激光供能微型GaAs電池

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、質量輕、安全等特點，在電力、無線通信、醫療、航空航天、國防等領域都有廣泛的潛在應用價值。隨著工業技術的發展、微MEMS系統等級的不斷提高以及國防科技和工業生產的需要，傳統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特性差的問題、以及易受電磁干擾等問題，已經難以滿足科技發展的要求。在此背景下，我們研制了這種微型光電器件。結合實際應用，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，在受光區域內串聯6個單元電池，以使電壓達到6 V的應用效果。在材料的選取上，我們選擇了GaAs作為襯底材料，采用了具有特殊結構的單色光外延結構，采用化學腐蝕隔離或干法刻蝕的技術方法，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，達到串聯的目的。其技術難點在于隔離和器件制作工藝。

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

圖1 微電池外觀結構示意圖

1 微電池的制備

1.1 微電池外延結構設計

基于單色光的GaAs太陽電池外延結構，在紅外波段（波長790～850 nm）有較好的光譜響應，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，因此我們設計了具有底部特殊結構的外延結構。圖3為微電池結構示意圖。

1.2 上電極結構和圖形設計

在大功率激光器的照射下，微電池表面將會產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，作為上電極的設計首先是密柵，但上電極卻占用有效的光照面積，在設計上須平衡兩者的關系，因此上電極的結構和圖形設計是微電池整體設計的重要組成部分。

在上電極材料的選取上，我們采取了Au-Ag-Au的上電極蒸鍍結構；圖形設計上，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腐蝕方式。

為配合單元電池電極互聯工藝，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

經過多道器件工藝后，制得微電池的樣品如圖4所示。

2 結果和討論

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%。

為了更好的體現出增加特殊外延結構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下的電性能測試結果(見表1)，表1比較了增加絕緣的外延結構前和增加反結外延結構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 反結前后及老化前后電性能測試結果

由表1所示結果，最佳功率點處的電壓特性偏低，正常情況下應該有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生。漏電的表現形式有幾種情況：P-N結的質量，表面復合和邊緣漏電等等；而對于微電池的單元電池外部結構和繁雜的制作工藝來說，最可能發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構，從表1中不難看出采用特殊外延結構后的測試結果來看，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和上表面斷層處的漏電，主要取決于實現隔離槽的工藝方法和工藝水平。其實現方式有兩種，一種是化學濕法腐蝕方法，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缺點，化學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,系統全面地研究了ICP刻蝕InP系材料時關鍵工藝參數的刻蝕損傷，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、重復性、均勻性以及各向同性等優點，缺點在于對材料會產生損傷，刻蝕過程中，粒子會沿著材料晶向隧穿從而引入非輻射復合中心，這些大量的非輻射復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，降低了內阻。

此外，在測試過程中，微電池也表現出溫度的大幅升高，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。此現象表明其串聯內阻較大，主要體現在一是電極的蒸鍍質量上，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 結論

（1）通過增加絕緣外延結構的微電池，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膠相結合的應用技術，并經過充分老化工藝后，微電池的電性能會有很大的提高；（3）漏電問題仍舊存在，需要在電極結構設計和互聯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.