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研究生: 曾煒竣
Tseng, Wei-Chun
論文名稱: 晶圓鍵結技術應用在光電元件之研究
Study of Wafer Bonding Technology Applied to Optoelectronic Devices
指導教授: 許進恭
Sheu, Jinn-Kong
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 理學院 - 光電科學與工程研究所
Institute of Electro-Optical Science and Engineering
論文出版年: 2009
畢業學年度: 97
語文別: 中文
論文頁數: 79
中文關鍵詞: n型氮化鎵 N-face晶圓鍵結太陽能電池
外文關鍵詞: Wafer Bonding, Solar Cell, n-GaN N-face
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  • 摘要
    本論文以金銦(AuIn)共金鍵結(Eutectic bonding)技術為主軸,將其應用在Ⅲ-Ⅴ族材料的砷化鎵太陽能電池製程;以及n型氮化鎵半導體極化表面的金半接觸特性(Metal-semiconductor Characteristic)量測上。
    首先藉由晶圓鍵結(Wafer bonding)的製程方法,將反射鏡製作於砷化鎵太陽能電池元件中。如此的實驗構想為:假設入射太陽能電池的光子並未被基極層(Base layer)完全吸收轉換,則透過在元件中製作銀(Ag)反射鏡來使剩餘的太陽光子有被反射再吸收的機會。以鈦(Ti)作為實驗對照组,鈦(Ti)在波長800nm情況下反射率44%而銀(Ag)的反射率88%,且銀(Ag)反射鏡元件在光電流密度(JSC)表現上相對於鈦(Ti)反射鏡元件約提升了5.3%。因此推測元件中反射鏡的製作,是為提升轉換校率的方法之一。
    接續實驗為在Thin GaN LED的研究上,欲找到能與n型氮化鎵材料的N-face極化面形成歐姆接觸特性的條件。實驗結果;在摻雜濃度1×1019 cm-3的n型氮化鎵N-face晶片表面搭配鉻金(CrAu)的蒸鍍,在爐管250℃合金化(Alloy)5分鐘的條件下可形成較穩定的歐姆接觸,而隨著合金化(Alloy)的溫度與時間提升其特性漸趨蕭特基接觸趨勢。而後透過傳輸線模型(TLM)量測發現;在相同的鹽酸(HCl)清洗條件下,N-face極化面的ρc約大於Ga-face極化面一個數量級,若增強鹽酸(HCl)的清洗強度,可降低N-face的ρc值並增加歐姆接觸的穩定性。

    Abstract
    This thesis aims at applying Gold-Indium (Au/In) eutectic wafer bonding techniques for the research of III/V compound materials, including the fabrication of Gallium-Arsenic (GaAs) solar cells and measurement of metal-semiconductor contact features in crystal polarity surfaces of Gallium-Nitride (GaN) materials.
    By the fabrication process of wafer bonding, the metal reflection mirror is applied to the rear side of Gallium-Arsenic solar cell devices to further reflect the residual parts from front incident photons. In the conditions at wavelength of 800 nm , the reflectance of Ti and Ag are 44% and 88%, respectively. The photocurrent density (JSC) for Ag mirror devices is enhanced by 5.3% as compared to Ti mirror cells.
    The contact characteristics of overturned GaN epitaxy in N-face is also studied. The Cr/Au alloy, under N2 ambient at 250℃ for 5 minutes, for the N-face n-GaN shows Ohmic characteristics while the doping level is 1×1019 cm-3.experienceOhmic However, the contact becomes Schottky characteristics when the alloy temperature is above 300℃ or longer alloy time (>5 min). In addition, the specific contact resistance (ρc) of both N-face and Ga-face could be reduced by cleaning wafer surfaces of HCl aqua solutions.

    目錄 摘要 I Abstract II 致謝 III 目錄 IV 表目錄 VI 圖目錄 VII 第一章 緒論 1 1-1 太陽能電池應用晶圓鍵結技術概述 2 1-2 發光二極體應用晶圓鍵結技術概述 5 1-3 研究目的與動機 7 參考資料 13 第二章 實驗原理 15 2-1 晶圓鍵結(Wafer Bonding) 15 2-1-1 晶圓鍵結溫度的影響 16 2-1-2 晶圓鍵結壓力的影響 17 2-2 太陽能電池(Solar Cell) 18 2-2-1 太陽能電池等效電路模型 19 2-2-2 短路電流 20 2-2-3 開路電壓 20 2-2-4 最大輸出功率 20 2-2-5 填充因子 21 2-2-6 能量轉換效率 21 2-2-7 串聯電阻 22 2-2-8 光學薄膜 23 2-2-9 太陽光頻譜照度與標準測試條件 24 2-3 金半接觸(Metal-semiconductor Contact) 25 2-3-1 蕭特基接觸 26 2-3-2 歐姆接觸 27 參考資料 37 第三章 實驗方法與製程步驟 39 3-1 晶片清潔 39 3-2 蝕刻平台與黃光微影製程 41 3-3 砷化鎵單接面太陽能電池製程 43 3-3-1 晶片結構概述 43 3-3-2 製程步驟 44 3-3-2.1 製程順序 44 3-3-2.2 晶片清洗與裂片 44 3-3-2.3 p型砷化鎵歐姆接觸製程 44 3-3-2.4 反射層與鍵結金屬蒸鍍 45 3-3-2.5 晶圓鍵結與基板移除製程 46 3-3-2.6 n型砷化鎵歐姆接觸製程 47 3-3-2.7 抗反射膜與打線襯墊製作 48 3-4 n型氮化鎵極化面金半接觸實驗量測製程 49 3-4-1 量測方式概述 49 3-4-2 製程步驟 51 3-4-2.1 n型氮化鎵Ga-face量測晶片製程: 51 3-4-2.2 n型氮化鎵N-face量測晶片製程: 52 參考資料 56 第四章 實驗結果與分析討論 57 4-1 砷化鎵單接面太陽能電池實驗結果與分析討論 57 4-1.1 量測元件與數據 57 4-1.2 實驗結果與討論 58 4-2 n型氮化鎵極化面金半接觸特性量測結果與討論 60 4-2-1 量測晶片 60 4-2-2 量測結果與討論 61 參考資料 74 第五章 結論與未來展望 75 5-1 結論 75 5-2 未來展望 76 附錄 77 A-1 傳輸線模型理論 77 參考資料 79 表目錄 表1-1 色溫6000K頻譜500倍太陽聚光強度下,模擬多層材料能隙串 接太陽能電池效率值 12 表4-1 砷化鎵太陽能電池-銀(Ag)反射鏡元件平均量測資料值 65 表4-2 砷化鎵太陽能電池-鈦(Ti)反射鏡元件平均量測資料值 66 表4-3 砷化鎵太陽能電池傳統垂直製程元件平均量測資料值 67 表4-4 n-GaN(1×1019 cm-3) Ga-face蒸鍍鉻(Cr)/金(Au) 特徵接觸電阻(ρc)量測歸納表 72 (蒸鍍前清洗:HCl:H2O=1:10→3分鐘) 73 表4-5 n-GaN(1×1019 cm-3) N-face蒸鍍鉻(Cr)/金(Au) 特徵接觸電阻(ρc)量測歸納表 73 (蒸鍍前清洗:HCl:H2O=1:10→3分鐘) 73 表4-6 n-GaN(1×1019 cm-3) N-face蒸鍍鉻(Cr)/金(Au) 蒸徵接觸電阻(ρc)量測歸納表 73 (蒸鍍前清洗:HCl:H2O=1:2 (50℃)→3分鐘) 73 圖目錄 圖1-1 Thin Film LED製程步驟圖 10 圖1-2 Thin Film LED發光反射示意圖 10 圖1-3 太陽能電池反射再吸收示意圖 11 圖1-4 氮化鎵材料晶體自身極化排列示意圖 11 圖2-1 Au-In共金相圖 29 圖2-2 P-N接面太陽能電池能帶示意圖 29 圖2-3 非理想太陽能電池等效電路圖 30 圖2-4 理想太陽能電池等效電路圖 30 圖2-5 太陽能電池照光之電流電壓圖 31 圖2-6 多重光強度法 31 圖2-7 半導體表面的缺陷 32 圖2-8 光學薄膜示意圖 32 圖2-9 空氣質量示意圖 33 圖2-10 太陽光譜圖 33 圖2-11 n型半導體金半接觸前能帶圖 34 圖2-12 n型半導體熱平衡下金半接觸能帶圖 34 圖2-13 n型半導體與金屬(a)熱平衡 (b)順向偏壓 (c)逆向偏壓 蕭特基接觸能帶圖 35 圖2-14 熱離子發射於歐姆接觸能帶圖 36 圖2-15 穿遂效應於歐姆接觸能帶圖 36 圖2-16 表面缺陷能態於歐姆接觸能帶圖 36 圖3-1 砷化鎵單接面太陽能電池磊晶結構圖 53 圖3-2 砷化鎵單接面太陽能電池-銀(Ag)反射鏡元件結構圖 53 圖3-3 砷化鎵單接面太陽能電池-鈦(Ti)反射競元件結構圖 54 圖3-4 AM1.5G下外部量子效率(EQE)與反射率對波長作圖 54 圖3-5 n型氮化鎵N-face極化面金半接觸校正點 55 圖3-6 n型氮化鎵N-face蕭特基特性量測示意圖 55 圖4-1 砷化鎵太陽能電池-銀(Ag)反射鏡電流與電壓曲線圖 65 圖4-2 砷化鎵太陽能電池-鈦(Ti)反射鏡電流與電壓曲線圖 66 圖4-3 砷化鎵太陽能電池-傳統垂直製程電流與電壓曲線圖 67 圖4-4 晶圓鍵結後反射率與波長作圖 68 圖4-5 N-face蒸鍍鈀(Pd)/鈦(Ti)/鋁(Al) I-V曲線圖 69 n-GaN摻雜濃度:5×1018 cm-3 69 圖4-6 N-face蒸鍍鈀(Pd)/鈦(Ti)/鋁(Al) I-V曲線圖 69 n-GaN摻雜濃度:1×1019 cm-3 69 圖4-7 N-face蒸鍍鉻(Cr)/金(Au) I-V曲線圖 70 n-GaN摻雜濃度:5×1018 cm-3 70 圖4-8 N-face蒸鍍鉻(Cr)/金(Au) I-V曲線圖 70 n-GaN摻雜濃度:1×1019 cm-3 70 圖4-9 n-GaN(1×1019 cm-3) N-face蒸鍍鉻(Cr)/金(Au) 71 特徵接觸電阻(ρc)對合金化(Alloy)溫度歸納圖 71 圖4-10 n-GaN(1×1019 cm-3) N-face蒸鍍鉻(Cr)/金(Au) 71 特徵接觸電阻(ρc)對合金化(Alloy)時間歸納圖 71 圖4-11 n-GaN N-face特徵接觸電阻與熱退火溫度(℃)關係圖 72 圖A-1 傳輸線模型式意圖 78 圖A-2 TLM電阻值和電極間距關係圖 78

    第一章:
    【1】 施敏, “Semiconductor Devices Physics And Technology,” 2nd Edition 國立交通大學出版社, 2006.
    【2】 黃惠良, 蕭錫鍊, 周明奇, 林堅楊, 江雨龍, 曾百亨, 李威儀, 李世昌, 林維芳, “太陽電池,” 五南出版社, 2008.
    【3】 R. R. King, D. C. Law, K. M. Edmondson, C. M. Fetzer, G. S. Kinsey, H. Yoon, R. A. Sherif, and N. H. Karam, “ 40% efficient metamorphic GaInP/GaInAs/Ge multijunction solar cells,” Appl. Phys. Lett., Vol. 90, No. 18, pp183-516, 2007.
    【4】 楊智喬, “三五族太陽能電池製作與分析Fabrications and Characteristics of Group III/V Solar Cells,” 國立成功大學光電科學與工程研究所碩士論文, 2007.
    【5】 J. F. Geisz, D. J. Friedman, J. S. Ward, A. Duda, W. J. Olavarria, T. E. Moriarty, J. T. Kiehl, M. J. Romero, A. G. Norman, and K. M. Jones, “40.8% efficient inverted triple-junction solar cell with two independently metamorphic junctions,” Appl. Phys. Lett., Vol. 93, No. 12, pp123-505, 2008.
    【6】 N. W. Cheung, T. D. Sands, W. S. Wong, “Separation of thin film from transparent substrates by selective optical processing,” United State Patent Number 6071795, Jun. 6, 2000.
    【7】 Y. Gao, T. Fujii, R. Sharma, K. Fujito, S. P. Denbaars, S. Nakamura, E. L. Hu, “Roughening Hexagonal Surface Morphology on Laser Lift-Off (LLO) N-Face GaN with Simple Photo-Enhanced Chemical Wet Etching,” Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 43, No. 5A, ppL637-L639, 2004.
    【8】 E. T. Yu, M. O. Manasreh, “Ⅲ-Ⅴ Nitride Semiconductors Application and Device,” Taylor&Francis, 2003.
    第二章:
    【1】 “ASM Handbook,Alloy phase diagrams,” 福懋出版社, 1993.
    【2】 A. Tolmatchev, V. Siklitsky “http://www.ioffe.rssi.ru/SVA/NSM/Semicond/,” 1998-2001.
    【3】 楊泰嘉, “覆晶封裝之熱應力與翹曲分析Annalysis of Thermal Stress and Warpage of Packaged Flip Chips,” 私立逢甲大學材料與製造工程研究所碩士論文, 2006.
    【4】 楊智喬, “三五族太陽能電池製作與分析Fabrications and Characteristics of Group III/V Solar Cells,” 國立成功大學光電科學與工程研究所碩士論文, 2007.
    【5】 施敏, “Semiconductor Devices Physics And Technology,” 2nd Edition 國立交通大學出版社, 2006.
    【6】 杜尚儒, “透明導電模沉積於矽基板之異質接面太陽能電池研究Transparent Conducting Oxide Deposited on Silicon Wafer for Fabrication of Heterojunction Solar Cell,” 國立成功大學光電科學與工程研究所成功大學碩士論文, 2008.
    【7】 D. A. Neamen, “Semiconductor Physics & Devices,” Third Edition McGraw-Hill, 2003.
    【8】 黃惠良, 蕭錫鍊, 周明奇, 林堅楊, 江雨龍, 曾百亨, 李威儀, 李世昌, 林維芳, “太陽電池,” 五南出版社, 2008.
    【9】 “Standard Test Method for Electrical Performance of Photovoltaic Cells Using Reference Cells Under Simulated Sunlight,” American Society for Testing and Materials Committee, E948-950, 1995.
    第三章:
    【1】 杜尚儒, “透明導電模沉積於矽基板之異質接面太陽能電池研究Transparent Conducting Oxide Deposited on Silicon Wafer for Fabrication of Heterojunction Solar Cell,” 國立成功大學光電科學與工程研究所碩士論文, 2008.
    【2】 黃惠良, 蕭錫鍊, 周明奇, 林堅楊, 江雨龍, 曾百亨, 李威儀, 李世昌, 林維芳, “太陽電池,” 五南出版社, 2008.
    【3】 施敏, “Semiconductor Devices Physics And Technology,” 2nd Edition 國立交通大學出版社, 2006.
    【4】 李正中, “薄膜光學與鍍膜技術,” 藝軒出版社, 2006.
    【5】 J. F. Geisz, S. Kurtz, M. W. Wanlass, J. S. Ward, A. Duda, D. J. Friedman, J. M. Olson, W. E. McMahon, T. E. Moriarty, J. T. Kiehl, “High-efficiency GaInP/GaAs/InGaAs triple-junction solar cells grown inverted with a metamorphic bottom junction,” Appl. Phys. Lett., Vol. 91, No. 2, pp023-502, 2007.
    【6】 T. Jang, S. N. Lee, O. H. Nam, Y. Park,“Investigation of Pd/Ti/Al and Ti/Al Ohmic contact materials on Ga-face and N-face surfaces of n-type GaN,” Appl. Phys. Lett., Vol. 88, No. 19, pp193-505, 2006.
    第四章:
    【1】 T. Jang, S. N. Lee, O. H. Nam, and Y. Park, “Investigation of Pd/Ti/Al and Ti/Al Ohmic contact materials on Ga-face and N-face surfaces of n-type GaN,” Appl. Phys. Lett., Vol. 88, No. 19, pp193-505, 2006.
    【2】 H. B. Michaelson, “The work function of the elements and its periodicity,” Appl. Phys. Lett., Vol. 48, No. 11, pp4729-4733, November 1977.
    附錄:
    【1】 D. K. Schroder, “Semiconductor Material and Device Characterization,” 3rd edition, John Wiely & Sons, 2005

    下載圖示 校內:2012-08-20公開
    校外:2012-08-20公開
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