專利名稱：硅光接收器件的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種硅光接收器件的領域，更具體而言，涉及一種由于量子局限效應具有高量子效率(quantum efficiency)的硅光接收器件。
背景技術：
圖1是作為硅光接收器件實例的太陽能電池的示意圖。參照圖1，一普通太陽能電池具有p-n二極管結構，其中一n型半導體1和一p型半導體2被連接起來以獲得和利用使光能轉換成電能的光生伏特效應(photovoltaiceffect)。用于將外部電路連接到n和p型半導體1和2的電極3和4分別形成在p型半導體2的上表面上和n型半導體1的下表面上。
參照圖2，當光入射到圖1所示p-n二極管結構并且一光子被吸收到其中時，在p-n結兩側將產生由一電子7a和一空穴7b組成的一對電子空穴。此時，電子7a向n型半導體1移動而空穴7b沿相反方向移動。因此，當作為外部電路的負載電阻5被連接到該p-n二極管結構時，根據光能被轉換為電能，電流I將流過p-n二極管結構。
典型地，硅被用作上述太陽能電池的半導體材料。具有使用硅半導體的二極管結構的該太陽能電池，在將光能轉換成電能時提供的效率較低。理論上，單晶硅具有約23％的光電轉換效率，多晶硅具有約18％的光電轉換效率，而非晶硅具有約14％的光電轉換效率。在使用上述硅的類型之一作為半導體材料的太陽能電池的實際工作中，光電轉換效率下降的更多。
發明內容
為解決上述問題，本發明的一個目的在于提供一種硅光接收器件，由于在p-n結處產生的量子局限效應，即使使用硅作為半導體材料，該器件也提供比常規太陽能電池高的多的量子效率。
為達到此目的，本發明提供一種硅光接收器件，包括一襯底，一摻雜區以及第一和第二電極。該襯底基于n型或p型硅。通過使用與襯底的摻雜劑類型相反類型的摻雜劑，該摻雜區在襯底的一面上被摻雜為具有極淺的深度。因此，對于波長在100至1100nm的光的光電轉換效應將會由襯底p-n結中的量子局限效應產生。第一和第二電極在襯底上形成以便在電學上連接到摻雜區。
優選地，形成多種尺寸的微腔(micro-cavity)從而使硅光接收器件可被用作吸收100至1100nm多種波長光的太陽能電池。
同樣優選地，該硅光接收器件還包括一在襯底的一面上形成的控制薄膜。該控制薄膜用作摻雜區形成時的掩模并有助于將摻雜區形成為具有極淺的深度。
控制薄膜可由氧化硅SiO2形成為適當的厚度從而使摻雜區能夠被形成為具有極淺的深度。
優選地，摻雜區可通過摻雜劑的非平衡擴散形成。該摻雜劑可以是硼或磷之一。
同樣優選地，在內部均產生電子空穴對的量子井、量子點和量子線中至少其一，被形成在襯底與摻雜區的p-n結處。
優選地，通過施加外部電壓，使量子井，量子點和量子線中至少其一內部的子帶能級(sub-band energy level)發生變化，從而使吸收光波長譜帶發生變化。
襯底可由Si，SiC和金剛石之一形成。
圖1是作為常規硅光接收器件實例的太陽能電池的示意圖；圖2是在圖1的p-n二極管結構中光電轉換原理的示意圖；圖3是根據本發明一實施例的硅光接收器件的示意圖；圖4A表示當通過非平衡擴散形成非常薄的摻雜區時一p-n結的結構；圖4B表示通過非平衡擴散形成在圖4A的p-n結處的縱向和橫向量子井(QW)的能帶；圖5是根據本發明另一實施例的硅光接收器件的示意圖；圖6表示在根據本發明的硅光接收器件中的光電轉換原理；以及圖7表示使用單晶硅半導體的常規太陽能電池的外部量子效率(EQE)和根據本發明的硅光接收器件在作為太陽能電池使用時的外部量子效率相比較的圖。
具體實施例方式
參照圖3，根據本發明一實施例的硅光接收器件包括一襯底11，形成在襯底11一個面上的摻雜區15，以及形成在襯底11上以便在電學上連接到摻雜區15的第一和第二電極17和19。優選地，根據本發明的硅光接收器件還包括一形成在襯底11一個面上的控制薄膜13，其用作形成摻雜區15的掩模并控制摻雜區15使之形成為具有預期的極淺厚度。在形成摻雜區15后，控制薄膜13可被選擇性地移除。
襯底11由包括例如硅(Si)，碳化硅(SiC)，或金剛石的半導體材料形成，并使用n型摻雜劑摻雜。
通過使用非平衡擴散技術將摻雜劑(如硼或磷)經過控制薄膜13的開口注入到襯底11中，使摻雜區15被摻雜與襯底11相反類型的摻雜劑，即p+型摻雜劑。
優選地，摻雜區15被摻雜為具有預期的極淺深度從而使量子井，量子點和量子線中的至少之一形成于摻雜區15和襯底11的邊界，即p-n結14處，并且隨之發生的量子局限效應能夠將波長為100到1000nm的光，優選地，波長為200到900nm的光以高量子效率轉換為電能。
這里，量子井通常形成于p-n結14處。作為選擇地，量子點或者量子線形成于p-n結14處。也可在p-n結14處形成兩個或更多個量子井，量子點和量子線。下文中，將對在p-n結14處形成量子井的情況作簡要說明。因此，即便下文中說明的是在p-n結14處形成量子井，仍必須認為量子井，量子點和量子線中至少之一被形成。
圖4A表示當通過非平衡擴散形成具有極淺深度的摻雜區15時p-n結14的結構。圖4B表示通過非平衡擴散形成在圖4A的p-n結處的縱向和橫向量子井(QW)的能帶。在圖4B中，附圖標記Ec表示導帶能級，附圖標記Ev表示價帶能級，且附圖標記Ef表示費米(Fermi)能級。這些能級在半導體相關技術領域中眾所周知，因此不對其進行詳細說明。
如圖4A和4B所示，p-n結14具有量子井結構，其中不同的摻雜層交替出現。此處，井和勢壘約為2nm，3nm。
這種在p-n結14處形成量子井的極淺摻雜，可通過最優地控制控制薄膜13的厚度和擴散條件來實現。
在擴散中，擴散分布的厚度能夠通過適宜的擴散溫度和襯底11的表面的形變勢能(deformed potential)被控制到例如10至20nm。在這樣極淺的擴散分布中，可產生量子井系統。此時，襯底11的表面的勢能通過在其初始階段的控制薄膜13的厚度和表面預處理發生形變，并且隨著擴散的進行，形變加劇。
優選地，控制薄膜13是氧化硅薄膜SiO2，其具有適當的厚度從而使摻雜區15被形成為具有極淺的深度。例如，通過在襯底11的一個面上形成氧化硅薄膜并使用光刻法蝕刻氧化硅薄膜以獲得用于擴散的一開口，控制薄膜13形成為具有一掩模結構。
如在擴散技術領域中眾所周知的那樣，如果氧化硅薄膜比適當的厚度(例如，幾千埃)厚或者擴散溫度低，空位(vacancy)主要影響擴散并且發生深擴散。如果氧化硅薄膜比適當的厚度薄或者擴散溫度高，Si自填隙原子(self-interstitial)主要影響擴散并且發生深擴散。因此，當氧化硅薄膜形成為適當的厚度使得產生的自填隙原子和空位具有相似的百分比時，Si自填隙原子和空位被結合在一起從而使摻雜劑的擴散被抵消。因此，使極淺的摻雜區成為可能。Si自填隙原子和空位的物理特性在涉及擴散的技術領域中眾所周知，因此不對其進行詳細說明。
作為選擇，襯底11可使用p型摻雜劑摻雜，摻雜區15可使用n+型摻雜劑摻雜。
為了和外部電路連接起來，第一電極17形成于其上已形成摻雜區15的襯底11的上表面上，且第二電極19形成于襯底11的下表面上。圖3表示了一實例，其中第一電極17由一不透明金屬形成從而與摻雜區15的外側面部分接觸。第一電極17也可由一透明電極材料如氧化銦錫(ITO)形成在摻雜區15的整個表面上。
代替將第二電極19形成在襯底11的下表面的是，第一和第二電極17和19也可形成在襯底11具有摻雜區15的那一面，如圖5所示。圖5中和圖3相同的附圖標記表示實際上實現相同功能的相同元件，因此不再對其進行說明。
如上所述，在根據本發明的硅光接收器件中，一量子井形成于摻雜區15和襯底11之間的p-n結14處。如圖6所示，該量子井吸收入射光以產生一對電子和空穴。在圖6中，附圖標記31表示量子井，附圖標記33表示子帶能級，附圖標記“e”表示電子，附圖標記“h”表示空穴，且附圖標記“p”表示光子。同時，附圖標記Ev表示價帶能級，而附圖標記Ec表示導帶能級。
如圖6所示，當光入射到p-n結14處且具有量子井結構的p-n結14吸收了光子p時，電子e和空穴h每個都被激發到p-n結14處的量子井內的子帶能級。因此，如果一外部電路，如圖3和5中的負載電阻18被連接的話，將流過與輻射光數量成比例的電流。
根據本發明的硅光接收器件中的吸收波長根據微腔而確定，該微腔歸因于在襯底11的表面上(實際在摻雜區15的表面上)產生的微缺陷。通過調整基于制造工藝的微腔尺寸，根據本發明的硅光接收器件中的吸收波長可被確定到一位于100至1100nm范圍內的特定波長，或者可發生變化。
當微腔形成為具有統一的尺寸時，根據本發明的硅光接收器件吸收具有特定波長的光并將吸收的光轉換為電能。當微腔形成為具有不同的尺寸時，根據本發明的硅光接收器件吸收具有大的波長譜帶的光，例如與普通太陽能電池的吸收范圍相對應的100至1100nm的光，優選200至900nm的波長譜帶，并將吸收的光轉換成電能。
微腔的產生來自形變勢能，該形變勢能歸因于形成在摻雜區15表面上的微缺陷。因此，通過調整形變勢能量子井可發生形變，從而使微腔被確定。所以，微腔的尺寸可被控制從而導致在特定或大的波長譜帶的吸收。
因此，根據本發明的硅光接收器件被形成為具有統一尺寸的微腔，從而使其能用于探測具有特定波長的光。
此外，根據本發明的硅光接收器件被形成為具有不同尺寸的微腔，能夠吸收具有大的波長譜帶的光，包括普通太陽能電池的吸收波長譜帶，如100至1100nm，優選200至900nm，從而使其能夠用作太陽能電池。
圖7表示使用單晶硅半導體的常規太陽能電池的外部量子效率(EQE)和根據本發明的硅光接收器件在作為太陽能電池使用時的外部量子效率相比較的圖。參照圖7，在200至900nm的波長譜帶中，根據本發明的硅光接收器件的平均EQE約為50％至60％，而由單晶硅形成的常規太陽能電池的EQE僅為35％。此處，200至900nm的波長譜帶常用于計算太陽能電池的效率。
從圖7中可看到，在根據本發明的硅光接收器件被制造以用作太陽能電池的情況下，根據本發明的該硅光接收器件的效率遠大于常規太陽能電池的效率。
更具體而言，在常規的太陽能電池中，使用普通摻雜方法將摻雜區形成在硅襯底上，光被吸收和散射到p型或n型摻雜層上因而不能被輸出到一垂直電極并貢獻于一響應的一電子空穴對所消滅。同時，常規太陽能電池具有間接帶隙結構(indirect band gap structure)，其中只有被摻雜層下面的耗盡層所吸收的光能夠作為電流信號被探測到而沒有量子效應，因此提供了低探測效率。
另一方面，由于電荷分布勢能(charge distribution potential)中的局部改變，使根據本發明的硅光接收器件的極淺摻雜區15產生了量子局限效應。特別是，如圖6所示，在量子井31內形成了子帶能級33，從而使光能夠以高效率被探測到。
根據本發明的具有極淺摻雜區15的硅光接收器件提供了極好的靈敏度，例如在100至1100nm的光波長譜帶中。
此外，根據外部電壓的施加，通過改變量子井的子帶能級，根據本發明的硅光接收器件能夠移動整個吸收波長譜帶。
更具體而言，可將電壓施加到第一和第二電極17和19上以控制形成在p-n結14處的量子井內的子帶能級之間的間隔。如果第一和第二電極17和19如圖2所示形成，電壓能夠被垂直地施加。如果第一和第二電極17和19如圖5所示形成，電壓能夠被水平地施加。
如上所述，當根據本發明的硅光接收器件被施加水平或垂直電壓時，形成在p-n結14處的量子井內的子帶能級能夠被改變從而移動整個吸收波長譜帶。
工業實用性如上所述，根據本發明的硅光接收器件具有在一硅襯底上的一極淺摻雜區，因而即使硅被用作半導體材料，也可在p-n結處產生量子局限效應。由于量子局限效應，根據本發明的該硅光接收器件的量子效率遠高于常規太陽能電池的量子效率。
根據本發明的硅光接收器件可被形成為能夠吸收特定或大的波長譜帶的光，并可被用作太陽能電池。
此外，根據外部電壓的施加，通過改變量子井、量子點和量子線中至少其一內部的子帶能級，根據本發明的硅光接收器件能夠移動吸收波長譜帶。
權利要求
1.一種硅光接收器件，包括基于n型或p型硅的一襯底；一摻雜區，通過使用與襯底的摻雜劑類型相反類型的摻雜劑，該摻雜區在襯底的一面上被摻雜到極淺的深度，從而使對于波長在100至1100nm的光的光電轉換效應由襯底p-n結中的量子局限效應產生；以及形成在襯底上的第一和第二電極，以便在電學上連接到摻雜區。
2.權利要求1的硅光接收器件，其中形成有不同尺寸的微腔，從而使該硅光接收器件被用作吸收100至1100nm范圍內不同波長的光的太陽能電池。
3.權利要求2的硅光接收器件，進一步包括在襯底的一面上形成的控制薄膜，該控制薄膜用作摻雜區形成時的掩模并有助于將摻雜區形成為具有極淺的深度。
4.權利要求1的硅光接收器件，進一步包括在襯底的一面上形成的控制薄膜，該控制薄膜用作摻雜區形成時的掩模并有助于將摻雜區形成為具有極淺的深度。
5.權利要求3或4的硅光接收器件，其中控制薄膜由氧化硅SiO2形成為適當的厚度，從而使摻雜區能夠被形成為具有極淺的深度。
6.權利要求1至4中任一權利要求的硅光接收器件，其中摻雜區通過摻雜劑的非平衡擴散形成。
7.權利要求6的硅光接收器件，其中摻雜劑包括硼和磷之一。
8.權利要求1至4中任一權利要求的硅光接收器件，其中在內部均產生電子空穴對的量子井、量子點和量子線中至少其一被形成在襯底與摻雜區的p-n結處。
9.權利要求8的硅光接收器件，其中通過施加外部電壓，使量子井，量子點和量子線中至少其一內部的子帶能級發生變化，從而使吸收光波長譜帶發生變化。
10.權利要求1至4中任一權利要求的硅光接收器件，其中襯底由Si，SiC和金剛石之一形成。
全文摘要
提供一種硅光接收器件。在該器件中，一襯底基于n型或p型硅；通過使用與襯底的摻雜劑類型相反類型的摻雜劑，使一摻雜區在襯底的一面上被極淺地摻雜，從而使對于波長在100至1100nm的光的光電轉換效應由襯底p－n結中的量子局限效應產生。第一和第二電極形成在襯底上以便在電學上連接到摻雜區。由于在硅襯底上的極淺摻雜區，量子局限效應產生于p－n結中。由于量子局限效應，即使硅被用作半導體材料，該硅光接收器件的量子效率也遠高于常規太陽能電池的量子效率。該硅光接收器件還可被形成為能夠吸收特定或大的波長譜帶的光，并可被用作太陽能電池。
文檔編號H01L31/0352GK1618132SQ02827874
公開日2005年5月18日 申請日期2002年10月16日 優先權日2002年2月9日
發明者李銀京, 崔秉龍, 金俊永 申請人:三星電子株式會社