一種光電轉換結構的制作方法

本發明涉及一種具有寬光譜響應、高吸收率的光電轉換結構。

背景技術：

光電轉換技術的理論基礎源于光電效應，它是研究以光子作為信息載體和能量載體的科學。光電效應包括內光電效應和外光電效應，其中內光電效應包括光生伏特效應和光電導效應，所謂光生伏特效應是指光照使得不均勻半導體或者半導體與金屬組合的不同部位之間產生電位差的現象；所謂光電導效應是光照作用下電子吸收光子能量從鍵合狀態過度到自由狀態，使得材料電導率發生變化的現象。利用光生伏特效應制造的光生電電池廣泛應用于宇宙開發、航空運輸、氣象觀測、通訊設備、信號指示等領域；利用光電導效應制造的光電探測器廣泛應用于制導、安檢、藥物鑒定、監視、成像等領域。

提高光電轉換效率是光電轉換技術中亙古不變的主題，例如：太陽能發電正在給人類的能源消費結構帶來革命性變化，未來將會發展為與現代化石能源相比擬的重要支撐性能源，然而太陽能發電成本較高，且光電轉換效率不盡人意，使得太陽能光伏發電的大規模應用受到限制；另外，現有光電探測器存在響應光譜范圍窄的缺陷，且光電轉換效率亟待提高，傳統的ptsi/p-si肖特基紅外探測器主要工作在中紅外波段(3～5μm)，集成黑硅的msm型探測器也只能在近紅外波段有較好的吸收響應，上述不足使得窄帶響應光電探測器不能滿足工程的需求。故而，發展寬光譜、強吸收、高響應的光電探測系統，成為了光電探測領域重要研究方向之一，

減少反射損失、實現對光的高效吸收是提高光電轉換效率的一個重要途徑；同時，拓寬光電轉換結構的響應光譜不但可以提高對光的利用效率，而且可以拓寬光電轉換結構的應用范圍領域。因此，亟需一種在寬光譜范圍內能夠實現強吸收、高響應的光電轉換結構。

技術實現要素：

鑒于現有技術的需求，本發明所要解決的技術問題在于提供一種具有高光電轉換效率的光電轉換結構，本發明利用黑硅的陷光效應并在黑硅的陷光結構上構建非平面結構反射光腔，以最大程度提高光線在器件結構內經過的光程，從而提高光利用率；利用p型硅、黑硅、ptsi材料不同的吸收響應光譜，使得本發明結構在寬光譜范圍內能夠實現強吸收、高響應，進而解決了現有光電轉換結構響應光譜窄、光電轉換效率低的問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種光電轉換結構，包括：p型硅襯底層，ptsi薄膜層，熱空穴反射介質層和電極層，所述p型硅襯底層表面設有尖錐狀微納陣列形成黑硅層；所述黑硅層表面由內至外依次設有ptsi薄膜層、熱空穴反射介質層和電極層形成非平面微結構；其中，黑硅層與ptsi薄膜層形成肖特基結，ptsi薄膜層、熱空穴反射介質層和電極層三者形成反射光腔。

進一步地，本發明光電轉換結構還包括設置于p型硅襯底層背面的抗反射膜層；抗反射膜層可以增加結構的通光量，抗反射膜的厚度可根據實用需求進行合理設計，根據本發明實施例，在響應波長范圍為0.4μm～5μm時，取中心波長為2.7μm，若材料折射率為1.5，則根據計算可得在0.4μm～5μm的響應波長范圍內為實現最大增透效果，抗反射膜層的厚度應為450nm。

進一步地，為了降低入射光在到達黑硅層之前的損失，同時滿足對短波長范圍內的光子激發，本發明中p型硅襯底層的厚度為1～10μm。

本發明具有尖錐狀微納陣列的黑硅層實際上是一種非平面陷光結構，通過黑硅的陷光效應，使得光線在陷光結構中經過多次的反射，提高通過的光程，以提高光利用效率，進而增加光吸收率；而在p型硅襯底層上制備得到的尖錐狀微納陣列趨于可控，其形狀大小可以通過工藝控制，本發明中黑硅層的微納陣列中任一尖錐的底面直徑不小于0.5μm，任一尖錐的高度不小于2μm。

進一步地，任一尖錐的高度與底面直徑之比不小于5∶1。

本發明中ptsi薄膜層直接設置在黑硅層的陷光結構表面，與黑硅形成肖特基勢壘，為使ptsi層中受光子激發產生的熱空穴順利越過勢壘，ptsi薄膜的厚度應小于空穴在其中的平均自由程，因此，本發明中ptsi薄膜層的厚度不大于50nm。

為了阻擋ptsi薄膜層中的熱空穴擴散，提高空穴注入p型硅襯底的效率，本發明優選熱空穴反射介質層的材料為si3n4。

根據本發明實施例，本發明中電極層的材料為鋁(al)；為了能夠保證鋁作為電極層用于傳導光生載流子、同時也能作為反射層同ptsi薄膜層和空穴反射介質層形成非平面微結構的反射光腔，進而使光線經過多次反射，以吸收更多的光能，故作為優選實施方式，本發明中鋁電極層的厚度不小于100nm。本發明提供的光電轉換結構可用作光電探測器或者太陽能電池。

本發明的原理如下：

本發明中黑硅和ptsi形成的肖特基勢壘將因光電導效應產生的空穴和電子分別在黑硅、ptsi中囤積，形成自建電場，產生光生伏特效應，同時，兩邊的載流子可通過電極引出，形成電流。

為提高光電轉換效率，本發明首先通過合理設計結構提高光吸收率，其中主要通過以下三種途徑：(1)在p型硅襯底層的背面設計抗反射膜層，確保光線在進入結構之前就具備較大的通過量，以為后續的吸收提供光輻射量；(2)通過在p型硅襯底層上設計尖錐狀微納陣列形成黑硅層，不僅增大了結構的有效吸收表面積，還使得光線在尖錐狀微納陣列之間進行多次反射，提高光線行程，提高了光吸收率、增加光電轉換的幾率；(3)通過黑硅層上的ptsi薄膜層、熱空穴反射介質層和電極層這三者形成非平面結構反射光腔，增加光線的傳輸光程，黑硅陷光結構的基礎上二次提高反射產生的光吸收利用，大大減少了光線因漏出產生的能量損失，以吸收更多的光能、增加光電轉換的幾率。

除此之外，本發明還通過以下技術手段拓寬光電轉換結構的響應光譜：由于本發明中p型硅材料、黑硅材料、ptsi材料具有不同的禁帶寬度，光線在經過不同的材料層時，其不同波段的光被不同材料分別吸收響應，因此該光電轉換結構的總吸收響應光譜得到了拓寬，從而實現了寬光譜范圍內的吸收響應；進一步地，黑硅在制備過程中引入的雜質能級使得黑硅的禁帶寬度進一步降低，能夠使得進一步地拓寬吸收響應光譜范圍。p型硅材料多對應短波段的吸收響應光譜，多見于1.1μm內的可見光和近紅外；黑硅材料多對應中波段的吸收響應光譜，多見于1.1μm～5μm的近中紅外；ptsi材料多對應長波段的吸收光譜，多見于3μm外的中遠紅外。其分段吸收響應可以參見附圖3。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

本發明通過分段吸收響應，拓寬了光譜的響應范圍，進而拓寬了本發明的應用范圍，能夠解決現有技術光電探測器響應光譜窄的問題；本發明通過陷光效應和非平面微結構光反射腔提高了光的吸收率和利用率，根據說明書附圖4中可以看出：本發明黑硅材料不摻雜的情況下，通過此新型結構已可極大提高光吸收率。因此，本發明所提供的光電轉換結構能夠在寬光譜范圍內實現強吸收、高響應，可廣泛應用于光生電技術中，例如太陽能電池技術以及光電探測器技術。

附圖說明

圖1為本發明光電轉換結構的示意圖；

圖2為本發明光電轉換結構通過黑硅陷光結構(粗箭頭)和光腔結構(細箭頭)增強吸收效率的示意圖；

圖3為本發明光電轉換結構寬光譜分段響應的示意圖；

圖4為本發明具體實施例在0.4～1.7μm波段的吸收率、透射率、反射率仿真曲線；

其中，1為抗反射膜層，2為p型硅襯底層，3為黑硅層，4為ptsi薄膜層，5為熱空穴反射介質層，6為電極層。

具體實施方式

以下結合本發明具體實施例和說明書附圖對本發明原理進行詳細說明：

實施例：

如圖1所示為本光電轉換結構具體實施例的結構示意圖，包括：設置于p型硅襯底層2背面的抗反射膜層1以及設于p型硅襯底層2表面的尖錐狀微納陣列形成的黑硅層3，所述黑硅層3表面由內至外依次設有ptsi薄膜層4、熱空穴反射介質層5和電極層6形成非平面微結構；其中，黑硅層3與ptsi薄膜層4形成肖特基結，ptsi薄膜層4、熱空穴反射介質層5和電極層6三者形成反射光腔。

具體地，本實施例中p型硅襯底層2的厚度為2μm；

具體地，本實施例中黑硅層3的微納陣列中尖錐的底面平均直徑為1μm；尖錐的高度為5μm；尖錐的高度與底面直徑之比為5∶1；

具體地，本實施例中ptsi薄膜層4的厚度為50nm。

具體地，本實施例中熱空穴反射介質層5的材料為si3n4，其厚度為50nm；

具體地，本實施例中電極層6的材料為al，其厚度為100nm。

本發明實施例所提供的光電轉換結構能夠提高光吸收率，其主要通過以下三種途徑：

(1)在p型硅襯底層的背面設計抗反射膜層，確保光線在進入結構之前就具備較大的通過量，以為后續的吸收提供光輻射量；

(2)通過在p型硅襯底層上設計尖錐狀微納陣列形成黑硅層，不僅增大了結構的有效吸收表面積，還使得光線在尖錐狀微納陣列之間進行多次反射，提高光線行程，提高了光吸收率、增加光電轉換的幾率；

(3)通過黑硅層上的ptsi薄膜層、熱空穴反射介質層和電極層這三者形成非平面結構反射光腔，增加光線的傳輸光程，在黑硅陷光結構的基礎上二次提高反射產生的光吸收利用，大大減少了光線因漏出產生的能量損失，以吸收更多的光能、增加光電轉換的幾率。

如圖2所示，其中粗箭頭表示通過黑硅陷光結構的光線，細箭頭表示通過光腔結構的光線，如上所示通過這兩種方式均能達到增強吸收效率的目的。

另一方面，如圖3所示，本發明采用分段吸收響應，由于本發明中p型硅材料、黑硅材料、ptsi材料具有不同的禁帶寬度，其中黑硅在制備過程中引入的雜質能級使得黑硅的禁帶寬度進一步降低，光線在經過不同的材料層時，其不同波段的光被不同材料分別吸收響應，因此該光電轉換結構的總吸收響應光譜得到了拓寬，從而實現了寬光譜范圍內的吸收響應。進一步地，p型硅材料多對應短波段的吸收響應光譜，多見于1.1μm內的可見光和近紅外；黑硅材料多對應中波段的吸收響應光譜，多見于1.1μm～5μm的近中紅外；ptsi材料多對應長波段的吸收光譜，多見于3μm外的中遠紅外。

圖4為本發明具體實施例在0.4～1.7μm波段的吸收率、透射率、反射率仿真曲線；具體地，由于仿真軟件材料庫不含ptsi的材料參數，ptsi的光學常數由儀器filmetricsf20測試獲得，因此選取測試儀器在工作波段0.4～1.7μm內進行仿真；結構參數設置如前所述；通過在結構前后設置光場探測器分別測量結構的反射率r、透射率t，通過如下利用公式計算得到該結構的吸收率：

a＝1-t-r

其中：a為吸收率，t為透射率，r為反射率。

從圖4中可以看出：本發明提出的光電轉換結構在中長波段吸收率較好，達到80％以上；同時因抗反射層厚度不能兼顧所有入射波長，在短波端因反射率略大在一定程度上影響了結構的吸收，然而依然保持在60％以上，整個波段因黑硅的陷光結構和反射光腔，透射率降低到了1％以下，可見該結構提高光吸收的效果顯著。

以上結合附圖對本發明的實施例進行了闡述，但是本發明并不局限于上述的具體實施方式，上述具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發明的保護之內。