一种基于表面修饰与活化的低温半导体直接键合方法技术

本发明专利技术属于太阳电池技术领域，涉及一种基于表面修饰与活化的低温半导体直接键合方法。包括如下步骤：S1、采用化学机械抛光工艺对不同衬底上生长的III

【技术实现步骤摘要】
一种基于表面修饰与活化的低温半导体直接键合方法


[0001]本专利技术属于太阳电池
，涉及一种基于表面修饰与活化的低温半导体直接键 合方法。

技术介绍

[0002]近10年来，4结III
‑
V族太阳电池因晶格失配外延生长的技术瓶颈，其电池效率、 成品率提升低于预期，而且制造成本很高。同时，我国航天技术不断取得突破性进展， 空间站建设、深空探测、月球基地等重大航天工程对更高效率的多结太阳电池提出了明 确需求。美国光谱实验室报道采用半导体直接键合技术研制出了5结III
‑
V族太阳电池， 其光电转换效率达到36％(AM0)，是目前多结III
‑
V族太阳电池光电转换效率的世界记 录；2019年，德国劳恩霍夫实验室采用InP复合衬底结合半导体直接键合技术制备的4 结III
‑
V族太阳电池光电转换效率达到35％(AM0)，是相应4结电池光电转换效率的世 界纪录。可见，半导体直接键合技术已成为是高效多结太阳电池研发的主流技术之一。 同时，基于InP晶体材料的多结高压激光电池，激光器需要与Si或GaAs基底材料或器 件集成，也需要半导体直接键合技术去实现。
[0003]然而，不同于材料之间的半导体直接键合，有源层或器件之间的半导体直接键合必 须考虑键合界面的电导性，甚至是透光性。先前专利CN104916715A提出了采用半导体 直接键合技术制备5结量子点太阳电池的方法，采用化学机械抛光对键合表面进行处理 以获得足够小的粗糙度，而并没有对外延层表面的化学成分和化学活性进行控制和优化。 这样虽然获得了结构完好的键合界面，但界面导电性较差，影响太阳电池性能。专利 CN102779902A提出了Ge和Si晶体之间直接键合方法，专利CN109830566A提出了InP 基外延层和砷化镓基外延层通过半导体直接键合制备5结太阳电池的方法，厦门大学谢 生等提出了InP和GaAs晶体表面活化与低温键合的方法，首先采用化学机械抛光工艺对 表面进行全局平坦化，然后进行采用等离子体轰击外延表面实现化学性质活化。然而， 等离子直接轰击会在外延等有源层和器件中引入缺陷造成其性能降低。国外文献报道通 过特殊的等离子活化工艺和设备获得了界面导电性良好的多结太阳电池，但其采用活化 和键合一体化设备价值1000万人民币，相关技术对我国保密。昂贵的设备和工艺成本造 成这种技术路线制备多结太阳电池很难实现商业化。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的问题，本专利技术而提供了一种基于表面修饰与活化的低温半导体 直接键合方法。本专利技术通过优化化学机械抛光工艺，在不超过20s的时间内实现精细化 抛光。并通过特定浓度的酸碱溶液和清洗条件对不同材料的外延表面进行腐蚀修饰，去 除抛光过程中的残留杂质和氧化物，提升表面化学活性。之后在真空条件下通入一定浓 度比例的甲酸/氮气混合气体对外延层表面进行处理，充分去除残留杂质、氧化物等，进 一步提升表面化学活性。这样在低温下实现了半导体直接键合，并获得结构和导电性良 好的键合
界面；此外工艺简单，不涉及昂贵复杂的工艺设备，具有实现商业化生产的技 术前景。
[0005]本专利技术为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
[0006]一种基于表面修饰与活化的低温半导体直接键合方法，包括如下步骤：S1、采用化 学机械抛光工艺对不同衬底上生长的III
‑
V族外延层表面进行全局平坦化抛光处理；S2、 在兆声条件下采用浓度1％
‑
5％酸性或碱性溶液对外延层表面进行化学清洗；S3、外延片 清洁甩干后进入键合机；在真空和加热条件下采用甲酸/氮气混合气体对键合层表面进行 化学性质活化处理；S4、最后进行半导体直接键合和退火加固。
[0007]进一步，S1中所述III
‑
V族外延层包括InP衬底上生长的带隙在0.65eV
‑
1.3eV范围 内的III
‑
V族外延层；GaAs衬底上生长的带隙在1.4eV
‑
2.2eV范围内III
‑
V族外延层；Ge 衬底上生长的带隙在0.7eV
‑
1.4eV范围内的III
‑
V族外延层；上述所有外延层表面以n型 GaAs和InP薄膜作为键合层；所述键合层的掺杂浓度为4
ⅹ
10
18
cm
‑3‑5ⅹ
10
18
cm
‑3，厚度 约为200nm
‑
500nm。
[0008]进一步，S1中的抛光处理工艺采用PH为6.5的酸性抛光液，流液速率15
‑
20ml/s， 抛光转速30
‑
50rmp/min，抛光压力10
‑
20kg，抛光时间10s
‑
20s。
[0009]进一步，抛光后的外延层表面粗超度低于
[0010]进一步，S2中化学清洗是在360KHz兆声条件下，采用浓度1％
‑
3％的氢氧化钾溶液 腐蚀修饰表面为n型GaAs的外延层；采用浓度为1％
‑
5％的氢氟酸溶液腐蚀修饰表面为 n型InP的外延层；去除抛光过程中的残留杂质和氧化物。
[0011]进一步，S3中，将清洁甩干的外延片固定在键合专用夹具上放入键合机；当键合腔 内的真空达到1
ⅹ
10
‑3Pa以后，以10℃/min
‑
15℃/min速率升高衬底温度，同时通入一定 浓度比例的甲酸/氮气混合气体，甲酸比例为1％
‑
30％，流量范围为50
‑
100sccm。当衬底 升温至300℃
‑
400℃后恒定10min
‑
40min，同时保持通入的甲酸/氮气混合气体流量。
[0012]更进一步，完成活化工艺后，停止通入混合气体，并将衬底温度自然降至90℃后， 施加约300mbar
‑
1000mbar的压力，约5
‑
20min，实现两种不同衬底外延层的半导体直接 键合；将键合后的样品在200℃
‑
300℃恒温真空条件下进行键合固化处理15
‑
30min。
[0013]本专利技术具有的优点和积极效果：
[0014]1.与现有技术相比，本专利技术通过兆声辅助，配合特定酸性或碱性溶液对不同材料的 键合表面进行清洗和腐蚀修饰，再采用低浓度比例的甲酸/氮气混合气体对键合表面进行 活化处理。与没有经历活化工艺的技术方案项目，本项专利技术技术有效去除了键合界面杂 质和氧化物，界面结晶质量良好，界面电阻率显著降低。相比于等离子活化技术，在取 得相近键合效果的基础上，本专利技术的设备结构和工艺流程简单，成本显著降低，适合工 业化生产。
[0015]2.本专利技术利用较低温度和较短工艺时间完成了半导体直接键合，即在低于100本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于表面修饰与活化的低温半导体直接键合方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、采用化学机械抛光工艺对不同衬底上生长的III
‑
V族外延层表面进行全局平坦化抛光处理；S2、在兆声条件下采用浓度1％
‑
5％酸性或碱性溶液对外延层表面进行化学清洗；S3、外延片清洁甩干后进入键合机；在真空和加热条件下采用甲酸/氮气混合气体对键合层表面进行化学性质活化处理；S4、最后进行半导体直接键合和退火加固。2.根据权利要求1所述的基于表面修饰与活化的低温半导体直接键合方法，其特征在于：S1中所述III
‑
V族外延层包括InP衬底上生长的带隙在0.65eV
‑
1.3eV范围内的III
‑
V族外延层；GaAs衬底上生长的带隙在1.4eV
‑
2.2eV范围内III
‑
V族外延层；Ge衬底上生长的带隙在0.7eV
‑
1.4eV范围内的III
‑
V族外延层；上述所有外延层表面以n型GaAs和InP薄膜作为键合层；所述键合层的掺杂浓度为4
ⅹ
10
18
cm
‑3～5
ⅹ
10
18
cm
‑3，厚度约为200nm
‑
500nm。3.根据权利要求1所述的基于表面修饰与活化的低温半导体直接键合方法，其特征在于：S1中的抛光处理工艺采用PH为6.5的酸性抛光液，流液速率15
‑
20ml/s，抛光转速30
‑
50rmp/min，抛光压力10
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：王赫，刘兴江，张无迪，高鹏，姜明序，王宇，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十八研究所，
类型：发明
国别省市：