[发明专利]一种对InGaAs与GaAs进行低温金属键合的方法

说明书

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