CN111403541A - 光电探测器与显示基板 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光电探测器与显示基板。所述光电探测器包括第一电极、吸收层、缓冲层及第二电极，所述缓冲层设置于所述吸收层与所述第二电极之间，所述吸收层的材料包括铜铟镓硒，所述吸收层用于吸收光并产生电信号。所述吸收层与所述缓冲层的晶格失配度不大于25％。采用铜铟镓硒作为吸收层的材料，有利于提高光电转换效率并增大可吸收光的光谱范围；同时，由于吸收层与缓冲层的晶格失配度较小，使得缓冲层与吸收层晶格匹配，有利于降低缓冲层与所述吸收层的界面缺陷态，降低暗电流，提高光电探测器的信噪比，进而提高检测性能。

Description

光电探测器与显示基板
技术领域
本发明涉及光电转换领域，尤其涉及一种光电探测器与显示基板。
背景技术
光电探测器在工业、国防、医学以及日常生活中都有着广泛的应用。常见的光电探测器包括PIN光电探测器、PN光电探测器及MSM(Metal-Semiconductor-Metal，金属-半导体-金属)光电探测器等。以PN光电探测器为例，现有的PN光电探测器的吸收层的光电转换效率较低，且可吸收光的光谱范围也较小，因而在一定程度上限制了PN光电探测器的应用范围。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种光电探测器，所述光电探测器包括第一电极、吸收层、缓冲层及第二电极，所述吸收层的材料包括铜铟镓硒，所述吸收层用于吸收光并产生电信号；所述吸收层与所述缓冲层的晶格失配度不大于25％。
进一步的，所述吸收层与所述缓冲层的晶格失配度不大于5％。
进一步的，所述缓冲层的材料包括氧化镓。
进一步的，所述光电探测器包括设置于所述缓冲层和所述第二电极之间的阻挡层，所述阻挡层用于在形成第二电极时对所述缓冲层进行保护。
进一步的，所述阻挡层包括氧化硅和氮化硅中的至少一种。
进一步的，所述阻挡层的厚度不大于10nm，且所述阻挡层的厚度小于所述第一电极、吸收层、缓冲层、第二电极中的任一膜层的厚度。
进一步的，所述光电探测器包括保护电极，所述保护电极形成于所述第二电极上且与所述第二电极电性连接，所述保护电极在所述吸收层上的正投影位于所述第二电极在所述吸收层上的正投影内。
进一步的，所述吸收层形成于所述第一电极上，所述缓冲层形成于所述吸收层上，所述第二电极形成于所述缓冲层上。
进一步的，所述缓冲层形成于所述第二电极上，所述吸收层形成于所述第一电极及缓冲层上。
另一方面，本发明还提供一种显示基板，所述显示基板包括如前所述的光电探测器。
本发明中，采用铜铟镓硒作为吸收层的材料，有利于提高光电转换效率并增大可吸收光的光谱范围；同时，由于吸收层与缓冲层的晶格失配度较小，使得缓冲层与吸收层晶格匹配，有利于降低缓冲层与所述吸收层的界面缺陷态，降低暗电流，提高光电探测器的信噪比，进而提高检测性能。
附图说明
图1是一种太阳能电池的局部结构示意图。
图2是本发明第一实施方式的光电探测器的局部剖视示意图。
图3是硫化镉退火前后的透射光谱，其中横坐标表示光的波长，纵坐标表示透射率。
图4是在不同温度的基底上制备氧化镓薄膜的透射光谱，其中横坐标表示光的波长，纵坐标表示透射率。
图5是图2所示的光电探测器偏压下的光电流的测试图，其中横坐标表示偏压(Bias Voltage)，纵坐标表示暗电流(Current)。
图6是本发明第二实施方式的光电探测器的局部剖视示意图。
图7是本发明第三实施方式的光电探测器的局部剖视示意图。
图8是在基底上形成第一电极的结构示意图。
图9是在第一电极上形成吸收层的结构示意图。
图10是在吸收层上形成缓冲层的结构示意图。
图11是在缓冲层上形成第二电极的结构示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施方式进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施方式中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置的例子。
在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施方式的目的，而非旨在限制本发明。除非另作定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明说明书以及权利要求书中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示两个及两个以上。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
用于太阳能电池、作为吸收层的铜铟镓硒(CIGS)具有量子效率高、吸收系数大、单位尼特下光电流大、可吸收光的光谱宽(能够有效吸收可见光及近红外)、易于在基底上制备等优点。请结合图1，太阳能电池包括基底1、第一电极2、铜铟镓硒吸收层3、硫化镉缓冲层4、氧化锌层5、第二电极6及保护电极7，通过测试可知该结构的无光照时的暗电流密度为1.41E-04(1.41*10-4，下同)A/cm2，光照产生的光电流密度为1.73E-04(即，1.73*10-4)A/cm2，电流信噪比(光电流/暗电流*100％)约为122.7％，信噪比较低。较低的信噪比会直接影响检测性能，致使铜铟镓硒难以用于光电探测器。
本发明提供一种光电探测器，光电探测器是在反向电压作用在工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，称为暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。所述光电探测器包括第一电极、吸收层、缓冲层及第二电极，所述缓冲层设置于所述吸收层与所述第二电极之间，所述吸收层的材料包括铜铟镓硒，所述吸收层在受到光照时产生电信号；所述吸收层与所述缓冲层的晶格失配度不大于25％。其中，晶格失配度δ的计算公式如下：
δ＝|as-ae|/ae，
其中as表示下层膜层的晶格常数，ae表示上层膜层的晶格常数，晶格常数由晶胞的边长来表征。
由于采用铜铟镓硒作为吸收层的材料，有利于提高光电转换效率并增大可吸收光的光谱范围；同时，由于吸收层与缓冲层的晶格失配度较小，使得缓冲层与吸收层晶格匹配，有利于降低缓冲层与所述吸收层的界面缺陷态，降低暗电流，提高光电探测器的信噪比，进而提高检测性能。
请结合图2，本实施方式中，光电探测器包括依次设置的基底10、第一电极20、吸收层30、缓冲层40及第二电极50。可以理解的是，所述光电探测器包括沿阵列排布的多个单元，每个单元均包括所述第一电极20、吸收层30、缓冲层40(或缓冲层的一部分)及第二电极50，不同的单元之间彼此分开设置且由绝缘结构间隔开，绝缘结构例如为平坦化层。光线通过第二电极50及缓冲层40后到达吸收层30，吸收层30吸收光后产生光生载流子，载流子是一种可以自由移动且带有电荷的物质微粒，因而可视为一种电信号，例如带负电的自由电子和带正电的自由空穴；在反向电压的作用下，光生载流子参与导电，从而形成光电流，光电流可通过第一电极20及第二电极50传送到外部电路进行表征。
所述基底10的材料可以是玻璃、塑料或蓝宝石等，厚度通常可大于等于1mm且小于等于3mm，用于对其上的各个膜层提供支撑。本实施方式中，基底10采用玻璃制成，厚度为2mm。
所述第一电极20形成于所述基底10上，作为背电极，对应的，所述第二电极50作为上电极。可选的，第一电极20通过磁控溅射工艺沉积和刻蚀工艺后形成，第一电极20的厚度大于等于0.3um且小于等于2um。本实施方式中，第一电极20材料可选择金属钼(Mo)或钼合金，厚度为1um。
所述吸收层30形成于所述第一电极20上，吸收层30的材料包括铜铟镓硒(CIGS)，铜铟镓硒可保证光电探测器具有较高的光电转换效率，同时可吸收光的光谱范围也较大。可选的，吸收层30的材料可以仅包括铜铟镓硒，也可以在铜铟镓硒中掺杂一些材料，例如钠、银等金属元素。所述吸收层30可通过共蒸发工艺(co-evaporation)沉积并刻蚀形成。可选的，吸收层30的厚度大于等于0.5um且小于等于2um。优选的，吸收层30厚度大于等于1um且小于等于1.5um，在此厚度范围下的吸收层30具有良好的光吸收率，同时该厚度范围满足对产品薄型化的要求。
所述吸收层30具有第一晶格常数，第一晶格常数通过吸收层30的晶胞边长a1、b1、c1来表征，单位为
Figure BDA0002454108490000051
(埃，1埃等于0.1nm)。本实施方式中，a1＝b1＝5.78，c1＝11.62。在其他实施方式中，晶格常数的改变可通过掺杂其他原子来实现，例如掺杂前面所说的钠。
所述缓冲层40形成于所述吸收层30上，缓冲层主要用于降低能级差，改善界面态。可选的，缓冲层40通过外延生长工艺或磁控溅射工艺沉积和刻蚀工艺形成，缓冲层40的厚度大于等于50nm且小于等于150nm。优选的，缓冲层40的厚度大于等于80nm且小于等于120nm，本实施方式选择100nm，在此厚度范围内的缓冲层40能够有效消除膜层的位错，提升上层膜层(即第二电极)的质量。
所述缓冲层40具有第二晶格常数，第二晶格常数通过缓冲层40的晶胞边长a2、b2、c2来表征。一般来说，第一晶格常数与第二晶格常数的差的绝对值越小，缓冲层40和吸收层30的晶格匹配越好。通常以晶格失配度δ来表征晶格匹配的程度，晶格失配度δ等于第一晶格常数与第二晶格常数的差的绝对值与第二晶格常数的比值。
可选的，吸收层30与缓冲层40的晶格失配度不大于25％，以使缓冲层40和吸收层30之间形成半共格界面，即缓冲层40和吸收层30实现一定程度上的晶格匹配。优选的，吸收层30与缓冲层40的晶格失配度δ不大于5％，以使缓冲层40和吸收层30之间形成完全共格界面，即缓冲层40和吸收层30实现良好的晶格匹配。
本实施方式中，缓冲层40的材料选择氧化镓(Ga2O3)，晶胞边长对应为：a2＝12.227，b2＝3.039，c2＝5.808。所述第一晶格常数和第二晶格常数分别选取吸收层30的晶胞边长中和缓冲层40的晶胞边长中最为接近的两个边长值，即，第一晶格常数取值为a1或b1，第二晶格常数的取值为c2，晶格失配度δ＝|a1-c2|/c2＝|5.78-5.808|/5.808＝0.48％，表示缓冲层40和吸收层30之间形成完全共格界面，缓冲层40和吸收层30晶格匹配非常好。在其他实施方式中，也可以同时保证两个方向的晶格失配度均小于5％，例如，保证另一个方向的晶格失配度δ’＝|c1-a2|/a2小于5％，即在缓冲层40和吸收层30在两个方向的晶胞边长均相近，实现近于完美的晶格匹配。此外，相比于采用剧毒的硫化镉制成的缓冲层，氧化镓制成的缓冲层40更为安全，消除在光电探测器制作或使用的过程中的中毒隐患，也降低了对环境的污染。
请结合图3，硫化镉对波长为600nm到700nm之间的可见光的透过率为85％左右，对其他波长的可见光及近红外透射率较低，甚至达不到80％，若以硫化镉为材料制作缓冲层，相当一部分光将在缓冲层内损耗，从而会影响光电探测器的检测性能。请结合图4，图4中的温度表示制作缓冲层时基底的温度，氧化镓对可见光(波长大于等于380nm且小于等于780nm)及部分近红外(波长大于780nm小于等于800nm的近红外)的透射率较高，可以达到90％以上，因此采用氧化镓作为缓冲层40的材料，有利于提高光(包括可见光及近红外)的透射率，进而提高光电探测器的检测性能。
所述第二电极50形成于所述缓冲层40上，可选的，所述第二电极50通过溅射工艺(Sputter)沉积并刻蚀后形成，第二电极50的厚度大于150nm且小于250nm。材料可选择掺杂铝的氧化锌，即AZO，当然，理论上第二电极50的材料可以选择其他的透明导电氧化物，例如氧化铟锡(ITO)。本实施方式中，第二电极50可作为N型半导体，而吸收层30作为P型半导体。在其他实施方式中，也可以在缓冲层40和第二电极50之间设置一层氧化锌，作为N型半导体。
由于第二电极50厚度较薄，在与外部电路的器件电性接触时容易损坏，本实施方式中光电探测器还包括保护电极60。所述保护电极60形成于所述第二电极50上且与所述第二电极50电性连接，所述保护电极60通过掩膜蒸发沉积工艺形成。可选的，保护电极60的材料包括金属钼，厚度大于等于0.3um且小于等于0.8um，本实施方式选择0.5um。所述保护电极60在所述吸收层30上的正投影位于所述第二电极50在所述吸收层30上的正投影内，也就是说，保护电极60的横截面积(垂直于基底10和第一电极20排列的方向)较第二电极50小。由于保护电极60厚度较厚，且通常选择不透明材料制作(例如钼)，因此应尽量减小保护电极60的横截面积，以减小对入射至吸收层30的光线的遮挡，从而避免对光电检测性能的影响。
请结合图5，对前述实施方式的光电探测器进行暗电流的检测，可知采用上述结构的吸收层、缓冲层及第二电极(对应图中的CIGS+Ga2O3+AZO)的结构，光电探测器的暗电流密度降低至5E-06(即，5*10-6)A/cm2，相比于1.41E-04A/cm2(太阳能电池结构中的暗电流密度)下降了两个数量级，即通过设置所述缓冲层40能够大幅降低光电探测器的暗电流，提高器件的信噪比。
请结合图6，在另一实施方式中，所述光电探测器还包括设置于所述缓冲层40和所述第二电极50之间的阻挡层70，其他结构与图2所示的结构相同。由于第二电极50通过溅射工艺沉积，所述阻挡层70用于在进行溅射工艺时对所述缓冲层40进行保护，降低或避免溅射工艺对缓冲层的破坏，减小膜层缺陷。
可选的，阻挡层70的材料包括氧化硅(SiOx)和氮化硅中的至少一种，其中氧化硅可以是SiO、SiO2等。由于氮化硅、氧化硅均为绝缘材料，使得光电探测器的串联电阻增大，有利于进一步降低暗电流。本实施方式中阻挡层70的材料选择SiO2。可选的，阻挡层70的厚度不大于10nm，由于阻挡层70的厚度较薄，不影响光电探测器在偏压下工作光电流的输出。本实施方式中，阻挡层70的厚度小于所述第一电极20、吸收层30、缓冲层40、第二电极50中的任一膜层的厚度。
请结合图7，在第三实施方式中，第一电极20及第二电极50同层设置于基底10上，且可以由同一图形化工艺形成，有利于简化制作工艺。缓冲层40形成于所述第二电极50上，吸收层30形成于所述缓冲层40和第一电极20上。可选的，吸收层30与缓冲层40的晶格失配度不大于25％，以使缓冲层40和吸收层30之间形成半共格界面，即缓冲层40和吸收层30实现一定程度上的晶格匹配。优选的，吸收层30与缓冲层40的晶格失配度δ不大于5％，以使缓冲层40和吸收层30之间形成完全共格界面，即缓冲层4和吸收层3实现良好的晶格匹配，有利于降低暗电流，提高光电探测器的信噪比。此外，将吸收层设置于缓冲层、第一电极及第二电极的上方，可使光直接、无损失地到达光吸收层，从而提高光电探测器的检测性能。
需要注意的是，由于在同一图形化工艺中形成，因此第二电极50的厚度与第一电极20的厚度相等，第二电极50的厚度大于等于0.3um且小于等于1.5um，具有一定的强度及耐磨性，因此无需设置保护电极。
除第二电极50与缓冲层40的位置以及先后形成次序有变化外，第三实施方式中的其它结构及特点均可沿用第一、二实施方式中的相应描述。
本发明还提供一种显示基板，所述显示基板包括前述任一实施方式所述的光电探测器，显示基板例如为LCD显示基板或OLED显示基板，用于制造LCD显示屏或OLED显示屏。所述显示基板还包括其他结构，例如用于驱动显示的薄膜晶体管、像素电极等结构。需要注意的是，吸收层30对应的区域可仅用于进行光电检测，而不用于显示。容易理解的是，由于显示基板集成了光电检测功能，因而可用于光电指纹识别或其它光电识别/探测功能。
另一方面，本发明还提供一种光电探测器的制作方法，用于制作前述光电探测器。请结合图2、图8至图11所示，所述制作方法包括：
步骤S1：提供基底10；
步骤S2：在所述基底10上形成第一电极20；
步骤S3：在所述第一电极20上形成吸收层30；
步骤S4：在所述吸收层30上形成缓冲层40；
步骤S5：在所述缓冲层40上形成第二电极50；
步骤S6：在所述第二电极上形成保护电极60。
可选的，在步骤S2中，通过磁控溅射工艺先低功率后高功率沉积第一电极膜层，再通过双氧水刻蚀或通过干法刻蚀形成第一电极20。其中，第一电极膜层(或第一电极20)的材料选择金属钼，厚度大于等于0.3um且小于等于1.5um，本实施方式选择1um。先后以低功率和高功率沉积第一电极膜层，有利于提高其第一电极膜层与基底10的粘附性。形成的结构可如图8所示。
可选的，在步骤S3中，通过共蒸发工艺沉积光吸收膜层，再通过溴水刻蚀或通过干法刻蚀形成吸收层30。其中，光吸收膜层(或吸收层30)的材料选择铜铟镓硒，厚度大于等于0.5um且小于等于2.5um，本实施方式选择1.5um，吸收层30的晶胞边长分别为a1＝b1＝5.78，c＝11.62。形成的结构可如图9所示。
可选的，在步骤S4中，通过外延生长工艺或磁控溅射工艺沉积缓冲膜层，对缓冲膜层进行刻蚀，形成缓冲层40，采用外延生长工艺沉积的膜层缺陷更少，因此本实施方式选择外延生长工艺进行沉积。其中，缓冲膜层(或缓冲层40)的材料为氧化镓，厚度大于等于50um且小于等于150um，本实施方式选择100um。缓冲层40的晶胞边长为a2＝12.227，b2＝3.039，c2＝5.808。由于c2与a1(或b1)数值较为接近，能够实现缓冲层40与吸收层30晶格匹配。形成的结构可如图10所示。
可选的，在步骤S5中，通过溅射工艺沉积第二电极膜层，再通过酸性溶液刻蚀或通过干法刻蚀形成第二电极50，其中，酸性溶液可以是例如盐酸溶液、硫酸溶液等，本实施方式选择盐酸溶液。其中，第二电极膜层(或第二电极50)的材料为掺杂铝的氧化锌，厚度大于等于150nm且小于等于200nm，本实施方式选择150nm。形成的结构可如图11所示。
可选的，在步骤S6中，通过图形化工艺形成保护电极60，例如通过掩膜蒸发工艺沉积。其中，保护电极60的材料为金属钼，厚度大于0.3um且小于0.8um，本实施方式选择0.5um。保护电极60大于第二电极50的厚度，且保护电极60由金属钼制成，因此强度更大，在电性接触时不易损坏。形成的结构可如图2所示。
当然，所述制作方法还可以包括制作前述阻挡层70的步骤。可选的，在该步骤中，通过等离子体增强化学气相沉积工艺(PECVD)沉积阻挡膜层，并通过碱性溶液刻蚀或通过干法刻蚀形成阻挡层70，其中，碱性溶液可选择氢氧化钠溶液。其中，阻挡膜层(或者说阻挡层70)的材料为氧化硅或氮化硅，厚度不大于10nm，本实施方式中材料为二氧化硅，厚度为5nm。阻挡层70用于在形成第二电极60时对所述缓冲层40进行保护，降低或避免溅射工艺对缓冲层破坏；同时，由于阻挡层70的厚度较薄，不影响光电探测器在偏压下工作光电流的输出。
本发明中，采用铜铟镓硒作为吸收层的材料，有利于提高光电转换效率并增大可吸收光的光谱范围；同时，由于吸收层与缓冲层的晶格失配度较小，使得缓冲层与吸收层晶格匹配，有利于降低缓冲层与所述吸收层的界面缺陷态，降低暗电流，提高光电探测器的信噪比，进而提高检测性能。
以上所述仅是本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施方式揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施方式，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种光电探测器，其特征在于，所述光电探测器包括第一电极、吸收层、缓冲层及第二电极，所述缓冲层设置于所述吸收层与所述第二电极之间，所述吸收层的材料包括铜铟镓硒，所述吸收层用于吸收光并产生电信号；
所述吸收层与所述缓冲层的晶格失配度不大于25％。
2.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述吸收层与所述缓冲层的晶格失配度不大于5％。
3.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述缓冲层的材料包括氧化镓。
4.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述光电探测器包括设置于所述缓冲层和所述第二电极之间的阻挡层，所述阻挡层用于在形成第二电极时对所述缓冲层进行保护。
5.根据权利要求4所述的光电探测器，其特征在于，所述阻挡层包括氧化硅和氮化硅中的至少一种。
6.根据权利要求4所述的光电探测器，其特征在于，所述阻挡层的厚度不大于10nm。
7.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述光电探测器包括保护电极，所述保护电极形成于所述第二电极上且与所述第二电极电性连接，所述保护电极在所述吸收层上的正投影位于所述第二电极在所述吸收层上的正投影内。
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，所述吸收层形成于所述第一电极上，所述缓冲层形成于所述吸收层上，所述第二电极形成于所述缓冲层上。
9.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，所述第一电极与所述第二电极同层设置，所述缓冲层形成于所述第二电极上，所述吸收层形成于所述第一电极与所述缓冲层上。
10.一种显示基板，其特征在于，所述显示基板包括如权利要求1至9中任一项所述的光电探测器。
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