CN113224199A - 光电子器件和包括光电子器件的图像传感器 - Google Patents

光电子器件和包括光电子器件的图像传感器 Download PDF

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Abstract

提供了一种具有低暗噪声和高信噪比的光电子器件。该光电子器件可以包括：第一半导体层，被掺杂为具有第一导电类型；第二半导体层，设置在第一半导体层的上表面上并且被掺杂为具有与第一导电类型在电学上相反的第二导电类型；透明基质层，设置在第二半导体层的上表面上；多个量子点，布置成与透明基质层接触；以及第一电极和第二电极，第一电极设置在透明基质层的第一侧，第二电极设置在透明基质层的与第一侧相对的第二侧，其中，第一电极和第二电极电连接到第二半导体层。

Description

光电子器件和包括光电子器件的图像传感器
相关申请的交叉引用
本申请基于并且要求于2020年2月6日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2020-0014353的优先权，该申请的公开内容通过引用整体并入本文中。
技术领域
本公开涉及光电子器件和包括光电子器件的图像传感器，更具体地，涉及具有结型场效应晶体管结构的量子点光电子器件以及包括所述光电子器件的图像传感器。
背景技术
近来，随着图像传感器的分辨率的提高，图像传感器的像素尺寸逐渐减小。例如，蜂窝电话中使用的高分辨率图像传感器的像素尺寸已减小至小于约1μm的大小。这样小的像素尺寸导致用于感测光的光接收元件的光接收面积减小，因此，每单位时间进入每个像素的光子数量减少。因此，由像素的光接收元件输出的信号中暗噪声的比例相对增加，从而降低了信噪比，使得难以获得清晰的图像。因此，已经进行了对光接收器件的研究以减少暗噪声并提高光接收效率。
发明内容
提供了具有低暗噪声和高信噪比的光电子器件。
提供了包括所述光电子器件的图像传感器。
附加方面部分地将在接下来的描述中阐述，且部分地将通过该描述而变得清楚明白，或者可以通过实践本公开所呈现的实施例而获知。
根据本公开的一方面，提供了一种光电子器件，包括：第一导电类型的第一半导体层；第二导电类型的第二半导体层，设置在第一半导体层的上表面上，第二导电类型与第一导电类型在电学上相反；透明基质层，设置在第二半导体层的上表面上；多个量子点，布置成与透明基质层接触；以及第一电极和第二电极，第一电极设置在透明基质层的第一侧，第二电极设置在透明基质层的与第一侧相对的第二侧，其中，第一电极和第二电极电连接到第二半导体层。
第一半导体层可以被掺杂为具有第一掺杂浓度，并且第二半导体层可以被掺杂为具有小于第一掺杂浓度的第二掺杂浓度。
所述多个量子点可以单层地布置在二维平面上。
所述多个量子点可以布置在第二半导体层的上表面上以与第二半导体层的上表面接触，并且透明基质层可以覆盖所述多个量子点。
所述多个量子点可以嵌入在透明基质层中而不与第二半导体层的上表面接触。
所述多个量子点中的每一个量子点的整个外围表面可以被透明基质层包围。
所述多个量子点可以布置在透明基质层的上表面上以与透明基质层的上表面接触。
在布置有所述多个量子点的单层中，所述多个量子点所占的第一面积与二维平面的第二面积之比可以为约0.1或更大。
所述多个量子点可以布置在多个二维层中以具有堆叠结构。
可以在所述多个量子点的相邻的二维层之间设置间隙，并且所述间隙可以被透明基质层填充。
所述多个量子点可以不规则地分散在透明基质层中。
透明基质层可以具有约1nm至约100nm的厚度。
透明基质层可以包括透明氧化物半导体材料。
透明半导体材料可以包括硅铟锌氧化物(SIZO)、硅锌锡氧化物(SZTO)、铟镓锌氧化物(IGZO)、铟锌氧化物(IZO)或锌锡氧化物(ZTO)中的至少一种。
透明基质层可以具有第一导电类型的电特性。
所述多个量子点可以具有第二导电类型的电特性。
透明基质层可以具有第二导电类型的电特性。
所述多个量子点可以具有第一导电类型的电特性。
透明基质层可以包括：第一基质层，设置在第二半导体层的上表面上；以及第二基质层，设置在第一基质层的上表面上，其中，第一基质层和第二基质层可以具有电学上相反的导电类型。
所述多个量子点可以布置在第一基质层的上表面上，并且第二基质层可以覆盖所述多个量子点。
第一基质层可以具有第一导电类型的电特性，第二基质层可以具有第二导电类型的电特性，并且所述多个量子点可以具有第二导电类型的电特性。
根据本公开的另一方面，提供了一种图像传感器，包括：光电子器件的阵列；以及驱动电路，被配置为从光电子器件中的每一个输出信号，其中，光电子器件中的每一个包括：第一导电类型的第一半导体层；第二导电类型的第二半导体层，设置在第一半导体层的上表面上，第二导电类型与第一导电类型在电学上相反；透明基质层，设置在第二半导体层的上表面上；多个量子点，布置成与透明基质层接触；以及第一电极和第二电极，第一电极设置在透明基质层的第一侧，第二电极设置在透明基质层的与第一侧相对的第二侧，其中，第一电极和第二电极电连接到第二半导体层。
根据本公开的另一方面，提供了一种结型场效应晶体管(JFET)，包括：第一半导体层；第二半导体层，设置在第一半导体层的上表面上；透明基质层，设置在第二半导体层的上表面上；多个量子点，与透明基质层接触；以及第一电极和第二电极，第一电极设置在透明基质层的第一侧，第二电极设置在透明基质层的第二侧。
附图说明
根据结合附图的以下描述，本公开的特定实施例的上述和其他方面、特征以及优点将更清楚，在附图中：
图1是示意性地示出根据示例实施例的光电子器件的结构的截面图；
图2是示意性地示出根据另一示例实施例的光电子器件的结构的截面图；
图3是示意性地示出根据另一示例实施例的光电子器件的结构的截面图；
图4A至图4D是示出透明基质层中的多个量子点的各种示例布置的截面图；
图5A和图5B是示出作为示例的多个量子点的不同示例布置的截面图；
图6是示出根据透明基质层和量子点的各种布置的电荷分离特性的曲线图；
图7A至图7D是示意性地示出根据其他示例实施例的光电子器件的各种结构的截面图；
图8A至图8D是示意性地示出根据其他示例实施例的光电子器件的各种结构的截面图；
图9是示意性地示出根据另一示例实施例的光电子器件的结构的截面图；
图10A至图10C是用于比较根据比较例的结型场效应晶体管(JFET)中的暗噪声和根据本公开的示例实施例的JFET中的暗噪声的曲线图；以及
图11是示意性地示出根据示例实施例的图像传感器的结构的截面图。
具体实施方式
现在详细参考实施例，在附图中示出了实施例的示例，其中，贯穿附图类似的附图标记表示类似的元件。在这点上，实施例可以具有不同形式，并且不应当被解释为受限于本文所阐述的描述。因此，以下仅通过参考附图描述实施例，以解释各个方面。如本文中所使用的术语“和/或”包括相关列出项目中的一个或多个的任何和所有组合。诸如“......中的至少一个”之类的表述在元件列表之后时修饰整个元件列表，而不是修饰列表中的单独元件。
在下文中，将参照附图描述具有结型场效应晶体管(JFET)结构的光电子器件以及包括所述光电子器件的图像传感器。在附图中，相同的附图标记指代相同的元件，并且为了清楚地说明，可放大元件的尺寸。此外，本文所描述的实施例仅用于说明目的，并且可以由此进行各种修改。
在下面的描述中，当一元件被称为在另一元件“之上”或“上”时，其可以直接在该另一元件上，同时与该另一元件接触，或者可以在该另一元件上方而不接触该另一元件。除非另外提及，否则单数形式的术语可以包括复数形式。还将理解，本文中使用的术语“包括”和/或“包含”指定存在所描述的特征或元件，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征或元件。
用定冠词或指示代词提及的元件可以被解释为一个或多个元件，即使它为单数形式。除非在顺序方面明确描述或相反描述，否则方法的操作可以以适当的顺序执行，而不限于所陈述的顺序。
在本公开中，诸如“单元”或“模块”等的术语可以用于表示具有至少一个功能或操作并且被实现为硬件、软件或硬件和软件的组合的单元。
此外，附图中描绘的元件之间的线连接或连接构件通过示例的方式表示功能连接和/或物理或电路连接，并且在实际应用中，它们可以被替换或实现为各种其他功能连接、物理连接或电路连接。
示例或示例性术语在本文中仅用于描述技术思想，并且不应被视为限制性目的，除非由权利要求书限定。
图1是示意性地示出根据示例实施例的光电子器件100的结构的截面图。参照图1，示例实施例的光电子器件100可以包括第一半导体层101、设置在第一半导体层101的上表面上的第二半导体层102、设置在第二半导体层102的上表面上的透明基质层103、与透明基质层103接触地布置的多个量子点104、以及分别布置在透明基质层103的两侧的第一电极105和第二电极106。
第一半导体层101可以包括被p型掺杂剂重度掺杂的p+半导体材料。例如，第一半导体层101可以包括硅(Si)、锗(Ge)或化合物半导体材料。
第二半导体层102可以包括掺杂有n型掺杂剂的n型半导体材料。例如，第二半导体层102可以包括被轻度掺杂至比第一半导体层101的掺杂浓度低的浓度的n-半导体材料。第二半导体层102可以包括与第一半导体层101相同类型的半导体材料，并且可以被掺杂为具有与第一半导体层101的导电类型在电学上相反的导电类型。因此，第一半导体层101和第二半导体层102形成pn结。
第一电极105和第二电极106可以布置在第二半导体层102的上表面上，以与第二半导体层102电连接。透明基质层103可以设置在第一电极105与第二电极106之间。第一电极105和第二电极106可以直接与设置在两者之间的透明基质层103接触，或者第一电极105和第二电极106可以与透明基质层103相隔开，使得第一电极105和第二电极106可以不与透明基质层103接触。即，第一电极105和第二电极106可以与透明基质层103物理接触，或者第一电极105和第二电极106可以不与透明基质层103物理接触。
在该结构中，第一半导体层101用作栅极，并且第二半导体层102用作沟道。另外，第一电极105和第二电极106用作源电极和漏电极。在用作栅极的第一半导体层101与用作沟道的第二半导体层102之间未设置单独的栅极绝缘层。因此，图1所示的光电子器件100具有厅ET结构。
当用作栅极的第一半导体层101掺杂有p型掺杂剂并且用作沟道的第二半导体层102掺杂有n型掺杂剂时，在没有将栅极电压施加到第一半导体层101的状态下，电流通过第二半导体层102在第一电极105和第二电极106之间流动。然而，当向第一半导体层101施加反向电压即负电压时，第二半导体层102的耗尽区变宽，因此在第一电极105和第二电极106之间流动的电流减小。另外，当向第一半导体层101施加等于或高于特定电平的反向电压时，在第二半导体层102中完全形成耗尽区，因此电流不在第一电极105和第二电极106之间流动。根据一个实施例，该特定水平是预定电平。因此，当没有电压施加到第一半导体层101时，光电子器件100处于导通状态，而当等于或大于阈值电压的反向电压施加到第一半导体层101时，光电子器件100处于截止状态。
另外，布置在第二半导体层102上的透明基质层103和量子点104具有放大由入射在光电子器件100上的光子产生的光电流的功能。量子点104是具有预定大小且提供量子约束效应的颗粒。例如，量子点104可以包括诸如CdSe、CdTe、InP、InAs、InSb、PbSe、PbS、PbTe、AlAs、ZnS、ZnSe或ZnTe之类的化合物。当光入射在量子点104上时，量子点104吸收光并产生光载流子，即，成对的可移动电子和空穴。随着在量子点104中产生的光载流子穿过透明基质层103移动到用作沟道的第二半导体层102，光电流在第一电极105和第二电极106之间流动。例如，当用作沟道的第二半导体层102是n型时，电子可以作为光载流子移动到第二半导体层102。
量子点104吸收的光的波长可以根据量子点104的带隙而变化。量子点104的带隙可以主要由量子点104的直径确定。例如，量子点104可以具有约1nm至约10nm的直径。因此，量子点104的直径可以根据要由光电子器件100检测的光的波长而改变。当光电子器件100被配置为检测宽波段的光时，可以提供具有各种直径的量子点104。另外，当光电子器件100被配置为检测特定波段的光时，提供具有相同直径的量子点104。
透明基质层103具有将由量子点104产生的光载流子有效地转移到第二半导体层102的功能。特别地，透明基质层103有效地分离在量子点104中产生的电子和空穴，并且将分离的电子或空穴转移到第二半导体层102。为此，透明基质层103与每个量子点104接触。另外，透明基质层103包括对要由光电子器件100检测的波段的光透明的材料，使得入射光可以透射到量子点104。透明基质层103可以包括透明氧化物半导体材料。例如，透明基质层103可以包括诸如以下项的透明氧化物半导体材料：硅铟锌氧化物(SIZO)、硅锌锡氧化物(SZTO)、铟镓锌氧化物(IGZO)、铟锌氧化物(IZO)、锌锡氧化物(ZTO)、CuAlO2、CuG2O2、SrCu2O2或SnO2。
透明基质层103可以形成为具有小的厚度。例如，透明基质层103的厚度可以在约1nm至约100nm的范围内。在另一示例中，透明基质层103的厚度可以在约1nm至约50nm的范围内。在另一示例中，透明基质层103的厚度可以在约1nm至约30nm的范围内。由于透明基质层103形成为具有小的厚度，所以光电子器件100可以具有足够小的厚度。
在具有上述JFET结构的光电子器件100中，可以调节施加到第一半导体层101的电压以改变第二半导体层102中的耗尽区的大小，从而控制通过第二半导体层102在第一电极105和第二电极106之间流动的电流。因此，即使当光没有入射在光电子器件100上时，也可以抑制或减少由在第一电极105和第二电极106之间流动的电流引起的暗噪声。因此，可以提高光电子器件100的信噪比。
另外，可以通过调节施加到第一半导体层101的电压来容易地开启/关闭光电子器件100，因此仅当需要信号输出时，才可以开启光电子器件100，以执行用于从光电子器件100输出光电流的开关操作。
另外，由于布置在第二半导体层102上的透明基质层103和量子点104用作沟道，所以与每单位时间入射在光电子器件100上的光子相比，产生更多的光载流子，因此光电子器件100具有大于1的增益。因此，因为透明基质层103和量子点104具有放大输出信号的效果，所以可以进一步提高光电子器件100的信噪比。因此，即使当入射光微弱时，也可以使用该实施例的光电子器件100获得清晰的图像。
在图1所示的示例实施例中，第一电极105和第二电极106从第二半导体层102的上表面突出。根据示例实施例，第二半导体层102的上表面是平坦的，并且第一电极105的下表面和第二电极106的下表面与第二半导体层102的上表面在同一平面上。然而，本公开不限于图1所示的示例。
例如，图2是示意性地示出根据另一示例实施例的光电子器件的结构的截面图。参照图2，第一电极105和第二电极106可以布置在第二半导体层102的上表面中。根据示例实施例，第一电极105和第二电极106可以嵌入在半导体层102中，仅第一电极105和第二电极106的上表面暴露于外部，并且第一电极105和第二电极106的侧表面和下表面被第二半导体层102包围。在这种情况下，第一电极105的上表面和第二电极106的上表面可以与第二半导体层102的上表面在同一平面上。
此外，在图1所示的示例实施例中，第一半导体层101掺杂有p型掺杂剂，并且第二半导体层102掺杂有n型掺杂剂。然而，本公开不限于图1所示的示例。例如，图3是示意性地示出根据另一示例实施例的光电子器件的结构的截面图。参照图3，光电子器件可以包括：第一半导体层201，包括掺杂至高浓度的n+半导体材料；第二半导体层202，设置在第一半导体层201的上表面上，并且包括掺杂至低浓度的p-半导体材料；透明基质层103，设置在第二半导体层202的上表面上；多个量子点104，与透明基质层103接触地布置；以及第一电极105和第二电极106，分别布置在透明基质层103的两侧。当用作沟道的第二半导体层202是p型时，响应于入射在量子点104上的光，空穴可以作为光载流子从量子点104移动到第二半导体层202。
如图1和图3所示，第一半导体层101和201与第二半导体层102和202可以被掺杂为具有电学上相反的导电类型，从而形成pn结。如图1所示的示例中，第一半导体层101可以是p型，第二半导体层102可以是n型；或者如图3所示的示例中，第一半导体层201可以是n型，第二半导体层202可以是p型。另外，可以将用作栅极的第一半导体层101和201掺杂至相对高的浓度，并且可以将用作沟道的第二半导体层102和202掺杂至相对低的浓度。这里，在图1所示的实施例中，沟道是n型，使得沟道的电荷载流子是电子，而在图3所示的实施例中，沟道是p型，使得沟道的电荷载流子是空穴。由于电子的迁移率高于空穴的迁移率，因此从光电子器件的性能出发，沟道为n型的情况可能是相对有利的。
另外，可以以各种方式布置量子点104。例如，图4A至图4D是示出透明基质层103中的量子点104的各种示例布置的截面图。
参照图4A，量子点104可以单层地布置在二维平面上。布置量子点104的平面层可以平行于第二半导体层102的上表面。在图4A中，量子点104被密集地布置成彼此接触。然而，本公开不限于图4A所示的示例。在其中布置了量子点104的平面层中，量子点104可以彼此分开地分布。然而，当量子点104的数量太少时，难以获得放大效果，因此可以布置足够数量的量子点104。例如，在布置了多个量子点的平面层中，量子点104所占的面积与二维平面的面积之比可以为约0.1或更大。
参照图4B，量子点104可以布置在多个二维层中以具有堆叠结构。在这种情况下，量子点104的数量可以增加，因此可以进一步提高放大效果。然而，当堆叠量子点104的层数过多时，入射光可能无法透射到下侧。因此，可以适当地选择布置量子点104的层数以获得最佳效率。例如，量子点104可以堆叠达30层。备选地，量子点104可以堆叠达10层。在又一示例中，量子点104可以堆叠为三层或更少层。
在图4B中，量子点104被堆叠，而在布置量子点104的层之间没有间隙。然而，本公开不限于图4B所示的示例。例如，如图4C所示，在布置量子点104的相邻的二维层之间可以存在间隙。在这种情况下，可以用透明基质层103填充布置有量子点104的层之间的间隙。然而，本公开不限于图4C所示的示例。例如，可以仅在布置有量子点104的一些相邻的二维层之间存在间隙，而其他相邻的二维层可以布置为在布置有量子点104的各层之间没有间隙。
另外，参照图4D，量子点104可以不规则地分散在透明基质层103中。因此，量子点104之间的间隔可以不是恒定的。在这种情况下，可以通过将量子点104混合在透明基质层103的材料中并将该材料应用于第二半导体层102来容易地形成分散有量子点104的透明基质层103。
在图4A至图4D所示的示例中，将量子点104嵌入在透明基质层103的内部。因此，每个量子点104的表面被透明基质层103完全包围。另外，每个量子点104不与第二半导体层102的上表面和透明基质层103的上表面接触。然而，本公开不限于图4A至图4D所示的示例。例如，图5A和图5B是示出作为示例的量子点104的不同布置的截面图。
参照图5A，量子点104可以布置在第二半导体层102的上表面上。在这种情况下，每个量子点104的下部可以与第二半导体层102的上表面接触。透明基质层103可以设置在第二半导体层102上以覆盖量子点104。除了与第二半导体层102接触的每个量子点104的下部之外，透明基质层103可以与每个量子点104的侧面和上部接触。
参照图5B，量子点104可以布置在透明基质层103的上表面上。在这种情况下，仅每个量子点104的下部可以与透明基质层103的上表面接触。
图6是示出根据透明基质层103和量子点104的各种布置的电荷分离特性的曲线图，以比较电荷分离特性。通过测量当量子点104被施加于其上的激光脉冲激发时在量子点104中发生的光致发光(PL)的衰减时间来获得图6所示的曲线图。在图6中，由“A”指示的曲线是指其中量子点104仅布置在玻璃衬底上(即，QD/玻璃结构)的比较例，由“B”指示的曲线是指其中量子点104布置在玻璃衬底上并且SIZO(硅铟锌氧化物)作为透明基质层103设置在玻璃衬底上以覆盖量子点104(即，QD/SIZO结构)的情况，由“C”指示的曲线是指其中SIZO首先作为透明基质层103设置在玻璃衬底上、量子点104被布置在SIZO上、然后SIZO被设置为覆盖量子点104(即，SIZO/QD/SIZO结构)的情况，并且由“D”指示的IRF(红外荧光照相)曲线是指施加到量子点104的激光脉冲。
参照图6的曲线图，可以理解，PL的寿命在QD/SIZO结构中比在QD/玻璃结构中短，并且PL的寿命在SIZO/QD/SIZO结构中比在QD/SIZO结构中短。这意味着在量子点104中产生的电子和空穴在QD/SIZO结构中比在QD/玻璃结构中分离得更快，并且也在SIZO/QD/SIZO结构中比在QD/SIZO结构中分离得更快。换句话说，电荷分离速率在QD/SIZO结构中比在QD/玻璃结构中高，并且电荷分离速率在SIZO/QD/SIZO结构中比在QD/SIZO结构中高。由图6所示的曲线图计算出的QD/SIZO结构的电荷分离速率约为0.5/ns，并且由图6所示的曲线图计算出的SIZO/QD/SIZO结构的电荷分离速率约为3.3/ns。
因此，可以理解，随着透明基质层103与量子点104之间的界面的面积增加，电荷分离的速率增加。此外，高的电荷分离速率意味着高的电荷分离效率。具有高电荷分离效率的光电子器件可以具有高灵敏度。在这种情况下，即使在光量少的情况下，光电子器件也可以产生高光电流，因此光电子器件可以具有改善的信噪比和低驱动电压。
在图1和图3中，仅描述了第一半导体层101和201以及第二半导体层102和202的掺杂特性。但是，透明基质层103也可以具有n型或p型的导电特性。例如，图7A至图7D是示意性地示出根据其他实施例的光电子器件的各种结构的截面图。
参照图7A，光电子器件可以包括掺杂有p+型掺杂剂的第一半导体层101、掺杂有n-型掺杂剂的第二半导体层102、p型的透明基质层203以及与透明基质层203接触地布置的多个量子点104。尽管在图7A中未示出电极，但是如图1至图3所示，电极进一步布置在透明基质层203的两侧。在图7A所示的结构中，第一半导体层101和透明基质层203具有相同的导电类型，并且第一半导体层101的掺杂浓度大于透明基质层203的掺杂浓度。
参照图7B，光电子器件可以包括掺杂有p+型掺杂剂的第一半导体层101、掺杂有n-型掺杂剂的第二半导体层102、n型的透明基质层303以及与透明基质层303接触地布置的多个量子点104。在图7B所示的结构中，第二半导体层102和透明基质层303具有相同的导电类型。
参照图7C，光电子器件可以包括掺杂有n+型掺杂剂的第一半导体层201、掺杂有p-型掺杂剂的第二半导体层202、p型的透明基质层203以及与透明基质层203接触地布置的多个量子点104。在图7C所示的结构中，第二半导体层202和透明基质层203具有相同的导电类型。
参照图7D，光电子器件可以包括掺杂有n+型掺杂剂的第一半导体层201、掺杂有p-型掺杂剂的第二半导体层202、n型的透明基质层303以及与透明基质层303接触地布置的多个量子点104。在图7D所示的结构中，第一半导体层201和透明基质层303具有相同的导电类型。
p型透明基质层203和n型透明基质层303中的每一个可以通过单独的掺杂工艺形成。然而，固有地具有p型或n型电特性而无需掺杂的透明氧化物半导体材料可以用作p型透明基质层203或n型透明基质层303。通常，例如，诸如SIZO、SZTO、IGZO、IZO和ZTO的含锌氧化物可以是具有固有的n型电特性的透明氧化物半导体材料。另外，例如，CuAlO2、CuG2O2、SrCu2O2、SnO2等可以是具有固有的p型电特性的透明氧化物半导体材料。
如图7A和图7D所示，当第一半导体层101和201与透明基质层203和303具有相同的导电类型时，透明基质层203和303也可以用作栅极。因此，图7A和图7D所示的光电子器件具有包括两个栅极的双栅极JFET结构。由于栅极分别布置在作为沟道层的第二半导体层102和202的下部和上部，所以可以在沟道层的下部和上部调节耗尽区，因此可以更容易地减少或抑制暗噪声。
另外，如图7B和图7C所示，当第二半导体层102和202与透明基质层203和303具有相同的导电类型时，光电子器件各自仅具有一个栅极。在这种情况下，栅极仅设置在作为沟道层的第二半导体层102和202的下部，并且可以在沟道层的下部控制耗尽区。因此，光载流子可以无损失地从设置在第二半导体层102和202上部的透明基质层203和303转移到作为沟道的第二半导体层102和202。那么，可以增加光电子器件的输出信号的强度。
除了透明基质层203和303之外，量子点104也可以具有n型或p型导电特性。例如，图8A至图8D是示意性地示出根据其他实施例的光电子器件的各种结构的截面图。
参照图8A，光电子器件可以包括掺杂有p+型掺杂剂的第一半导体层101、掺杂有n-型掺杂剂的第二半导体层102、n型的透明基质层303以及p型的多个量子点204。量子点204布置在第二半导体层102的上表面上。尽管在图8A中未示出电极，但是如图1至图3所示，电极进一步布置在透明基质层303的两侧。
在图8A所示的光电子器件的结构中，第二半导体层102和透明基质层303具有相同的导电类型。因此，图8A所示的光电子器件具有一个栅极。
另外，量子点204具有与第二半导体层102和透明基质层303的导电类型在电学上相反的导电类型。因此，虽然光没有入射在量子点204上，但是量子点204可以在与第二半导体层102的界面处形成耗尽区。因此，可以减少暗噪声。另外，当量子点204通过接收光而被激发时，量子点204释放光载流子(例如，电子)。因此，当光入射在量子点204上时，从量子点204释放的电子可以通过n型透明基质层303有效地转移到n型的第二半导体层102。
参照图8B，光电子器件可以包括掺杂有p+型掺杂剂的第一半导体层101、掺杂有n-型掺杂剂的第二半导体层102、p型的透明基质层203以及n型的多个量子点304。量子点304布置在第二半导体层102的上表面上。
在图8B所示的光电子器件的结构中，第一半导体层101和透明基质层203具有相同的导电类型，并且第二半导体层102和透明基质层203具有电学上相反的导电类型。另外，由于透明基质层203填充量子点304之间的空隙并与设置在其下侧的第二半导体层102接触，因此透明基质层203可以在与第二半导体层102的界面处形成耗尽区。因此，图8B所示的光电子器件具有包括两个栅极的双栅极JFET结构。
另外，量子点304具有与透明基质层203的导电类型在电学上相反的导电类型，并且与第二半导体层102的导电类型相同。另外，当量子点304通过接收光而被激发时，量子点304释放光载流子(例如，电子)。因此，当光入射在量子点304上时，从量子点304释放的光载流子可以通过p型透明基质层203转移到第二半导体层102。
p型量子点204和n型量子点304中的每一个可以通过单独的掺杂工艺形成。然而，固有地具有p型或n型电特性而无需掺杂的量子点可以用作p型量子点204或n型量子点304。通常，例如，使用CdSe、CdTe、InP、InAs、InSb、AlAs、ZnS、ZnSe、ZnTe等形成固有地具有n型电特性的量子点。另外，例如，使用PbSe、PbS、PbTe等形成固有地具有p型电特性的量子点。
除了多个量子点204不与下面的第二半导体层102接触之外，图8C所示的光电子器件具有与图8A所示的光电子器件的结构基本相同的结构。另外，除了多个量子点304不与下面的第二半导体层102接触之外，图8D所示的光电子器件具有与图8B所示的光电子器件的结构基本相同的结构。如图8C和图8D所示，即使当量子点204和304不与第二半导体层102接触时，光电子器件也可以类似于参照图8A和图8B描述的那样操作。
图9是示意性地示出根据另一示例实施例的光电子器件的结构的截面图。参照图9，光电子器件可以包括掺杂有p+型掺杂剂的第一半导体层101、掺杂有n-型掺杂剂的第二半导体层102、设置在第二半导体层102上的透明基质层403以及布置在透明基质层403内部的多个量子点304。
该光电子器件的透明基质层403可以包括设置在第二半导体层102的上表面上的第一基质层403a和设置在第一基质层403a的上表面上的第二基质层403b。量子点304可以布置在第一基质层403a与第二基质层403b之间。例如，在形成第一基质层403a之后，可以将量子点304布置在第一基质层403a的上表面上，并且第二基质层403b可以形成在第一基质层403a上以覆盖量子点304。
在实施例中，第一基质层403a和第二基质层403b可以具有电学上相反的导电类型。例如，与第二半导体层102直接接触的第一基质层403a可以具有与第二半导体层102的导电类型在电学上相反的p型，并且第二基质层403b和第二半导体层102可以具有相同的n型。另外，量子点304可以具有与第一基质层403a的导电类型在电学上相反的导电类型。例如，量子点304和第二基质层403b可以具有相同的n型。在这种情况下，设置在相对下侧的下部第一基质层403a可以在与第二半导体层102的界面处形成耗尽区。设置在相对上侧的第二基质层403b可以有助于从量子点304产生的光载流子(例如，电子)有效地移动到第二半导体层102。
除了图7A至图7D、图8A至图8D和图9所示的结构之外，各种其他结构和各种其他导电类型组合也可以用于配置第一半导体层、第二半导体层、基质层和量子点。
图10A至图10C是用于比较根据比较例的JFET中的暗噪声和根据本公开的示例实施例的JFET中的暗噪声的曲线图。图10A是示出根据比较例的JFET的暗噪声的曲线图。当光没有入射在比较例的JFET上时，如图10A所示，测量在第一电极和第二电极之间流动的电流。比较例的JFET不包括量子点和基质层，而仅包括作为栅极的第一半导体层和作为沟道的第二半导体层，并且第二半导体层的厚度约为0.55μm。
另外，图10B是示出在调节入射在图5A所示的实施例的光电子器件上的光的强度的同时在第一电极105和第二电极106之间测量的电流的曲线图，其中量子点104布置成与第二半导体层102的上表面接触。图10C是示出在调节入射在图1所示的实施例的光电子器件上的光的强度的同时在第一电极105和第二电极106之间测量的电流的曲线图，其中量子点104的下部和上部被透明基质层103完全包围。
当将图10A至图10C所示的曲线图相互比较时，可以理解的是，图5A所示的实施例的光电子器件的暗噪声显著小于比较例的JFET的暗噪声。另外，可以理解的是，图1所示的实施例的光电子器件的暗噪声小于图5A所示的实施例的光电子器件的暗噪声。另外，还可以理解的是，图1所示的实施例的光电子器件具有比图5A所示的实施例的光电子器件高的灵敏度。
如上所述，根据实施例的光电子器件可以具有低的暗噪声和高的信噪比。因此，由于光电子器件具有高灵敏度，所以即使在低驱动电压(例如，约10V或更小)下也可以操作光电子器件。此外，由于可以接收的光的波段由量子点的带隙确定，因此可以使用作为普通半导体材料的硅(Si)来形成第一半导体层和第二半导体层。因此，可以通过一般的硅工艺来制造便宜的光电子器件。根据实施例的光电子器件可在例如约400nm至约2000nm的宽波段中操作。
光电子器件可以单独地用作光接收装置，或者可以布置成二维阵列以形成图像传感器。例如，图11是示意性示出根据实施例的包括多个光电子器件100的图像传感器500的结构的截面图。参照图11，图像传感器500包括形成在半导体衬底501上的光电子器件100的阵列以及用于从光电子器件100输出信号的多个驱动电路109。尽管为了便于说明在图11中仅示出了两个光电子器件100和两个驱动电路109，但是实际上以二维阵列的形式布置大量的光电子器件100和大量的驱动电路109。
由于光电子器件100具有低的暗噪声和高的灵敏度，因此即使在微弱的入射光下，图像传感器500也可以获得清晰的图像。另外，由于可以进一步减小图像传感器500的像素尺寸，因此可以进一步提高图像传感器500的分辨率。
尽管已经参考附图根据示例实施例描述了具有JFET结构的光电子器件和包括所述光电子器件的图像传感器，但是本领域普通技术人员将理解，所述光电子器件和图像传感器仅是示例，并且可以在其中进行各种修改和其他等效实施例。因此，本文描述的示例实施例应当被认为仅是描述性的，而不是为了限制目的。本公开的范围不由以上描述限定，而是由所附权利要求限定，并且在本公开的范围的等同范围内的所有差异应被认为包括在本公开的范围内。

Claims (23)

1.一种光电子器件，包括：
第一导电类型的第一半导体层；
第二导电类型的第二半导体层，设置在所述第一半导体层的上表面上，所述第二导电类型与所述第一导电类型在电学上相反；
透明基质层，设置在所述第二半导体层的上表面上；
多个量子点，布置成与所述透明基质层接触；以及
第一电极和第二电极，所述第一电极设置在所述透明基质层的第一侧，所述第二电极设置在所述透明基质层的与所述第一侧相对的第二侧，其中，所述第一电极和所述第二电极电连接到所述第二半导体层。
2.根据权利要求1所述的光电子器件，其中，所述第一半导体层被掺杂为具有第一掺杂浓度，并且所述第二半导体层被掺杂为具有小于所述第一掺杂浓度的第二掺杂浓度。
3.根据权利要求1所述的光电子器件，其中，所述多个量子点单层地布置在二维平面上。
4.根据权利要求3所述的光电子器件，其中，所述多个量子点布置在所述第二半导体层的上表面上以与所述第二半导体层的上表面接触，并且所述透明基质层覆盖所述多个量子点。
5.根据权利要求3所述的光电子器件，其中，所述多个量子点嵌入在所述透明基质层中而不与所述第二半导体层的上表面接触。
6.根据权利要求5所述的光电子器件，其中，所述多个量子点中的每个量子点的整个外围表面被所述透明基质层包围。
7.根据权利要求3所述的光电子器件，其中，所述多个量子点布置在所述透明基质层的上表面上，以与所述透明基质层的上表面接触。
8.根据权利要求3所述的光电子器件，其中，在布置有所述多个量子点的单层中，所述多个量子点所占的第一面积与所述二维平面的第二面积之比为0.1或更大。
9.根据权利要求1所述的光电子器件，其中，所述多个量子点布置在多个二维层中以具有堆叠结构。
10.根据权利要求9所述的光电子器件，其中，在所述多个量子点的相邻的二维层之间设置有间隙，并且所述间隙被所述透明基质层填充。
11.根据权利要求1所述的光电子器件，其中，所述多个量子点不规则地分散在所述透明基质层中。
12.根据权利要求1所述的光电子器件，其中，所述透明基质层具有1nm至100nm的厚度。
13.根据权利要求1所述的光电子器件，其中，所述透明基质层包括透明氧化物半导体材料。
14.根据权利要求13所述的光电子器件，其中，所述透明氧化物半导体材料包括硅铟锌氧化物SIZO、硅锌锡氧化物SZTO、铟镓锌氧化物IGZO、铟锌氧化物IZO或锌锡氧化物ZTO中的至少一种。
15.根据权利要求13所述的光电子器件，其中，所述透明基质层具有所述第一导电类型的电特性。
16.根据权利要求15所述的光电子器件，其中，所述多个量子点具有所述第二导电类型的电特性。
17.根据权利要求13所述的光电子器件，其中，所述透明基质层具有所述第二导电类型的电特性。
18.根据权利要求17所述的光电子器件，其中，所述多个量子点具有所述第一导电类型的电特性。
19.根据权利要求13所述的光电子器件，其中，所述透明基质层包括：
第一基质层，设置在所述第二半导体层的上表面上；以及
第二基质层，设置在所述第一基质层的上表面上，
其中，所述第一基质层和所述第二基质层具有电学上相反的导电类型。
20.根据权利要求19所述的光电子器件，其中，所述多个量子点布置在所述第一基质层的上表面上，并且所述第二基质层覆盖所述多个量子点。
21.根据权利要求20所述的光电子器件，其中，所述第一基质层具有所述第一导电类型的电特性，所述第二基质层具有所述第二导电类型的电特性，并且所述多个量子点具有所述第二导电类型的电特性。
22.一种图像传感器，包括：
光电子器件的阵列；以及
驱动电路，被配置为从所述光电子器件中的每一个输出信号，
其中，所述光电子器件中的每一个包括：
第一导电类型的第一半导体层；
第二导电类型的第二半导体层，设置在所述第一半导体层的上表面上，所述第二导电类型与所述第一导电类型在电学上相反；
透明基质层，设置在所述第二半导体层的上表面上；
多个量子点，布置成与所述透明基质层接触；以及
第一电极和第二电极，所述第一电极设置在所述透明基质层的第一侧，所述第二电极设置在所述透明基质层的与所述第一侧相对的第二侧，其中，所述第一电极和所述第二电极电连接到所述第二半导体层。
23.一种结型场效应晶体管JFET，包括：
第一半导体层；
第二半导体层，设置在所述第一半导体层的上表面上；
透明基质层，设置在所述第二半导体层的上表面上；
多个量子点，与所述透明基质层接触；以及
第一电极和第二电极，所述第一电极设置在所述透明基质层的第一侧，所述第二电极设置在所述透明基质层的第二侧。
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