CN109699193A - 光电探测器和制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明教导了光电探测器的结构及其制造方法。本发明的光电探测器易于制造，可以通过低温工艺制造，具有高的响应性，高的切换速度和高的有源面积与器件面积之比，能够在光伏模式或反向偏压条件下操作。

Description

光电探测器和制造方法
技术领域
本发明涉及光电二极管。更具体地，本发明涉及下述光电探测器，其具有用于接收光子的透明导电层和用于探测所接收光子的半导体基底。本发明还涉及制造光电探测器的方法。
背景技术
利用半导体P-N，P-I-N结和金属-半导体-金属(MSM)肖特基结已经很好地开发了光电二极管。由于相对高的反向恢复时间和内置电容，P-N(或P-I-N)结光电二极管具有相对低的切换速度。因此，通常应用强的反向偏压来缓解该问题并且还增加光响应性。然而，反向偏压要求有助于能量预算以及导致可能泄漏到具有小电路尺寸的相邻电路。此外，在P-N结光电二极管中，在具有不同导电类型的轻掺杂基底上具有一种导电类型的重掺杂层对于更强的结并因此具有更高的光响应性是期望的。然而，重掺杂会使掺杂层中的载流子复合更多，这可能损害P-N光电二极管的光子响应性。
基于MSM肖特基结的光电二极管具有比P-N结光电二极管更高的切换速度。然而，MSM肖特基结的金属部件通常是不透明的，并且金属指状部之间的距离需要相对较小。这些因素限制了传统MSM肖特基结中有源区域的尺寸，这又限制了它们的灵敏度。此外，在MSM肖特基结中具有最高光载流子收集效率的区域位于不透明金属部件的下方，在那里该区域不接收入射光信号。因此，由于金属部件产生的无源区域不能在光子收集最有效的区域中接收光子，因此该结构本质上是低效的。
最近研究的一个领域是在单晶硅(c-Si)晶片上使用由宽带隙透明导电氧化物(TCO)构成的异质结太阳能电池(参见，例如，Song等人，“Interfacial Structure andCurrent Transport Properties of Sputter-Deposited ZnO:AI/c-Si HeterojunctionSolar Cells”,3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion，2003年5月11日至18日，日本大阪，以下称为“Song等人，2003”)。这种异质结的一个问题是它们本质上不适用于太阳能电池应用，因为对它们的结构性质存在根本性的误解。以前的研究已经将这种结构视为P-N光电二极管，尽管结的一部分是由TCO而不是由掺杂的半导体形成的。
发明内容
在一个实施例中，提供一种光电探测器。光电探测器包括由用于接收入射光子的透明导电氧化物(TCO)层形成的异质结和用于捕获和探测所接收光子的半导体基底。半导体基底包括与TCO-半导体结界面相邻形成的耗尽区域。在一些实施方案中，耗尽区域还包含反转区域。在一些实施例中，光电探测器还包括TCO层触点和半导体基底触点。在一些实施方案中，可选择TCO层厚度以最小化预定波长的入射光的反射。在一些实施方案中，光电探测器还包括施加在TCO与半导体基底之间的偏压。
在一个实施例中，提供一种光电探测器。光电探测器包括由用于接收入射光子的透明导电氧化物(TCO)层形成的异质结，中间钝化层，以及用于捕获和探测所接收光子的半导体基底。包括耗尽区域的半导体基底靠近钝化层-半导体界面形成。在一些实施方案中，耗尽区域还包括反转区域。在一些实施例中，光电探测器还包括TCO层触点和半导体基底触点。在一些实施方案中，可选择TCO层厚度以最小化预定波长的入射光的反射。在一些实施方案中，光电探测器还包括施加在TCO与半导体基底之间的偏压。
下面更全面地描述本发明的其他特征和优点。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述，其他特征和优点将变得显而易见，其中：
图1示出根据本发明实施例的光电探测器的简化截面视图。
图2示出对于图1的光电探测器而言在零偏压条件下作为从器件顶表面相距深度的函数的能带。
图3示出根据本发明另一实施例的另一光电探测器的简化截面视图。
图4示出对于图3的光电探测器而言在零偏压条件下作为从器件顶表面相距深度的函数的能带。
图5示出图3的光电探测器在零偏压和0.1V的反向偏压下的外部量子效率。
图6示出图3的光电探测器的电流-电压曲线图。
具体实施方式
本发明人出人意料地确定，由导电TCO层和半导体基底构成的异质结的功能类似于肖特基结而不是类似于P-N结，而现有技术中认为功能类似于P-N结。由于异质结的功能类似于肖特基结，因此能带被“钉扎”，在入射光子照射下在低电压下产生电流。结果，异质结不适合太阳能应用，因为结的任一侧上的能带被“钉扎”到低电压输出。然而，这种异质结出人意料地适用于光电探测器，因为它们的类似肖特基结的功能允许它们包括诸如改善的响应性、更低的反向恢复时间和/或更高的PN结上的切换速度的特征，同时保持与传统的肖特基结相比的相对高的有源区域与器件面积之比的PN结的益处。此外，这种光电探测器可以构造成在需要的低偏压或无偏压条件下工作。
在一个实施例中，提供一种光电探测器。光电探测器包括用于接收入射光子的透明导电氧化物(TCO)层和用于捕获和探测所接收光子的半导体基底。TCO层在结界面处与半导体基底结合以形成异质结。选择TCO层的TCO层厚度以最小化一个或多个预定波长的入射光子的反射。
在一个实施例中，提供一种光电探测器。光电探测器包括：用于接收入射光子的透明导电氧化物(TCO)层和用于捕获和探测所接收光子的半导体基底。TCO层在结界面处与半导体基底结合以形成异质结。光电探测器还包括位于TCO层和半导体基底之间的结界面处的钝化层。
在一种实施方案中，光电探测器还包括跨异质结施加的电压偏压。在一种实施方案中，电压偏压包括反向偏压。
在一种实施方案中，半导体基底是轻掺杂的n型。在一种实施方案中，半导体基底是轻掺杂的p型。
在一种实施方案中，光电探测器还包括与结界面相邻的半导体基底中的耗尽区域。耗尽区域还可以包括反转区域。在一些实施方案中，可施加电压偏压以产生或扩展耗尽区域内的反转区域。
在一种实施方案中，光电探测器还包括半导体基底的与结界面相对的背表面场区域，其中背表面场区域以相同的掺杂类型进行与半导体基底的其余部分相比的更重掺杂。
在一种实施方案中，光电探测器还包括覆盖半导体基底的与结界面相对的背表面的半导体触点。半导体触点还可以包括反射材料，用于将所接收到的光子反射回到半导体基底中。
在光电探测器的实施方案中，至少以下之一：TCO层的光接收表面，半导体基底的与结界面相对的背表面，以及在结界面处的半导体基底表面，已经被处理以改善该表面的至少一种光学性质。处理可以包括例如使表面粗糙化或纹理化。改善的光学性质可以包括改进的透射、改善的反射和/或改进的光子保留中的至少一种。
在一种实施方案中，光电探测器还包括位于TCO层和半导体基底之间的结界面处的钝化层。在一些实施方案中，钝化层的厚度小于约10nm。钝化层的厚度可以在约1nm和2nm之间。在一些实施方案中，钝化层可厚于10nm。例如，钝化层可以在约50至100nm之间，或者在一些情况下厚于100nm，其中暗电流降低比电流损耗的降低更重要。钝化层例如可包括半导体氧化物、金属氧化物、掺杂金属氧化物、半导体氮化物、半导体化合物、纳米结构材料、非晶薄膜、结晶薄膜、有机薄膜、石墨烯、石墨烯基薄膜、石墨烯氧化物、和氧化硅中的任何一种。
在一种实施方案中，光电探测器还包括位于TCO层附近的光学层，当光学层与TCO层结合时，选择光学层厚度和光学层的光学层折射率以优化预定波长范围的入射光子的透射。在一种实施方案中，光学层包括至少一个其他TCO层。
在一个实施例中，提供一种制造光电探测器的方法。该方法包括：提供半导体基底；在半导体基底上形成透明导电氧化物(TCO)层，选择TCO层的厚度以使一个或多个预定波长的入射光子的反射最小化。
在一个实施例中，提供一种制造光电探测器的方法。该方法包括：提供半导体基底；在半导体基底上形成钝化层；并且，在钝化层上形成透明导电氧化物(TCO)层。
在一种实施方案中，该方法还包括在形成TCO层之前在半导体基底上形成钝化层。可以在半导体基底上将钝化层形成为预定厚度。钝化层可以在半导体基底上形成预定的组成成分。
在一种实施方案中，该方法在300℃以下执行。
在一种实施方案中，该方法还包括在半导体基底的与TCO层相对的背表面上形成半导体触点。半导体触点可包括反射性金属。
在一种实施方案中，该方法还包括在TCO层的一部分上形成TCO触点。
在一种实施方案中，该方法还包括将电压偏压装置连接到TCO层和半导体基底，其中可操作电压偏压装置以跨TCO层和半导体基底施加正向偏压和反向偏压中的至少一个。
在一种实施方案中，其中在形成TCO层之前，该方法还包括以相同的掺杂类型以比半导体基底的其余部分更高的掺杂浓度掺杂半导体区域的背表面场区域。
在该方法的实施方案中，半导体是轻掺杂的n型。
在一种实施方案中，该方法还包括形成位于TCO层附近的至少一个其他光学层，当光学层与TCO层结合时，选择光学层厚度和光学层的光学层折射率以优化预定范围波长的入射光子的透射。至少一个其他光学层可包括至少一个其他TCO层。
在一种实施方案中，该方法还包括处理以下中的至少一个：TCO层的光接收表面，半导体基底的与结界面相对的背表面，以及在结界面处的半导体基底表面，以改善该表面的至少一种光学性质。
在一种实施方案中，该方法还包括处理半导体基底的与结界面相对的背表面，以增加接收的光子从背表面回到半导体基底中的反射。
参考图1，在一个实施方案中，呈现了异质结形式的光电探测器100。在该实施例中，具有用于接收入射光子的光接收表面10的透明导电氧化物(TCO)层14位于半导体基底18上。TCO层14和半导体基底18在结界面34处接触。半导体基底18可以具有与TCO层14相同或不同的导电类型(例如，p型或n型)。在一个实施例中，半导体基底18包括轻掺杂(例如，～1×10 16个载流子/cm3或更小)的n型硅(Si)半导体。
耗尽区域30是下述耗尽区域，其在TCO层14与半导体基底18相邻地引入时形成在结界面34上。取决于TCO层14和半导体基底18的具体组成，耗尽区域30在零偏压下可包括反转区域和耗尽区域或仅耗尽区域。跨异质结施加反向偏压在某些情况下可以在耗尽区域30内增强或产生反转区域。在半导体基底18包括n型半导体的情况下，例如，反向偏压包括施加到TCO层14的相对于半导体基底18的负电压。
在图1的实施例中，相应地，TCO触点22位于TCO层14的表面10上以及半导体触点26位于半导体基底18的背表面38上，以形成欧姆接触并提供接触位置以施加从外部电子电路(未示出)到异质结的偏压。触点22，26可以具有不同的物理形状，并且图1中所示的形状仅是说明性的而不是限制性的。
根据需要，半导体基底18的背表面38可以部分地或完全地被半导体触点26覆盖。在一个实施例中，半导体基底18的背表面38完全被半导体触点26覆盖。在一个实施例中，半导体触点26包括金属。在一个实施例中，半导体触点26对入射光子是反射性的。
如图1中所示，TCO层14的光接收表面10可以部分地被TCO触点22覆盖，优选地使大部分光接收表面10未被覆盖以接收入射光子。
在一个实施例中，可以通过施加到结构侧面而不是TCO层14的光接收表面10的电连接来施加偏压。
在一个实施例中，可以包括可选的背表面场区域42作为半导体基底18和半导体触点26之间的可选层，以协助实现半导体基底18和半导体触点22之间的成功的欧姆接触。在优选实施例中，背表面场区域42具有与半导体基底18相同的导电类型，但具有较高的掺杂浓度。例如，如果半导体基底18包括轻掺杂的n型半导体(例如～1×1016个载流子/cm3或更小)，则背表面场区域42可以包括重掺杂的n型半导体(例如＞＞1×1016个载体/cm 3)。在该实施例中，背表面场区域42可用于捕获已经穿过半导体基底18的主体的光子。
入射光子穿过光接收表面10，行进通过TCO层14并被在半导体基底18中吸收。光子也可行进通过体基底18，在背表面38和半导体触点26之间的半导体接触界面处被反射，然后被在半导体基底18中吸收。提供反射性半导体触点26改善了半导体接触界面的反射率，增加了光电探测器捕获入射光子的总体能力。
TCO层14是具有高能带隙的高导电材料，其对于预期波长范围内的目标光子是透明的，并且允许目标光子以由TCO层14的最少吸收行进通过TCO层14。在一些实施例中，TCO层14对于宽范围的光学和红外波长通常是透明的，其允许目标光子在到达结界面34之前以由TCO层14的最少吸收行进通过。
半导体基底18是有源层或探测层，其吸收进入的光子并根据半导体类型产生自由电子和空穴或电子和空穴对。半导体基底18优选地是轻掺杂的，使得耗尽区域30可以容易地在耗尽区域30中形成反转区域。反转区域的形成减少了半导体基底18中的复合，对于在半导体基底18中捕获的给定数量的光子而言通过增加由光电探测器产生的电流信号而改善了光电探测器的操作。
在跨异质结的零偏压下，耗尽区域30的形成和强度由TCO层14和半导体基底18的带隙、TCO层14和半导体基底18的性质、半导体基底18的掺杂浓度、TCO层14的载流子浓度、以及结界面34的性质和处理来确定。借助于耗尽区域30，半导体基底18中的少数载流子在结界面34处或在TCO层14中被收集。半导体基底18中的多数载流子行进通过半导体基底18并由半导体触点26收集。在一个实施例中，光电探测器可以在跨异质结的零偏压下操作。
当跨异质结施加正向偏压时，耗尽区域30被弱化并收缩，并且量子效率降低。然而，当跨异质结施加反向偏压时，耗尽区域30延伸并被加强。因此，量子效率得到提高。此外，异质结的暗电流受耗尽区域30的强度限制。暗电流在反向偏压下较小而在正向偏压下较大，因此在优选实施例中，光电探测器100在跨异质结施加反向偏压的情况下操作。
可以通过本领域内公知的技术在半导体基底18上制造TCO层14，包括但不限于物理气相沉积、化学气相沉积、等离子体沉积、物理和化学沉积的组合、脉冲激光沉积、热蒸发、电子束蒸发、溅射等。
可以通过本领域内公知的技术制造TCO触点22和半导体触点26，包括但不限于物理气相沉积、化学气相沉积、等离子体沉积、物理和化学沉积的组合、脉冲激光沉积、热蒸发、电子束蒸发、溅射等。
背表面场区域42可以通过本领域公知的技术实现，包括但不限于离子注入，然后是热退火，扩散，掺杂层沉积，钝化层形成，随后是掺杂层形成，随后退火，半导体基底18和半导体触点22的合金化等。
在一个实施例中，TCO层14可以适于包括反射或抗反射功能。例如，可以根据TCO层14的折射率、半导体基底18的折射率和光电探测器的目标光子的特定波长来设计TCO层14的厚度，以使那些目标光子的反射最小化(抗反射)。可以采用类似的设计来引入反射功能以拒绝目标光子。与传统的P-N结光电二极管不同，传统的P-N结光电二极管需要额外的光学涂层以引入抗反射功能，因为结的两侧具有相同或相似的折射率，在该实施例中，光电探测器100可以基于TCO层14的厚度将抗反射(即，透射)功能并入到TCO层14中。
因此，在一个实施例中，TCO层14可以包括干涉涂层以反射或透射目标光子。在一个实施例中，TCO层14还可以包括与TCO层14相邻的至少一个其他光学层，以提供宽带抗反射涂层。在该实施例中，当光学层与TCO层14(具有不同的TCO层厚度和TCO层折射率)结合时，光学层的厚度和光学层的折射率可选择成优化入射到半导体基底18中的预定波长范围的光子的透射。在一个实施例中，所述至少一个其他光学层可以包括至少一个其他TCO层，所述至少一个其他TCO层具有与TCO层14不同的折射率和/或厚度。
在一个实施例中，可以处理光接收表面10、接合界面34处的半导体基底表面和背表面38中的一个或多个以改善它们的光学性质中的至少一种以增强光电探测器100的性能。
在一个实施例中，可以处理光接收表面10、接合界面34处的半导体基底表面和背表面38中的至少一个以提供粗糙表面、纹理化表面、纳米结构化表面或等离子体表面中的至少一个，使得光电探测器的光限制特性得到增强，即具有所需波长的更多光子将进入或停留在光电探测器中以便被探测。
在一个实施例中，光接收表面10和接合界面34处的半导体基底表面中的至少一个被处理以具有改变的表面特性，诸如状态密度、晶体结构、晶格常数等，以便增强耗尽区域30并因此改善光电探测器100的响应性。
在一个实施例中，光接收表面10通过(包括但不限于)酸性溶液、碱性溶液、酸性气体、碱性气体、中性气体、等离子体、退火等处理，以最小化表面10处的光子反射，使TCO层14中的光子吸收最小化，并增强耗尽区域30以提高光电探测器100的量子效率。
在一个实施例中，接合界面34处的半导体基底表面通过(包括但不限于)酸性溶液、碱性溶液、酸性气体、碱性气体、中性气体、等离子体、退火等处理，以最小化光接收表面10和结界面34处的光子反射，使TCO层14中的光子吸收最小化，增强耗尽区域30并提高光电探测器100的量子效率。
在一个实施例中，背表面38由(包括但不限于)酸性溶液、碱性溶液、酸性气体、碱性气体、中性气体、等离子体、退火等处理，以增加背表面38处的光子反射，并且使背表面38处的载流子复合最小化并且提高光电探测器100的量子效率。
在一些实施例中，TCO层14可以包括透明导电氧化物(TCO)，包括但不限于氧化锌(ZnO)，掺杂的ZnO，共掺杂的ZnO，氧化锡(SnO2)，氧化铟锡(ITO)，掺杂和共掺杂的氧化锡，氧化铟(In2O3)等。TCO层14可以还包括透明导电聚合物，基于碳纳米管网络的透明导电膜，基于石墨烯的透明导电膜等。
在一些实施例中，半导体基底18可以包括元素半导体，复合半导体，晶体半导体，非晶半导体，掺杂半导体，薄膜半导体，纳米结构半导体，组分渐变半导体等。
在一些实施例中，TCO触点22和半导体触点26可包括金属，合金，导电半导体，导电氧化物，导电聚合物，导电纳米结构，导电纳米颗粒，导电纳米线，纳米管，石墨烯，氧化石墨烯，导电有机物薄膜等。
在光电探测器100的一个特定示例中，TCO层14包括n型铝掺杂的氧化锌(AZO)，半导体基底18包括轻掺杂的n型晶体硅晶片，TCO触点22和半导体触点26包括铝。在一些实施方案中，可选地，可省略后表面场区域42。在该示例中，仅需要在硅基底18上定位三层部件以完成光电探测器100。此外，所有层可以用低温工艺制造。
图2是沿着图1中的光电探测器100(转向90°)的切割线7-7'的简化截面视图，其与零偏压下的相应简化能带图的示例并置示出。在能带图中，EC是导带能量，Ev是价带能量，Eg是EC和Ev之间的差异。EF是材料的费米能量，其中由电荷载流子占据的概率等50％。Ei是固有能量，它是与名义上未掺杂的材料相对应的费米能量EF，或者是具有相同数量的电子和空穴的材料。
如本领域所公知的那样，当EF在EC和Ei之间时，半导体材料是n型或呈现n型行为；当EF在Ei和Ev之间时，半导体材料是p型或表现出p型行为。退化的n型材料的EF高于EC。
在该实施例中，TCO层14的EF通过(包括但不限于)肖特基-莫特规则，能量钉扎效应，能带工程，表面状态工程，表面缺陷密度工程等被“钉扎”在基底18的EC和Ev之间。TCO层14的EF相对于半导体基底18的EC和Ev的定位由TCO层14和基底18的带隙，TCO层14和半导体基底18的性质，半导体基底18的掺杂浓度，TCO层14的载流子浓度，以及结界面34的特性和处理来确定。
因此，在平衡条件(即零偏压)下，EF略高于TCO层14中的EC，然后在接合界面34处“钉扎”到相对于半导体基底18的EC和Ev的特定位置。基底18的EF接近EC。为了在平衡条件下将EF保持在通过光电探测器100的相同水平下，半导体基底18的EC、Ev和Ei从区域30的边缘向上弯曲到表面34。由于能带弯曲，半导体基底18的Ei可以与耗尽区域30中的EF相交，并在耗尽区域30中产生反转区域(此处，p-区域)。如果半导体基底18的Ei与耗尽区域30中的EF不相交，那么只存在耗尽区域而没有反转区域。因此，耗尽区域30具有协助光生载流子收集的能力。TCO层14的EF与半导体基底18的EC之间的能垒阻挡了多数载流子从TCO层14到半导体基底18的流动。
在光电探测器100被反向偏压的实施例中，耗尽区域30朝向半导体基底18的后表面30延伸。跨异质结施加反向偏压增强了耗尽区域30，并且在一些情况下增强了耗尽区域30内的反转区域，这有利于光生载流子收集并因此增加由入射光子产生的光电流。
TCO层14的EF与半导体基底18的EC之间的能垒可以不改变或仅稍微改变，并且仍然阻挡多数载流子从TCO层14流到半导体基底18。因此，在反向偏压下光电探测器100的暗电流可以非常小，从而降低用于光探测的噪声。
根据由发明人推导出的能带图，光电探测器100实际上作为肖特基结型结构操作。这与现有技术中的了解情况相反，现有技术假设异质结被执行为P-N结。因此，出人意料的是，光电探测器100以高的切换速度和低的反向恢复时间操作。由于异质结具有与P-N结相似的布局，因此光电探测器100还具有与P-N结相当的有源面积与器件面积之比，并且因此高于与肖特基结相关的有源面积与器件面积之比。
图3是根据本发明实施例的光电探测器200的简化截面视图。作为具体的制造步骤，光电探测器200形成有添加在TCO层14和半导体基底18之间的钝化层46。图3中的其余层和区域具有的含义和分配与上述图1中的光电探测器100实施例的论述中的那些含义和分配相同。
钝化层46是在TCO层14和半导体基底18之间引入的有意制造的层。由于有意制造，钝化层46具有由设计所确定的一致的厚度和组成。作为设计和制造的层，钝化层46与无意或副产物层(例如氧化物层)有所区别，无意或副产物层可能由于不完美的半导体制造工艺而无意中产生。例如，Song等人，2003描述了在Si晶片和ZnO：Al膜的界面处的12埃厚的非结晶氧化硅层的外观，尽管没有中间层有意生长。可以认为，不均匀的非晶氧化硅层是由初始抽空过程中发生的自然氧化引起的。这种无意氧化物层具有变化的、不受控制的厚度和组成。Song等人，2003的无意氧化层是他们的ZnO：AI薄膜的被观察到但不希望的结构特征。
在制造期间，可在形成TCO层14之前在半导体基底18上形成钝化层46。钝化层46形成为设计的厚度和/或组成。该制造过程区别于在抽空过程中产生的无意氧化，在抽空过程中产生的无意氧化导致具有不确定的厚度和组成的不均匀且不受控制的氧化层。
与光电探测器100相比，引入钝化层46可出人意料地改善光电探测器200的操作，原因包括但不限于：
·光学特性，例如，低反射，更好的波长选择性，更好的视角，更好的外观等；
·电特性，例如，实现更稳定和/或更强的区域30，改善光生载流子收集，减少暗电流，减少光生载流子复合，优化TCO层14的EF的钉扎位置，协助光生载流子行进通过表面34，能够使得结200更快地操作等；
·制造效率，例如，增加TCO层14的沉积速率，改善TCO层14的性质，简化TCO层14的定位，简化TCO层14的处理等。
钝化层46例如可从宽带隙材料，窄带隙材料，能带隙工程材料，晶体材料，非结晶材料，微结构材料，纳米结构材料，多孔结构材料，元素材料，复合材料，合金材料，本征材料，掺杂材料等形成。在一些实施例中，钝化层46可从半导体基底18的区域形成，例如通过氧化，蚀刻，钝化，掺杂，抛光，纹理化等。
在一些实施例中，可以通过本领域公知的技术将钝化层46沉积在半导体基底18上，包括但不限于物理气相沉积，化学气相沉积，等离子体沉积，物理和化学沉积，脉冲激光沉积，热蒸发，电子束蒸发，溅射，原子对准等。钝化层46可以由具有相同或不同材料、结构、成分的多个子层形成，以钝化结界面34和/或增强耗尽区域30以优化光电探测器200的性能。
可以选择所制造的钝化层46的受控厚度作为钝化(即，减小的暗电流)和电流损耗(即光电探测器200的降低的灵敏度)之间的折衷。
在一些实施例中，钝化层46的厚度可小于约10nm。在一些实施例中，所制造的钝化层46的厚度小于约2nm。在一些实施例中，所制造的钝化层46的厚度选择为约1-2nm之间的值。在这些实施例中，选择钝化层46的厚度以提供减小的暗电流和最小的电流损耗。
在其中例如暗电流减小比电流损耗更重要的一些实施例中，钝化层可以相对大于10nm，例如大约在50-100nm的量级，或甚至更大(例如，高达500nm)，但以额外的电流损耗为代价。
在一些实施例中，钝化层46可以是(包括但不限于)半导体氧化物，金属氧化物，掺杂金属氧化物，半导体氮化物，半导体化合物，纳米结构材料，非晶薄膜，结晶薄膜，有机薄膜，石墨烯，石墨烯基薄膜，石墨烯氧化物等。
在光电探测器200的一个特定示例中，TCO层14包括n型铝掺杂的氧化锌(AZO)；钝化层46包括超薄氧化硅；半导体基底18包括轻掺杂的n型晶体硅晶片；以及，TCO触点22和半导体触点26可以是铝；可选地，可以不包括背表面场区域42。在该示例中，仅需要将四层部件定位在硅基底上以完成光电二极管。此外，光电探测器200的所有层可以用低温工艺制造。
图4是沿着图3中的光电探测器200的线8-8'(转向90°)的简化截面视图，其与在零偏压下的相应的简化能带图并置，如由发明人所推断的那样。与上述光电探测器100和图2相关的描述也可以应用于该结构。另外，相对于基底18的EC和EV的TCO层14的EF被“钉扎”的位置可以通过TCO层14和层46的组合效应来确定。因此，层46可以被设计以优化和调整TCO层14的EF的钉扎位置，并且还可以被设计以优化和调整区域30的强度和深度。在反向偏压下，TCO层14的EF可能不会仍完全“钉扎”到该位置，因为由于钝化层46的插入而存在零偏压。但是，区域30保持协助光生载流子收集。可以设计或选择钝化层46以使得基底18中的光生少数载流子能够从基底18行进通过表面34到达TCO层14或者在层46和TCO层14中重新组合，这改善了光电探测器200的光电流。此外，可以设计或选择钝化层46以阻挡多数载流子从TCO层14行进到半导体基底18，这进一步减小了光电探测器200的暗电流。
从图4的能带图中，光电探测器200类似地是肖特基结型结构。因此，出人意料的是，光电探测器200以高的切换速度和低的反向恢复时间操作。由于异质结具有与P-N结相似的布局，因此光电探测器200还具有与P-N结相当的有源面积与器件面积之比，并且因此高于与肖特基结相关的有源面积与器件面积之比。
图5是显示根据本发明的光电探测器的实施例的在零偏压下和0.1V反向偏压(施加在触点22和26之间)下在室温下在从300nm到1100nm的光谱范围内的外部量子效率的图。在该示例中，选择TCO层14的材料和厚度以在约600nm波长处具有最佳量子效率。图5中的外部量子效率值表明，与现有技术的器件相比，光电探测器的该实施例提供了更高的光响应性。
图6是示出对于根据本发明实施例的光电探测器在没有光学照射的情况下在室温下在TCO触点22和半导体触点26之间施加的电压与电流的关系图。当结面积为约2.2cm×2.2cm时，反向偏压电流在约-3.5μA处饱和。因此，图6中的电流-电压曲线表明，对于给定区域，与现有技术的器件相比，光电探测器的该实施例提供了更少的暗电流。
本发明教导了一种新颖的光电探测器及其制造方法。由于其低的反向恢复时间，根据本发明的光电探测器的实施例允许高速切换。根据本发明的光电探测器的实施例具有高的响应性，因为与常规P-N结光电探测器相比，轻掺杂的异质结在射极处具有较少的光生载流子复合。根据本发明的光电探测器的实施例具有高的有源面积与器件面积之比，接近100％，优化了对于给定器件区域而言的器件性能。根据本发明的光电探测器的实施例可以容易地利用低温制造技术(例如，低于300℃，通常在室温至约250℃的范围内)制造，从而避免需要高温制造工艺(例如，高于500℃，通常在800℃-1000℃的范围内)。
在一些实施例中，根据本发明的光电探测器可以与CMOS制造工艺兼容，并且因此可以集成在CMOS芯片上。在一些实施例中，根据本发明的光电探测器可以集成到PCB板上的电路中。在本发明的应用的一个示例中，根据本发明的光电探测器可以用作照相机的成像传感器。在本发明的应用的另一个示例中，根据本发明的光电探测器可以用作光通信的传感器。
本文描述的本发明的实施例是示例性的，并且可以容易地设想到许多修改、变化和重新布置以实现基本相同的结果，所有这些都旨在包含在本发明的精神和范围内。

Claims (60)

1.一种光电探测器，其包括：
用于接收入射光子的透明导电氧化物(TCO)层；和，
用于捕获和探测所接收光子的半导体基底；
TCO层在结界面处与半导体基底结合以形成异质结；以及
选择TCO层厚度以使一个或多个预定波长的入射光子的反射最小化。
2.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于还包括跨异质结施加的电压偏压。
3.根据权利要求2所述的光电探测器，其特征在于所述电压偏压包括反向偏压。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光电探测器，其特征在于所述半导体基底是轻掺杂的n型。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光电探测器，其特征在于还包括与结界面相邻的半导体基底中的耗尽区域。
6.根据权利要求5所述的光电探测器，其特征在于耗尽区还包括反转区域。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光电探测器，其特征在于还包括所述半导体基底的与所述结界面相对的背表面场区域，其中所述背表面场区域以相同的掺杂类型进行与半导体基底的其余部分相比更重地掺杂。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光电探测器，其特征在于还包括覆盖半导体基底的与结界面相对的背表面的半导体触点。
9.根据权利要求8所述的光电探测器接口，其特征在于所述半导体触点包括用于反射所接收光子的反射材料。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的光电探测器，其特征在于以下中的至少之一：
TCO层的光接收表面；
半导体基底的与结界面相对的背表面；
以及在结界面处的半导体基底表面；
已经被处理以改善该表面的至少一种光学性质。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的光电探测器，其特征在于还包括位于TCO层和半导体基底之间的结界面处的钝化层。
12.根据权利要求11所述的光电探测器，其特征在于所述钝化层的厚度小于约10nm。
13.根据权利要求12所述的光电探测器，其特征在于所述钝化层的厚度在约1nm和2nm之间。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的光电探测器，其特征在于所述钝化层包括氧化硅。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的光电探测器，其特征在于还包括位于TCO层附近的光学层，光学层的厚度和光学层的折射率选择成当光学层与TCO层结合时最大化预定波长范围的入射光子的透射和/或最小化预定波长范围的入射光子的吸收。
16.根据权利要求15所述的光电探测器，其特征在于所述至少一个其他光学层包括至少一个其他TCO层。
17.一种光电探测器，其包括：
用于接收入射光子的透明导电氧化物(TCO)层；和，
用于捕获和探测所接收光子的半导体基底；
TCO层在结界面处与半导体基底结合以形成异质结；以及
位于TCO层和半导体基底之间的结界面处的钝化层。
18.根据权利要求17所述的光电探测器，其特征在于所述钝化层的厚度小于约10nm。
19.根据权利要求17所述的光电探测器，其特征在于所述钝化层的厚度在约1nm和2nm之间。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的光电探测器，其特征在于所述钝化层包括氧化硅。
21.根据权利要求17至20中任一项所述的光电探测器，其特征在于还包括TCO层，其厚度被选择成使一个或多个预定波长的入射光子的反射最小化。
22.根据权利要求17至21中任一项所述的光电探测器，其特征在于还包括跨异质结施加的电压偏压。
23.根据权利要求22所述的光电探测器，其特征在于所述电压偏压包括反向偏压。
24.根据权利要求17至23中任一项所述的光电探测器，其特征在于所述半导体基底是轻掺杂的n型。
25.根据权利要求17至24中任一项所述的光电探测器，其特征在于还包括与结界面相邻的半导体基底中的耗尽区域。
26.根据权利要求25所述的光电探测器，其特征在于耗尽区域还包括反转区域。
27.根据权利要求17至26中任一项所述的光电探测器，其特征在于还包括所述半导体基底的与所述结界面相对的背表面场区域，其中所述背表面场区域以相同的掺杂类型进行与半导体基底的其余部分相比更重地掺杂。
28.根据权利要求17至27中任一项所述的光电探测器，其特征在于还包括覆盖所述半导体基底的与所述结界面相对的背表面的半导体触点。
29.根据权利要求28所述的光电探测器接口，其特征在于所述半导体触点包括用于将所接收的光子反射回到半导体基底中的反射材料。
30.根据权利要求17至29中任一项所述的光电探测器，其特征在于以下中的至少之一：
TCO层的光接收表面；
半导体基底的与结界面相对的背表面；
以及在结界面处的半导体基底表面；
已经被处理以改善该表面的至少一种光学性质。
31.根据权利要求17至30中任一项所述的光电探测器，其特征在于还包括位于TCO层附近的光学层，光学层的厚度和光学层的折射率选择成当光学层与TCO层结合时最大化预定波长范围的入射光子的透射和/或最小化预定波长范围的入射光子的吸收。
32.根据权利要求31所述的光电探测器，其特征在于所述至少一个其他光学层包括至少一个其他TCO层。
33.一种制造光电探测器的方法，其包括：
提供半导体基底；
在半导体基底上形成透明导电氧化物(TCO)层，选择TCO层的厚度以使一个或多个预定波长的入射光子的反射最小化。
34.根据权利要求33所述的方法，其特征在于还包括在形成所述TCO层之前在所述半导体基底上形成钝化层。
35.根据权利要求34所述的方法，其特征在于所述钝化层在所述半导体基底上形成为预定厚度。
36.根据权利要求33至35中任一项所述的方法，其特征在于所述钝化层在所述半导体基底上形成为预定组成。
37.根据权利要求33至36中任一项所述的制造方法，其特征在于所述方法在300℃以下进行。
38.根据权利要求33至37中任一项所述的制造方法，其特征在于还包括在所述半导体基底的与所述TCO层相对的背表面上形成半导体触点。
39.根据权利要求38所述的制造方法，其特征在于所述半导体触点包括反射金属。
40.根据权利要求33至39中任一项所述的制造方法，其特征在于还包括在所述TCO层的一部分上形成TCO触点。
41.根据权利要求33至40中任一项所述的制造方法，其特征在于还包括将电压偏压装置连接到所述TCO层和所述半导体基底，其中所述电压偏压装置可操作以跨TCO层和半导体基底施加正向偏压和反向偏压中的至少一个。
42.根据权利要求33至41中任一项所述的制造方法，其特征在于在形成所述TCO层之前，所述方法还包括以相同掺杂类型、与所述半导体基底的其余部分相比以更高的掺杂浓度对半导体基底的背表面场区域进行掺杂。
43.根据权利要求33至42中任一项所述的制造方法，其特征在于半导体是轻掺杂的n型。
44.根据权利要求33至43中任一项所述的制造方法，其特征在于还包括形成位于所述TCO层附近的至少一个其他光学层，所述光学层的厚度和所述光学层的光学层折射率被选择成当光学层与TCO层结合时最大化预定波长范围的入射光子的透射和/或最小化预定波长范围的入射光子的吸收。
45.根据权利要求44所述的制造方法，其特征在于所述至少一个其他光学层包括至少一个其他TCO层。
46.根据权利要求33至45中任一项所述的制造方法，其特征在于还包括：处理以下中的至少之一：
TCO层的光接收表面；
半导体基底的与结界面相对的背表面；
以及在结界面处的半导体基底表面；
以改善该表面的至少一种光学性质。
47.一种制造光电探测器的方法，其特征在于包括：
提供半导体基底；
在半导体基底上形成钝化层；以及
在钝化层上形成透明导电氧化物(TCO)层。
48.根据权利要求47所述的方法，其特征在于所述钝化层在所述半导体基底上形成为预定厚度。
49.根据权利要求47至48中任一权利要求所述的方法，其特征在于所述钝化层在所述半导体基底上形成为预定组成。
50.根据权利要求47至49中任一项所述的方法，其特征在于形成所述TCO层还包括将所述TCO层形成为选定的厚度，以使一个或多个预定波长的入射光子的反射最小化。
51.根据权利要求47-50中任一项所述的制造方法，其特征在于所述方法在300℃以下进行。
52.根据权利要求47至51中任一项所述的制造方法，其特征在于还包括在半导体基底的与TCO层相对的背表面上形成半导体触点。
53.根据权利要求52的制造方法，其特征在于所述半导体触点包括反射金属。
54.根据权利要求47至53中任一项的制造方法，其特征在于还包括在TCO层的一部分上形成TCO触点。
55.根据权利要求47至54中任一项所述的制造方法，其特征在于还包括将电压偏压装置连接到所述TCO层和所述半导体基底，其中所述电压偏压装置可操作以跨TCO层和半导体基底施加正向偏压和反向偏压中的至少一个。
56.根据权利要求47至55中任一项所述的制造方法，其特征在于在形成所述TCO层之前，所述方法还包括以相同掺杂类型、与所述半导体基底的其余部分相比以更高的掺杂浓度对半导体基底的背表面场区域进行掺杂。
57.根据权利要求47至56中任一项所述的制造方法，其特征在于所述半导体是轻掺杂的n型。
58.根据权利要求47至57中任一项所述的制造方法，其特征在于还包括形成位于所述TCO层附近的至少一个光学层，所述光学层的厚度和所述光学层的光学层折射率被选择成当至少一个光学层与TCO层结合时最大化预定波长范围的入射光子的透射和/或最小化预定波长范围的入射光子的吸收。
59.根据权利要求58所述的制造方法，其特征在于所述至少一个其他光学层包括至少一个其他TCO层。
60.根据权利要求47至59中任一项所述的制造方法，其特征在于还包括：
处理以下中的至少之一：
TCO层的光接收表面；
半导体基底的与结界面相对的背表面；
以及在结界面处的半导体基底表面；
以改善该表面的至少一种光学性质。
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