通過濕法蝕刻分離III-V多結(jié)太陽能電池

摘要

III-V多結(jié)太陽能電池的微制造周期包括幾個技術(shù)步驟，最后以一個晶圓切割步驟來分離單個電池。這一步引入了作為電荷捕獲中心的連接的側(cè)面的損傷，可能導(dǎo)致性能和可靠性問題，隨著當(dāng)今細胞大小縮小的趨勢，這些問題變得更加重要。在本文中，我們提出了一種濕式微溝蝕刻工藝，允許單個太陽能電池的電隔離而不損害側(cè)壁。用溴-甲醇蝕刻，通常用于III-V化合物的非選擇性蝕刻的溶液，會在半導(dǎo)體表面形成不必要的蝕孔。我們研究了空穴形成的起源，并討論了克服這種效應(yīng)的方法。我們提出了一個實現(xiàn)隔離步驟的太陽能電池制造過程的流程。這種改進的制造工藝為提高模具強度、產(chǎn)率和可靠性開辟了道路。

介紹

對于CPV制造商來說，有效地分割太陽能電池而不損失性能和產(chǎn)量是一個重要的問題。 標準的切割技術(shù)會在邊緣產(chǎn)生缺陷，如不受控制的破碎、碎片、應(yīng)力引起的裂紋、碎片和熱引起的損傷。這種對活性層的損傷可能會導(dǎo)致短路或增加周長重組。應(yīng)力引起的損傷削弱了模具的機械強度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)完整性失效。在切割過程中避免損壞的另一種方法是將濕蝕刻溝槽進入III-V層，以確定MJSC的周長。然而，由于構(gòu)建多結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)的不同III-V層的不同蝕刻選擇性增加了這一過程的復(fù)雜性，因此MJSC的一步濕蝕刻尚未見報道。

本文介紹了一種基于溴的濕式蝕刻分離技術(shù)。首先，我們發(fā)現(xiàn)溴-甲醇溶液會導(dǎo)致介電掩模下的IIIV結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)不必要的孔，并延伸到pn連接，從而降低了太陽能電池的性能。在第二步中，我們提出了一個對空穴的起源的研究，并提出了一種方法來克服這個問題。后者是通過優(yōu)化介電掩模和增加蝕刻劑的粘度來實現(xiàn)的。最后，我們演示了如何將這個隔離過程集成到MJSC制造和模具分離過程中。

MJSC隔離工藝的開發(fā)

ⅲ-ⅴ族層溴-甲醇腐蝕過程中小孔的形成：圖3中的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像顯示，溶液蝕刻了MJSC的整個III-V結(jié)構(gòu)平均速率為1um/分鐘。觀察到具有多個斜率的剖面，表明這種非選擇性各向同性蝕刻在不同層上存在一些殘留的晶體取向依賴性。通過光學(xué)顯微鏡和橫截面掃描電鏡的進一步研究，發(fā)現(xiàn)III-V層中隨機分布的小孔，位于介電掩模下面。

基質(zhì)對孔隙形成的影響：在實驗的進一步一部分中，一系列砷化鎵、InP和III-V/Ge三結(jié)結(jié)構(gòu)樣品被涂上100納米厚的二氧化硅掩模，然后暴露于溴-羥甲基（1：100），以完成圖案III-V/Ge太陽能電池結(jié)構(gòu)上的臺面蝕刻。通過光學(xué)顯微鏡確定，在二氧化硅掩模或砷化鎵或InP晶片中均未發(fā)現(xiàn)孔。用橢圓偏距法測量的二氧化硅層厚度保持不變。然而，在太陽能電池結(jié)構(gòu)的III-V層中可以看到空洞。因此，很可能太陽能電池晶片III-V層上的孔隙是由于蝕刻通過孔隙或二氧化硅層上的微小孔紋在顯微鏡下看不到的。

二氧化硅掩膜層厚度對孔隙形成的影響。? 略

介質(zhì)掩模中的應(yīng)力對孔形成的影響。? 略

通過利用應(yīng)力補償介質(zhì)掩模使通掩模擴散最小化:根據(jù)以上結(jié)果，在溴-甲醇蝕刻過程中減少III-V層孔的關(guān)鍵是避免介質(zhì)掩模中的強壓縮應(yīng)力。這可以通過在正面掩模沉積之前在晶片的背面沉積壓縮應(yīng)力層來實現(xiàn)。即使本質(zhì)上是壓縮應(yīng)力，晶片彎曲應(yīng)力也會減少前罩中的殘余應(yīng)力。 然而，由于背面沉積發(fā)生在正面蝕刻掩模沉積之前，后者由于與PECVD反應(yīng)器中的樣品架接觸，可能會被不必要的顆粒污染。顆粒的存在可能導(dǎo)致不受掩膜保護的區(qū)域，導(dǎo)致III-V層的蝕刻劑滲透。

通過增加蝕刻溶液的粘度來抑制通過掩模擴散??? 略

模具成型成型及包裝的隔離工藝

薄而脆的晶片如生長在鍺襯底上的ⅲ-ⅴ族太陽能電池的分割仍然是一個挑戰(zhàn)。常用的劃線和斷裂技術(shù)包括兩個步驟。創(chuàng)建劃線以建立應(yīng)力集中系數(shù)，用于在隨后的斷裂步驟中引發(fā)裂紋。典型的劃片方法利用金剛石劃片、金剛石鋸片鋸切或激光劃片。這些技術(shù)可能對太陽能電池的芯片產(chǎn)量和性能有負面影響，

由于熱或機械應(yīng)力集中引入模具。所提出的濕式蝕刻隔離技術(shù)具有許多優(yōu)點。當(dāng)包括在制造過程中，濕蝕刻最大限度地減少微裂紋和裂縫，留下光滑的側(cè)壁，用硬電介質(zhì)涂層鈍化。這提供了額外的保護由于環(huán)境條件，以及在模具連接步驟中與焊料連接的意外短路。與典型的刻痕技術(shù)相反，所提出的化學(xué)隔離不引入局部應(yīng)力（既不是機械的，也不是熱的），因此增加了模具的機械強度。在此過程中不對表面造成損害，不產(chǎn)生碎片，不排放III-V化合物的V基元素等有害物質(zhì)，因此不需要特殊的切割后處理。這一過程也顯示了“通過襯底細化切割”的潛力，從而消除鋸切割的必要性。最后，如果由于補充光刻、PECVD沉積和蝕刻而增加的加工成本被更高的產(chǎn)量和潛在的更高的性能和可靠性來補償，那么作為非并行處理的隔離可能會對太陽能電池晶片的制造產(chǎn)生積極的經(jīng)濟影響。

結(jié)論

本文報道了用溴溶液進行IIIV/Ge晶圓的單步濕蝕刻分離工藝。MJSC將分離步驟納入其微制備過程。結(jié)果表明，用標準品進行蝕刻，由于溴-甲醇溶液通過介電掩模的擴散，溴-甲醇溶液會在III-V層中形成空穴。我們已經(jīng)證明了這種擴散與IIIV/Ge結(jié)構(gòu)中高壓縮應(yīng)力在等離子體沉積過程中介質(zhì)掩模引起的缺陷有關(guān)。這些缺陷在濕蝕刻過程中作為溴的擴散路徑，可以通過應(yīng)力補償薄膜作為蝕刻掩模和高粘度溴-異丙醇溶液來抑制。所演示的隔離技術(shù)為提高單個太陽能電池的性能和可靠性開辟了道路，因為它能夠產(chǎn)生無損傷、光滑的側(cè)壁，以及用介電PECVD薄膜鈍化的可能性。工作正在進行中，以量化對太陽能電池性能的提高，用這個過程制造。

審核編輯：符乾江