CN1157800C - 微型高效宽光谱换能器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型高效宽光谱换能器，属于能量转换技术领域。该换能器包括半导体衬底、扩散层、高渗杂层，以及分别从衬底和高浓度离子注入层引出的电极，半导体衬底和扩散层形成单PN结，此外夹在衬底与高渗杂层之间、形成双PN结的离子注入层。高渗杂层覆盖离子注入层，使离子注入层厚度在1nm-100nm之间，两个以上的双PN结区域从端头半导体衬底与扩散层形成的单PN结区域延伸，并与单PN结的延伸区域相间，构成栅栏状结构。本发明可以将光能、辐射热能以及光电转换过程中的热能均高效率地转换成电能，加之其吸收光谱宽、噪音低、开关速度快的特性，十分适合于在通信以及光电子对抗等诸多领域推广应用。

Description

微型高效宽光谱换能器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种能量转换装置，尤其是一种可以将光、热、辐射等多种能量和电能进行转换的换能器的结构改进，同时本发明还涉及该换能器的置备方法，属于能量转换技术领域。

背景技术

随着通信技术以及电子对抗、光电子对抗技术的迅速发展，人们对于可以接受较宽光谱，进而将光、热、辐射能和电能进行转换的换能装置的需求越来越迫切。目前公知的此类装置通常由半导体衬底扩散层形成的PN结、以及该PN结两端引出的电极构成。这种光电池仅仅凭PN结形成的自建电场使光能转换成电流，而根本无法利用光电转换过程中存在的大量热能，其转换效率很低，最多只能达到18.5％。申请日为991014、申请号为99229600.5的中国专利《热光电池》公开了一种热光电池结构。这种结构的热光电池从理论上打开了吸收红外线及利用耗散热能的通道。然而，由于其创新的出发点仅仅考虑如何将耗散热能转换成电能，即着眼于提高效率，而对用于通信领域和电子和光电子对抗的换能器而言，还存在以下问题：1.可以吸收利用的光谱宽度较窄；2.灵敏度不够高，而白噪音较大；3.动态范围需进一步扩大；4.开关速度较慢。由于应用领域不同，考虑问题的出发点不同，因此上述专利未能顾及、当然也不可能解决以上问题。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述需要解决的问题，提出一种可以将光、热、辐射等多种能量充分转换成电能，并且其各种性能指标可以满足通信和光电子对抗等技术领域需求的微型高效宽光谱换能器。同时本发明还将给出微型高效宽光谱换能器的置备方法。

为了达到上述目的，申请人经过深入研究和反复实践，提出以下技术方案：本发明的微型高效宽光谱换能器包括半导体衬底、扩散层，以及从衬底引出的电极，半导体衬底和扩散层形成单PN结。此外，还含有高掺杂层和离子注入层，所述离子注入层夹在衬底与高掺杂层之间，形成双PN结。高掺杂层引出电极，并覆盖离子注入层，使离子注入层厚度在1nm-100nm之间。两个以上的双PN结区域从端头半导体衬底与扩散层形成的单PN结区域延伸，并与所述单PN结的延伸区域相间，构成栅栏状结构。

在本发明微型高效宽光谱换能器衬底与离子注入层之间的PN结界面，可以产生与普通光电池类似的光生电位，由此而产生的光生电流可以用下式表示

         J＝-qμn(dΦ_n/dx)                  (1)

(1)式中    J光生电流

           q电子电荷

           μ电子迁移率

           n电子密度

           Φ_n光生电位

其中，qΦ_n为光生电位引入后的准费米能级。

而在离子注入层与高浓度离子注入层之间的PN结界面之间，由于此区间在电子自由程的距离内，势能改变很快，不存在平衡状态，所以此区域内的载流子不能用准费米能级来描述，其光生电流应当用下式表示

         J＝q(n_m-n_o)V_R                      (2)

(2)式中    J光生电流

           q电子电荷

           n_m有电流时在x_m处的电荷密度

           n_o在x_m处的准平衡电荷密度

           V_R势能极大处的复合速度

根据上述理论分析可知，当注入光强度达到一定程度后，无论是短谱还是长谱，均将引起量子隧道效应。换个角度通俗些说，由于高掺杂作用使高浓度离子注入层与离子注入层之间的PN结处、包括“覆盖”区域，积聚大量可以吸收近红外线的载流子，而离子注入层的厚度极薄，载流子很容易穿越其形成的势垒，因此两PN结处的总电流将是光生电流加上吸收热能载流子产生的电流及隧道电流之和，以上的热能包括光辐射热以及光电转换过程中产生的热能。所以，采用本发明后，换能器可吸收的光谱范围广，灵敏度高，输出功率大。此外，本发明的“栅栏状结构”使得换能器的受光面积最大，因此其结构紧凑，在输出同等功率的情况下，尺寸最小。结果，其漏电流引起的噪音低，信噪比高；并且时间常数小，加上利用多子传输机制取代少子传输机制，因此开关速度快。总之，本发明真正实现了将光能、辐射热能以及光电转换过程中的热能均高效率地转换成电能。因为量子隧道效应带来的电流增益远比光生电流大得多，因此转换效率大大提高，加之其光谱宽、噪音低、开关速度快的特性，十分适合于在通信以及光电子对抗等诸多领域推广应用。

制备本发明微型高效宽光谱换能器的方法包括以下工艺步骤：

A.氧化——约5份干氧加60份湿氧再加5份干氧，氧化温度控制在1000℃～1200℃，使半导体衬底材料表面形成氧化层；

B.光刻——温度控制在30℃～50℃，时间3～5分钟，在半导体衬底材料上刻去局部氧化层，形成扩散窗口；

C.扩散——温度控制在1000℃～1200℃，时间16～20分钟，通过在半导体衬底材料上扩散三或五族元素，形成扩散层；

D.氧化——约30份湿氧加40份干氧，温度控制在950℃～1150℃，

E.光刻——在半导体衬底材料上刻出离子注入窗口，温度、时间同步骤B；

F.离子注入——在50千伏下注入三或五族元素化合物，温度控制在900℃～1100℃，时间约3小时，浓度10¹⁴～10¹⁹cm^-3，厚度控制在1nm～100nm，形成离子注入层；

G.光刻——在离子注入层表面刻出高掺杂窗口，温度、时间同步骤B；

H.离子注入——在50千伏下注入三或五族元素化合物，温度控制在900℃～1100℃，时间约3小时，浓度10¹⁹～10²¹cm^-3，厚度控制在0.7μm～0.9μm，形成高掺杂层(高浓度离子注入层)；

I.蒸铝——温度1148℃，衬底温度250℃，恒温8～12分钟，形成表面蒸铝层；

J.光刻——在蒸铝层上刻出电极，温度、时间同步骤B；

之后进行划片、装架、封装等常规后续工艺步骤，完成本发明微型高效宽光谱换能器的制备。

本发明申请人曾采用“低压真空化学淀积”完成步骤H，温度控制在550℃～650℃，真空度控制在约10^-5乇，保温三小时，生长掺杂多晶半导体，浓度达10¹⁷～10²¹cm^-3，形成高浓度离子注入层。采用与步骤F类似的离子注入法后，不仅无需添置新的设备，制备成本低，而且制备质量容易控制，获得了预想不到的实验效果。

总之，由于本专利申请首先涉及到将光电池原理应用于电子对抗等领域中的换能装置，并发现应用过程中存在的问题，进而采用既有科学依据、又巧妙可行的技术方案解决了遇到的种种问题，因此在崭新的应用领域中，具有光明的前景。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例一的结构示意图。

图2是本发明实施例二的特性曲线图。

具体实施方式

图1中的微型高效宽光谱换能器包括n^-半导体衬底1(外延片)、p⁺扩散层2、p⁺离子注入层3、n⁺⁺高浓度离子注入层4、电极6和7、氧化绝缘层5和8。半导体衬底1和扩散层2形成一个n^-p⁺构成的PN结。p⁺离子注入层3夹在n^-衬底1与n⁺⁺高浓度离子注入层4之间，形成上下双PN结，构成类似“三明治”的n^-、p⁺、n⁺⁺纳米夹层结构。p⁺离子注入层3被n⁺⁺高浓度离子注入层4覆盖，厚度为1-100nm。电极6和7分别从衬底1的底面和高浓度离子注入层4的上面引出。氧化绝缘层8隔在电极7与衬底1之间，避免短路。若干个双PN结区域(图中示意出三个)从端头半导体衬底1与扩散层2形成的单PN结区域延伸，并与所述单PN结的延伸区域相间，构成栅栏状结构。p⁺扩散层2形成的矩形区域上表面盖有氧化层5，工作时可以完全用来接收光谱。

实验证明，当本实施例夹层结构中的p⁺离子注入层3为合适的纳米级尺寸时，可以具有热生载流子的传输能力，即微型高效宽光谱换能器不仅可以通过光生载流子将光能转变成电能，同时可以通过热生载流子将光辐射热能以及光电转换过程中的热能均转变成电能。由于热生载流子的数量远比光生载流子多得多，并能形成隧道效应，因此本实施例微型高效宽光谱换能器的工作电流可以高出普通光电器件好多倍。尤其是当将多个本实施例串联或并联时，可以形成功率强大的发电器。与同功率的普通换能器比较，体积可以缩小好多倍，结果带来的好处是，漏电流小，噪音低，灵敏度高，时间常数小，开关速度快，可以很好地满足通信领域以及光电子对抗对换能器的要求。

本实施例的微型高效宽光谱换能器采用以下工艺方法制备：

A.氧化——约5份干氧加60份湿氧再加5份干氧，氧化温度控制在1100℃，使n^-半导体衬底材料表面形成氧化层；

B.光刻——温度控制在40℃，时间4钟，在n^-半导体衬底材料上刻去局部氧化层，形成扩散窗口；

C.扩散——温度控制在1100℃，时间18分钟，通过在n^-半导体衬底材料上硼扩散，形成p⁺扩散层；

D.氧化——约30份湿氧加40份干氧，温度控制在1050℃；

E.光刻——在n^-半导体衬底材料上刻出离子注入窗口，温度、时间同步骤B；

F.离子注入——在50千伏下注入三氟化硼，温度控制在1000℃，时间约3小时，浓度10¹⁴～10¹⁹cm^-3，厚度控制在1nm～100nm，形成p⁺离子注入层；

G.光刻——在离子注入层表面刻出高掺杂窗口，温度、时间同步骤B；

H.离子注入——在50千伏下注入五族元素化合物，温度控制在1000℃，时间约3小时，浓度10¹⁹～10²¹cm^-3，厚度控制在0.9μm，

I.蒸铝——温度1148℃，衬底温度250℃，恒温10分钟，形成表面蒸铝层；

J.光刻——在蒸铝层上刻出电极，温度、时间同步骤B；

之后进行减薄、背面金属化、划片、装架、封装等后续工艺步骤，最终完成本发明微型高效宽光谱换能器的制备。

本实施例的微型高效宽光谱换能器制成之后，经江苏省计量检测技术研究所检测，其主要性能指标明显优于现有同类产品(参见以下对照表)。

参数	短路电流		暗电流		开路电压		灵敏度
									100001x	181mA*	3.6mA	2.5μA*	0.4μA	1.53V*	1.97V	181mA*	3.6mA
200001x	383mA*	7.5mA	2.5μA*	0.4μA	1.51V*	1.98V	383mA*	7.5mA

“*”为本发明微型高效宽光谱换能器的测试参数

实施例二

本实施例与实施例一的不同之处是：因将其用作高速开关，所以采用短路终端取代图1的开路终端，即将电极7的局部与扩散层2通过电极连接。这样可以使过剩的少子电荷从扩散层泄出，更有利于提高开关速度。

图2是根据江苏省测量研究所对本实施例与现有光电池测定数据绘制的比较曲线图。该图充分展示了本实施例的高效及宽光谱特性。

除上述实施例外，本发明还可以有其他变化型式。例如，半导体衬底1为p^-型，扩散层2为n⁺型，离子注入层3为n⁺型，高浓度离子注入层4为p⁺⁺型。又如，在半导体衬底1的一端上直接制有用作引出电极的高掺杂扩散层，这样不仅电极的引出更方便，可以实现平面结构，用单晶材料即可制作，成本更低。再如，在高浓度离子注入层与离子注入层之间、以及离子注入层与衬底之间也可以设置本征层(π层)，起缓冲作用。另外，为了实现光热转换成电的高效性，在使用微型高效宽光谱换能器时，在电极之间外加偏置电压；以及为了减小漏电流，在衬底周边通过扩散设置p⁺或n⁺隔离槽(为了降低成本，也可不设置隔离槽)；等等。这些均落在本发明要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种微型高效宽光谱换能器，包括半导体衬底、扩散层，以及从衬底引出的电极，半导体衬底和扩散层形成单PN结，其特征在于：还含有高掺杂层和离子注入层，所述离子注入层夹在衬底与高掺杂层之间，形成双PN结，所述高掺杂层引出电极，并覆盖离子注入层，使离子注入层厚度在1nm-100nm之间，两个以上的双PN结区域位于底部半导体衬底与扩散层形成的单PN结区域之间，并与所述单PN结区域相间，构成栅栏状结构。

2.根据权利要求1所述的微型高效宽光谱换能器，其特征在于：所述衬底为n^-型，所述扩散层为p⁺型，所述离子注入层为p⁺型，所述高掺杂层为高浓度离子注入层为n⁺⁺型。

3.根据权利要求1所述的微型高效宽光谱换能器，其特征在于：所述衬底为p^-型，所述扩散层为n⁺型，所述离子注入层为n⁺型，所述高掺杂层为高浓度离子注入层为p⁺⁺型。

4.根据权利要求2或3所述的微型高效宽光谱换能器，其特征在于：所述衬底的一侧上直接制有用作引出电极的高掺杂扩散层。

5.根据权利要求2或3所述的微型高效宽光谱换能器，其特征在于：所述高浓度离子注入层与离子注入层之间、以及离子注入层与衬底之间设置本征层。

6.根据权利要求1、2或3所述的微型高效宽光谱换能器，其特征在于：所述衬底周边设置p⁺或n⁺隔离槽。

7.根据权利要求1所述微型高效宽光谱换能器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

A.氧化——5份干氧加60份湿氧再加5份干氧，氧化温度控制在1000℃～1200℃，使半导体衬底材料表面形成氧化层；

B.光刻——温度控制在30℃～50℃，时间3～5分钟，在半导体衬底材料上刻去局部氧化层，形成扩散窗口；

C.扩散——温度控制在1000℃～1200℃，时间16～20分钟，通过在半导体衬底材料上扩散三或五族元素，形成扩散层；

D.氧化——30份湿氧加40份干氧，温度控制在950℃～1150℃，

E.光刻——在半导体衬底材料上刻出离子注入窗口，温度、时间同步骤B；

F.离子注入——在50千伏下注入三或五族元素化合物，温度控制在900℃～1100℃，时间3小时，浓度10¹⁴～10¹⁹cm^-3，厚度控制在1nm～100nm，形成离子注入层；

G.光刻——在离子注入层表面刻出高掺杂窗口，温度、时间同步骤B；

H.离子注入——在50千伏下注入三或五族元素化合物，温度控制在900℃～1100℃，时间3小时，浓度10¹⁹～10²¹cm^-3，厚度控制在0.7μm～0.9μm，形成高浓度离子注入层；

I.蒸铝——温度1148℃，衬底温度250℃，恒温8～12分钟，形成表面蒸铝层；

J.光刻——在蒸铝层上刻出电极，温度、时间同步骤B；之后进行划片、装架、封装等常规后续工艺步骤。

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