CN105210197B - 高效的光电转换装置 - Google Patents

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Abstract

公开了用于实现高转换效率太阳能电池的方法、系统和装置。在一个方面，一种光电能量转换装置包括：基板，其由掺杂半导体材料形成并且具有第一区域和第二区域；多层纳米结构的阵列，其从所述基板的所述第一区域突出，其中，所述纳米结构由被形成芯‑壳结构的第二共掺杂半导体材料的层覆盖第一共掺杂半导体材料形成，所述层覆盖所述基板的第二区域中的所述掺杂半导体材料的至少一部分；电极，其形成在所述基板的所述第二区域中的被所述层覆盖的部分上，其中，所述多层纳米结构提供光学有源区，所述光学有源区能够从一个或多个波长的光吸收光子，以产生所述电极处出现的电信号。

Description

高效的光电转换装置
相关申请的交叉引用
本专利文献要求2013年3月12日提交的、名称为“HIGH CONVERSION EFFICIENCYSOLAR CELL DEVICES(高转换效率太阳能电池装置)”的美国临时专利申请No.61/777,771和2013年10月22日提交的、名称为“EFFICIENT OPTICAL TO ELECTRICAL CONVERSIONBASED ON MULTILAYERED NANOWIRE STRUCTURES(基于多层纳米线结构的有效光电转换)”的美国临时专利申请61/893,894的优先权权益。以上专利申请的全部内容以引用方式并入，成为本专利文献的公开的部分。
技术领域
本专利文献涉及使用纳米尺度半导体材料的信号放大技术。
背景技术
纳米技术使用于制造结构、器件和系统的技术或过程具有分子尺度或原子尺度的特征，例如，在一些应用中，范围是1纳米至数百纳米的结构。例如，纳米尺度器件可被构造成近似于一些大分子(例如，诸如酶的生物分子)的大小。用于形成纳米结构、纳米器件或纳米系统的纳米大小材料可表现出在尺寸较大时在相同材料中没有呈现的各种特有性质(例如，包括光学性质)并且可在大范围的应用中利用这些特有性质。
发明内容
描述了用于高效光电能量转换的技术、系统和器件，例如，这些技术、系统和器件超过根据Shockley-Queisser理论能针对单结Si实现的最高效率。
在一个方面，提出了一种光电能量转换装置。所述光电能量转换装置包括由掺杂半导体材料形成的基板，其中，所述基板包括第一区域和第二区域。所述光电能量转换装置包括多层纳米结构的阵列，所述多层纳米结构从所述基板的所述第一区域突出，其中，所述多层纳米结构由被形成芯-壳结构的第二共掺杂半导体材料的层覆盖第一共掺杂半导体材料形成。所述第一共掺杂半导体材料和所述第二共掺杂半导体材料包括电子受体掺杂物和电子供体掺杂物，其中，所述第一共掺杂半导体材料包括浓度比电子受体掺杂物或电子供体掺杂物中的另一种类型的掺杂物大的一种类型的掺杂物，所述第二共掺杂半导体材料包括浓度比所述一种类型的掺杂物大的所述另一种类型的掺杂物。所述光电能量转换装置包括电极，所述电极形成在所述基板的所述第二区域中的被所述层覆盖的部分上。所述光电能量转换装置的所述多层纳米结构被构造成提供光学有源区，所述光学有源区能够从一个或多个波长的光吸收光子，以产生所述电极处出现的电信号。
在另一个方面，描述了基于级联激子离子化(CEI)载流子倍增机制进行高效的光电信号转换和信号放大的装置和方法。示例性的CEI装置和方法可在包括光伏电池、通信和成像(还有其它应用)的各种应用中实现。在一些实现方式中，示例性的CEI装置包括由掺杂半导体材料形成的基板，其中，所述基板包括第一区域和第二区域。示例性的CEI装置包括多层纳米线结构的阵列，所述纳米线结构从所述基板的所述第一区域突出，其中，所述纳米线结构由被形成芯-壳结构的第二共掺杂半导体材料的层覆盖第一共掺杂半导体材料形成，其中，所述层覆盖所述基板的第二区域中的至少一部分。第一共掺杂硅材料和第二共掺杂硅材料包括电子受体掺杂物和电子供体掺杂物，其中，第一共掺杂硅材料包括浓度比受体掺杂物或供体掺杂物中的另一种类型的掺杂物大的一种类型的掺杂物，所述第二共掺杂硅材料包括浓度比所述一种类型的掺杂物大的所述另一种类型的掺杂物。示例性的CEI装置包括电极，所述电极形成在所述基板的所述第二区域中的被所述层覆盖的部分上。示例性的CEI装置的所述多层纳米线结构被构造成提供光学有源区，所述光学有源区能够从一个或多个波长的光吸收光子，以借助级联激子离子化(CEI)机制产生所述电极处出现的电信号。
在另一个方面，一种将光能转换成电能的方法包括：在被构造成包括掺杂半导体基板的表面上接收光，所述表面至少部分被多层纳米结构的阵列覆盖，所述多层纳米结构由被第二共掺杂半导体材料的层覆盖第一共掺杂半导体材料形成；通过所述多层纳米结构的阵列用级联激子离子化(CEI)机制将接收到的光转换成电信号，其中，所述电信号出现在所述表面的所述掺杂半导体基板上的电极；将所述电信号导向电路。
本专利文献中描述的主题可用特定方式实现，这些方式提供了以下特征中的一个或多个。例如，公开技术包括加工物理机制、级联激子离子化(CEI)，以放大芯-壳半导体纳米尺度结构(例如，硅纳米线)的光电响应，而没有MEG或雪崩式机制的限制。在一些实现方式中，例如，可使用具有重掺杂的、部分补偿p-n结的纳米尺度器件实现公开的CEI过程，在该p-n结中，p区包含大量的供体并且n区包含大量的受体。公开的CEI技术的示例性突出特征在于，不同于雪崩式倍增，CEI过程可发生在低偏置或甚至零偏置时。结果，CEI过程可检测光学信号和能量转换(诸如，光伏电池)或甚至光学冷却(例如，从被照射的区域带走热)
附图说明
图1示出包括共掺杂的、重补偿p/n结结构的示例性光电能量转换装置的示意图。
图2A至图2C示出具有共掺杂的、重补偿p/n结结构的示例性的基于Si纳米线的光电能量转换装置的示例性光学和扫描电子显微照片。
图2D示出公开的光电能量转换装置的示例性共掺杂的p+/n+结结构的示意图。
图3示出表明通过能量载流子将耦合束缚激子离子化的示例性图示。
图4A至图4F示出例例示公开技术的示例性太阳能电池装置中的级联激子离子化的工作原理的示意性示意图。
图5示出表明传统Si单结太阳能电池装置和所公开技术的示例性太阳能电池装置之间的太阳能电池效率的定性比较的示例性I-V特征图线。
图6示出表明红光照射下的公开太阳能电池的示例性结果的示例性图线。
图7A和图7B示出测得的波长与短路构造的示例性太阳能电池装置的响应性和量子效率的关系示例性数据图线。
图8A至图8C示出装置结构的示例性构造的示意图。
图9A和图9B示出例证公开技术的示例性的基于纳米线的光电能量转换装置的图像。
图10A至图10F示出例证图9A和图9B的示例性光电能量转换装置的工作原理的示图。
图11A至图11C示出表明使用公开技术形成激子并且产生二次电子空穴对的示图。
图12A至图12D示出公开技术的示例性纳米线的特性的示例性图线和示图。
图13A至图13C示出示例性纳米线器件的电特性的示例性数据图线。
图14示出通过从单个光子入射开始的级联激子离子化过程进行的示例性载流子倍增的示意图。
图15A和图15B示出随因热电子或空穴出现DAP激发和离子化的概率的变化而变化的示例性量子效率的数据图线。
图16A和图16B示出示例性的纳米线级联激子离子化装置的示例性噪声分析图线。
图17A和图17B示出示例性量子效率分布的直方图。
具体实施方式
世界上已经部署的太阳能电池几乎95％是结晶Si单结太阳能电池。Shockley-Queisser限制提出，单结Si(例如，1.1eV带隙)太阳能电池具有29％的最大理论效率(例如在1.5Sun)。主要地，由于因具有比硅的带隙能量高的能量的光子造成的热能量损耗，导致效率限制。迄今，已经证实了25％至26％效率的太阳能电池。为了将太阳能能量作为经济上切实可行的能量源进行推动，太阳能电池系统、装置和过程需要显著超过低效(诸如，单结Si太阳能电池的29％理论效率)地进行驱动，同时实现低成本方法。
单结太阳能电池是指它们的p/n结只由一种类型的材料(例如，Si)制成的装置。相比之下，多结太阳能电池被构造成包含由不同带隙能量的半导体制成的一系列p/n结。例如，双结太阳能电池可包括串联的作为第一p/n结的GaAs p/n结和作为第二p/n结的Ge p/n结。阳光首先射到第一GaAs p/n结上，能量比GaAs带隙能量大的光子大部分被吸收。能量比GaAs的带隙低的光子接着被GaAs p/n结下面的第二Ge p/n结吸收。如此，多结太阳能电池可以用比单结硅太阳能电池高的成本得到更高的能量转换效率。涉及作为额外组件的太阳能聚光器的少数应用(诸如，空间应用和设计)能够利用多结太阳能电池设计的技术优点以提高效率。在重点考虑成本的大多数应用中，绝大多数地面用太阳能电池是带隙能量是1.12eV的单结、单晶硅太阳能电池。
单结硅太阳能电池的上限能量转换效率在1.5sun下限于29％，如他们1961年的论文中公开的Shockley-Queisser理论所预测的。该理论在过去五十年间证实是正确的。在研究实验室中证实的最新技术的单结硅太阳能电池表现出25％至26％的效率并且现场部署的装置已经达到20％的效率。数十年的研究还没有得到效率超过Shockley-Queisser限制的单结Si太阳能电池的效率和再现设计。例如，限制Si太阳能电池效率的一个重要因素是光子能量损耗。当光子能量大于Si的带隙能量时，由于光子散射，导致额外能量转换成热，从而造成太阳能中超过50％的损耗。另外，例如，诸如多激子产生(MEG)和二次激发的技术尚未被证明是有效或实际的，大多数纳米结构太阳能电池表现出比最佳传统装置甚至更低的效率。
例如描述了高效光电能量转换的技术、系统和装置，这些技术、系统和装置超过了根据Shockley-Queisser理论的单结Si能实现的最高能量转换效率。
公开的光电能量转换技术提供了基本上大幅度克服了Shockley-Queisser限制的切合实际的低成本方法。公开的技术的示例性方法可应用于许多类型的半导体，包括硅或除了硅外。在一些方面，例如，公开了实现大于48％的能量转换效率的Si单结太阳能电池装置。
在一个方面，公开技术的光电能量转换装置被构造成包括具有重补偿p/n结的硅芯/壳纳米结构(例如，纳米线)，以提供用于光电能量转换的光学区域。光电能量转换装置包括由掺杂的半导体材料形成的基板，其中，基板包括第一区域和第二区域。光电能量转换装置包括从基板的第一区域突出的多层纳米结构(诸如，纳米线)的阵列，其中，纳米结构(诸如，纳米线)由被形成芯-壳结构的第二共掺杂半导体材料的层覆盖第一共掺杂半导体材料形成，其中，该层覆盖基板的第二区域中的掺杂半导体材料的至少一部分。第一和第二共掺杂半导体材料包括电子受体掺杂物和电子供体掺杂物，其中，第一共掺杂半导体材料被构造成遍及第一共掺杂半导体材料，受体掺杂物和供体掺杂物中的一种类型的浓度比另一种类型的浓度，第二共掺杂半导体材料被构造成遍及第二共掺杂半导体材料，另一种类型的掺杂物的浓度比所述一种类型的掺杂物的浓度更大。光电能量转换装置包括形成在基板的第二区域中的层覆盖部分上的电极。多层纳米结构被构造成提供光学有源区，该光学有源区能够从一个或多个波长的光(例如，包括可见光)吸收光子，以产生电极处呈现的电信号。
在图1和图2A至图2C的示意图和显微照片图像中示出示例性的太阳能电池装置，描绘了被蚀刻的纳米线和垂直立于装置基板上的纳米脊，并且具有共掺杂的、重补偿p+/n+结且在p+/n+结的方向上具有窄尺寸。
图1示出示例性光电能量转换装置100的共掺杂的、重补偿p/n结结构的示意图。在一些实现方式中，例如，光电能量转换装置100可用于太阳能电池装置。光电能量转换装置100包括由掺杂的半导体材料形成的基板110。例如，基板110可被构造为p型半导体，如图1中示出的示例性实施例中一样。在一些实现方式中，例如，光电能量转换装置100可包括由与基板110结合的电绝缘体材料形成的基板底部115。基板110被构造成包括两个操作区域，第一区域111和第二区域112。第一区域111包括从基板110突出的多层纳米线结构120的阵列。多层纳米线结构120由被例如形成芯-壳结构的第二共掺杂半导体材料122的层覆盖的第一共掺杂半导体材料121形成。例如，在光电能量转换装置100的一些实现方式中，第一共掺杂半导体材料121可被加工成p+/n型半导体材料，其中，p+/n型半导体材料包括遍及第一材料的电子受体掺杂物和电子供体掺杂物二者，并且受体浓度大于供体浓度(例如，其中，受体浓度可以是1019cm-3量级的载流子浓度并且供体浓度可以是1018cm-3量级的载流子浓度)。第一共掺杂半导体材料121被可控制地掺杂，达到所需掺杂阈值，以形成共掺杂的、重补偿p+/n结结构，例如，在该结构中，p+/n掺杂阈值可以是至少1018cm-3。另外，在这些实现方式中，例如，第二共掺杂半导体材料122可被加工成n+/p型半导体材料，其中，n+/p型半导体材料包括遍及第二材料中的电子受体掺杂物和电子供体掺杂物二者，并且供体浓度大于受体浓度(例如，其中，供体浓度可以是1019cm-3量级的载流子浓度并且受体浓度可以是1018cm-3量级的载流子浓度)。第二共掺杂半导体材料122被可控制地掺杂，达到所需掺杂阈值，以形成共掺杂的、重补偿n+/p结结构，例如，在该结构中，n+/p掺杂阈值可以是至少1018cm-3。在一些实现方式中，例如，第二共掺杂半导体材料122的层还可覆盖基板110的第二区域112中的掺杂半导体材料的至少一部分。光电能量转换装置100可包括形成在被所述层覆盖的基板的第二区域上的电极130。例如，电极130可被构造成包括n型半导体材料。光电能量转换装置100的多层纳米线结构120提供光学有源区，该光学有源区能够从特定波长的可见光吸收光子，以产生电极130处呈现的电信号。
可通过以下制造方法制造光电能量转换装置100。该制造方法可包括在由掺杂半导体材料形成的基板(例如，基板110)的第一区域(例如，区域111)中形成纳米结构(例如，诸如纳米线)的阵列的过程。例如，基板的掺杂浓度可以是至少1018cm-3的第一掺杂物，例如，其中，第一掺杂物包括电子受体掺杂物或电子供体掺杂物中的一种类型。该制造方法可包括在第一区域上沉积掺杂物材料以在纳米结构阵列上方形成层的过程。例如，掺杂物材料包含相对于第一掺杂物的电子受体掺杂物或电子供体掺杂物中的另一种类型的第二掺杂物。例如，如果第一掺杂物的一种类型的掺杂物是电子受体掺杂物，则第二掺杂物的另一种类型的掺杂物是电子供体掺杂物。该制造方法可包括(i)将纳米结构阵列的掺杂半导体材料转换成具有电子受体掺杂物和电子供体掺杂物二者的第一共掺杂半导体材料的过程，其中，所述一种类型的掺杂物的浓度大于所述另一种类型的掺杂物的浓度。同时，该制造方法可包括(ii)将纳米结构阵列上方的层的沉积材料转换成具有电子受体掺杂物和电子供体掺杂物二者的第二共掺杂半导体材料的过程，其中，所述另一种类型的掺杂物的浓度大于所述一种类型的掺杂物的浓度。例如，转换过程可包括施加热(例如，在高于900℃的温度下)达一段持续时间(例如，小于1分钟)，以控制相反掺杂物的扩散过程，从而在整个主掺杂材料(例如，纳米结构的掺杂半导体材料和纳米结构上方形成的层的掺杂物材料)中进行扩散，以形成第一和第二共掺杂半导体材料。制造方法的这些过程的实现方式由此分别形成能够从一个或多个波长的光吸收光子以产生电信号的第一共掺杂半导体材料和第二共掺杂半导体材料的芯/壳结构。
在制造方法的一些实现方式中，形成纳米结构阵列的过程可包括基于掩模将来自基板的纳米结构蚀刻成图案。例如，蚀刻可包括使用电子束光刻-图案化镍盘作为掩模用C4F8和SF6气体进行的电感耦合等离子体反应离子蚀刻过程。在该制造方法的一些实现方式中，沉积掺杂物材料的过程可包括将掺杂物溶液涂覆到第二基板上，烘干第二基板上涂覆的掺杂物溶液，并且通过施加热蒸发第二掺杂物将第二基板上的第二掺杂物转移到基板的第一区域上，以在纳米结构阵列上方形成层。在该制造方法的一些实现方式中，沉积掺杂物材料的过程可包括形成该层以覆盖基板的第一区域外部的掺杂半导体材料的至少一部分。在一些实现方式中，例如，该制造方法还可包括在基板的第一区域上形成导电材料的接触焊盘。
在图2A至图2C示出具有共掺杂的、重补偿p/n结结构的示例性的基于Si纳米线的光电能量转换装置的示例性光学和扫描电子显微照片。在图2A至图2C中示出示例性装置100，该示例性装置100被构造成包括例如纳米线直径在280nm至340nm的范围内的30×30p芯/n壳硅纳米线结构的阵列。图2A示出具有示例性共掺杂的、重补偿p/n结结构的光电能量转换装置100的示例性光学图像。图2A的光学图像的示例性比例尺是5μm。图2B和图2C示出具有示例性共掺杂的、重补偿p/n结结构的光电能量转换装置100的扫描电子显微镜(SEM)显微照片。图2B的SEM显微照片中的示例性比例尺是10μm，图2C的放大SEM显微照片的示例性比例尺是5μm。
图2D示出公开技术的示例性光电能量转换装置的示例性共掺杂p+/n+结纳米线结构220的示意图。在这个示例中，用n掺杂硅(n-Si)材料222涂覆p掺杂硅(p-Si)材料221，以形成具有p+/n+结且在p+/n+结的方向上具有窄尺寸的芯-壳结构。例如，p-Si材料221可被构造成圆柱形、线状结构(例如，半径～66nm)，其中，n-Si材料222可形成为包封p-Si材料221且厚度为～84nm的外圆柱状几何体，例如，从而产生具有～300nm直径的n+/p型硅纳米线结构220的共掺杂p+/n型芯。在图2D中描绘的示例中，共掺杂结纳米线结构220的内部芯区域由包括电子受体掺杂物和电子供体掺杂物二者的p+/n型硅材料形成，其中，受体浓度大于供体浓度。例如，受体掺杂物可以是1019cm-3的量级(例如，2×1019cm-3)。共掺杂结纳米线结构220的外部壳区域由包括电子受体掺杂物和电子供体掺杂物二者的n+/p型硅材料形成，其中，供体浓度大于受体浓度。
例如，光电能量转换装置100可被构造成，使得高剂量的供体被引入p区并且高剂量的受体被引入n区，例如，形成重补偿的p/n结。通过在这种重补偿装置中出现的“级联激子离子化”(CEI)的过程，在短路状况下，吸收单个光子可产生多个电子-空穴对。例如，在短路状况下，吸收一个光子可产生大量(例如，4-10个)电子-空穴对。那么，例如，相对于最新技术的装置，这样将短路电流增加了400％至1000％。因此，可实现高于29％的转换效率。例如，可在单结Si太阳能电池中实现大于48％的转换效率，从而将Shockley-Queisser限制几乎加倍。
例如，光学有源区被构造成吸收能量超过Si的1.12eV带隙能量的波长的可见光的光子。在光电能量转换装置100的一些实现方式中，例如，光学有源区被构造成从630nm的可见光吸收光子，其中，630nm波长的红色光子的吸收形成用于产生电信号的至少4个电子-空穴对。
执行公开的光电能量转换装置的示例性实现方式。在一些实现方式中，例如，在630nm可见光下进行光响应测量，该测量表明一个630nm光子在短路状况下形成4至10个电子-空穴对；这个示例性结果是可再现的。在公开技术的示例性CEI过程内，由于共掺杂的受体和供体的浓度高，导致热载流子(例如，～1eV动能)可将束缚激子(A-D+)离子化。在给定芯/壳结构的纳米尺度的情况下，通过光子散射的能量损耗限于～50meV。在模型内没有违反能量守恒，例如，在短路状况下出现产生电子-空穴，并且由于端电压是零，因此装置没有产生比输入光学功率更大的输出功率。
在一些实施例中，公开的装置可被构造成包括被引入半导体中的大量(～1019cm-3)受体和供体。在受体浓度大于供体浓度的区域中，材料变成p型半导体。在供体浓度过度补偿受体浓度的区域中，材料表现出n型半导体的特性。例如，因为p+/n+结，所以内建电势非常接近带隙能量(例如，对于Si而言，大约1eV)，其室温带隙是大约1.12eV。例如，因为半导体的p侧和n侧二者的供体和受体的共存，所以各侧形成杂质带并且最重要的是形成D+/A-束缚激子的耦合3D矩阵。这些电子从供体移动，占据附近受体的状态，如图3中所示。
图3示出表明通过能量载流子将耦合束缚激子离子化的示例性图示。当供体和受体二者被掺杂达到例如，1×1019cm-3量级的水平时，供体和受体之间的平均距离小于2.5nm(例如，大约2nm)。根据载流子浓度，Debye长度可以与供体-受体间隔相当。激子间隔也小于激子半径(例如，大约3nm)，从而造成耦合激子。因此，例如，将束缚激子离子化以形成中性(AoDo)状态花费不足1eV。中性供体/受体被热离子化，以变成促成电流的电子/空穴对。例如，因为核/壳纳米结构，载流子可发现在40nm至60nm平均距离的范围内p/n结有电势悬崖(potential cliff)。在热速率是107cm/s时，穿过电势悬崖可花费大约0.5ps。考虑到因光子散射造成的能量弛豫时间，由于非弹性光子散射而导致载流子损耗可小于50meV。考虑到由于重供体和受体浓度导致的杂质带尾，经估计，“将激子离子化”所需的能量可大致被表现为Eg-εd-εa+|εb|，其中，Eg是体晶体的带隙，εd和εa是供体和受体的离子化能量，|εb|是激子束缚能量的大小。实际上，例如，这种重共掺杂和补偿的半导体中的激子离子化能量可以低于体半导体带隙超过100meV。至于接下来将讨论的，在这种特定p/n结结构中存在的激子离子化能量和大量耦合激子的减少对于太阳能电池的高能量转换效率而言是重要的。
图4A至图4F示出说明公开技术的示例性光电能量转换装置100中的级联激子离子化(CEI)的工作原理的示意性示意图。例如，公开的光电能量转换技术可形成促成太阳能电池的短路电流的多个电子-空穴对。例如，假设光子被吸收在p/n结的p侧以形成主电子-空穴对，如图4A的图线中描绘的，并且光电能量转换装置100连接成短路构造。光生空穴快速离开装置，但光生电子穿过陡峭的电势悬崖并且被加速，得到大约1eV的高动能，如图4B中所示。在正常p/n结太阳能电池中，电子的动能通过光子散射而快速损耗并且被热能化。然而，由于之前说明的束缚(D+/A-)激子的极高密度和激子离子化能量的减小，导致在与撞击离子化类似的过程中，有能量的电子有很大概率通过碰撞将激子离子化成(Do/Ao)状态。在离子化激子有机会返回到其初始束缚(D+/A-)状态之前，激子可在热能或与其它热电子互动的作用下被离子化，以在导带和价带中形成二次电子-空穴对，如图4C中所示。图4D中示出，二次空穴将穿过p/n结并且获得动能。图4E中示出在p/n结的p侧这个有能量的空穴有一定概率将束缚(D+/A-)离子化成(Do/Ao)状态。(Do/Ao)状态可被热能化，形成第三代电子-空穴对(如图4F中所示)并且可继续该过程。
在示例性的模型中，电子引起的激子离子化的概率是P1，空穴引起的激子离子化的概率是P2。因吸收单个光子形成的电子-空穴对的平均数量可被表达为：
N可被当作短路状况下的“有效”量子效率处理。例如，如果P1、P2二者都等于0.5，则根据等式1，N＝2，从而表明吸收一个光子可形成2个电子-空穴对并且短路电流是进入的光子流的两倍。公开技术的太阳能电池的短路电流可被书写为：
其中，Isc和Iscc分别是公开技术的装置和传统太阳能电池的短路电流。
图5示出表明传统Si单结太阳能电池装置和公开技术的示例性太阳能电池装置之间的太阳能电池效率的定性比较的示例性I-V特征图线。图5的示例性I-V特征图线定性地表明公开技术的示例性装置(例如，诸如装置100)可如何增强整体太阳能电池效率。公开技术的装置使短路电流大幅度增大，但对开路电压的效应只是适中。在开路构造中，p/n结任一侧的累积电子和空穴将p/n结上的电势悬崖的大小减小达Voc的量。结果，电子和空穴没有获得足够形成激子的动能。当激子离子化概率P1和P2接近零时，公开技术的装置形成与传统太阳能电池相同的开路电压。
通过由给定太阳能下的I-V特性限定的区域内用最大矩形的图形确定的平方效率，确定太阳能电池的净能量转换效率。变得显而易见的是，当短路电流增大时，平方效率也增大。或等同地，可在较弱的太阳光下形成相同量的电力。
图6示出表明红光(例如，635nm波长)照射下的公开太阳能电池的示例性结果的示例性图线。测得的能量转换效率被示出为在示例性的635nm波长下是大约65％。示例性的结果证实了级联激子离子化(CEI)的效应。否则，即使在100％的光捕获效率、零欧姆损耗和100％量子效率(即，被吸收的每个光子形成一个电子-空穴对)的最理想情况下，对于635nm的波长光而言，可实现的最大效率只可以是51％。
图7A和图7B分别示出描绘例如400nm和850nm的光谱范围内的短路构造的示例性太阳能电池装置的响应性和量子效率与测得的波长的关系的示例性数据图线。如图7B中所示，在短波长(例如，400nm)下，一个单个光子可形成促成短路电流的40个电子-空穴对。要注意，因为示例性装置处于零偏置，所以这没有违背能量守恒定律，从而在短路构造中没有传递电力。在图5中定性地示出短路量子效率的显著增大对电力转换效率的贡献。
图8A至图8C示出公开装置结构的示例性构造的示意图。在一些示例性实施例中，光电能量转换装置可被构造成包括(但不限于)形状是大体圆柱形或锥形几何形状的纳米尺度的线820A(例如，“纳米线”)的阵列，如图8A中所示。在一些示例性实施例中，光电能量转换装置可被构造成包括具有大体线性矩形几何形状的纳米尺度的线、脊或壁820B(例如，“纳米壁”)的线性阵列，如图8B中所示。在一些示例性实施例中，光电能量转换装置可被构造成包括与华夫饼或棋盘状图案(例如，“纳米华夫饼”)类似的例如大体垂直十字形图案的纳米壁820C的十字形图案，如图8C中所示。在所有这些示例性结构中，装置的横截面具有与图1类似的共掺杂的、重补偿p/n结。另外，示例性几何形状的纳米尺度尺寸包括多层纳米结构的直径或宽度，而从基板突出的这种纳米结构的高度可被构造成纳米尺度尺寸、微米尺度尺寸或更大。
在另一个方面，描述基于级联激子离子化(CEI)载流子倍增机制的高效且低噪声的光电信号转换的装置、系统和方法。可在包括光伏电池、通信、成像等的各种应用中实现示例性的CEI装置和方法。
可使用载流子倍增的机制来增加光电信号和能量转换的效率，例如，可在包括光伏电池、通信、成像等应用中实现光电信号和能量转换的效率。在一些示例中，使用多激子产生(MEG)技术在光伏电池的低尺寸半导体中形成多个载流子。在一些情形下，MEG可涉及到限制其效率的诸如俄歇复合(Auger recombination)、材料劣化、光充电和载流子捕获的问题。例如，为了进行光学检测，雪崩式倍增在几十年来是信号放大的主要机制，但雪崩式增益的相关问题是过量噪声、高工作电压和材料依赖性。
公开的技术、系统和装置包括例如使用重补偿p+/n+芯-壳硅纳米线的加工载流子倍增机制，该机制也被称为级联激子离子化(CEI)。公开的CEI技术可用于实现高效的光电应用。例如，在本文中描述的一些示例性实现方式中，由于因光子吸收引起的供体-受体对激子的连续激发和离子化，导致发现甚至在零偏压下，量子效率显著大于100％。
光到电能的有效转换构成了诸如通信、成像、光伏电池和感测的各种光电应用中的关键过程。使用光伏电池作为示例，使用激子效应增强效率的盛行思路是通过多激子产生(MEG)。然而，光子散射和俄歇复合的强竞争严重限制了多激子产生效率，从而造成太阳能电池中的构思实现有难度。首要的是，例如，MEG过程可只发生于能量是正使用的半导体材料的带隙的至少两倍的光子。对于带隙能量是1.1eV的Si，能量不足2eV的光子不能利用MEG效应通过吸收单个光子来形成多于一个电子-空穴对。为了进行光学检测，另一方面，可在纳米结构中使用内部增益机制，雪崩式倍增，来放大光学和激子信号；然而，雪崩式过程需要高反向偏置并且不适于光伏电池和许多低电力应用。
本文中描述的是在没有MEG或雪崩式机制的限制的情况下应用加工物理机制、级联激子离子化(CEI)来放大芯-壳半导体纳米尺度结构(例如，硅纳米线)的光电响应的系统、装置和技术。公开的CEI技术的示例性突出特征是，不同于雪崩式倍增，CEI过程可发生于低或甚至零偏置的情况下。结果，CEI过程可用于检测光学信号和能量转换(诸如，光伏电池)或甚至光学冷却(例如，从被照射的区域带走热)。在一些实现方式中，例如，可使用具有重掺杂的、部分补偿p-n结的纳米尺度装置实现公开的CEI过程，在该p-n结中，p区包含大量的供体而n区包含大量的受体。在本文中描述了用于芯-壳Si纳米线结构的应用的公开的CEI技术的示例性实现方式。例如，使用固态扩散过程，形成纳米线的径向方向上的部分补偿p+/n+芯-壳结。例如，特征在于，通过零偏置下的可见光谱内的光电流测量，由CEI导致纳米线内部增益。示例性的结果表明，短路构造的量子效率可显著大于室温下低于2Eg(例如，635nm波长)的能量的光子的联合。
图9A示出公开技术的示例性装置的示例性亮场光学显微图像，该示例性装置包含在35μm×46μm台面上制造的、间距为1μm的30×30垂直硅纳米线的阵列。在这个示例性实现方式中，纳米线被构造成具有340nm的半径并且是2.5μm长。由于熟知的光子捕获效应，导致在显微镜的光下，纳米线看上去是暗的，这还可以通过反射光谱测量来确认。在图9B中还示出示例性纳米线阵列装置的SEM的放大视图。这些装置表现出1V下反向偏置电流小于0.5nA时典型的p-n结电流-电压特性(如图13A中所示)。
例如，被照射的图9A和图9B中示出的示例性装置可连接成短路构造(在零偏置下)。由于在硅纳米线的径向p+/n+结的两侧共存高浓度的供体和受体，导致存在大量的供体-受体对(D+A-P)，从而得到用于供体-受体对激子(DAP)形成的源。为了阐明工作原理，可假设，能量比硅带隙大的光子被p芯吸收并且形成主要的电子-空穴对。
图10A至图10F示出说明公开技术的示例性纳米线装置的示例性工作原理的示图。图10A示出描绘因光子吸收而产生的主电子-空穴对的示例性示图。主电子在穿过电势悬崖之后获得高动能。图10B示出描绘因热电子在激子激发之后损耗其能量而形成供体-受体对激子(DAP)的示例性示图。图10C示出描绘将供体-受体对激子(DAP)离子化以形成二次电子-空穴对的示例性示图。图10D示出描绘因二次热空穴在p芯中形成DAP的示例性示图。图10E示出描绘因激子离子化形成第三代电子-空穴对的示例性示图。图10F示出描绘第三代电子获得高动能以激发n壳中的另一个DAP的示例性示图。
主空穴通过p接触离开装置并且主电子向着n壳移动(图10A)。对于重掺杂p/n结，内建电势接近带隙能量并且耗尽区非常薄(例如，对于1019cm-3/1019cm-3的p/n结而言，L＜20nm)。结果，例如，光生主电子在内建电势的作用下在短距离内被加速，变成进入n壳的热电子。在传统p/n结中，热电子借助光子发射或电子-电子散射而损耗其能量和动量。然而，在重补偿p/n结中，热电子将供体-受体对(D+A-P)激发成供体-受体对激子(DAP)的概率高，如图10B中示意性示出的，并且在图11A和图11B中示出更多的细节。通过E＝Eg-(Ea+Ed)+|Eb|给出激发DAP激子所需的能量，其中，例如，Ea(0.044eV)和Ed(0.046eV)是受体(硼)和供体(磷)的杂质离子化能量，Eb是通过供体和受体离子之间的库伦作用确定的激子的结合能量。简单模型给出Eb～e2/4πεR，其中，e是自由电子电荷，ε是材料的介电常数，R是激子半径。对于重补偿Si，例如，Eb是0.01eV的量级，从而根据以上关系产生所需的大约1eV的DAP激发能量。因此，热电子拥有足够的动能来激发纳米线的n壳中的DAP激子并且这个过程可被表达为：
D+A-Pdonor-acceptor pair+eHot→DAPexciton+eCold (N1)
在示例性过程(N1)之后，存在DAP激子的两条可能的路径：(a)借助放射性或非放射性过程，通过返回D+A-P状态，进行激子猝灭：
DAPexciton→D+A-Pdonor-acceptor pair+hvphoton (N2-1)
DAPexciton+eCold→D+A-Pdonor-acceptor pair+eHot (N2-2)
或者(b)产生自由电子-空穴对的热离子化：
DAPexciton+EPhonon→e+h (N3)
公开技术的示例性实现方式表明，在极低的温度下，出现借助发射光子进行的DAP激子猝灭，过程(N2-1)；过程(N2-2)相对不太可能发生，除非是俄歇复合系数大的极低带隙半导体。因此，对于室温下的硅纳米线，例如，DAP激子的热离子化即过程(N3)是占主导地位的过程，在图11A至图11C中示出该过程。
图11A示出表明热电子引起的激子形成和热离子化的示例性示图。图11B示出表明晶格中出现的供体-受体对激子形成和热离子化的示例性示图。图11C示出通过450nm至670nm的波长上的直接测量而得到的纳米线的量子效率的示例性示图。示例性的误差条表明测得的撞击纳米线的光学功率的不确定性。
DAP激子的热离子化通过借助声子从晶格(图10C)获取热能来形成二次自由电子-空穴对。导带中的二次电子借助n接触快速离开装置。另一方面，价带中的二次空穴以与主电子类似的方式作用：例如，获取高动能，以通过激发p芯中的另一个D+A-P(图10D)来产生新DAP激子。公开的激子可再次被热离子化以形成第三代自由电子-空穴对并且此过程可在p芯和n壳之间级联发生，如图10A至图10F中所示。类似地，还可通过纳米线的n壳中吸收的光子引起载流子倍增，使得主空穴变成引起级联激子产生和离子化过程的粒子。
如图10A至图10F中所示，示例性装置工作原理提出，可实现比短路构造下的单位1(unity)显著更高的量子效率。经分析，量子效率(例如，由单个光子产生的电子-空穴对的总数)可被表达为：
其中，Fc和Fs是光子被p芯和n壳吸收的概率，x0(y0)是主电子(空穴)激发二次电子-空穴对的概率。另一方面，x(y)代表二次和所有后面各代的电子(空穴)激发电子-空穴对的概率(0≤x，y≤1)。例如，因为主电子(空穴)是通过直接光子吸收形成的，所以主电子(空穴)的概率和后面各代的电子(空穴)的概率可以不同，例如，从而在它们的能量和位置方面实现与所有其它电子(空穴)不同的特性。最显见的差异是，预期x0和y0的值是取决于波长的，而假定x和y的值是不取决于波长的。x0和y0的波长依赖性还可以是由于芯中或壳中吸收光子的位置。对于壳中产生的电子-空穴对，概率值还可取决于它与示例性纳米结构(例如，诸如纳米线)的表面的距离，该距离借助表面态受表面复合的影响。
在公开CEI技术的示例性实现方式中，例如，使用光学单色仪装置来测量重补偿p+/n+芯-壳纳米线中的级联激子离子化的效应。使用超过硅的带隙(例如，450nm-670nm)的光学激发来测量短路构造的示例性装置的光响应。在零偏置下测量示例性装置，以消除存在其它载流子放大机制的可能性并且消除由于任何漏电流导致的测量误差。根据非偏振的、正交入射光的反射来校正入射到纳米线的各波长的光的量(图13B)。用相同的方式表征公开技术的示例性排列纳米线装置和平面装置(不带纳米线)(图13C)。在这个专利文献后面描述的示例性步骤后，基于纳米线和平面装置之间的几何形状差异得到纳米线的量子效率，如在图11C中绘制的。例如，发现对于比488nm长的波长，量子效率(QE)大于单位1的情况。然而，光学衍射和短暂耦合效应可在纳米线阵列内捕获光子。因此，例如，图11C中表现的QE值包括光子捕获效应和CEI效应二者的贡献。
为了得到光子捕获效应的贡献，例如，使用三维有限元方法(FEM)模拟执行示例性实现方式，以研究纳米线阵列内的对应电磁场分布，如图12A至图12B中所示。图12A示出由于主面板中的光子捕获效应而导致的吸收增强因子与物理填充因子的数据图线，并且在插图中示出用于有限元方法(FEM)模拟的垂直纳米线结构的示例性示图。图12B示出三个代表性波长-450nm、532nm和635nm下纳米线阵列的y-z平面上的主横向电场(|Ey|)分布的示例性示图。图12C示出在消除光子捕获效应的贡献之后仅仅源自级联激子离子化效应的纳米线的量子效率的示例性数据图线。图12D示出芯-壳硅纳米线中的级联激子离子化(CEI)增益的示例性数据图线。
例如，在使用三维FEM模拟的示例性实现方式中，在模拟中使用340nm直径、2.5μm长的硅纳米线NW的无限阵列，其中，周期性边界是1μm×1μm的正方形。例如，由于示例性装置是径向对称，因此使用垂直于示例性装置顶表面入射的线性偏振光(在y方向上偏振Ey)。Si的复合波长依赖折射率用于纳米线并且空气的n＝1用于纳米线之间的间隔，如图12A的插图中所示的。根据示例性模拟，计算Si纳米线吸收的功率(PNW)和纳米线之间的底部Si平面区吸收的功率(Pplanar)二者。由于光子捕获效应导致的增强因子E.F.被定义为E.F.＝PNW/(PTotal×F.F.)，其中，对于间距为1μm的正方形阵列中的直径为340nm的纳米线，F.F.是等于π×(0.17)2/12＝0.0908的几何填充因子，并且PTotal(＝PNW+PPlanar)是总吸收光学功率。在测得的光谱内，发现分别在450nm和532nm下的两个最高光子捕获增强因子(如图12A中所示)。
图12B的示图代表y-z平面上的主横向电场|Ey|的分布，其中，电场的大部分处于三个代表性波长(例如，450nm、532nm和635nm)。例如，当讨论源自CEI效应的波长依赖量子效率时，在本专利文献的后面阐明了电场分布的意义。例如，可根据以下等式计算从级联激子离子化(CEI)效应相对于量子效率的真实分布：
其中，ηNW是纳米线的真实量子效应，ηPlanarM是测得的平面装置的量子效率，ηNWM是测得的示例性排列纳米线装置的量子效率(图13C)。如之前定义的，F.F.和E.F.是由于光子捕获效应导致的几何填充因子和增强因子。F.F.×E.F.乘积因此可被视为纳米线的“有效填充因子“。在图12C中示出不同波长的ηNWM的校准值。注意的是，对于比560nm长的波长，量子效率超过100％，在635nm下，最高QE是大约270％。这是由于可在零偏置状况下出现的用于光电放大的公开的级联激子离子化(CEI)技术的效应导致的载流子倍增的示例性证实。
例如，通过取纳米线的ηNWM和硅的吸光率ηInt(ηInt＝1-e-αL，其中，α是硅的波长依赖吸收系数，L是硅的厚度并且等于2.5μm)之比，另外得到例如级联激子离子化增益。在图12D中示出级联激子离子化(CEI)增益。示例性装置白哦先出大约4.5的最高增益并且在635nm下达到饱和。
例如，在较短波长下减小CEI增益可以是表面复合效应促成的。例如，在450nm下，如图12B中所示，电磁场集中在空气/纳米线界面，所以大多数光生载流子形成在纳米线表面附近，从而借助表面态经历高表面复合率。这样得到了等式(N4)中的y0的低值并且使量子效率降低。相比之下，例如，在635nm的波长下，光子能量更均匀地分布，光在纳米线的芯中的比率大。结果，通过635nm光形成的许多载流子位于纳米线的芯中，芯远离表面态并且经历比450nm光形成的那些载流子弱得多的表面复合效应。这样可说明不同波长下的CEI增益的不同值。例如，通过理解CEI增益下的表面复合的作用，可料想到不同的装置几何形状并且应用表面钝化技术来提高较短波长下的CEI增益，以得到最佳装置性能。
如在示例性实施例中描述的并且在示例性实现方式中证实的，可利用包括重补偿p+/n+芯-壳硅纳米结构的公开的CEI技术、系统和装置来实现>100％的量子效率。补偿区域中的供体-受体对提供了形成激子的源。随后，通过光子散射将这些激子离子化，从而形成促成光电流的自由电子-空穴对。公开的CEI技术提供了用单个光子形成多个电子-空穴对以增强光电能量转换效率的途径。例如，CEI效应可应用于许多其它材料(诸如，复合半导体和硅旁边的聚合物)。
本文中描述的示例性实现方式包括以下的示例性方法。
示例性装置制造方法
在掺杂硼的p+硅基板(掺杂浓度～2×1019cm-3)上制造图9A和图9B中示出的示例性装置。通过用通过电子束光刻被图案化的镍盘作为掩模用C4F8和SF6气体进行的电感耦合等离子体-反应离子蚀刻(ICP-RIE)过程来蚀刻纳米线。在形成纳米线之后，使用Ni蚀刻去除镍掩模。为了分离n掺杂物的源，将含磷的旋涂掺杂物(SOD)溶液(Filmtronics公司)旋涂到单独的硅晶圆上。在200℃下烘干15分钟之后，在快速热退火(RTA)炉子中，在带有纳米线的晶圆上方大约1mm处布置涂覆有SOD的晶圆。当从SOD层蒸发出的磷扩散到纳米线中时，在RTA炉内部在950℃下执行磷扩散过程大约40秒，从而将纳米线附近的p+-Si转换成n壳。同时，磷扩散尾穿透p+-壳，从而形成级联激子离子化过程所需的重补偿p+/n+芯/壳纳米线。为了减小纳米线的接触电阻，在没有涂覆有SOD晶圆的情况下，执行另一轮的RTA退火过程。蚀刻台面(～350nm高)以隔离纳米线阵列，之后沉积SiO2层(～265nm)。最后，沉积Ti/Au(50/200nm)接触焊盘以形成顶部n接触，在硅基板的背面上形成所有装置共用的p接触。
示例性的光学测量(例如，在室温下)
使用带有600g/mm光栅的家建光学单色仪来光学激发公开技术的示例性硅纳米线装置和平面装置。使用纤维束卤素灯作为光源。通过使用光谱分析仪(Ocean Optics HR-2000)进行测量，验证了各特定波长的半高全宽(FWHM)是10nm。在透射通过一系列光学元件之后，光(光斑大小大于装置的大小)垂直地指向装置顶部。用校准功率计(Newport 1830-C)测量进入光的功率。使用校准检测器和X-Y平移级来测量撞击在样本上的光强度分布和总光学功率。示例性装置连接成在两个接触之间没有施加偏置的短路构造，使用半导体参数分析仪(Agilent 4155-B)测量光电流。最后，在考虑到纳米线-空气界面处的反射的情况下，计算各装置的量子效率。
示例性装置表征和反射光谱测量
图13A示出主面板上的在没有光照射的情况下纳米线装置的示例性电特性的数据图线(例如，半对数图线)；在插图中示出电流-电压特性的线性天线。图13B示出纳米线和平面装置二者的反射光谱的示例性数据图线。例如，随着入射光波长的变化，纳米线装置的反射总是显著小于平面装置的反射，这表征了光子捕获效应。图13C示出示例性排列的纳米装置和示例性的平面装置的示例性量子效率的图线。
图13A示出这个示例性表征实现方式中使用的纳米线装置的暗I-V特性。示例性装置表现出典型p-n结的整流行为。
利用反射光谱仪来确定实际进入装置而非被反射或散射的光的量。示例性的纳米线包含节距是1μm的正方形纳米线阵列(30×30)。示例性纳米线阵列位于35μm×46μm的硅台面上。用于反射光谱测量的入射光被聚焦到纳米线阵列的中心，其中，光束光斑的直径是大约10μm。另外，使用相同的实验装置测量平面装置的反射光谱。在图13B中示出不同波长下的反射光谱。纳米线装置的较少反射表明了纳米线阵列出现的光子捕获效应。大约525nm的光谱低点与计算出的图12中的谐振相符。
基于得自反射测量的数据，可得到纳米线装置和平面装置二者的光电响应，因为可发现被吸收的电功率的精确量。图13C示出纳米线装置和平面装置二者的波长依赖QE值。
由于示例性纳米线装置还包含台面上方的平面区域，因此净光电响应包括来自纳米线和来自平面区域的响应。另外使用的是以下从图13C中的数据得到真实纳米线光电响应的过程。P被定义为被吸收的光学功率的总量，RNW被定义为待发现的纳米线的响应性，RPlanarM被定义为测得的平面装置的响应性，RNWM被定义为测得的包含纳米线和平面区域的NW装置的响应性。其它可用餐宿包括：F.F.-纳米线的填充因子和E.F.-由于光子捕获效应而导致的特定波长下的增强因子。因此，可应用下面的关系来提取纳米线的光电响应：
RNWMP＝RNWP(F.F.×E.F)+RPlanarMP[1-(F.F.×E.F)] (NS-1)
纳米线的响应性可被表达为：
使用关系ηNW＝hv/qRNW，可提取纳米线的量子效率并且在图12C中示出量子效率。
推导得自级联激子离子化的量子效率(等式(N4))
下面，推导由于级联激子离子化效应而导致的量子效率的分析表达。
图14示出通过入射到p芯和n壳的单个光子引起的级联激子离子化过程进行的示例性载流子倍增的例证性示意图。图14的示意图表明光生主电子-空穴对如何引起分级离子化过程。在图14中，各电子和空穴是根据它们的产生历史来标记的。例如，使用“0”来指代因光子吸收而产生的主电子和空穴。第i个热电子/空穴可形成另一个自由电子-空穴对的概率被定义为Xi/Yi。
Xi/Yi的值介于0和1之间并且遵循以下关系：
Xi＝x(i＝1，2，3，...) (NS-3)
Yi＝y(i＝1，2，3，...) (NS-4)
另一方面，Xi/Yi代表主自由电子/空穴激发二次自由电子-空穴对的概率。由于不同于今后产生的自由电子/空穴，主自由电子/空穴是通过光子吸收产生的，因此它们的值可取决于进入光子的能量、光吸收的位置等。因此，因p芯中的光子被吸收而形成的电子-空穴对的总数可被表达为：
ηcore＝Fc[1+X0+X0Y1+X0Y1X2+X0Y1X2Y3+X0Y1X2Y3X4+…] (NS-5)
其中，Fc是进入光子被p芯吸收的概率。使用(NS-3)和(NS-4)中的关系，可将(NS-5)简化成：
类似地，由于n壳中的单个光子被吸收而导致的电子-空穴对的总数可被表达为：
ηshell＝Fs[1+Y0+Y0X1+Y0X1Y2+Y0X1Y2X3+Y0X1Y2X3Y4+…] (NS-7)
其中，Fs是光子被n壳吸收的概率。同样，使用(NS-3)和(NS-4)中的关系，得到：
最后，总量子效率可被书写为：
假设Fc＝Fs＝0.5(对于将被芯和壳区域吸收的光而言，概率相等)，使用x0和y0作为参数，绘出了随x和y的变化而变化的图15A和图15B中的CEI量子效率。为了简化起见，还假设在计算式中x＝y且x0＝y0。
图15A和图15B示出随因热电子或空穴出现DAP激发和离子化的概率的变化而变化的示例性量子效率的数据图线。图15A的数据图线示出当x0＝y0＝0.1(波长1511)、x0＝y0＝0.3(波长1512)、x0＝y0＝0.5(波长1513)且x0＝y0＝0.7(波长1514)时在x/y的值从0变为1的情况下的半对数图尺图线。图15B的数据图线示出当x0＝y0＝0.1(波长1521)、x0＝y0＝0.3(波长1522)、x0＝y0＝0.5(波长1523)且x0＝y0＝0.7(波长1524)时在x/y的值从0变为0.5的情况下的线性图尺图线。
可实现公开的装置、系统和技术以使用新CEI物理机制来放大信号。公开技术的CEI效应发生在比雪崩过程中施加的小得多的电压时。另外，十分重要的是，这样产生了极低的过量噪声。过量噪声是任何信号检测系统能实现的灵敏度的限制因子，并且是与增益关联的噪声。在文本中阐明了用于计算因示例性CEI效应造成的过量噪声的示例性分析模型，并且还通过Monte Carlo模拟来验证示例性结果。
图16A和图16B示出示例性的纳米线级联激子离子化装置的示例性噪声分析图线。图16A的图线表明随示例性的分析模型(红色图线1611)和Monte Carlo模拟(星形“*”符号)计算出的示例性纳米线CEI装置的量子效率(倍增)的变化而变化的过量噪声因子。在图16A中还绘出不同空穴/电子离子化比率下的过量噪声因子与雪崩式倍增的关系。例如，绿色曲线1612(k＝0)描绘了“理想”雪崩检测器的特性，可被称为雪崩式倍增的“量子极限”。例如，粉红曲线(k＝0.1)和黑色曲线1614(k＝0.5)描绘了离子化系数的不同比率下的雪崩检测器的特性。
图16A示出离子化系数的不同比率(例如，k＝αp/αp＝0、0.1和0.5)下过量噪声因子与CEI效应和雪崩式倍增产生的倍增因子的相关性。例如，如数据图线中示出的，得自CEI效应的过量噪声因子远远低于雪崩机制的过量噪声因子，甚至低于“理想”雪崩检测器的量子极限(即，k＝0)。示例性结果表明了，基于CEI效应的光电接收器能够有可能实现比传统雪崩光电检测器(APD)接收器更高的灵敏度。示例性的纳米线CEI装置产生低于2的过量噪声因子，真实世界中存在事实上并不存在的“理想APD”的理论极限。
图16B示出平均倍增值为100时CEI增益分布的示例性Monte Carlo模拟直方图。例如，执行示例性Monte Carlo模拟来验证分析模型并且形成CEI增益分布的柱状图。如图16B的示例性图线中示出的，在假设CEI增益的平均值的情况下的CEI倍增的Monte Carlo模拟分布是100。示例性结果表现了比雪崩倍增紧凑得多的增益分布。
任何放大过程将引入过量噪声并且对于级联激子离子化效应而言也没有例外。下面，开发出CEI装置的过量噪声的分析模型。使用等式(NS-5)作为示例，芯区域中的量子效率可被重写书写为：
注意的是，等式(NS-10)是随机变量。为了计算过量噪声，需要计算随机变量的平均值和变化。ηcore的平均值可被书写为：
例如，使用关系＜(1+X0)X0Y1＞＝2x0y和＜(1+X0)2＞＝1+3x0：，进一步得到：
其中：
其中：
可将I2划分成两个分量I2＝I21+I22：
其中，I21包括二重求和中的所有项，其中，j＜i，I22包括二重求和中的所有项，其中，i＜j。由于索引i和j起到相同作用，因此I21等于I22.
结果，得到：
根据等式(12)、(13)和(18)，可得到：
类似地，在壳区域中，可得到：
另外，
根据等式(NS-19至NS-24)，可通过分析来计算与CEI倍增过程关联的过量噪声因子，例如：
为了验证示例性分析模型，例如使用等式(NS-26)执行示例性的Monte Carlo模拟，其中，将所有的Xi和Yi作为被分派概率的可能值是1或1的独立随机变量处理。例如，使用总数10,000次的试验来得到量子效率(倍增)和噪声因子的平均值。
图17A和图17B示出例如分别对应于量子效率(倍增)的平均值是2.0和20.0的、电子-空穴对产生概率是p＝0.5(图17A)和p＝0.95(图17B)时示例性量子效率分布的直方图。如图17A和图17B的直方图中示出的，示出平均值是Xi(Yi)时的量子效率分布。平均增益和增益范围二者随平均值Xi(Yi)而增大。示例性的模拟结果表明与得自分析模型的示例性结果相当吻合。
虽然本专利文献包含许多细节，但这些应该不被理解为是任何发明或可要求保护的内容的范围，而是被理解为特定发明的特定实施例可专用的特征的描述。在单独实施例的背景下在这个专利文献中描述的某些特征还可组合地在单个实施例中实现。相反地，在单个实施例的背景下描述的各种特征还可单独地或任何合适子组合实现在多个实施例中。此外，尽管以上可将特征描述为以某些组合作用并且甚至初始地如此要求保护，但在一些情况下，可从组合中删除得自要求保护的组合的一个或多个特征，要求保护的组合可涉及自组合或子组合的变形形式。
类似地，虽然在附图中以特定次序描绘这些操作，但不应该被理解为需要以示出的特定次序或以顺序的次序执行这些操作，或者执行所有图示操作来实现期望的结果。此外，本专利文献中描述的实施例中的各种系统组件的分离应该不被理解为需要所有实施例中进行这种的分离。
只描述了几个实现方式和示例并且可基于描述的内容进行其它实现方式、增强形式和变形形式并且在本专利文献中示出。

Claims (33)

1.一种光电能量转换装置，包括：
由掺杂半导体材料形成的基板，所述基板包括第一区域和第二区域；
从所述基板的所述第一区域突出的多层纳米结构的阵列，其中，所述多层纳米结构由第二共掺杂半导体材料的层覆盖第一共掺杂半导体材料形成，从而形成芯-壳结构，所述层覆盖所述基板的第二区域中的所述掺杂半导体材料的至少一部分，
其中所述第一共掺杂半导体材料包括p+/n型半导体材料，所述p+/n型半导体材料包括电子受体掺杂物和电子供体掺杂物，第一供体浓度是1×1018cm-3的量级，并且低于第一受体浓度，以及
其中所述第二共掺杂半导体材料包括n+/p型半导体材料，所述n+/p型半导体材料包括电子受体掺杂物和电子供体掺杂物，第二受体浓度是1×1018cm-3的量级，并且低于第二供体浓度；以及
电极，形成在所述基板的所述第二区域中的被所述层覆盖的部分上，
其中，所述多层纳米结构被构造成提供光学有源区，所述光学有源区能够从一个或多个波长的光吸收光子，以产生在所述电极处出现的电信号，以及其中由在短路状况下通过级联激子离子化CEI机制形成多个电子-空穴对的光子产生所述电信号。
2.根据权利要求1所述的光电能量转换装置，其中，所述掺杂半导体材料包括p型硅。
3.根据权利要求1所述的光电能量转换装置，还包括：基板底部，其结合到所述基板的与所述多层纳米尺度结构的阵列侧相对的一侧并且由电绝缘体材料形成。
4.根据权利要求1所述的光电能量转换装置，其中，所述第一共掺杂半导体材料包括浓度水平是1×1019cm-3量级的受体掺杂物，第二共掺杂半导体材料包括浓度水平是1×1019cm-3量级的供体掺杂物。
5.根据权利要求1所述的光电能量转换装置，其中，所述电极包括n型半导体材料。
6.根据权利要求4所述的光电能量转换装置，其中，所述一个或多个波长包括630nm的波长，630nm波长下的红色光子的吸收在短路状况下经由级联激子离子化CEI机制形成至少4个电子-空穴对，以产生电信号。
7.根据权利要求1所述的光电能量转换装置，其中，所述一个或多个波长包括能量高于Si的1.12eV带隙能量的可见光的波长。
8.根据权利要求1所述的光电能量转换装置，其中，所述多层纳米结构的阵列被构造成具有一定几何形状，所述几何形状包括线状结构、壁状结构或华夫饼状结构中的一种或多种。
9.根据权利要求8所述的光电能量转换装置，其中，所述多层纳米结构的阵列包括具有280nm至340nm之间的直径和2500nm的高度的纳米线。
10.根据权利要求1所述的光电能量转换装置，其中，所述光电能量转换装置产生低于2.0的过量噪声因子。
11.一种光电能量转换装置，包括：
由掺杂硅材料形成的基板，所述基板包括第一区域和第二区域；
从所述基板的所述第一区域突出的多层纳米线结构的阵列，其中，所述纳米线结构由第二共掺杂硅材料的层覆盖第一共掺杂硅材料形成，从而形成芯-壳结构，所述层覆盖所述基板的第二区域中的至少一部分，其中，所述第一共掺杂硅材料和所述第二共掺杂硅材料包括电子受体掺杂物和电子供体掺杂物，其中，所述第一共掺杂硅材料中电子受体掺杂物和电子供体掺杂物中的一种类型的浓度比另一种类型的浓度大，所述第二共掺杂硅材料中电子受体掺杂物和电子供体掺杂物中的所述另一种类型的浓度比所述一种类型的浓度大；
电极，形成在所述基板的所述第二区域中的被所述层覆盖的部分上，
其中，所述多层纳米线结构被构造成提供光学有源区，所述光学有源区能够从一个或多个波长的光吸收光子以产生在所述电极处出现的电信号，其中由在短路状况下通过级联激子离子化CEI机制形成多个电子-空穴对的光子产生所述电信号。
12.根据权利要求11所述的光电能量转换装置，其中，所述掺杂硅材料包括p型硅。
13.根据权利要求11所述的光电能量转换装置，还包括：基板底部，其结合到所述基板的与所述多层纳米尺度结构的阵列侧相对的一侧并且由电绝缘体材料形成。
14.根据权利要求11所述的光电能量转换装置，其中，所述第一共掺杂硅材料包括p+/n型硅材料，所述p+/n型硅材料包括电子受体掺杂物和电子供体掺杂物二者，其中，受体浓度大于供体浓度。
15.根据权利要求11所述的光电能量转换装置，其中，所述第二共掺杂硅材料包括n+/p型硅材料，所述n+/p型硅材料包括电子受体掺杂物和电子供体掺杂物二者，其中，供体浓度大于受体浓度。
16.根据权利要求11所述的光电能量转换装置，其中，所述光电能量转换装置被包括在太阳能电池装置中。
17.根据权利要求11所述的光电能量转换装置，其中，所述光电能量转换装置产生低于2.0的过量噪声因子。
18.一种将光能转换成电能的方法，包括：
在被构造成包括掺杂半导体基板的表面上接收光，所述表面被多层纳米结构的阵列至少部分地覆盖，所述多层纳米结构由被第二共掺杂半导体材料的层覆盖第一共掺杂半导体材料形成；
其中所述第一共掺杂半导体材料包括p+/n型半导体材料，所述p+/n型半导体材料包括电子受体掺杂物和电子供体掺杂物，第一供体浓度是1×1018cm-3的量级，并且低于第一受体浓度，以及
其中所述第二共掺杂半导体材料包括n+/p型半导体材料，所述n+/p型半导体材料包括电子受体掺杂物和电子供体掺杂物，第二受体浓度是1×1018cm-3的量级，并且低于第二供体浓度；
在所述多层纳米结构的阵列处在短路状况下利用级联激子离子化CEI机制将接收到的光转换成电信号，其中，在第一共掺杂半导体材料和第二共掺杂半导体材料的p区和n区二者中的红色光子的吸收产生至少4个电子-空穴对以产生电信号，所述电信号出现在所述表面的所述掺杂半导体基板上的电极处；
将所述电信号传导给电路。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，接收到的光包括一个或多个波长，所述一个或多个波长包括630nm的波长，其中，转换630nm波长下的接收到的光形成至少4个电子-空穴对，以产生电信号。
20.根据权利要求18所述的方法，其中：
所述第一共掺杂硅材料包括p+/n型硅材料，所述p+/n型硅材料包括电子受体掺杂物和电子供体掺杂物二者，其中，受体浓度大于供体浓度，以及
所述第二共掺杂硅材料包括n+/p型硅材料，所述n+/p型硅材料包括电子受体掺杂物和电子供体掺杂物二者，其中，供体浓度大于受体浓度。
21.根据权利要求18所述的方法，其中，所述多层纳米结构的阵列包括纳米线结构、纳米壁结构或纳米华夫饼结构的几何形状。
22.根据权利要求18所述的方法，其中，所述光包括阳光并且所述电路被包括在至少部分被通过所述方法转换成电能的光能供电的装置中。
23.根据权利要求18所述的方法，其中，所述电信号表现出低于2.0的过量噪声因子。
24.一种制造单结光电能量转换装置的方法，包括：
在由掺杂半导体材料形成的基板的第一区域中，形成纳米结构的阵列，其中，所述基板包括掺杂浓度为1018cm-3量级的第一掺杂物，所述第一掺杂物包括电子受体掺杂物或电子供体掺杂物中的一种类型掺杂物；
在所述第一区域上沉积掺杂物材料，以在所述纳米结构的阵列上方形成层，所述掺杂物材料包含第二掺杂物，所述第二掺杂物包括电子受体掺杂物或电子供体掺杂物中与所述第一掺杂物不同的另一种类型掺杂物；
(i)将所述纳米结构的阵列的掺杂半导体材料转换成第一共掺杂半导体材料，该第一共掺杂半导体材料包括电子受体掺杂物和电子供体掺杂物二者并且两种掺杂物中一种类型掺杂物的浓度较大；和(ii)将所述纳米结构的阵列上方的层的沉积材料转换成第二共掺杂半导体材料，所述第二共掺杂半导体材料包括电子受体掺杂物和电子供体掺杂物二者并且两种掺杂物中另一种类型掺杂物的浓度大于所述一种类型掺杂物的浓度，
从而分别形成所述第一共掺杂半导体材料和所述第二共掺杂半导体材料的芯/壳结构，该芯/壳结构能够从一个或多个波长的光吸收光子以产生电信号，其中由在短路状况下通过级联激子离子化CEI机制形成多个电子-空穴对的光子产生所述电信号。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述形成的步骤包括基于掩模将来自所述基板的所述纳米结构蚀刻成图案。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，蚀刻的步骤包括使用电子束光刻图案化镍盘作为所述掩模，用C4F8和SF6气体进行的电感耦合等离子体反应-离子蚀刻处理。
27.根据权利要求24所述的方法，其中，沉积掺杂物材料的步骤包括：
将掺杂物溶液涂覆在第二基板上，
烘干涂覆在所述第二基板上的掺杂物溶液，
通过施加热蒸发掉所述第二掺杂物将来自所述第二基板的所述第二掺杂物转移到所述基板的所述第一区域上，以在所述纳米结构的阵列上方形成所述层。
28.根据权利要求24所述的方法，其中，沉积的步骤包括将所述层覆盖所述基板的第一区域外部的掺杂半导体材料的至少一部分。
29.根据权利要求24所述的方法，其中，转换的步骤包括施加热达一段持续时间，以控制电子受体掺杂物和电子供体掺杂物的扩散过程。
30.根据权利要求24所述的方法，还包括：
在所述基板的所述第一区域上形成导电材料的接触焊盘。
31.一种光电能量转换装置，包括：
由掺杂硅材料形成的基板，所述基板包括第一区域和第二区域；
纳米线结构的阵列，形成在所述基板的所述第一区域中并且从所述第一区域突出，每个纳米线结构包括作为芯的第一共掺杂硅材料和覆盖所述芯和所述基板的所述第二区域中的至少一部分的第二共掺杂硅材料的壳层，其中，所述第一共掺杂硅材料的芯和所述第二共掺杂硅材料的壳层形成p-n界面或n-p界面，以将光转换成电流；和
电极，耦合到所述纳米线结构，以引导因所述纳米线结构中接收的光的吸收而产生的电流作为所述光电能量转换装置的电输出，
其中，所述第一共掺杂硅材料和所述第二共掺杂硅材料二者都掺杂有遍布所述第一共掺杂硅材料和所述第二共掺杂硅材料的第一类型载流子和第二类型载流子，所述第一共掺杂硅材料中第二类型载流子的浓度比第一类型载流子的浓度低，第二类型载流子的浓度在1×1018cm-3的量级，并且所述第二共掺杂硅材料中第一类型载流子的浓度比第二类型载流子的浓度低，第一类型载流子的浓度在1×1018cm-3的量级，以及
其中，所述第一类型载流子是n型载流子和p型载流子中的一种，并且所述第二类型载流子是n型载流子和p型载流子中的另一种，以及
其中所述多层纳米结构被构建成提供光学有源区，所述光学有源区能够从一个或多个波长的光吸收光子，以产生所述电极处出现的电信号，以及其中由在短路状况下通过级联激子离子化CEI机制形成多个电子-空穴对的光子产生所述电信号。
32.根据权利要求31所述的装置，其中，所述纳米线结构的阵列被构造成表现出高于29％的光电转换效率。
33.根据权利要求31所述的装置，其中，所述纳米线结构的阵列被构造成表现出大于48％的光电转换效率。
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