專利名稱：高光電轉換效率的p-n結硅光電二極管的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有高光電轉換效率的p-n結硅光電二極管，可用于制造具有高靈敏度的光探測器和高效太陽能電池。
p-n結二極管器件是最簡單的光電器件。半導體有吸收光并使光子轉換成光生載流子(電子、空穴對)的特點，由于p-n結處存在著自建電場，光照在半導體上產生的光生載流子就會擴散到p-n結處的自建電場，而光生載流子就會被這個自建電場加速以形成光生電流。p-n結二極管就是依靠著其自建電場使光轉換成電流，因此p-n結器件可用于制造光探測器和太陽能電池。
p-n結光探測器已經進入商業應用領域，現有p-n結光探測器的弱點是其對光特別是長波長(紅外波段)的光吸收率不高，因此現有p-n結光探測器對光特別是紅外光的光電轉換效率比較低，另外，較低光電轉換效率的p-n結也使得p-n結太陽能電池的轉換效率不高。
本發明的目的就是為了克服現有p-n結硅光電器件的弱點，而提供了一種具有高光電轉換效率的p-n結硅光電二極管，使器件吸收更多的光，使更多的光子轉化成光生載流子(電子、空穴對)，從而增大p-n結的光電轉換效率，以提高光探測器的靈敏度和太陽能電池的效率。
本發明“高光電轉換效率的p-n結硅光電二極管”的結構是在硅襯底表面附近形成的p-n結的上方或下方存在一具有高熱穩定性的缺陷層。
上述所說的熱穩定性的缺陷層是通過向硅襯底注入氫離子，并經退火而在硅表面下形成的。這一技術是本發明的發明人李建明先生研制成功的，并于1989年發表在“應用物理快訊”上，該技術的名稱為“缺陷層上的硅(Silicon on defect layer)簡稱為SODL[Jianming Li，Appl.Phys.Lett.，55，2223(1989)]。SODL內的缺陷層是由非常多的缺陷組成，這就使這個缺陷層接近無序非晶層，而非晶吸收光的效率比單晶大很多[P.J.Zahzucchi，et al.，J.Appl.Phys.，48，5227(1977)]，因此，具有這種缺陷的硅片比單晶硅片吸收更多的光并轉換出更多的光生載流子，同時，這種缺陷層具有很高的熱穩定性，在制備p-n結的熱處理過程中保持穩定而不消失。
在硅襯底表面下形成缺陷層后，接著再利用p-n結二極管的通常制備技術制備p-n結二極管，通過選擇不同的制備條件，控制p-n結的結深，從而制得了p-n結可以在缺陷層的上方或下方的高光電轉換效率的p-n結光電二極管。這里所說的硅襯底可以是n型的，也可以是p型的材料。
本發明由于采用了這種新型的p-n結結構，制備出了具有明顯高的光電轉換效率的p-n結光電器件。因為缺陷層具有高的熱穩定性，在制備p-n結的熱處理過程中，能夠保持穩定而不消失，使器件能吸收更多的光，使更多的光子轉換成光生載流子，這樣就可增大p-n結的光電轉換效率，可以提高光探測器的靈敏度和太陽能電池的效率。
以下結合附圖和實施例具體描述本發明
圖1為p-n結在缺陷層上方的硅光電二極管的結構剖面圖。
圖2為p-n結在缺陷層下方的硅光電二極管的結構剖面圖。
圖3為本發明的一個p-n結硅光電二極管的伏安特性曲線示意圖。
圖4為p-n結二極管的光生電流頻譜響應曲線。
其中a為缺陷層附近的p-n結二極管的光生電流頻譜響應曲線。
b為附近沒有缺陷層的p-n結二極管的光生電流頻譜響應曲線。
圖中1-硅襯底 2-缺陷層 3-p-n結 4-表面層實施例1在電阻率ρ＝8-10Ωcm的n型(100)晶向的硅襯底(1)上，采用前面所述李建明先生所研制并已公開發表的技術，在硅襯底(1)上制備具有熱穩定性的缺陷層(2)。主要工藝條件H+注入劑量為2.8×1016H+/cm2，能量為180kev，在900℃快速退火10秒，再采用常規退火條件為1180℃，20分鐘，在硅襯底表面下0.6μm處形成缺陷層(2)。再采用本專業技術人員熟知的p-n結形成技術，制備p-n結，如采用在1050℃下進行硼擴散40分鐘，就可制得結深在襯底表面下0.8μm處的p-n結(3)，這就構成了p-n結在缺陷層下方0.2μm處的情形，具體結構如圖2所示。
圖3給出了實施例1所制得的p-n結在缺陷層下方的光電二極管的伏安特性曲線，由圖3可以看出缺陷層附近的p-n結光生電流頻譜響應曲線，b曲線給出了上述p-n結在附近沒有缺陷層存在的情況下的光生電流頻譜響應曲線。由圖4可知，在6000埃波長光的照射下，常規方法制得的p-n結二極管產生了3.6×10-6安培的光生電流(見b曲線所示)，而缺陷層附近的p-n結二極管產生了7.0×10-6安培的光生電流(見a曲線所示)。由圖4也知，在其它波長的光照射下，缺陷層附近的p-n結二極管也同樣比常規的p-n結二極管產生更多的光生電流，由此可見，缺陷層附近的p-n結二極管能產生更多的光生電流。
實施例二在電阻率ρ＝10-12Ω·cm的p型襯底上，采用與實施例1相同的方法和工藝條件制得缺陷層(2)在襯底(1)表面下0.6μm處，再在950℃下進行磷擴散15分鐘，形成p-n結(3)在硅表面下0.4μm處，具體結構如圖1所示。
對此實施例所制得的p-n結二極管的測量分析，也得出如圖3、圖4所類似的結果。
顯而易見，根據本發明的結構和實施例的上述具體描述，對于本專業的技術人員是很容易在n型或p型不同的硅襯底上，制備出如圖1或圖2所示結構的p-n結光電二極管的。這類p-n結二極管都有圖3，圖4中曲線所示的結果。即p-n結附近有缺陷層的p-n結二極管比p-n結附近無缺陷層的p-n結二極管具有明顯高的光生電流，這是由于缺陷層吸收更多的光，并產生更多的電子、空穴對，從而有更高的光電轉換效率的緣故。
權利要求
1.一種用于光電轉換的p-n結硅光電二極管，其特征在于在硅襯底表面附近形成的p-n結的上方或下方存在一具有高熱穩定性的缺陷層。
2.根據權利要求1所述的p-n結硅光電二極管，其特征在于所說的硅襯底可以是n型的，也可以是p型的。
全文摘要
本發明涉及一種具有高光電轉換效率的P-N結硅光電二極管器件，其特點是在P-N結附近的上方或下方存在一具有高熱穩定性的缺陷層。由于缺陷層能吸收更多的光而產生更多的光生載流子，從而使這種P-N結硅二極管產生更大的光生電流，實現高的光電轉換效率，提高光探測器的靈敏度和太陽能電池的效率。
文檔編號H01L31/103GK1056188SQ9110378
公開日1991年11月13日 申請日期1991年6月8日 優先權日1991年6月8日
發明者李建明 申請人:中國科學院半導體研究所