CN101919054A - 在太阳能电池中使用3d集成衍射光栅 - Google Patents
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Abstract
提出了一种包括波长选择吸收层的叠层的多结光电子器件。所述吸收层中的每一个包括第一层，所述第一层具有特定栅距的光栅，所述特定栅距限定将要在下伏的第二电活性层自身内吸收的入射光的波长，所述第二电活性层位于第三电惰性层上。不同吸收层内的所述第二电活性层与横向接触电连接，以提取通过在所述活性层内的被吸收的入射光产生的电荷载流子。通过特定宽度的周期性条带限定所述吸收层的所述第一层内的所述光栅，所述特定宽度依赖于通过各吸收层吸收的波长。通过所述光栅的所述栅距限定条带排列的周期。有利地，可以使用普通的硅技术。
Description
技术领域
本发明涉及包括波长选择吸收层的叠层的多结光电器件。此外，涉及包括一个或多个这种多结光电器件的集成电路。还涉及这种多结光电器件的制造方法。
背景技术
在太阳能电池中使用光电效应来产生能量是满足对“绿色”形式的能量的要求的最有前景的方法之一。由于太阳能电池的效率的现有世界记录为约38％但却是非常昂贵的芯片，因此强烈需要改进，尤其是用于降低制造成本。太阳能电池的研究领域接近于与用于为了光通信的目的而检测光所使用的光电器件有关的研究领域。常规太阳能电池中的半导体同时执行两个过程以产生光伏效应：光的吸收和电荷(电子和带正电荷的被称为“空穴”的物类)的分离。通过将电子从价带激发到导带，半导体吸收具有高于带隙的能量的光子，留下带正电荷的空穴。如果能够在其自发复合之前分离这些受激态电荷载流子，则可以产生为负载提供电力的电压和电流。然而，多种能量损耗机理复杂化且限制了能量产生潜能。首先，低于半导体带隙的光能仅仅通过而未被利用，这代表一种显著的损耗。其次，当通过具有大于带隙的能量的光子将电子激发到导带时，电子将失去作为热量的能量(光生载流子的热能化)，直到电子的能量被减小到带隙能量。该能量损耗被称为“过激发能量”。最后，处于其受激态的电子将自发返回到其基态，并且在此过程中将能量释放为热或光。该现象已知为光生电子-空穴对的复合。这些损耗一起将硅半导体限制为33％的最大可实现效率，或者在特定情况下最高为38％。作为由从电池的前表面反射、被电接触遮蔽、以及在半导体/电极结处的欧姆损耗而导致的光损耗的结果，现今的常规单结硅太阳能电池呈现11-18％之间的效率。
光子能量在较高波长下降低。当使用硅材料时，光子能量仍足以产生自由电子时的最大波长为1.15μm。利用更大波长的辐射仅仅导致太阳能电池的发热而不产生任何电流。因此即便在较小波长下许多光子也不产生任何电子-空穴对，但它们仍引起太阳能电池温度的升高。
硅基技术的成本很大程度上在于材料。由于硅是相对差的光吸收体，电池相当厚(～200-400μm)，因此使用大量的高质量硅。薄膜太阳能电池的使用有可能将材料成本最多降低为常规太阳能电池的1/80。由于单独的电池是通过切穿硅晶体或硅锭而制成，附加的材料损耗(已知为切损)与切割相关联。为了产生互连而进行的批处理以及高的材料和制造设备成本进一步增加了固定成本。在伴随着常规太阳能技术的低的光吸收和高的材料成本情况下，在二十世纪七十年代出现了薄膜作为潜在的解决方案，其使用较少的硅(非晶硅)或完全为新的半导体材料(例如碲化镉(CdTe)、铜铟镓的二硒化物(CIGS)或硫化镉(CdS))以及透明导电氧化物。用于航天应用的包括InGaP/InGaAs/Ge的较高效率三结电池已实现了28％的效率。然而，这些新的半导体需要真空沉积，这使得制造成本成倍增加。由此，虽然降低了原材料成本，但所有的薄膜技术仍然复杂且昂贵。为此，在过去的二十年，薄膜太阳能电池技术已从有前景的研究状态(约8％的效率)转变为低量制造设备。
现在，光学技术集中于片上光子集成电路。目前这样的事实限制了直接在芯片上的光学IO或光学片至片通信，即，光探测器在互补金属氧化物半导体(CMOS)集成电路(IC)上的实现极具挑战性。在文献中找到几种途径来将光探测器集成到商业IC工艺中。这几种途径的范围从在遍及用作探测器的深沟槽存储器基元的工艺中可得的用PN(正-负)结实现的片上光电二极管到其中在芯片的顶上设置附加的半导体层(例如锗)的混合实现法。
硅是仅用于非常短波长探测器的可用半导体。CMOS工艺或更好的BICMOS工艺提供了全范围的可用作探测器的PN结。通过PN结产生的耗尽区是产生太阳能电流的前提。耗尽区越大，探测器的敏感区越大，并且通过入射光产生的电子-空穴对越多。轻掺杂硅(本征区)的使用引起对重掺杂硅的更大耗尽区。该耗尽区还受到从外部对PC接触或者P和N接触的预负载施加的电压的影响。PC接触也用于防止衍射光栅的负载，并由此避免光栅效率的降低。这使得对垂直驻波的优化成为可能。劣化的光栅效率会导致驻波强度的移动最大量。
一般而言，使用诸如“双应力衬里”或“掩埋硅锗”的应变硅技术来通过在原子结构上引入拉伸或压缩应力而改善P-MOS和N-MOS晶体管(p或n型金属氧化物半导体晶体管)的切换特性。对于光电子器件而言，应变硅的使用将通过增大原子距离的拉伸应变而减小带隙。这使得该材料对不适合无应变的硅探测器的波长的敏感度提高。这增加了该材料的吸收。应变硅可用于标准SOI技术，因此不需要工艺修改。
在US6891869中描述了这样一种器件，其包括在垂直叠层中设置的多个不同的波长选择活性层，具有与所述活性层的带对准且功函数设计的横向接触，由接触-绝缘体和导体-绝缘体构成。由活性层选择性吸收或发射不同能量的光子。在每个层或具有相同参数的层组的横向侧上分离地设置接触工具，以提取在光子吸收层中产生的电荷载流子和/或向光子发射层中注入电荷载流子。所需的层比较厚，未被优化用于薄膜层。并且该器件不使用任何设备来集中光能且不使用任何共振结构。
在US2007/0041679中描述了集成光信号波长解复用器，其可同时解复用和检测光信号。该集成器件的特征在于用于承载光信号的波导结构、紧邻波导结构的光电探测器、以及与光电探测器集成的波长限制光栅结构。该光栅结构被制造在光电探测器内且用于将仅仅被选择的波长传送到光电探测器。
发明内容
鉴于以上情况，本发明的一个目的是开发一种光电子器件，其基于用于集成电路制造的标准工艺，同时优化其效率且降低其成本。
根据本发明，通过一种包括波长选择吸收层的叠层的多结光电子器件实现该目的。所述吸收层中的每一个包括第一层，所述第一层具有特定栅距(pitch)的光栅，所述特定栅距限定将要在下伏的第二电活性层自身内吸收的入射光的波长，所述第二电活性层位于第三电惰性层上。不同吸收层内的所述第二电活性层与横向接触电连接，以提取通过在所述活性层内吸收的入射光产生的电荷载流子。
根据本发明的多结光电子器件的第一实施例的特征在于，通过特定宽度的周期性条带限定所述吸收层的所述第一层内的所述光栅，所述特定宽度依赖于将通过各吸收层吸收的波长。通过所述光栅的栅距限定所述条带排列的周期。
在根据本发明的一个实施例中，通过以可变的浓度掺杂的区域限定所述吸收层内的所述活性层，以便在所述条带之下的区域对应于第一区域，所述第一区域的掺杂浓度比在所述第一区域之间的第二区域的浓度低至少一个数量级。通常通过某种玻璃状材料使所述第一层的所述条带与所述第二电活性层的所述第一区域电隔离。用于所述第一区域的掺杂剂可以为p型或n型，而对于整个活性层则相同。用于所述活性层内的所述第二区域的掺杂剂被选择为交替地具有p型和n型。可能地但不必需地，在所述不同吸收层的所述第一层内的所述光栅被抗反射涂层覆盖。可以在所述吸收层的所述第一层内沉积某种电惰性填充材料以均衡所述第一层。这通常通过覆盖已经可能地但不必需地被所述抗反射涂层覆盖的所述光栅自身而实现。
在根据本发明的可选实施例中，所述吸收层被具有特定宽度的电惰性间隔层覆盖，所述特定宽度适于沿与包括所述吸收层的平面垂直的方向产生驻波。这些驻波来自入射光波的叠加，该叠加可能地但不必需地与被反射的光波组合。
在根据本发明的有利的备选方案中，所述多结光电子器件基于硅技术，以便所述电惰性层用某种玻璃状材料制成，所述玻璃状材料可能地但不必需地为氧化硅(SiO2)。那么所述条带用多晶硅制成，并且所述第二电活性层由相应地掺杂的硅制成。所述抗反射涂层可以由SiNi制成。在一些实施例中，在所述吸收层的所述第一层内的所述光栅用在邻近所述光栅的所述第二电活性层上引起拉伸应变的某种材料制成。
在根据本发明的另一可选实施例中，所述光栅由周期性多条带(poly-stripes)限定，所述多条带的周期(称为a)等于所述光栅的栅距。所述多条带自身由以第二周期(称为b)沿其长度周期性变化的宽度限定。对两个周期参数(a和b)进行优化，以最大化来自入射光的两个偏振S和P的吸收。所提出的有利设计被优化用于超薄膜太阳能电池的应用，该超薄膜太阳能电池使用到所述电活性硅吸收层中的瞬逝耦合。每个层被设计为与特定波长相互作用，包括被优化为向包括耗尽区的超薄(～100nm)的电活性层提供瞬逝耦合的光栅滤波器。
本发明还涉及一种集成电路，其包括一个或多个如上所述的多结光电子器件。本发明还涉及一种多结光电子器件的制造方法，其包括制造如上所述的波长选择吸收层和层叠具有不同栅距的多个这种吸收层以相应地吸收不同波长的入射光的步骤。
在从属权利要求、以下描述和附图中说明对本发明的有利发展。
附图说明
下面将参考附图进一步解释本发明的示例性实施例，在附图中：
图1示意性示出沿着根据本发明的波长选择吸收层的叠层的深度的截面图；
图2a示出对不同波长的吸收曲线；
图2b示出由多条带制成的二维光栅的示意性顶视图；
图3a-3c示意性示出根据本发明的几个条带的截面图；
图4示意性示出沿着图1的叠层的与其垂直的深度的截面图；
图5a示出图1的叠层的截面图；
图5b、5c示出图1的叠层的顶视图；
图6a示意性示出四个来自图7的叠层的顶视图；以及
图6b示意性示出根据本发明组装的四个来自图6a的叠层的顶视图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的波长选择吸收层1的叠层的截面图。该截面图是沿该叠层的几乎在其边界处的生长轴截取的，以至少部分地示出横向电接触。横向电接触被设置在每个波长选择吸收层1的顶部处，并由三维金属互连2构成，该互连2被电连接到具有倒梯形状形状的金属接触3a，以便提取由所吸收的入射光产生的电荷载流子。
每个波长选择吸收层1相应地由具有光栅5的第一层4构成，该光栅5的栅距限定被该吸收层1吸收的入射光的波长。有利地，按不同的值选择如图1所示的层叠在一起的不同吸收层1的光栅的栅距，以便以优化的方式覆盖入射光中的所关注的波长光谱。依赖于所使用的材料和层叠在一起的波长选择吸收层1的数目，相应地限定对栅距的选择。图2a示出对于入射光和不同栅距(即，对于基于由多条带制成的二维衍射光栅的可能实施例，栅距a和b)以及该二维光栅的不同宽度(即，a1、a2和b1，如图2b所示)的不同吸收曲线。根据要吸收的入射波长来进行对栅距和宽度的选择。一般而言，二级衍射光栅不是所要求的预备(preliminary)，但其匹配强度最大点数目和给定工艺的最小特征尺寸。通过二级衍射光栅，可以通过强度最大点供给耗尽区的最大值。优化后的设计在每个耗尽区具有最大强度。
图1所示的每个波长选择吸收层1上的光栅5被某种抗反射涂层6覆盖，以避免过多的入射光在光栅表面上被反射而对电荷载流子的产生没有贡献。可以设想仅仅为该叠层中的第一个或第一顶部光栅中的一些提供该抗反射涂层6，这是因为从叠层深处的波长选择吸收层反射的入射会至少部分地对位于其上方的吸收层内的电荷载流子的产生有贡献。并且，从抗反射涂层6突出的一些接地接触3b被电连接到光栅，以确保不会发生可能由入射辐射引起的静电现象。
为了均衡每个波长选择吸收层的顶部，在第一层4内的光栅5上方沉积电惰性(inactive)填充材料10。每个吸收层1的光栅5自身在下方邻近电活性的第二层7。严格地说，这是其中吸收用于太阳能电池的入射光(通常为太阳光)的层。具有其各自的栅距的每个光栅5作为衍射滤波器而对入射光的光谱的各自的波长作用，从而对应波长的光被集中在光栅边界下方的第二层7内。该区域近似地对应于耗尽区8的极限，该耗尽区8被局限在光栅之下的第二活性层7内。通过以这样的浓度掺杂而获得该耗尽或第一区域，该浓度比第一区域之间的第二区域的浓度低至少一个数量级。活性层7可能但不必需地敷设在第三电惰性层9上。在光栅5的正下方和第二活性层7的上方设置某种电惰性层14。
图1示出了可以在不同的波长选择层1之间设置特定宽度的某种电惰性间隔层11。可以通过依赖于在与包括吸收层的平面垂直的方向上产生的驻波而选择构成该间隔层11的层12的不同数目，来获得不同的宽度。这些驻波来自可能地但不必需地与在叠层中的部分层处反射的光波组合的入射光波的叠加。该间隔层11中的单层12的宽度由所使用的材料和制造工艺给出。
可以使用现有的制造工艺以不同的方式获得不同的波长选择吸收层1的层叠。通常，间隔层由某种玻璃状材料制成，即，由氧化硅(SiO2)制成。因此，对叠层的回火(热处理)将实现使所有吸收层1胶粘为叠层。
一般而言，用于光栅的材料的选择依赖于成本因素且可能基于硅技术。在该情况下，所有的电惰性层，即，第一层4内的填充材料10、电绝缘14、第三电惰性层9和电惰性间隔层11，都是由氧化硅制成。光栅5自身可以由多晶硅(PC)制成，而抗反射涂层6可以由SiNi制成(参见图3a)。但可以在本发明的范围内选择其他材料。第二活性层7由相应地掺杂的硅制成。与所选择的掺杂剂材料无关地，对应于耗尽区8的第一区域可以为p型或n型，但对于整个第二活性层7是相同的，如图3c所示。在第一区域8之间的第二区域13的掺杂剂可以交替地为p型和n型。图3a和3b示出具有第二活性层7和下方的第三电惰性层9的光栅5的示意性截面图。在活性层7内直接在光栅5的下方的是被轻掺杂或者为p型或n型且对应于耗尽区8的区域。在其之间是交替地为p或n型的重掺杂(即，p+或n+)区域13(参见图3c)。
图3b示出光栅5的详细截面图。具有栅距P的光栅5由宽度为w且高度为hp的纵向条带构成，并且条带的顶部稍小于紧邻第二活性层7的底部，以便构建具有由制造条件导致的梯形状界面的条带。这些条带通过某种惰性薄层14而与第二活性层7电隔离，该惰性薄层14可能由氧化硅制成。第二活性层7内的耗尽区8由耗尽宽度d和沟道高度hs限定，其中耗尽宽度d稍大于条带14的宽度w，沟道高度hs近似地对应于第二活性层7的厚度。不仅栅距p，而且可能地光栅的宽度w和高度hp，都可被优化以在下伏的第二活性层7内衍射某种特定波长的入射光的最大值。如果耗尽区8尽可能大，便可以有利地吸收相应地产生将被电接触提取的电荷载流子的最大值的光最大值。
图4示出了跨构建光栅5的条带的长度的图1的波长选择吸收层1的叠层的截面图。在每个波长选择吸收层1内的金属接触3都在其间通过3d金属互连2而被互连在叠层两侧。图4中可以清楚地看到，不同的条带5被抗反射涂层6覆盖。在光栅下方示出了具有耗尽区8的第二活性层7，耗尽区8在条带的几乎整个长度下方。第二活性层7被敷设在第三电惰性层9上，同时在不同的波长选择吸收层1之间设置可能具有不同宽度的电惰性间隔层11。
图5b和5c示出了图1的波长选择吸收层的叠层的顶视图。在左侧去除3d金属互连2，以能够在单个集成电路(参见图5a的截面图)上组装多个叠层。在叠层的右侧示出了具有3d金属互连2的开始的不同金属接触3。还可以看出构建光栅5的不同平行条带，同时去除了电惰性填充材料10以示出在条带之间的第二活性层7的顶部。为图5a至5c所示的实例选择硅基技术。图5b是一维光栅实例。图5c是根据本发明的二维光栅实例且用于图2a和2b中的吸收曲线。
图6a至6c示出了根据本发明的备选光栅，其由周期性多条带(poly-stripes)15(如图5c所示的二维光栅)构成。条带之间的平均距离由参数a限定并对应于光栅的栅距。多条带15还由以周期b沿着条带的长度周期性变化的宽度确定。当入射光的S和P偏振都应被俘获时，有利地选择多条带的结构。这样的多条带15可以是基于通常的多晶硅，允许使用标准的CMOS制造工艺而不隐含工艺修改。图6a示出几个来自图5c的叠层的顶视图，其中多条带15和3d金属互连被组装在集成电路上，如图6b所示。
有利地，可以为每个波长选择吸收层1内的第二活性层7选择应变硅来替代体硅。应变硅层为所产生的载流子电荷(电子和空穴)提供更大的迁移率。使用这样的材料构建的光探测器提供高的电荷迁移率，由此提供与使用体硅进行光吸收的光探测器相比更高的响应和性能。高度电荷迁移率还转变为光探测器器件的更高光电流和更高响应度。这是因为硅上的拉伸应变减小了带隙。由此，具有更长波长的光可以被由应变硅层制成的第二活性层7吸收，如可被体硅吸收的。由于组装之后的所有活性区域的金属接触和互连的数目和位置，金属互连的引起断裂接触的潜在缺陷和差的加工不会损害设计。每行一个有效接触(参见图6b)就足以通过在该行内收集所有由入射光产生的电荷。
参考标号列表：
1 波长选择吸收层
2 3d金属互连
3 3a；3b金属接触
4 第一层
5 光栅
6 抗反射涂层
7 第二活性层
8 耗尽区
9 第三电惰性层
10 电惰性填充材料
11 电惰性间隔层
12 11的单层
13 在第一区域8之间的高掺杂的第二区域
14 薄层
15 多条带
Claims (12)
1.一种包括波长选择吸收层的叠层的多结光电子器件，所述吸收层中的每一个包括第一层，所述第一层具有特定栅距的光栅，所述特定栅距限定将要在下伏的第二电活性层自身内吸收的入射光的波长，所述第二电活性层位于第三电惰性层上，不同吸收层的所述第二电活性层与横向接触电连接以提取通过在所述活性层内吸收的入射光产生的电荷载流子。
2.根据权利要求1的多结光电子器件，其中通过特定宽度的周期性条带限定所述第一层内的所述光栅，所述特定宽度依赖于将通过各吸收层吸收的波长，通过所述栅距限定所述周期。
3.根据权利要求1或2的多结光电子器件，其中通过以可变的浓度掺杂的区域限定所述吸收层内的所述活性层，以便在所述条带之下的区域对应于第一区域，所述第一区域的掺杂浓度比在所述第一区域之间的第二区域的浓度低至少一个数量级，同时所述第一层的所述条带与所述第二电活性层的所述第一区域电隔离。
4.根据权利要求3的多结光电子器件，其中用于所述第一区域的掺杂剂为p型或n型但对于整个活性层而言则相同，并且用于所述第二区域的掺杂剂被选择为交替地具有p型和n型。
5.根据权利要求1的多结光电子器件，其中在所述不同吸收层的所述第一层内的所述光栅被抗反射涂层覆盖。
6.根据权利要求1的多结光电子器件，其中所述吸收层被具有特定宽度的电惰性间隔层覆盖，所述特定宽度适于沿与包括所述吸收层的平面垂直的方向产生的驻波，所述驻波源自入射光波的叠加。
7.根据权利要求1的多结光电子器件，其中在所述第一层内沉积用于均衡所述第一层的某种电惰性填充材料。
8.根据权利要求1的多结光电子器件，其中其基于硅技术，以便所述电惰性层用某种玻璃状材料制成，所述条带由多晶硅制成，并且所述第二电活性层由相应地掺杂的硅制成。
9.根据权利要求1或8的多结光电子器件，其中所述吸收层的所述第一层内的所述光栅由在邻近所述光栅的所述第二电活性层上引起拉伸应变的某种材料制成。
10.根据权利要求1的多结光电子器件，其中所述光栅由周期性多条带限定，所述多条带的周期a等于所述光栅的所述栅距，所述多条带的宽度以周期b沿其长度周期性变化，两个周期参数a和b都被优化，以最大化来自所述入射光的两个偏振S和P的吸收。
11.一种集成电路，其包括一个或多个根据前述权利要求中的任何一项的多结光电子器件。
12.一种多结光电子器件的制造方法，包括制造波长选择吸收层的步骤，所述波长选择吸收层包括第一层，所述第一层具有特定栅距的光栅，所述特定栅距限定将要在下伏的第二电活性层自身内吸收的入射光的波长，所述第二电活性层位于第三电惰性层上，不同吸收层的所述第二电活性层与横向接触电连接以提取通过在所述活性层内吸收的入射光产生的电荷载流子，所述制造方法还包括层叠具有不同栅距的多个这样的波长选择吸收层以相应地吸收不同波长的入射光的步骤。
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