:
[0037]本發(fā)明通過(guò)在鍵合面中設(shè)置有納米孔陣列結(jié)構(gòu)層，該結(jié)構(gòu)層中的納米孔具有周期性，在周期邊界條件下的金屬表面等離子體極化激元和周期邊界下的干涉衍射效應(yīng)引發(fā)了超強(qiáng)光透射效應(yīng)，從而抑制了界面光