[发明专利]一种图形化的太阳能电池用Ge衬底湿法化学制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池用Ge衬底的制备技术，尤其是在MOCVD工艺生产中用的多节高效太阳能电池，属于半导体材料技术领域。

背景技术

Ge单晶衬底作为一种基础半导体材料，在采用MOCVD生长多结GaInP/GaAs/Ge太阳能电池中有广泛应用。当前这种结构电池正在逐渐成为卫星、飞船等航天器太阳能帆板的主流。同时在民用聚光光伏等领域也有重要作用，500倍下的转换效率可实现40%。

MOCVD生长异质材料时，晶格常数应比较接近，现在在优先考虑晶格匹配情况下的三结叠层太阳能电池GaInP/GaAs/Ge，但无论在空间还是地面应用，Ge底电池的电流密度约为其余两节的2倍，而多节电池的工作电流由各子电池中短路电流最小的电池决定，因此，Ge底电池的利用率较低。解决这一问题的方法有多种，其中之一就是在将中电池的带隙调整至太阳光谱一致，即中电池带隙在1.1～1.2Ev，顶电池带隙在1.6～1.7Ev。

在MOCVD中生长带隙在1.1～1.2的中电池材料InGaAs与Ge衬底的晶格常数差异太大。目前采用应变补偿方式不仅生长效率低，应力得不到释放，位错密度高，得不到高质量的InGaAs材料，同时还会将位错继续传透给后续材料。因此，一般采用倒装工艺生长大失配InGaAs材料。但倒装工艺复杂，而且最后要将衬底剥离，存在较大的浪费。

发明内容

针对现有技术上的缺陷，本发明提供了一种图形化的Ge衬底的制作方法，目的是用于MOCVD中生长大失配材料，比如InGaAs等。

本发明包括以下顺序步骤：

1）采用MOCVD在EPI-ready Ge衬底上生长一层GaInP；

2）对待光刻的衬底进行涂胶、匀胶和前烘处理；

3）将掩模版与衬底对准安装；

4）投影曝光；

5）将曝光后的衬底进行显影，坚膜处理；

6）将坚膜处理后的衬底置于第一腐蚀液中腐蚀处理30～60秒，然后在第二腐蚀液中腐蚀处理30～60秒；

7）将腐蚀后的衬底去胶；

8）将衬底的GaInP层以第一腐蚀液腐蚀去除，然后采用去离子水中冲洗120～180秒，离心甩干；

9）将衬底在90～100℃的浓硫酸中浸泡后，再以40～60℃的稀硫酸浸泡，然后在第三腐蚀液中常温兆声清洗，最后在去离子水中兆声清洗；

10）采用通氮气离心甩干方式干燥衬底，N₂密封。

本发明采用简单的化学工艺来制备图形化衬底，不需要复杂的机械设备，操作简单，成本低。本发明采用了以上图案、腐蚀工艺和清洗工艺，形成新型锗衬底，epi-ready表面有图案，在生长大失配的外延材料时，应力能更好地释放，外延层能得到更高的材料质量。

本发明所述第一腐蚀液由体积比为1：2：5~8的HCl、H₃PO₄和H₂O组成。HCl能首先腐蚀掉GaInP层，但是不腐蚀锗，而H₃PO₄能取到缓冲剂的作用，使腐蚀过程均匀稳定，重复性好。

本发明所述第二腐蚀液由体积比为1：1：5~10的NH₃·H₂O、H₂O₂和H₂O组成。该腐蚀液能够对锗进行腐蚀，得到我们所需要的图形，而且图案的形状整齐。

本发明所述第三腐蚀液由体积比为1：2：5~10的NH₃·H₂O₂和H₂O组成。该腐蚀液的作用是轻微腐蚀掉衬底表面的薄层，去除金属离子等杂质，使衬底表面达到Epi-ready的标准。

另外，步骤1）生产的GaInP厚度为100～200nm。生长一层GaInP的作用是保护锗衬底的表面，使其不被有机光刻胶沾污，为后续的外延生长提供方便。过薄取不到保护作用，太厚又比较浪费，100～200nm比较适中。

步骤2）中，所述待光刻的衬底特征为机械化学GaInP表面，掺杂剂为Ga，电阻率为0.001～0.01Ω·cm。电阻率为0.001～0.01Ω·cm的衬底基础上做出来的器件参数优良，所以选用在这个范围内的衬底。

所述步骤3）中的掩模版为棱形，掩模版与衬底对准对准时，棱形短对角线方向和衬底GaInP的方向重合，棱形对角线的长度为1～2μm。光刻图形的形状和大小等特征，对后续的外延生长影响非常大，