梁存寶， 肖志斌， 杜永超

（中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384）

激光供能是一種新型的能量傳輸方式，在許多特殊的場合，激光供能具有不受無線電波和電磁干擾、不受電源干擾、質(zhì)量輕、安全等特點，在電力、無線通信、醫(yī)療、航空航天、國防等領(lǐng)域都有廣泛的潛在應(yīng)用價值。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展、微MEMS系統(tǒng)等級的不斷提高以及國防科技和工業(yè)生產(chǎn)的需要，傳統(tǒng)的電磁式電流互感器因為存在潛在的失效危險、超高壓情況下的難以解決的絕緣問題和高頻響應(yīng)特性差的問題、以及易受電磁干擾等問題，已經(jīng)難以滿足科技發(fā)展的要求。在此背景下，我們研制了這種微型光電器件。結(jié)合實際應(yīng)用，由于受限于激光斑點的大小，激光供能微型GaAs電池(以下簡稱為微電池)受光集中于Ф=2 mm的圓斑上，電池尺寸控制在2.2 mm×2.2 mm，在受光區(qū)域內(nèi)串聯(lián)6個單元電池，以使電壓達到6 V的應(yīng)用效果。在材料的選取上，我們選擇了GaAs作為襯底材料，采用了具有特殊結(jié)構(gòu)的單色光外延結(jié)構(gòu)，采用化學(xué)腐蝕隔離或干法刻蝕的技術(shù)方法，將電池分割成6個單元電池，并將6個單元電池的正負電極首尾相連結(jié)，達到串聯(lián)的目的。其技術(shù)難點在于隔離和器件制作工藝。

本文介紹了這種串聯(lián)6個單元電池的微型GaAs電池（見圖1），采取了一些關(guān)鍵技術(shù)，使其電特性大幅提高。

圖1 微電池外觀結(jié)構(gòu)示意圖

1 微電池的制備

1.1 微電池外延結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于單色光的GaAs太陽電池外延結(jié)構(gòu)，在紅外波段（波長790～850 nm）有較好的光譜響應(yīng)，見圖2。

由于采用了GaAs襯底材料，在光照條件下，特別是在高倍光強的激光照射下，單元電池間的底部漏電十分嚴重，因此我們設(shè)計了具有底部特殊結(jié)構(gòu)的外延結(jié)構(gòu)。圖3為微電池結(jié)構(gòu)示意圖。

1.2 上電極結(jié)構(gòu)和圖形設(shè)計

在大功率激光器的照射下，微電池表面將會產(chǎn)生大量光生的帶電粒子，因此，短路電流的指標也是衡量微電池性能好壞的重要參數(shù)之一。而上電極對其短路電流的貢獻尤為突出，作為上電極的設(shè)計首先是密柵，但上電極卻占用有效的光照面積，在設(shè)計上須平衡兩者的關(guān)系，因此上電極的結(jié)構(gòu)和圖形設(shè)計是微電池整體設(shè)計的重要組成部分。

在上電極材料的選取上，我們采取了Au-Ag-Au的上電極蒸鍍結(jié)構(gòu)；圖形設(shè)計上，表面平均分布了線寬為7 μm的細柵，并保證上電極占用有效光照面積不超過13%(通過測算實際為 12.97%)。

1.3 隔離工藝

單元電池之間的需要做隔離措施，即隔離槽（見圖3）工藝。這里我們選用濕法腐蝕的化學(xué)腐蝕方式。

為配合單元電池電極互聯(lián)工藝，采用了絕緣性能較好的隔離膠作為隔擋層。

1.4 制備的微電池樣品

經(jīng)過多道器件工藝后，制得微電池的樣品如圖4所示。

2 結(jié)果和討論

測試原理圖如圖5所示。

輸入條件：波長為830 nm，JDSU激光器，激光器輸出光功率大約130 mW。

測試結(jié)果：開路電壓達到5.94 V，最佳功率點處電壓為4.47 V，電流為9.82 mA，效率為33.77%。

為了更好的體現(xiàn)出增加特殊外延結(jié)構(gòu)后和電池老化工藝對電池電性能的貢獻，我們比較了這三種狀態(tài)下的電性能測試結(jié)果(見表1)，表1比較了增加絕緣的外延結(jié)構(gòu)前和增加反結(jié)外延結(jié)構(gòu)后老化前后的三種樣品。

圖4 微電池樣品

圖5 測試原理圖

表1 反結(jié)前后及老化前后電性能測試結(jié)果

由表1所示結(jié)果，最佳功率點處的電壓特性偏低，正常情況下應(yīng)該有6 V的工作電壓，同時開路處的短路電流也偏大，這都表明有漏電的發(fā)生。漏電的表現(xiàn)形式有幾種情況：P-N結(jié)的質(zhì)量，表面復(fù)合和邊緣漏電等等；而對于微電池的單元電池外部結(jié)構(gòu)和繁雜的制作工藝來說，最可能發(fā)生的是底部漏電和邊緣漏電。對于底部漏電，由于增加了底部絕緣的外延結(jié)構(gòu)，從表1中不難看出采用特殊外延結(jié)構(gòu)后的測試結(jié)果來看，還是取得了很好的效果。

而對于邊緣漏電，即槽壁的漏電以及基區(qū)和上表面斷層處的漏電，主要取決于實現(xiàn)隔離槽的工藝方法和工藝水平。其實現(xiàn)方式有兩種，一種是化學(xué)濕法腐蝕方法，另一種是干法刻蝕。圖6是兩種工藝的隔離槽圖形。兩種制槽工藝各有優(yōu)缺點，化學(xué)腐蝕工藝后的槽壁無污染，減小了電池邊緣漏電，而且工藝處理簡單，通過光刻后用腐蝕液處理即可，其缺點是槽寬側(cè)蝕嚴重，不僅對后道工序處理造成影響，而且大大占用了有效光面積，此外，濕法腐蝕還表現(xiàn)出各向異性，見圖7；對于干法刻蝕,采用Cl2/H2作為ICP刻蝕氣體,系統(tǒng)全面地研究了ICP刻蝕InP系材料時關(guān)鍵工藝參數(shù)的刻蝕損傷，得到了一種損傷低、形貌良好的隔離槽的制作方法[1]，具有很好的選擇性、重復(fù)性、均勻性以及各向同性等優(yōu)點，缺點在于對材料會產(chǎn)生損傷，刻蝕過程中，粒子會沿著材料晶向隧穿從而引入非輻射復(fù)合中心，這些大量的非輻射復(fù)合中心會大大增加載流子的散射幾率，減小載流子壽命，從而影響到微電池的電學(xué)性能。

圖6 兩種工藝下的隔離槽圖形（注槽深10 μm）

圖7 濕法腐蝕不同方向腐蝕圖

電池的老化工藝對轉(zhuǎn)換效率的貢獻也是很大的，增加了3%以上。老化工藝有兩個方面的優(yōu)點，一是由于在工藝上采用了絕緣膠，通過老化，其絕緣性能大大提高，進而增加了單元電池間的隔離效果；二是老化后金屬和非金屬形成了合金態(tài)，降低了內(nèi)阻。

此外，在測試過程中，微電池也表現(xiàn)出溫度的大幅升高，而高溫對芯片等電子元器件有極大影響，隨著溫度的提高，電池的性能也逐漸降低。此現(xiàn)象表明其串聯(lián)內(nèi)阻較大，主要體現(xiàn)在一是電極的蒸鍍質(zhì)量上，可能存在細柵有斷裂的地方；二是由于我們的微電池互聯(lián)電極是直接蒸鍍在絕緣膠上，可能存在斷層的問題。減小微電池的厚度可以大大增加其散熱的效果，也是提高電性能必要的手段之一。

3 結(jié)論

（1）通過增加絕緣外延結(jié)構(gòu)的微電池，可以大大降低單元電池間底部漏電的可能性，對改善其電性能大有收益；（2）采用隔離槽制備工藝和PI膠相結(jié)合的應(yīng)用技術(shù)，并經(jīng)過充分老化工藝后，微電池的電性能會有很大的提高；（3）漏電問題仍舊存在，需要在電極結(jié)構(gòu)設(shè)計和互聯(lián)處理工藝上加以改進，解決好了漏電問題，是微電池成功制備的關(guān)鍵。

[1]JIANG S，DONG L，ZHANG R K，et al.Processing parameters optimization of Cl2/H2ICP etching and its used for the fabrication of 1.55 μm DFBlaser[J].Journal of Optoelectronics Laser，2009，20(5)：583-586.