多结太阳电池用键合技术

张无迪，王 赫，刘丽蕊，孙 强，肖志斌

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

多结太阳电池用键合技术

张无迪，王 赫，刘丽蕊，孙 强，肖志斌

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

介绍了使用键合技术制备高效多结太阳电池的方法，即在不同材料衬底依次外延生长晶格匹配子电池，再通过键合技术将二者集成至一起。着重介绍了多种实现子电池集成的键合技术，并分析了其技术特点。

键合；多结太阳电池；晶格匹配

Abstract:Fabrication method of high-efficiency multi-junction solar cells applying wafer bonding technology was introduced.Lattice-matched sub-cells were grown on different material substrate by epitaxy,then the tandem sub-cells were combined through wafer bonding technology.Several different wafers bonding technology for realization of sub-cells combination were emphatically introduced,the characteristics of these technology was analyzed as well.

Key words:wafer bonding;multi-junction solar cells;lattice-matched

晶片键合(Wafer bonding)技术是将不同材料的晶片结合在一起，用以生产半导体新型器件和微型原件的技术。晶片键合技术的应用大大增加了材料集成和器件集成设计的自由度，使许多新技术和新应用得以实现。所以被广泛地应用于光电子器件、微电子电路、传感器、功率器件和微机械加工等领域。

带隙匹配多结太阳电池是提高太阳电池光电转换效率的首选方案。多采用(Al)GaInP、(Al)GaInAs等较为成熟的材料体系，为突破晶格匹配的限制，可采用用新材料或新结构，如稀氮化合物、晶格失配等技术，往往带来材料质量等问题。另一种解决方式是在不同材料衬底依次外延生长晶格匹配子电池，再通过键合技术将二者异质集成到一起。由于是子电池间的键合，键合界面不但要保证一定的机械强度，还要是光学透明和电学导通的。目前有如下几种键合方案来实现多结太阳电池子电池异质集成工艺。

1 金属键合

金属键合是指通过纯金属或合金，在一定的外加温度与压力下，依靠金属键、金属与晶片表面间的扩散、金属熔融等作用使两个晶片键合在一起。金属键合属于介质层键合技术的一种。金属键合分为制备键合金属层和键合两步。键合条件与所选择的键合金属体系有关，表1列出了常见键合金属体系的键合温度。

表1 常见键合金属体系的键合温度

将金属图形沉积在需要键合的子电池表面，子电池表面其它区域覆盖以透明介质，键合时将子电池表面金属图形匹配对准贴合，使用金属键合方式将子电池集成到一起。图形金属键合实现多结太阳电池子电池异质集成，金属图形区域来实现子电池间的电学导通，填充以透明介质的其他区域来实现子电池间的光学透明。因为金属图形的面积大小对导电性和透光性要求互相矛盾，所以金属图形需要精确的设计，以保证键合界面具有恰到好处的电学和光学性质。

2013年，美国国家可再生能源实验室(NREL)设计了一种柱状的金属图形用于键合[1]。键合金属图形为20 μm×20 μm的金属柱，所占键合界面面积小于5%，如图1所示。金属柱的具体结构为Ti/Pt/Au，总厚度1 μm。其他区域填充介质为SiO2或GaInP2。在320℃完成Au-Au键合，成功将GaInP/GaAs两结子电池和GaInAs单结电池集成至一起，该电池开路电压Voc达到 2.7 V[2]。

2013年，加拿大McMaster大学设计了一种栅线金属图形用于键合，成功将GaInP(1.88 eV)/InGaAs(1.41 eV)两结子电池和Si(1.12 eV)单结电池集成至一起。在AM1.5光谱下测得光电转换效率为25.8%[3]。具体键合工艺为，在GaAs两结子电池键合界面上制备结构为Ti/Pt/Au的金属栅线，在Si电池键合界面上制备Ag金属栅线，金属栅线面积均在总面积的5%[4]。键合是两界面按照金属栅线十字交叉方向贴合，其他区域填充介质为环氧树脂，如图2所示。由于键合时金属栅线十字交叉，因此总遮光面积达到键合界面面积的10%，并测得键合界面电阻率大约为0.012 Ω·cm2。

图1 金属柱截面示意图(a)与键合界面IR测试图(b)[2]

图2 金属栅线键合电池结构[3]

2 半导体直接键合

半导体直接键合技术是指将两片镜面抛光的晶片经过表面的清洗和活化处理，室温下晶直接贴合，再通过一定温度和外加压强使界面原子结合的过程。半导体直接键合可以使由于晶格失配所产生的大量缺陷与位错都限制在键合界面几个纳米非晶薄层中，如图3所示[5]，并不会向晶体材料中延伸，因此不会影响键合界面以外的材料性质与性能。

图3 GaAs与InP直接键合截面TEM图[5]

Ⅲ-Ⅴ族多结太阳电池半导体直接键合技术的关键工艺是晶片界面的抛光与活化。

直接键合的第一步是晶片贴合，依靠分子间作用力亦即范德瓦耳斯力紧密粘接在一起。因为范德瓦耳斯力的力程与分子大小在同一量级，因此要求键合的晶片表面必须足够的光滑和平坦，一般要求粗糙度小于1nm。一般匹配结构的外延生长，粗糙度大约在10nm左右，要使键合外延片降到要求的粗糙度，只有使用化学机械抛光(CMP)工艺。子电池的外延层厚度大约为10 μm，对外延面使用CMP抛光以降低粗糙度的同时，还要严格控制磨削厚度，以免破坏子电池外延结构。

不同于Si片的直接键合，可以退火至上千度。Ⅲ-Ⅴ族材料在高温下会分解。此外由于GaAs和InP衬底热膨胀系数的差异，过高的键合和退火温度会引起键合后的翘曲和空洞的形成，而且高温也会导致子电池间重掺杂隧穿结掺杂剂的扩散，从而影响电池性能。因此在保证键合强度的同时，需要尽可能地降低键合退火温度。降低半导体直接键合退火温度的重要方式是活化，其原理在于增加键合界面的表面能，使得在键合界面重新成键时，减少对外界加温提供能量的依赖，进而降低键合退火温度。最有效的活化方式为等离子体表面轰击或快速原子束(FAB)表面轰击，常用的介质气体有O2、Ar、N2等。其活化过程为表面被轰击后生成很多不饱和的断裂化学键，使表面的化学活性大大增加，晶片间更容易完成高强度的预键合。

目前采用半导体直接键合技术制备多结太阳电池的技术路径是分别在GaAs衬底依次反向外延生长各结宽带隙子电池，在InP衬底依次正向外延生长各结窄带隙子电池，再通过半导体直接键合工艺将二者集成至一起，之后将GaAs衬底剥离，最后通过常规的太阳电池器件工艺，制备出多结太阳电池。2014年德国Fraunhofer研究所研制出了直接键合四结太阳电池，在AM1.5光谱297倍聚光下测得最高的光电转换效率为44.7%×1.3%，键合界面的电阻率小于10 mΩ·cm2[6]，2015年美国Spectrolab研制出了直接键合五结太阳电池，在AM0光谱光电转换效率为36.0%[7]。二者电池结构如图4所示。

图4 Fraunhofer直接键合四结太阳电池(a)与Spectrolab直接键合五结太阳电池结构(b)[6－7]

3 金属纳米颗粒阵列键合

日本产业技术综合研究所AIST研制了钯(Pd)的金属纳米颗粒阵列键合来实现多结太阳电池子电池异质集成[8]，它属于介质层键合技术的一种。具体键合工艺如下：将溶有嵌段共聚物PS-b-P2VP的邻二甲苯溶液旋涂至晶片表面，通过调整溶液配比与旋涂条件，得到想要的PS-b-P2VP自主装模板。将晶片浸至Na2PdCl4水溶液，Pd2+离子会根据模板吸附于晶片表面，通过Ar的等离子体处理，去除PS-b-P2VP模板，并将Pd2+离子还原Pd原子，如图5所示。最后将两晶片贴合，在室温和一定压力下键合。Pd纳米颗粒阵列键合可以得到电阻率小于4 Ω·cm2并且光损失小于2%的键合界面。

图5 Pd纳米颗粒阵列图像(a)与键合截面SEM(b)[8]

2016年日本AIST研制出了Pd纳米颗粒阵列键合四结太阳电池，在AM1.5光谱下测得光电转换效率为34.7%[9]，电池结构如图6所示。

图6 日本AISTPd纳米颗粒阵列键合四结太阳电池结构[9]

4 ITO键合

氧化铟锡(ITO)材料具有高透过率、低表面电阻等特性，因此ITO材料是多结太阳电池子电池异质集成的理想键合介质。2012年，Tao Hong等人通过在晶片表面磁控溅射100nm厚的ITO薄膜，成功将InGaAsP材料与Si键合到一起，键合条件为在氮气氛围下，2 MPa，300℃，5min。并确认了键合界面具有较小的电阻和光损失[10]。2014年日本东京大学使用20～25 μm ITO颗粒分散在Cemedine胶中，制备出透明导电胶，用于键合多结太阳电池子电池，如图7所示[11]。实验测得键合界面电阻率小于2 Ω·cm2。并成功将InGaP/GaAs双结子电池键合至Ge结电池上，在AM1.5光谱下测得光电转换效率为16.0%。

图7 东京大学ITO颗粒键合三结太阳电池结构与I-V曲线[11]

5 碳纳米管键合

2010年美国Spectrolab探究了使用碳纳米管键合集成多结太阳电池子电池的可能性[12]。在衬底上制备碳纳米管，首先将碳纳米管提纯，并使用碳纳米管墨水进行分散和塑形，随后将其涂在衬底上，固化后就得到了碳纳米管薄膜，如图8所示。

图8 碳纳米管薄膜制备过程[12]

Spectrolab经过对制备的碳纳米管薄膜测试，发现碳纳米管薄膜在近红外光谱区的透过率高于95%，碳纳米管薄膜与Ⅲ-Ⅴ族材料的接触电阻率小于0.21 Ω·cm2，并使用碳纳米管薄膜作为介质层展开了晶片键合实验。

6 结语

多结太阳电池子电池的异质集成，有着相对苛刻的条件。键合界面好的机械强度，高的光学透过率和低的电阻率三者缺一不可。上述针对多结太阳电池子电池异质集成开发的键合技术，有着各自的优势与劣势。通过分析比较，半导体直接键合技术虽然实现条件要求高，但却是键合界面三个关键条件完成最好，同时也是目前最高效率太阳电池所应用的技术。因此，半导体直接键合技术仍是多结太阳电池子电池异质集成的首选方式。

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Wafer bonding applied to multi-junction solar cells

ZHANG Wu-di,WANG He,LIU Li-rui,SUN Qiang,XIAO Zhi-bin
(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

TM 914

A

1002-087X(2017)09-1315-04

2017-02-16

张无迪(1989—)，男，天津市人，本科，主要研究方向为砷化镓太阳电池。