CN105229799B - 在硅材料内形成的纳米结构单元及在其中完成它们的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在硅材料内部纳米结构形成的基本纳米级单元以及实现它们的制造方法。通过将两个Si原子有限位移至晶体基本单元外部来产生每个基本纳米级单元。通过在其中集中特定物理效应，晶体物质的局部纳米级转变得到不寻常的功能，因为它是非常有用的额外电子能级组(针对太阳光谱转换成电进行优化)。调整的能量组允许在半导体，优选硅、尤其用于非常高效的全硅光电转换器的材料中低能量二次电子产生。用于在半导体材料中产生这种转变的制造方法是基于局部能量沉积，如离子注入或电子(γ,X)束照射以及适当的热处理并且在工业上容易获得。

Description

在硅材料内形成的纳米结构单元及在其中完成它们的制造 方法
本发明为用于在硅材料中低能量二次电子产生的纳米级单元，尤其用于全硅光电转换器；以及以这样的材料生产它们的制造方法。
更具体地，该方法是基本晶体单元中晶体材料的纳米级转化，从而通过在其中集中特定的物理效应而得到不同寻常的功能，如非常有用的额外组的电子能级(其针对太阳光谱转化为电进行优化)。
1.本发明解决的问题和领域
A.问题
针对太阳光谱调节光电转换器是复杂的，一方面是由于量子力学操作仅在非常接近带隙的非常窄的光谱子范围内是高效或最佳的，并且另一方面是由于太阳光谱较宽，对于使用单一连接装置高效操作而言则是太大了。
两种方式都是可能的：
-通过保留在串联电池中以最有效的方式使用的光子-电子相互作用的相同的基本单一机理；通过研究新材料，或适当地重叠不同材料(例如来自GaAs家族的那些)来支持进展。在这种情况下转换是基于通过吸收确定的单一光-物质相互作用；在这种情况下，最复杂的问题之一是从形成转换器的不同元件收集电流；
-通过引入多重额外机理，由于纳米级材料转化(例如低能量二次电子产生)连同其多种偶联机理，可以允许特定的功能分离和局部化以及需要特定的电子转移和特定的载流子收集。
B.应用领域
本发明涉及由于亚区域，亚系统或亚结构(如包含硅超材料的包埋的纳米级分层系统)用于改善通常在光电转换器中以及特别在太阳能辐射的全硅转换器中二次低能量产生以及导致可收集的额外的载流子的倍增循环的方法。
本发明的具体领域或范围是光电转换光电电池。
2.定义
LEEG-低能量电子产生是这样的一种方法，通过该方法当在半导体纳米物体中吸收单一光子时产生多电子。这种效应代表了增加单结设备中太阳光转换效率的有前途的路径。
Segton-是在纳米尺度上调节的二次电子产生的单元(unit of the SecondaryElectron Generation Tuned on Nanoscale)，即，物质的处理的基本单元电池，其特征在于它的特定的和非常有用的电子能级组适合于高效多级光电转换；该系统允许额外自由载流子的低能量电子光子产生以及载流子倍增循环。更通常地，它还是如何产生高度有用的电子能级组的方法，该电子能级组可以针对太阳光谱转换为电进行优化。并且进一步地segton是具有特定的电子能级组的半导体纳米物体，该电子能级组能够完成天然半导体材料，优选硅的电子能级，用于超高效光电转换器。
Seg物质-是基于segton的超材料，即用于高效光电转换的特定材料，其由均匀分布的segton构成，这些segton形成有序超晶格并且插入通过纳米膜限定边界的特定物理环境(通过平行专利申请保护)。更通常地，该表述还表示如何生产能够使用segton能级组的物质的方法。该seg物质超材料以一层或多层形式形成。并且进一步地seg物质是形成超材料的半导体人工物质，它允许segton处理以及采用多方面的功能，它主要在纳米尺度上可供使用。
双空穴：在半导体中形成特定结构单元的结构点缺陷，其中在共价材料中出现不同的原子键，如分子键。
MTM:基于硅的超材料
a-Si:非晶硅相
<a-Si>:在应力下的非晶硅相
c-Si:晶体硅相
<c-Si>:应力下的晶体硅相
BSF:背面场
BSF界面：源自掺杂杂质密度的突然或逐步改变的LH型半导体结
3.本发明的背景技术
现今的光伏效应被得到并且基于单结和多结平面半导体设备。这种简单的结构采用可以可选地稍微改变的天然材料。光子与该物质的相互作用依赖于两种原理：全或无以及一个光子一个电子-空穴对。
通过新的，优选人工材料，新机理或新的光电转换处理已经进行有效改善。
4.在硅单晶体内部形成的纳米级单元
人工材料组件是代表包埋纳米级亚结构的构造模块的纳米物体。该单元在此称为segton。每个segton代表基本硅晶体单元减两个硅原子(位移到外面)，它处于严格确定的双重负电荷状态，并且有力地和必要地偶联至它们的严格处理的物理环境。
Segton提供了转换器，在新的电子能级组中，允许新的产生机理，即二次电子产生，其特征在于特别低的特定能量。Segton包含弱键合的电子，在用热电子碰撞期间所述弱键合的电子可以容易地释放，当适当的电子动力学、电子脱嵌和segton再充电变成可能时，导致电子倍增循环。以此方式，源于来自吸收的一次产生的热电子额外的动力学能量转至额外的接近平衡的电子群体。通常地，热电子或温电子(warm electron)可以源于光照射、电场加速或其他效应如载流子注入。
基于双空穴(通过其物理环境对其进行强烈处理)构造这种结构纳米物体。通过实现关于它们的电子状态和它们在主体转换器材料中的分布的多种要求，无用的通常有害的双空穴转变成有用的segton变成可能。通过特定的物理和技术处理，将纯物理纳米物体转变成在技术应用中非常有用的纳米物体。
Segton行为类似作为理想的构造模块起作用的分子物质，并且包含在两种不同长度尺度上的排序：原子相互作用水平和纳米级组织水平。
Segton保留与硅纳米晶体类比。在两种情况下，人工地调节电子能级组以与例如太阳光谱有效地相互作用。以此方式，由于吸收高能光子导致的单一一次电子-空穴产生转变为多激子产生；该效应可以进一步导致自由载流子倍增。
当在硅纳米晶体中成型时，然后出现两种类型的硅改性：
i)与纳米晶体尺寸相关的量子力学，以及
ii)位于纳米晶体界面的特定能量状态。
单独的segton(是必要的)并不足以增加转换性能。它必须内置于称为seg物质的超材料。
与纳米晶体(其中关键问题是自由载流子脱嵌和收集)相对，segton插入完美的导电环境，允许优异的脱嵌和收集。
c-Si晶体硅相的特定组合的电子能级组，即能带系统以及硅segton的特定组合的电子能级组，即带隙中的外在能级可以针对太阳光谱在能量上良好地调节并且允许优选的光电转换。二次电子群体源于通过热或温一次电子碰撞释放弱键合电子。
本发明特别重要，因为当硅大量地用于光伏行业时，在地壳中的丰度和可采性方面并没有出现问题，并且在毒性和再循环方面也没有造成显著环境问题。晶体硅设备的近期发展(以某种方式代表返回首次光伏产生)是本发明包括这类改善的优异的基础。
4.简单描述
本发明涉及纳米结构化-形成-嵌入主体半导体材料或基体内部的基本纳米级单元以及实施它们的制造方法。由于严格的施加的结构和光电条件，通过在其中集中特定的物理效应(因为它是高度有用的额外电子能级组，所述电子能级组针对太阳光谱转变成电进行优化)，晶体物质的局部纳米级转变得到不寻常的功能。能量调节系统允许在半导体，优选硅材料中低能量二次电子产生。
用于在半导体材料中产生这种转变的产生或制造方法是基于通过照射局部能量沉积，所述照射可以并不聚焦，如通过宇宙射线，或者或多或少聚焦，例如通过γ射线、X射线、电子束或离子注入，以及接着适当的热处理，并且是工业上易于获得的。
根据本发明的基本纳米级单元，并且称为segton，可以有利地偶联至它们的物理外周，所述物理外周被严格地物理地和技术地处理并且有用地放置在转换器中(从入射光照射和吸收角度看)。Segton可以与能够调节可用于电子的能级的纳米晶体类比。在基于半导体硅的转换器中超快速segton动力学允许连续的和足够快的转换循环。与通常嵌入电介质中的纳米晶体相对，其中完全插入segton的重掺杂半导体环境显示优异的导电性。
实际上，具有优异的电子传导和转移的特定的电子能级组将segton与迄今已知的其他纳米级转变区分开。从segton中脱嵌和收集电子的能力预先决定了它们的技术应用，尤其在非常高效的全硅光电转换器中。
5.处理的双空穴以及要求和实施
通过多种新的额外的机理(其允许硅半导体转换器优化适应于太阳光谱)，人工纳米级组件应该能够补充常规转换过程。
本领域普通技术人员应当理解的是在本申请中在下面公开和要求保护的发明必须在三种不同的水平上考虑，尤其是当考虑要求保护的segton及其生产方法时。
Segton由基于双空穴的基本单元构成。因此，双空穴已知成为物理目标，但是直到本发明为止，通常将其视为在电子和光电应用中完全无用的。直至本发明提交日为止，这种双空穴甚至通常被描述为需要修复或修补或消除的有害的结构缺陷。作为物理目标，在照射(例如电子或离子束，或γ和X射线束的简单照射)之后点缺陷或双空穴随机地和稀疏地分布。相反，根据本发明，为了成为有用的技术目标，在适当的特定的技术处理期间这种基本单元必须进行处理，通过这种方式，显示优化的纳米物体分布和密度。这意味着在所有遭遇的热条件(即，处理温度达到550℃，而在通常情况下在低于250℃的温度下双空穴重新结合)下必须对其保护。然后由在超晶格中排序的构造模块组织新材料。以此方式，基于双空穴的纳米物体的密度、分布、位置和行为可以导致技术上有用的应用。
新材料的人工组件结合有利的有用的效应和处理以实现通常不能实现的希望的功能。所述segton的两种最特殊的特征，是其接近永久性的电荷状态，即电荷状态的超快速再生。双电荷状态必须允许新的且独特的转换机理，即永不停歇的低能量产生，以完全起作用。通常，基于segton二次产生的动力学考虑：
·segton有用的电子状态以及暴露于与热或温电子的碰撞以优化动能转至额外的电子群体中(为膜样亚结构)，
·在时间尺度上在产生碰撞的热或温电子和它们的有害的热化(即加热硅晶格)之间竞争；必须在时间和几何尺度上控制热电子-晶格相互作用，
·在其碰撞产生之后将二次电子脱嵌到seg-物质纳米层外面，并且因此它注入周围发射极空间并且通过电屏蔽保持它不能返回起点，
·在横跨发射极接近平衡能量下在seg物质和正面电极之间优异地传导二次电子，
·通过正面电极收集二次电子(作为重新结合样效应)，
·横跨seg物质局部传导位移电子，允许适当地极其快速再生segton电荷状态，这是由于通过背面电极注入的来自转换器更深阶层的“其他”电子(由于通过外部电路循环)，
·是seg物质中特定的单极传导，通过横跨杂质带的特定的快速传导允许segton再生。
假定方式如何转变和使用已知的并且有害的纳米缺陷成为有用的基本材料单元的方式在现有技术中之前从未公开。
制造
现在使用一般性术语和下面部分中的表述可以简短地描述根据本发明用于产生和制造纳米级单元的方法。
制作或制造以及处理segton必须同时具有所要求的功能：
i)产生特定的纳米物体，具有源于在晶格中原子重组的类型、电荷状态、密度、在几何空间中的位置和定位；这种重组还可以出现于非晶体相或非晶化相，
ii)有用地插入能够低能量产生二次电子的适当的电子能级组，
iii)显示出源于可以活化并且有时仅在纳米尺度上达到的多种物理相互作用协同作用的特定功能，
iv)当二次电子的产生和重新结合位置适当地分开并且屏蔽时，显示电子循环；这考虑了例如主要在转换器正面发生的有害的重新结合。
总体上，所要求的功能源于两种类型的结合作用：紧密地涉及纳米物体(作为物质结构)即segton本身的那些以及涉及在纳米尺度上通过邻近物(例如与其过渡区的半导体界面)触发的物理场的那些。
6.本发明的目的和益处
本发明致力于增强光电转换。由于源于吸收高能光子(现在由于热化完全失去)的额外电子动能有用地转至额外的电子群体(其可以在外电路中收集)这是可以实现的。由于在纳米尺度上调节用于二次电子产生的纳米级单元(称为segton)这种转换成为可能。技术上有用的segton实现了多种条件，例如足够大量以及良好分布，位于良好限定的纳米空间中，并且必须永久保留其有用的电荷状态。所有这些导致以下改善和益处：
·具有约63％热力学限制的新的高效光电转换器。
·由使用成熟技术处理的丰富的，生态友好材料(如硅)制造的新设备。
·由于其低能量行为补充常规操作模式的新转换机理。
·允许针对太阳光谱调节光电转换器新的电子能量组。
·导致补充基本材料和设备结构的新的转换材料和结构的新的制造过程。
·然后超高效全硅光电转换器是可能的，这是因为重叠调整的硅衍生的材料。这种可能性提醒了串联电池的特异性。
·本发明的过程是基于最成熟的硅技术，并且需要有限地改变或补充现有生产装置。
·可以提供将晶体硅的基本单元电池转变为双空穴或segton所需能量，例如通过离子注入如Si、P物质。
·通过segton的补充的能级组(它尤其针对可见光和UV光子转换进行优化)可以有利地调节不太适合太阳光谱转换的硅的初始能带。以此方式，硅转换器包含针对太阳光谱的最优转换过程排列的能级和能带。
·Segton，作为构造模块，可以在丰富的且环境友好的材料(如硅)中成型。
·可能由于segton导致的新机理考虑了低能量电子产生和相应的电子倍增循环。然后额外的电子能量转至额外的电子群体中。由于两种类型的载流子产生，运行具有segton的转换器：一次单一电子-空穴常规的产生和新的二次电子产生。换言之，将源于光子吸收的电子-空穴对的简单的一次产生转变成多级转换循环。
·二次产生可以避免热电子的有害热化，即加热硅晶格。由于调节转换器结构，可以在时间和几何尺度上控制热电子相互作用。
·在全硅转换器领域中，相对容易的是将segton保持在永久电荷状态(这是最佳设备功能所需要的)。
·包括所有纳米转变、转换器功能化及其最终破坏的设备制造完全没有使用自由纳米颗粒(其对于环境和人体可能是危险的)的处理步骤。
·可以由经验丰富的行业操作人员例如工程师和技术人员制造。
·一种最重要的新的制造过程与硅转换器的现有技术良好相容并且考虑了已知的离子注入和随后的热处理。
附图说明
·图1是基本硅电池(elemental silicon cell)的一种已知的图形，其中箭头指示移出以形成segton的原子；
·图2是由EPR(电子顺磁共振，Electron Paramagnetic Resonance)研究推导出的双空位的模型；
·图3是在有序超晶格背景上segton的自由示意图，即，在超材料(metamaterial)纳米层内部它们的segton分布；
·图4是连同它们最接近的环境的segton的有序超级晶格示意图的例子，即，由于合适的和复杂的缺陷处理产生的许多segton；
·图5是其中插入超材料的发射体上部的示意性截面视图；
·图6是其中存在所有不同部件，或多或少复杂结构的转换器的总体截面视图；
·图7和8分别是不具有和具有自由载流子积聚的设备的多层结构的模块类型样式的示意图
·图9是通过离子注入和注入后处理包埋在晶体硅中的非晶相的受控重结晶所实现的平面多界面亚结构的截面TEM图像；详细说明见右图，其说明了2D-纳米尺寸的亚结构；
·图10是在三个图中以示意性图表显示的电子能带和电子能级转换的示意图；
a)本征材料如硅的间接带隙
b)由于重n-型掺杂具有额外组的电子能级的相同带模型，以及
c)由于重n-型掺杂以及segton插入或接合(grafting)具有额外组的电子能级的相同带模型；
·图11是电子能量组和可能由于该组导致的额外的光电转换机理的示意图；用光子能量hv>1,1+nx0,274eV低能量冲击电离segton，其中n(其是整数)代表以下各项的倍增等级：
a)高能光子可以三级(n＝3)倍增而
b)低能光子可以二级(n＝2)倍增；
·图12是基于以下三种机理确定的电子倍增的阶梯形理论等级的比较图表：
i)硅晶格的冲击电离，
ii)具有相应于硅带隙的特定能量的激子多重性，以及
iii)由于segton导致的低能量冲击电离；
·图13是根据平行发明用于产生在形成seg物质(seg-matter)的一个或多个纳米层中分组的segton的方法的不同步骤的组织结构图。
8.优选实施方式的描述
根据本发明的纳米级单元是在包含结构电缺陷(称为双空穴)的晶体硅晶格的基本单元周围构造和处理的基本单元。这些纳米级单元(称为segton)有利地并且必要地偶联至它们的物理外周，所述物理外周被严格地物理处理并且有用地放置在转换器中(从入射光照射和吸收角度看)。
基于双空穴(其准永久性地处于双重负电荷状态)构造segton，并且通过其物理邻近物进行处理。
由于严格施加的结构和光电条件，通常有害的缺陷可以有利地转变成有用的纳米物体，其具有针对在硅转换器中低能量二次产生和倍增调节的电子能级组。因此，segton能够提供给其主体材料或基体特定的电子能级组，其分布和动力学允许连续地和足够地超快速的转换循环。
Segton源自两个原子位移到晶体，优选硅基本单元，的外部，所述硅基本单元引起通过空穴位点的伸长的电子键，其能够捕获和定位占据外在能级的自由电子，尤其是弱键合电子。
通过聚焦和沉积在半导体物质或晶格或基体内部的能量束(例如，电子束、离子束河其他适宜的照射)可以实现这种位移。
Segton包含较短和较长的电子键，例如分子样类型的悬挂键，其必须被在运行的转换器中捕获电子永久占据。这相应于特定的永久性双重负电荷状态，针对纳米尺度调整的segton的直接环境必须采用这种状态。
为了用于高效光电转换，segton动力学是极其快速的，其表征为极短的时间常数。首先这证明segton充电和放电的极其快速的动力学。
嵌入给定的主体材料例如半导体，优选硅，segton可以与能够调整可用于电子的能级的纳米晶体类比。segton周围的n-型重掺杂半导体(其中segton完全插入)显示优异的导电性。从segton中脱嵌和收集电子的能力预先决定了它们的技术应用。
通常，独特的segton特征，即结合特定的电子能级组和优异的电子传导或转移将segton与迄今已知的其他纳米级转变区别开。
Segton制造的优选方法是基于包埋的非晶体纳米体积，在该过程中其缠绕在与双空穴接合的纳米层周围。
具有超快速再生行为的电荷状态必须允许新的独特的转换机理，即永不停歇的低能量产生。通常，基于segton的二次产生的动力学涉及
·有用的segton保留于与热电子碰撞以优化动能转至额外的电子群体中，例如膜样亚结构，
·在时间尺度上在热电子产生碰撞和热电子热化之间竞争，
·在碰撞产生之后，二次电子脱嵌到segton邻近物外部，并且因此，它注入外周发射极并且保持不能返回起点，
·由于特定的传导机理，横跨的位移电子的局部传导，由于来自转换器较深阶层的其他电子，允许segton的电荷状态适当的超快速再生；由于通过外部电路循环，通过背面电极注入，
·通过横跨杂质带特定的快速传导允许的在segton环境中特定的单极传导。
能够实现多种所要求的条件的纳米级转变的方法是基于先前晶体半导体，优选硅，的局部非晶化(使用例如离子束)。这种处理可以良好地定位设备空间中的点缺陷，并且由于在c-Si/a-Si界面处的膨胀力引起的内置应变场可以在有序超晶格中导致自组织。在热处理期间应变场管理segton分布。
存在至少两种可能的实施方法：
i)由通过扩散或注入的先前的n-型掺杂(优选P)曲线，紧接着离子注入直至局部或包埋非晶化(P,Si)构成的两步处理，
ii)仅使用掺杂离子(优选P)的单一离子注入直至局部/包埋非晶化。
所述两种方法导致局部重掺杂材料(优选Si:P)并且因此允许同时涉及杂质带和传导带的单极传导。选择是基于针对转换光谱的精细调节。
在第一步骤中，非晶化产生粗糙(rough)或坚固(rugged)a-Si/c-Si杂界面和较小的处于c-Si中的a-Si内含物和处于a-Si中的c-Si内含物。随后优选在约500-550℃下的退火循环采用固态外延的形式并且导致两种硅相(晶体和非晶体)清楚的原子尺度分离，以及锐化平面a-Si/c-Si杂界面。相同的退火循环导致产生或多或少平面纳米层，其光滑地缠绕在每个非晶体晶粒。3-5-10nm厚的所述纳米层是均匀的，没有任何缺陷和不均匀(inequalities)，并且包含多个有序的一起形成seg物质的segton，所述seg物质是基于硅的超材料MTM。
基本单元内Si原子的限制位移需要相对非常低的能量/位移原子(约2.5eV/原子)。两个原子的这种位移导致导致引入伸长的电子键(其可以捕获和定位电子)。为了变得技术上有用，双空穴必须永久地包含4个捕获电子，其中它们中的一个是弱键合的。这是可能的，例如在重n-型掺杂材料中，例如提供有高磷掺杂(Si:P)。
结构转变和segton处理：
·通过离子注入的相转变：晶体→非晶体→具有局部高度集中点缺陷的晶体，在热处理循环期间将其进一步处理成为segton
·源于离子注入的c-Si/a-Si界面：产生→光滑→处理成seg-物质
·由于退火循环局部均化非晶相和晶相：溶解一种材料相在另一相内的内含物
·限定seg物质的纳米膜：a-Si/c-Si→a-Si/<c-Si>-能垒(价带的较高偏移)以及<c-Si>/a-Si-电子转移模式改变
·通过退火循环处理处置segton：活化重掺杂
进一步解释说明
i)实际双重永久电荷状态，即弱键合电子的永久可用性-回答了这种要求。Segton必须插入重掺杂n-型半导体环境，例如P-掺杂Si，其中掺杂密度为1018至1021原子cm-3。这种掺杂可以通过多种已知方式实现，方式的选择取决于转换器设计和刚好的最好的技术处理。例如，1)通过在850-1000℃温度下从P2O5表面源扩散持续约20-40min；2)通过P离子掺杂注入，导致注入范围附近局部杂质最大值-注入能量为10至200keV，3)通过在1000-1250℃温度下从P2O5表面源快速热处理(RTT)持续数十秒，4)通过先前低能量注入半导体的局部激光表面重结晶-注入能量为10-50keV。
ii)由于纳米级插入化学相同材料，两种不同的和补充的电子能级组占据相互穿透的几何空间
iii)两种不同的电子转移机理(进和出Segton)；出是通过传导带而进是通过杂质带；通过n-型掺杂以及通过a-Si/c-Si过渡的LH样杂界面的的内置电场可以容易地控制这种效应。
iv)由于其能级组以及由于其具备几何位置，segton允许阀样动作；通过使离开的电子和进入电子彼此远离，可以在能量空间中以及第二在几何空间中的单向移动电子。
表格：改善的光电转换的基础
9.本发明及其制造方法
为了技术上有用，segton必须足够多并且良好分布，位于良好限定的纳米空间中，永久地保留其有用的电荷状态，在设备制造期间允许温度处理，而不威胁它们的去除或转变。与通常稀疏地和随机地散布于半导体中的双空穴相反，优选硅、材料、代表技术目标的segton，集中在良好限定的纳米层纳米空间中。
能够采用考虑segton成型的多种要求的最好的技术之一是在非晶体-晶体杂界面周围的硅相转变，即先前非晶化晶体材料受控重结晶。有序-无序原子级转变导致膨胀应变，由于适当的固态外延其允许处理平面样杂界面。
重结晶材料具有主要的晶体行为，但是包含大量位移原子，它们相当均匀地分布。受控重结晶必须考虑涉及重结晶或固态外延速率、温度、将大量的位移原子保留在其新位置的延迟的多种条件，并且避免额外有害的结构损伤(例如源于太强烈的原子移动)。
这是能够同时满足所有上述要求的唯一的处理，即离子注入和良好控制的随后或实时热处理。从吸收角度看，这种处理允许良好定位转变材料。
a-Si/c-Si杂界面转变区聚集许多segton直至约1020cm-3的密度，其捕获于膨胀或拉伸应变场中。该拉伸场至少起四种作用：
i)减少热处理期间双空穴重新结合，
ii)减少双空穴移动，允许它们捕获在良好限定的和限制的体积空间中，
iii)在设备制造过程期间，在500-550℃的不寻常的高温下允许双空穴保留以及
iv)将segton分布有序化成为自身有序的超晶格网络。
离子注入和随后处理允许实现其他要求，如永久双重负电荷状态、空间布置、电子转移等，所有这些转变导致由segton形成的超材料。Segton双重负电荷状态允许间接Si带隙和传导带的上半部分中双空穴/segton能级之间低能量电子跃迁/释放。n-型半导体掺杂杂质的浓度必须足够大例如1018至1021原子cm-3，以对所有众多的双空穴充电和再充电。刚刚在电子发射或脱嵌之后，这种技术上有用的双重负电荷状态必须可以瞬间更新。
通常，可以同时制作或制造以及处理segton：
具有10至200keV注入能量和1014至1016离子cm-2离子剂量的离子注入导致产生特定的纳米物体类型，电荷状态，密度，在几何空间中的位置或定位，源自在晶格中和/或在非晶体/非晶化相中原子重组；导致新材料相的结构转变源于在纳米层形式下在特定空间中聚集或包含的点缺陷的积累；例如新相的密度和内能低于位于晶体相和非晶体相之间过渡区域的其晶体对应物。
例如可以以两种方式(通过扩散掺杂离子或通过适当掺杂离子注入)获得n-型掺杂型材和约1018至1020原子cm-3的足够的密度。掺杂型材的特定的高密度主要考虑包埋亚结构及其附近的邻近物。
材料调节和结构转变：为了获得已知“老”材料的新相，其用于软光物质(softlight-matter)相互作用，例如可以从其晶体相开始通过其局部较深的转变，导致在晶格中原子位置的特定调整。这样的原子级处理导致例如一些原子群体从其在晶体单元电池中的平衡位点移动至通常未被占据的亚稳定位点中。新的亚稳定原子分布必须考虑足够大的原子数。所要求的处理必须允许局部能量沉积，例如通过或多或少聚焦能量束照射。该操作能够移动大量原子群体占据特定体积并且以这种方法采用必要的显著的材料调整。
导致产生segton的材料调整的实例：允许所要求的材料调整的离子辐射以多个阶段实现：
·在T<1000℃下通过所谓的低温热扩散或另外的方法例如在均匀地，轻微地或适度地，P掺杂晶片(例如，预掺杂硼)中掺杂注入的初始n-型掺杂型材(例如，磷)，
·在扩散过程之后对晶片表面进行预处理以允许良好地控制注入体积，
·可能地例如通过两种方式，通过自身Si注入或通过P注入，导致包埋非晶化的50-200keV离子束辐射，
·例如在500℃下通过热退火循环构造优异的c-Si/a-Si杂界面，
·例如在350-450℃下通过热退火循环构造MTM纳米层，
·活化segton，
·设备最终处理步骤，即，AR涂覆、电子钝化、金属化。
10.通过附图进行解释说明
下面，借助于附图你将发现本发明的简单描述。
图1和2涉及基于通过物理场(通过三箭头标记)(图3)处理的双空穴的特定的segton模型，所述物理场至少是：掺杂杂质、内置电场和内置应力场。Segton源自适当的和复杂的缺陷处理。在图1和2中，原子设计：硅的基本晶体单元
a)具有所有“平衡”原子，它们中的两个将被移出，其通过两个实心黑色弯曲锯齿线标记(图1)，
b)没有两个原子，即导致通过空穴位点(c,c')(其替代了常见的共价键：a-d、a'-d'和b-b')伸长的原子键的双空穴。
这是在以下各项下良好保留的亚稳态：
i)当物质弛豫时，T<250℃以及
ii)当物质在局部拉伸应变下时，T<550-600℃。通过出现在b-b'原子之间的黑色实线指示弱键(图2)。该线通过c-c'空穴。存在通过c-c'空穴的三个等价弱键：a-a\b-b'和d-d'。在超材料中，出现Jahn-Teller扭曲。图中符号：笛卡尔坐标(x,y,z)，[1,0,0]晶轴方向，和向量P，角度Θ。
四种另外的segton(图3)符号表示有序segton超晶格的背景，即在超材料MTM纳米层内部它们的分布。Segton源自适当的和复杂的缺陷处理。通过三箭头符号表示通过物理场处理的双空穴的示意图：
i)内置电场，
ii)内置应力场，以及
iii)来自邻近双空穴的缺陷场；四种其他的segton符号表示有序segton超晶格，即在MTM纳米层内部它们的分布。
图4是具有segton的平滑改变密度的超材料MTM纳米层的实例模型的整体的示意图；较高的密度更接近实现晶相中非晶相降低。
图5-8显示了包含纳米结构硅的超材料(<c-Si>纳米层)的纳米级Si-分层系统的示意图，其通过掺杂、离子注入和适当的热处理获得(未按比例绘制)。在收集限制上的两个上层(c-Si和<c-Si>)表示填充有源于掺杂和光一次和二次产生的自由载流子的表面存储器。
图6示出了具有平面结构的设备的实施例，所述平面结构包含使用纳米级Si-分层系统和Si超材料的一种可能的组合。在以下各项中三种特定亚结构的排列考虑了光子的平均穿透深度：发射极、基底、和背面区(其允许更好地转换特定阳光波谱组分)。所述设备提供于背面场(BSF)。
图7和8示意地显示了包含包埋的亚结构的晶体Si晶片的顶部，所述亚结构能够结合光电特性(未按比例绘制)。最简单的纳米尺寸转化导致多个特定层和尤其地硅超材料的重叠；三个纳米层标注为<c-Si>；一个在SiO2/Si界面，两个在a-Si/c-Si界面(在图中它们标记为顶部和下部活性纳米结构)。特定作用之一(即表面无载流子存储器)是由出现在上部a-Si/c-Si界面的载流子收集限制(CCL)导致的。由于限制，上图忽略了自由载流子聚集，而下图将其考虑在内，指出较强光吸收的更实际的区域。另一种特定作用是光产生的自由载流子的收集特性，通过收集载流子和传导电流箭头表示。
图9是截面TEM图像，其显示通过受控重结晶非晶相实现的平面多界面亚结构的实施例，所述非晶相通过离子注入和注入后处理包埋在晶体Si中。详细说明见右图，其说明了2D纳米尺寸Si-分层系统。
图10是以下的电子能带和电子能级组的示意图
a)本征硅，
b)重掺杂的n型应变纳米层，标注为<c-Si>，在活性的a-Si/c-Si杂界面处其为二，而在表面SiO2/Si杂界面处为一，包含Si超材料，
c)具有特定segton带的重掺杂的n型硅。
图11是具有可能由于下式导致的额外的光电转换机理的电子能量组的示意图：用光子能量energy>I,1+nx0,274eV低能量(0,274eV)冲击电离segton，其中n(整数)代表使用0,274eV特定能量的倍增等级。电子倍增是指：a)高能光子可以三级(n＝3)倍增，而b)低能光子可以二(n＝2)级倍增。
图12显示了基于以下各项确定的理论等级电子倍增的比较
i)硅晶格的冲击电离，
ii)具有相应于硅带隙的能量的多重激子，以及
iii)由于segton导致的低能量冲击电离。
图13逐步显示产生segton以及将segton分组以形成一个或多个segton纳米层的整个过程。
11.具体实施例
以下，参考图13根据以下步骤实施具体实施例。
-用优先(100)晶体取向和适度的P-型掺杂(孔)预处理Si晶片
-在转换器背面的首次操作–额外的P-型掺杂形成BSF
-在转换器的正面首次操作–通过从表面掺杂源扩散进行n-型掺杂来产生发射极和光电信号发生器内膜，如PN结
-在注入序列、蚀刻、掩模之前进行正面处理-使用预定的注入能量和剂量，例如范围为50至100keV以及约5x1014离子cm"3，通过将P离子注入掩模进行包埋非晶化，
-在固态外延退火循环期间通过缠绕填满segton的<c-Si>纳米层将包埋非晶化物成型以获得称为seg物质的超材料
-在sag物质内的segton处理，允许良好的分布、电荷态以及暴露于入射光子
-最后操作：电子钝化、金属化以及光捕获。

Claims (17)

1.一种在全硅光电转换器内部形成纳米尺度上调节的二次电子产生的单元segton的方法，其特征在于，在形成和成型它们的作用过程中，具有下面的连续步骤：
a.通过聚焦能量束、电子束、离子束以及其他合适的辐射，从基本晶体结构中移出两个Si原子，形成称为双空穴的两个相互作用空穴的系统
b.将足够大量的和良好分布的segton放置在良好限定的纳米空间中
c.将segton放置在上部晶片区中
d.将大量的segton放置在应力下的晶体硅相<c-Si>内
e.形成有用的电子能量组，其完成用于高效光电转换的基本Si能量带
f.重掺杂被双空穴占据的区域以及围绕该区域的空间以局部地采用n-型行为
g.在转换器的技术处理期间保留segton群体持续温度升高的时间段
h.通过重叠物理效应、两种场：电场和力场、掺杂、适当暴露于入射光子处理segton的密集群体
i.允许准永久性双重负segton电荷状态
j.采用两种不同的电子转移机理，segton进和出；出是通过传导带而进是通过杂质带
k.采用单向segton功能作为能量阀和几何空间阀
l.由于通过杂质带的电子传导，采用超快速segton再充电
m.处理具有弱键合电子的二次电子产生中心。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于n-型半导体掺杂杂质的局部浓度足够大以充电和放电全部大量的双空穴。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于产生双空穴存储器，其是插入发射极区域中的包埋的非晶体。
4.根据前述权利要求1所述的方法，其特征在于a-Si/c-Si杂界面聚集大量双空穴，其捕获在膨胀应变场中。
5.根据前述权利要求1所述的方法，其特征在于在通过聚焦能量束、电子束、离子束以及其他合适的辐射进行能量沉积过程期间，包埋的非晶体缠绕在与双空穴接合的纳米层周围。
6.根据前述权利要求1所述的方法，其特征在于热力学处理允许局部地和清楚地确定超材料相。
7.根据前述权利要求1所述的方法，其特征在于n-型掺杂紧接着是离子注入直至局部或包埋非晶化。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于使用单一离子注入直至局部或包埋非晶化，仅使用P掺杂离子，用于导致重掺杂材料，并且因此允许同时涉及杂质带和传导带的单极传导，其中非晶化产生包埋的a-Si/c-Si杂界面，以及较小的处于c-Si中的a-Si内含物和处于a-Si中的c-Si内含物，随后在500-550℃下进行退火循环，其采用固态外延形式并且导致晶体和非晶体两个硅相的清楚分离以及锐化平面a-Si/c-Si杂界面，并且350-450℃下的退火循环导致产生或多或少平面样纳米层，其平滑地缠绕每个非晶体使得纳米层为3至10nm厚并且均匀，而没有任何缺陷和不均匀，并且包含一起形成seg物质的许多有序的单元，所述seg物质是放置在重n-型重掺杂半导体材料内的基于硅的超材料(MTM)，提供有掺杂Si：P，并且其中通过使用相对低能量/位移原子通过有限位移Si原子至基本单元电池外部，晶体硅的基本单元电池在纳米尺度上转变为硅segton，并且两个原子的这种位移导致引入可以捕获和局部化电子的延长的电子键的所谓的双空穴，并且这种双空穴在技术上是有用的，因为它永久地包含四个捕获电子，其中它们中的一个弱键合在重n-型掺杂材料中。
9.根据前述权利要求1所述的方法，其特征在于使用离子束或电子束进行先前晶体半导体的局部非晶化。
10.根据前述权利要求1所述的方法，其特征在于以下面方式进行结构转变和基本纳米级单元或segton处理：
通过离子注入的相转变，其中产生具有局部高度集中的点缺陷的晶体；
源于离子注入的c-Si/a-Si界面：依次进行产生、光滑、处理segton物质的过程；
非晶相和晶体相的局部均化退火循环：将一种材料相的内含物溶解在另一相中；
产生限定segton物质的纳米膜：依次进行a-Si/c-Si、<a-Si>/<c-Si>-能垒在价带中的高偏移和<c-Si>/<a-Si>-电子转移模式改变，其中<a-Si>为在应力下的非晶体硅相；
通过退火循环segton的处理过程，这导致重掺杂的活化。
11.根据前述权利要求1所述的方法，其特征在于通过离子辐射导致产生基本纳米级单元或segton的材料调整允许所需材料调整通过以下多个阶段实现：
在T<1000℃下，低温热扩散在均匀地P型掺杂晶片中的初始n-型掺杂型材，
在扩散过程之后对晶片表面进行预处理以允许良好地控制注入体积，
通过自身Si注入或通过P注入，导致包埋非晶化的10-200keV离子束辐射，
在500℃下通过热退火循环构造优异的c-Si/a-Si杂界面，
在350-450℃下通过热退火循环构造超材料(MTM)纳米层，
活化segton；
设备最终处理步骤，包括AR涂覆、电子钝化、金属化。
12.通过执行前述方法权利要求中任一项得到的基本纳米级单元，其表示基本硅晶体单元减两个硅原子，处于结合至它们的严格处理的物理环境的双负电荷状态。
13.通过执行前述方法权利要求中任一项得到的基本纳米级单元，其特征在于为了产生每种基本单元或segton，继续将两个Si原子有限位移到硅基本单元外部。
14.根据权利要求12或13所述的基本纳米级单元，其从插入位于转换器正面附近的发射极内的限定的纳米空间的非晶体中释放。
15.根据前述权利要求12或13所述的基本纳米级单元，其特征在于从主体材料c-Si中的较大的非晶纳米物体中释放它们。
16.根据前述权利要求12或13所述的基本纳米级单元，其特征在于由于电荷状态的超快速再生，它们保留准永久性电荷状态。
17.一种装置，为具有通过执行前述方法权利要求中任一项得到的基本纳米级单元的光伏电池，由于基于涉及一次和二次产生的基本纳米级单元的多级转换循环允许改善转换效率。
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