CN102110595B - 一种对InGaAs与GaAs进行低温金属键合的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对InGaAs与GaAs进行低温金属键合的方法，包括：清洗单面抛光的InGaAs外延片，去除表面的有机物；在清洗干净的InGaAs外延片上蒸镀金属层；对该InGaAs外延片进行光刻腐蚀，得到带窄金属条的InGaAs外延片；采用等离子体刻蚀去除InGaAs外延片表面的光刻胶；清洗GaAs外延片，去除表面的有机物；将清洗干净的GaAs外延片与经过等离子体刻蚀的InGaAs外延片进行贴合，得到贴合后的晶片；将该贴合后的晶片对置于真空键合机内进行键合，并进行热处理，以驱除键合界面的水气；对键合后的晶片进行减薄，并腐蚀掉键合的晶片的GaAs衬底。利用本发明，实现了InGaAs与GaAs的低温金属键合。
Description
技术领域
本发明涉及半导体异质结材料生长技术领域，特别是指一种对InGaAs与GaAs进行低温金属键合的方法，利用真空键合机实现低温III-V族材料之间、III-V族材料与Si(Ge、GaN)等材料之间的低温金属键合。
背景技术
光电子器件越来越向集成化、小型化发展，利用键合技术将异质结半导体材料键合在一起，从而制备各种激光器、探测器等半导体器件的技术越来越受到广泛关注。这种技术是将两个表面平整洁净的晶片在一定的条件下通过表面的化学键相互结合起来，而不受两种晶片材料的晶格、晶向的限制。利用键合技术组合新结构材料有极大的自由度，可以充分利用III-V族半导体材料的优越的光特性和Si材料优越的电特性，从而获得理想的半导体器件材料；另外还可以与Si电子电路集成，从而形成大规模、功能齐全的光电子集成器件。
利用多结、多能带或多能级结构是实现超高效率的太阳电池最现实的方法之一。然而与太阳光谱相匹配的多结太阳电池的单层材料的晶格常数相差比较大，目前外延生长一般采用晶格渐变等手段实现非晶格匹配材料的生长，但引进了一定程度的复合缺陷；或者采用机械叠层的办法实现不同晶格常数材料之间的单片集成，但这种方法电学连接非常复杂。键合技术相对于前两者有着极大的优越性：实验方法简单；位错仅局域于界面，键合可以突破晶向、晶格匹配等限制，最大限度地与太阳光谱匹配，实现高效率。为了克服晶格失配外延对太阳电池有源层晶体质量的破坏，人们开始探索键合技术在单片多结太阳电池集成中的应用。美国加州理工大学在国际上率先将半导体键合技术应用于多结高效化合物太阳电池研究中，目前研究的中心是GaInP2/GaAs和InGaAsP/InGaAs体系的直接键合。同时德国Fraunhofer研究所把直接键合集成技术和外延层转移技术应用在GaAs与Si缓冲衬底上，之后外延生长高效多结太阳电池。美国加州Anoex公司和加州理工大学等将InGaAs太阳电池制作在InP/Si衬底上，使得在Si衬底上生长超过4节的太阳能电池成为可能。目前键合的双结电池最好指标为美国加州理工大学的Tanabe等人报道的直接键合的GaAs/InGaAs双结电池(K Tanabe，Anna Fontcuberta i Morral，Harry A.Atwater ane etc，Direct-bonded GaAs/InGaAs tandem solar cell，APPLIED PHYSICSLETTERS，89，102106，2006.)，其指标如下：电池效率(1suns，AM1.5，25℃)为9.3％，电池面积为0.337cm2，填充因子为0.62。国内尚无相关键合电池效率的报导，国外目前尚没有金属键合实现多结太阳电池的报道。
对于半导体材料之间的直接键合，其键合界面处的半导体材料掺杂浓度和表面粗糙度都有极其严格的要求，否则键合质量不高，导致电池效率降低甚至假键合。而金属键合相对比较简单，只需在原来的电池材料键合面分别蒸镀合适厚度的金属就可很容易键合上，界面质量很好且键合面积大、成功率高。金属本身具有很好的延展性，可以有效的抑制热应力的释放。同时，金属良好的热导性能和电导性能可以很好的降低键合器件的热阻和电阻，有利于器件性能的优化。采用合理设计的有一定图形结构的金属键合，可以影响键合界面两侧半导体材料的势垒和电导，减少金属对光的吸收，避免了生长隧道结的复杂性，其优越性大于仅采用隧道结对各串联子电池的连接。虽然隧穿结的整体生长已经不是难题，但是隧穿结的光吸收会影响到GaAs中间电池的短路电流密度；而且随着带隙宽度的升高，隧穿结的隧穿几率和峰值电流会下降。应用金属键合直接将不同带隙的相邻子太阳电池连接起来，不会造成明显的电压损失和太大的电流损失。
对于金属键合很容易实现低温键合，键合后的晶片可以耐住所有的半导体工艺如高温煮沸、腐蚀、减薄等。目前国际上低温键合的成功范例很多，如童勤义等人利用等离子体处理晶片表面后，在200度获得界面键合能高于体InP材料的键合能；加州大学的Mages等人也是先经过低温热处理后再进行高温键合；国内曾有过赵洪泉等人的低温键合技术。不过前两者对实验仪器和条件要求都很高，而第三者虽然对实验仪器条件要求不高，但是键合时间很长，键合过程中对操作人员的要求很高。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种对InGaAs与GaAs进行低温金属键合的方法，以实现InGaAs与GaAs的低温金属键合。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种对InGaAs与GaAs进行低温金属键合的方法，该方法包括：
清洗单面抛光的InGaAs外延片，去除表面的有机物；
在清洗干净的InGaAs外延片上蒸镀金属层；
对该InGaAs外延片进行光刻腐蚀，得到带窄金属条的InGaAs外延片；
采用等离子体刻蚀去除InGaAs外延片表面的光刻胶；
清洗GaAs外延片，去除表面的有机物；
将清洗干净的GaAs外延片与经过等离子体刻蚀的InGaAs外延片进行贴合，得到贴合后的晶片；
将该贴合后的晶片对置于真空键合机内进行键合，并进行热处理，以驱除键合界面的水气；以及
对键合后的晶片进行减薄，并腐蚀掉键合的晶片的GaAs衬底；
其中，所述进行热处理的步骤包括以下四个温度阶段：阶段1：30～90℃温度范围内预键合1小时；阶段2：120～200℃温度范围内预键合1小时；阶段3：300～350℃预键合0.5小时；阶段4：缓慢降温，至室温后取出晶片。
上述方案中，所述清洗单面抛光的InGaAs外延片，去除表面的有机物的步骤，包括：将单面抛光的InGaAs外延片用有机溶剂清洗，去除表面的有机物，再用去离子水冲洗至少5分钟。
上述方案中，所述清洗GaAs外延片，去除表面的有机物的步骤，包括：将GaAs外延片用有机溶剂清洗，去除表面的有机物，再用去离子水冲洗至少5分钟。
上述方案中，所述InGaAs外延片包括：
一n型InP衬底11；
一p型层GaInP12，该p型层12制作在n型InP衬底11上；
一p型InGaAs层13，该p型InGaAs层13制作在p型层12上；
一n型InGaAs层14，该n型InGaAs层14制作在p型InGaAs层13上；以及
一n型GaInP层15，该n型GaInP层15制作在n型InGaAs层14上。
上述方案中，所述GaAs外延片包括：
一n型GaAs衬底21；
一n型GaAs缓冲层22，该n型GaAs缓冲层22制作在n型GaAs衬底21上；
一p型GaInP腐蚀阻挡层23，该GaInP层23制作在GaAs缓冲层22上；
一p+型GaAs层24，该p+型GaAs层24制作在GaInP层23上；
一p+型Al0.9Ga0.1As层25，该p+型Al0.9Ga0.1As层25制作在p型GaAs层24上；
一n型GaAs层26，该n型GaAs层26制作在p+型Al0.9Ga0.1As层25上；
一p型GaAs层27，该p型GaAs层27制作在n型GaAs层26上；以及
一p型Al0.2Ga0.8As层28，该p型Al0.2Ga0.8As层28制作在p型GaAs层27上。
上述方案中，所述将该贴合后的晶片对置于真空键合机内进行键合的步骤中，真空键合的真空度采用10-4至10-5Pa。
上述方案中，所述在清洗干净的InGaAs外延片上蒸镀金属层的步骤中，金属层采用的金属材料为Ti/Au、AuGeNi/Au、Al或Ni/Au，金属材料的厚度为10nm至50nm。
上述方案中，所述进行热处理的步骤中，施加在键合后晶片上的压力为1MPa至5MPa。
上述方案中，所述热处理在温度为250℃以上时，升温要求缓慢，平均0.2～0.5℃/分钟；降温过程也要求同样缓慢，平均0.2～0.5℃/分钟；而在温度低于250℃时采取自然降温的方式降温。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的对InGaAs与GaAs进行低温金属键合的方法，实现了InGaAs与GaAs的低温金属键合，并通过金属键合实现了晶格常数失配的GaAs/InGaAs(或Si，Ge)双结太阳电池，利用键合界面的金属替代隧穿结将两级子电池连接起来，为实现高效太阳电池提供了一种新的方法，使得太阳电池能突破材料限制，通过选择与太阳光谱相匹配的多种不同材料，连接到一起从而实现高效电池，为通过键合实现高效多结太阳电池打下基础。
2、本发明提供的对InGaAs与GaAs进行低温金属键合的方法，可重复性比较高，键合时间大大缩短，只需要按照设定的操作流程认真执行，就可以获得质量很高的键合晶片。一般的衬底晶片厚度在350μm左右，对于比较厚的外延片(如400μm-460μm)也可使用本发明得到高质量的键合晶片。
附图说明
图1为本发明提供的对InGaAs与GaAs进行低温金属键合的方法流程图；
图2a至图2c为本发明提供的对InGaAs与GaAs进行低温金属键合的工艺流程图；GaAs外延片10和InGaAs(Si，Ge)外延片20经过前述方法清洗后，将p+GaAs层24的表面与金属层16的表面键合在一起，进行热处理，然后减薄GaAs衬底21，用腐蚀液去掉GaAs衬底21，将GaAs薄膜转移到了InP衬底11上；
图3是依照本发明实施例键合晶片界面的红外透视图；
图4a和图4b是依照本发明实施例键合晶片界面的SEM图；
图5a是InGaAs外延片的结构示意图；
图5b是GaAs外延片的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明是利用真空键合机对InGaAs与GaAs进行低温金属键合的方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤1：清洗单面抛光的InGaAs外延片，去除表面的有机物；
步骤2：在清洗干净的InGaAs外延片上蒸镀金属层；
步骤3：对该InGaAs外延片进行光刻腐蚀，得到带窄金属条的InGaAs外延片；
步骤4：采用等离子体刻蚀去除InGaAs外延片表面的光刻胶；
步骤5：清洗GaAs外延片，去除表面的有机物；
步骤6：将清洗干净的GaAs外延片与经过等离子体刻蚀的InGaAs外延片进行贴合，得到贴合后的晶片；
步骤7：将该贴合后的晶片对置于真空键合机内进行键合，并进行热处理，以驱除键合界面的水气；以及
步骤8：对键合后的晶片进行减薄，并腐蚀掉键合的晶片的GaAs衬底。
基于图1所示的对InGaAs与GaAs进行低温金属键合的方法流程图，图2a至图2c示出了本发明提供的对InGaAs与GaAs进行低温金属键合的工艺流程图，包括如下步骤：
步骤1：将单面抛光的InGaAs外延片10用有机溶剂清洗，去除表面的有机物，再用去离子水冲洗5分钟以上；
如图5b所示，所述的InGaAs外延片10包括：
一n型InP衬底11；
一p型层GaInP12，该p型层12制作在n型InP衬底11上；
一p型InGaAs层13，该p型InGaAs层13制作在p型层12上；
一n型InGaAs层14，该n型InGaAs层14制作在p型InGaAs层13上；以及
一n型GaInP层15，该n型GaInP层15制作在n型InGaAs层14上。
步骤2：在InGaAs外延片10上蒸镀金属层16；该金属层16制作在n型GaInP层15上，其中金属层16采用的金属材料可以为Ti/Au、AuGeNi/Au、Al、Ni/Au等，金属材料的厚度10～50nm左右(图4的金属条厚度采用的是20nm)。
步骤3：对InGaAs外延片10进行光刻腐蚀(或采用剥离技术得到金属条)，根据器件要求设计金属条的宽度(如对于太阳电池的设计，要求金属条占据表面面积不能超过6％)，得到带窄金属条的InGaAs外延片；
步骤4：去除InGaAs外延片10上的光刻胶，由于金属较薄可以采用RIE技术对表面进行处理，经过等离子体表面处理的InGaAs外延片10更有利于键合成功；
步骤5：将GaAs外延片20用有机溶剂清洗，去除表面的有机物，再用去离子水冲洗5分钟以上。
如图5a所示，所述的GaAs外延片20包括：
一n型GaAs衬底21；
一n型GaAs缓冲(buffer)层22，该n型GaAs缓冲层22制作在n型GaAs衬底21上；
一p型GaInP腐蚀阻挡层23，该GaInP层23制作在GaAs缓冲层22上；
一p+型GaAs层24，该p+型GaAs层24制作在GaInP层23上；
一p+型Al0.9Ga0.1As层25，该p+型Al0.9Ga0.1As层25制作在p型GaAs层24上；
一n型GaAs层26，该n型GaAs层26制作在p+型Al0.9Ga0.1As层25上；
一p型GaAs层27，该p型GaAs层27制作在n型GaAs层26上；
一p型Al0.2Ga0.8As层28，该p型Al0.2Ga0.8As层28制作在p型GaAs层27上。
GaAs外延片的清洗过程：
①用丙酮棉球擦拭GaAs外延片20的表面，在显微镜下观察无明显的脏污颗粒，这样的外延片才可以用于键合；
②用乙醇、丙酮、三氯乙烯按顺序来回高温超声煮洗GaAs外延片20各3遍，最后用乙醇清洗完后，用去离子水反复冲洗5分钟，目的在于清除表面有机物污染；
步骤6：将清洗干净的GaAs外延片20和经过等离子体处理的InGaAs外延片10进行贴合，贴合后的晶片对置于真空键合机内键合，进行热处理，以驱除键合界面的水气。
这里所述的热处理包括：
(1)将放置有两贴合好的外延片的夹具置于真空键合机内，密封之后通过施力装置给晶片施加一定的压力，一般在1至5MPa之间。然后开始抽真空，到达一定的真空度(3×10-3Pa以下)后可以开始设定低温30至90度，在30至90℃温度范围内预键合1小时左右。在保温过程中真空度保持在10-4至10-5Pa。
(2)预键合后的晶片进行1小时以上的120至200摄氏度的低温键合，压力同上。此过程可以去除界面间的水汽，此过程键合时间越长键合能越大。
(3)预键合后的晶片再进行0.5小时左右的300至350摄氏度的低温键合。进一步清除界面水汽，增加界面键合能。键合界面的成键方式伴随温度的上升和气体的逸出，从预键合时的范德瓦尔斯结合转变成为原子键结合。
(4)然后开始缓慢降温，到室温后可取出晶片，进行下一步的处理。注意250℃以后升温和降温的过程要比较缓慢，平均0.2-0.5℃/分钟左右，防止热应力得不到及时释放而导致键合失败。
步骤7：对键合后的晶片进行减薄。将上述键合的晶片取出后，机械减薄GaAs衬底，减薄到100μm左右。
步骤8：腐蚀掉键合晶片的GaAs衬底21，完成低温金属键合的制作。
GaAs衬底21的腐蚀步骤如下：
(1)用光刻胶或蜡保护晶片侧面，防止腐蚀液侧蚀。
(2)将键合好的晶片置于体积比为H3PO4∶H2O2∶H2O＝1∶1∶3的溶液中进行GaAs衬底21的腐蚀；然后用体积比为HCL∶H2O＝2∶1的溶液腐蚀去掉GaInP阻挡层23，获得表面层为P+GaAs的电极接触层24，这样表面约几微米的GaAs薄膜就转移到了InP衬底上，得到了键合的GaAs/InGaAs双结太阳电池晶片。
(3)利用有机溶剂去除胶或蜡，这里如果键合的质量不好，在热处理除蜡的过程中晶片会出现解键合。我们这种低温键合的方法得到的晶片键合能比较高，在除蜡过程中晶片完整，没有出现解键合现象。
从实验的结果来看，这种低温金属键合的效果很好。图3所示键合晶片的红外透视图非常亮，没有牛顿环，表明界面间没有键合上的部分很少。对制作的InGaAs/GaAs晶片进行了键合界面的SEM图测试，界面十分平整，中间有一层金属条纹(图4b中的白色部分)；在没有金属的地方有空隙，空隙在远离金属条的地方又没有了，说明键合的质量很好。
利用磷酸等腐蚀液将键合晶片GaAs衬底腐蚀完后，GaAs薄膜已经转移到了InP衬底上，测试键合晶片的I-V特性，说明键合的InGaAs/GaAs晶片界面实现了欧姆接触，键合界面的电特性良好。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种对InGaAs与GaAs进行低温金属键合的方法，其特征在于，该方法包括：
清洗单面抛光的InGaAs外延片，去除表面的有机物；
在清洗干净的InGaAs外延片上蒸镀金属层；
对该InGaAs外延片进行光刻腐蚀，得到带窄金属条的InGaAs外延片；
采用等离子体刻蚀去除InGaAs外延片表面的光刻胶；
清洗GaAs外延片，去除表面的有机物；
将清洗干净的GaAs外延片与经过等离子体刻蚀的InGaAs外延片进行贴合，得到贴合后的晶片；
将该贴合后的晶片对置于真空键合机内进行键合，并进行热处理，以驱除键合界面的水气；以及
对键合后的晶片进行减薄，并腐蚀掉键合的晶片的GaAs衬底；
其中，所述进行热处理的步骤包括以下四个温度阶段：阶段1：30～90℃温度范围内预键合1小时；阶段2：120～200℃温度范围内预键合1小时；阶段3：300～350℃预键合0.5小时；阶段4：缓慢降温，至室温后取出晶片。
2.根据权利要求1所述的对InGaAs与GaAs进行低温金属键合的方法，其特征在于，所述清洗单面抛光的InGaAs外延片，去除表面的有机物的步骤，包括：
将单面抛光的InGaAs外延片用有机溶剂清洗，去除表面的有机物，再用去离子水冲洗至少5分钟。
3.根据权利要求1所述的对InGaAs与GaAs进行低温金属键合的方法，其特征在于，所述清洗GaAs外延片，去除表面的有机物的步骤，包括：
将GaAs外延片用有机溶剂清洗，去除表面的有机物，再用去离子水冲洗至少5分钟。
4.根据权利要求1所述的对InGaAs与GaAs进行低温金属键合的方法，其特征在于，所述InGaAs外延片包括：
一n型InP衬底(11)；
一p型层GaInP(12)，该p型层(12)制作在n型InP衬底(11)上；
一p型InGaAs层(13)，该p型InGaAs层(13)制作在p型层(12)上；
一n型InGaAs层(14)，该n型InGaAs层(14)制作在p型InGaAs层(13)上；以及
一n型GaInP层(15)，该n型GaInP层(15)制作在n型InGaAs层(14)上。
5.根据权利要求1所述的对InGaAs与GaAs进行低温金属键合的方法，其特征在于，所述GaAs外延片包括：
一n型GaAs衬底(21)；
一n型GaAs缓冲层(22)，该n型GaAs缓冲层(22)制作在n型GaAs衬底(21)上；
一p型GaInP腐蚀阻挡层(23)，该GaInP层(23)制作在GaAs缓冲层(22)上；
一p+型GaAs层(24)，该p+型GaAs层(24)制作在GaInP层(23)上；
一p+型Al0.9Ga0.1As层(25)，该p+型Al0.9Ga0.1As层(25)制作在p型GaAs层(24)上；
一n型GaAs层(26)，该n型GaAs层(26)制作在p+型Al0.9Ga0.1As层(25)上；
一p型GaAs层(27)，该p型GaAs层(27)制作在n型GaAs层(26)上；以及
一p型Al0.2Ga0.8As层(28)，该p型Al0.2Ga0.8As层(28)制作在p型GaAs层(27)上。
6.根据权利要求1所述的对InGaAs与GaAs进行低温金属键合的方法，其特征在于，所述将该贴合后的晶片对置于真空键合机内进行键合的步骤中，真空键合的真空度采用10-4至10-5Pa。
7.根据权利要求1所述的对InGaAs与GaAs进行低温金属键合的方法，其特征在于，所述在清洗干净的InGaAs外延片上蒸镀金属层的步骤中，金属层采用的金属材料为Ti/Au、AuGeNi/Au、Al或Ni/Au，金属材料的厚度为10nm至50nm。
8.根据权利要求1所述的对InGaAs与GaAs进行低温金属键合的方法，其特征在于，所述进行热处理的步骤中，施加在键合后晶片上的压力为1MPa至5MPa。
9.根据权利要求1所述的对InGaAs与GaAs进行低温金属键合的方法，其特征在于，所述热处理在温度为250℃以上时，升温要求缓慢，平均0.2～0.5℃/分钟；降温过程也要求同样缓慢，平均0.2～0.5℃/分钟；而在温度低于250℃时采取自然降温的方式降温。
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