TW200947724A - Using 3D integrated diffractive gratings in solar cells - Google Patents

Description

200947724 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於包含波長選擇吸收層堆疊之多重接面光電 子裝置。另外’本發明係關於包含一或多個此類多重接面光 電子裝置之積體電路。本發明亦關於此類多重接面光電子裝 置之製造方法。 【先前技術】 ❹ 於太％能電池使用光電子效應以產生能量，係滿足「綠 能」趨勢中能量要求最佳途徑之一。太陽能電池效能之現存 世界記錄係38%’卻需使用價格昂貴之晶片，因此極度需要 特別降低製造成本之改良。且太陽能電池之研究領域係接近 ，於偵測光以進行光通訊之光電子裝置。習知的太陽能電池 半導體同時實施一過程以產生光伏效應(photovoltaic effect): 光之吸收、及電荷(電子及稱為「電洞」之正電種)之分離/ 藉由自價帶至傳導帶激發電子而留下正電洞，半導體可吸收 具有咼於能隙之能量的光子。若已激發狀態之電荷載子可於 其自動重組前分離，則可獲得可提供電性至負載之電壓及電 ，。然而，一些能量損失機制使能量生產之潛能複雜且受限。 首先，低於半導體能隙之光能僅通過而未能使用，這代矣 重大的損失。其次’當電子受能量大於能隙== 傳導帶時，電子_失能量而生熱，直至電子之能量減^至 能隙能量。此能量損失係稱為「過激能量」。最後，已激發 態之電子將自_歸至絲，且因而將釋放能量為埶或^。 丰導體之最大可達效能為33%、或在祕特定情 38%。現今之習知單—接_太陽能電池所展現效能介於n f 18%間，係由源自電池前表面反射之絲失、電接觸 敝、及半導體/電極接面之電阻損失所導致。 ’、·、 4 200947724 波，越長’光子能量越低。光子能量仍足夠產生自由電 子之最南波長係使时材料時之us脾。較高波長之輕射僅 導致太陽能電池溫度上升且不會產生贿電流。故即便為較 低波長’許多光子並不產生任何電子-電洞組，但仍會 陽能電池的溫度。

、石夕基礎技術之成本與材料大大相關。由於⑨為相對而言 較差之紋收體，故電池相當厚(〜至·㈣，且因此使 用大量高品質之⑦。朗細太陽能電池可減少材料成本至 習知太陽能電池之八十分之—。由於個別電池之製造係切穿 石夕晶或單晶體(ingot)，額外材料損失(已知為刻幅(kerf)損失) 係與鋸切相關。整批處理產生了互連，結合高材料及製造設 備成本，進-步增加了ϋ定成本。6知與f知太陽能技術有 關之低光吸收及咼材料成本’源自於197〇年代之薄膜係為潑 在解決方法，其使用較少之矽(非晶態石夕）、或全新半導體材 料(如碲化鎘(cadium telluride，CdTe)、銅銦鎵硒化物(c〇〇per indium gallium diselenide，CIGS)或硫化鎘(cadium sulflde，

CdS))，加上透明傳導氧化物。然而，此類新半導體需要之真 ，沉積使大規模製造昂貴。因此，縱使減少原料成本，所有 薄膜技術仍然複雜且昂貴。因此，薄膜太陽能電池技術花費 超過20年，自前景看好之研究(效能約8%)過渡至低量製造 設備。 現今，光技術專注於晶片之光子積體電路。由於在互補 金屬氧化半導體(CMOS)積體電路(IQ中要實施光偵測器非 常不容易，所以現今光輸入/輸出或直接於晶片上之光學的晶 片對晶片通訊受到限制。文獻中發現幾種將光偵測器整合至 商業整合式1C製程之途徑。途徑範圍自具備可於深溝渠記憶 體電池(其作為偵測器使用）製程中獲得PN(正_幻接面之晶片 光子二極體’至額外半導體層如鍺置於晶片上方之混合實施。 5 200947724 。石夕僅對非常短之波長偵測器為可用的半導體。製 甚至f佳之BICMQS棘*供可帛作為侧器的所有 用圍二由PN接面所產生之空乏區(depletion咖)係 :生太陽能電流之先決條件。空乏區越爛侧器之债 測.，圍越大’且人射光將產生越多電荷電敝(diarge-hol: pai^l吏用輕度換雜之矽(本質區域)導致重度摻雜矽之較大空 。空乏區可進一步受施加至pc接觸或p*N接二 預先，之外部電壓所影響。PC接觸同樣可用以防止繞 ΪΪί載並因此避免光栅效能之減少。如此舰垂直駐波之 fc成為可能。應變光柵效能可導致駐波密度之極大移動。 二般而言，應變矽技術如「雙應力襯墼(dual stress-e 或$入式石夕鍺」係將拉伸(tensileMl縮應力(魏__ sfress)導人原子結構，用以改良p_M〇s及n m〇s電晶 f n型金屬氧化半導體電晶體)之切換特性。對光電子裝置而 言i使用應變碎可藉擴大原子距離之拉伸應變(tensile血 ”隙。如此則增加材料對於不適合缺乏應變之石夕“ ί 感度。如此則增加材料之吸收。應變石夕可用於 払準SOI技術’因此不需要修改製程。 專利案US 6891869中敘述包含配置於垂直堆疊 ^不同波長選擇性活性層之裝置’其具有連接至活性二 帶配向(band ahgnment)及功函數運作設計的橫向接 接觸·絕緣體及導體絕緣體。獨能量之光子由活性: 性地吸收或放射。接觸裝置係分別配置於各層或具有^同炎 數(用於娜產生於光子吸收層的電荷載子及/或將 ^ 注入光子放射層)層組之側邊。所需層係較厚且對 未達到最佳化。裝置不使用任何設備以集中光且 任何共振結構。 且錢用 6 200947724 專利申請案US2007/0041679中敘述整合式光訊號波長 多路分解(demultiplexing)裝置，其可同時多路分解並偵測光 訊號。整合式裝置之特性在於攜載光訊號之波導結構、鄰近 波V、纟σ構之光痛測器、及與光痛測器整合之波長限制光柵結 構。光栅結構係組合於光偵測器中，且係用以傳送僅已選擇 之波長至光偵測器。 【發明内容】

综觀上述，本發明之目的係發展依據用於製造積體電路 的標準製程的光電子裝置，使效能最佳化並降低成本。 此目的之達成係根據本發明之多重接面光電子裝置，其 ^含波長選擇吸收層堆疊❶吸收層包含具有一特定節距之二 光拇之帛層’特疋郎距係界定由一下方的第二電性活性 層所吸收之入射光的波長，第二電性活性層係位於一第三電 ^舌性層之上。位於不同吸收層之第二電性活性層係云橫 向，觸電性連接，以擷取活性層㈣所吸收人縣所產生之 電荷載子。

本發明之多重接面光電子裝置的第一實施例之特徵在 吸收層之第-層中之光柵係由取決於個別吸收層所吸收 ^波長的特定寬度週期性條帶所界定。條帶配向㈣e alignment)之週期係由光柵之節距所界定。 發明之實施例，吸收層中之活性層係由不同捧雜 ’致使位於條帶下方之區域對應第一區 ί旦^係至少比介於第-區域間之第二區域濃度小 層之條帶—般藉某種類玻璃材料與第二電性活 性層之第—區域電性絕緣。第-區域之摻雜物可ί與 7 200947724 性層相同之P或11型。活性層内之第二區域之摻雜物為p與 η型擇一。不同吸收層之第一層中之光栅可能但非必須由抗 反射塗層所覆蓋。某種電性非活性填充材料可沉積於吸收層 之第一層中，以用於等化第一層。一般係藉覆蓋已由抗反射 塗層所覆蓋(可驗非必須)之光柵而達成。 根據本發明之另一較佳實施例’吸收層係由特定寬度之 ，十生非活性遠端層所覆蓋，且此寬度係適於在包含吸收層之 一平面的垂直方向上之駐波的產生。駐波為入射光波的疊 加，其可能但非必須與已反射光波結合。 根據本發明之較佳選擇，多重接面光電子裝置係基於石夕 技術，使，性非活性層以某種類玻璃材料製造，其可能但非 必須為石夕氧化物(出〇2)。條帶(stripe)則以多晶矽製造且第二 電十生活性層係以對應摻雜之矽製造。抗反射塗層可以矽酸鎳 (SiNi)製造。在某實施例中，吸收層第一層之光概係以某種導 致與該光栅相鄰之電性制生第二層之拉伸應變的某種材料製 造。 根據本發明之另一實施例，光栅係由週期性多條帶所定 J ’其具气等於光柵節距之週期(稱$ a)。多條帶本身係由沿 f長度以第二週期(稱為週期b)做週期性變動之寬度所界 定。二週期參數(a及的皆最佳化以最大化來自入射光之極化 【及^吸收。最佳化較佳設計贿用超賴太陽能電池，其 使用衰減(evanescent)耦合至電性活性矽吸收層中。各屏係％ =與狀波長互動，包含最佳化以提供衰^合 乏區之超薄(〜1 〇〇nm)電性活性層之光柵濾波器 本發明進一步關於包含上述一或多個多重接面光電子裝 置之積體電路。本發明亦關於多重接面光-電子裝置之製造方 8 200947724 法，包含製造如上述波長選擇吸收層，接著以不同節距堆疊 幾個此類吸收層之步驟，以對應吸收入射波之不同波長。 本發明之較佳發展係於附屬申請專利範圍、下列敘述及 圖式中詳述。 【實施方式】 圖1繪述根據本發明之波長選擇吸收層丨之堆疊的橫截 面圖。橫截面係沿堆疊幾近邊緣之成長轴描繪，以顯示至少 Φ 部份之橫向電接觸。橫向接觸係放置於各波長選擇吸收層i 之頂部’且係以三維金屬互聯2製造，三維金屬互聯2以倒 梯形與金屬接觸3a電性連接，以擷取由所吸收之入射光所產 生之電荷載子。 各波長選擇吸收層1之組成對應具有光柵5之第一層 4’光柵5之節距界定吸收層〖所吸收之入射光波長。較佳地， 如圖1所示之不同的吸收層1堆疊總合之光栅的節距係選擇 為不同值，以最佳化的方式涵蓋入射光範圍之波長光譜。節 距之選擇係依使用之材料及波長選擇吸收層1堆疊總合之數 〇 量而相應地界定。圖2a顯示入射光之不同吸收曲線及不同節 距(稱為a及b ’其針對基於由多條帶組成之二維繞射光栅的 可能實施例）’及二維光柵之不同寬度(如圖2b所示，稱為al、 a2、及bl)。節距及寬度之選擇係根據吸收之入射光波長。一 般而言，第二順序繞射光栅並非必須之預備，而是符合強度 最大值之數量與給定製程之最小形態尺寸。藉此，可由節距 極大提供最大之空乏區(depletion zone)。最佳化設計係於各空 乏區具有最大強度。 圖1所示各波長選擇吸收層1上之光柵5係由某種抗反 射塗層6所覆蓋’以避免過多入射光反射於光拇表面，且不 9 200947724 會導致電荷載子之產生。可理解由於自波長選擇吸收層堆疊 深處反射之入射光可至少部份導致上方吸收層中電荷載子= 產生，而僅提供抗反射塗層6予堆疊之第一或某些第一上方 光栅。某些突出於抗反射塗層6之接地接觸3b係電連接至光 柵’以確保不發生入射輻射所引起之靜電現象。

為等化各波長選擇吸收層之上方，乃於第一層4中光拇 5之上沉積電性非活性填充材料1〇。各吸收層丨 身係於電性活性之第二層7下方。此係嚴格 中吸收入射光(通常為太陽光)之層。各光栅5之特定節距對 入射光譜之各別波長來說係作用為繞射濾波器，致使對應波 長之光集中至正好位於光栅邊緣下方之第二層7中。此^域 ，乎對應位於光柵5下方活性第二層7中之空乏區界限了獲 得此空乏區或第一區域係藉由摻雜至比介於第一區域間之第 二區域濃度小至少-量級之—濃度活性層7可能但非必須 位於第三電性非活性層9下方。某電性非活性層14正 詈 於光栅5及第二活性層7下方。 圖1顯示介於不同波長選擇吸收層1間可放置特定寬度 之某種雜非活性遠端層η。可由選擇不同數量的層ΐ2、ς 獲得不同寬度，層I2依產生於與平面(其包含吸收層)垂直之 =上之駐波而建立遠端層U。來自人射光波加總之駐波可 月堆疊中某些層所反射之光波結合。由使用之材料及 過程可知遠端層11之單一層12寬度。 長獅魏層1之堆疊可使用現存製造*以不同 ^ .又得。通常，遠端層係由某種類似玻璃的材料(如由氣 石 =(Si〇2)所製造的材料）所製造。因此，堆叠之回加熱 過程)將使所有吸收層1黏結為堆疊。 ”、、 200947724 -般而言，光柵材料之選擇可依成本因素及可能依據石夕 技術而定。在此情況下，所有電性非活性層，即第一層4中 之填充材料10、電性絕緣14、第三電性非活性層9及^性非 活性遠端層11係由矽氧化物所製造。光栅5本身可由多晶矽 (PC)所製造，而抗反射塗層6可由石夕氮化物(SiNi)(見圖3a) 所製造。但可於本發明範圍内選擇其他材料。第二活性層7 係由相應摻雜之矽所製造。獨立於選擇之摻雜物材料，對應 空乏區8之第一區域可為型，但與圖&所示整體第^ 活性層7相同。介於第一區域8之間的第二區域13之摻雜物 係為p與η型擇一。圖3a及3b顯示第二活性層7中之光拇 5與下方第三電性非活性層9之橫截示意圖。活性層7中光 栅5正下方之區域係摻雜不良或p或n型，對應 8。介於其間乃ρ或η型擇—(即p+或η+，見圖對二二二 雜區域13。 圖3b顯示光柵5之詳細橫截面圖。具有節距p之光柵5 包含寬度w及尚度hp之縱向條帶，由於製造條件，條帶上 =稍小於靠近第二活性層7之下方，因此產生具有梯形體之 橫截面。條帶藉由可能由氧化矽所製之某種非活性薄層14 ❿ 而與第二活性層7電性絕緣。第二活性層7中之空乏區8係 由比條帶14寬度w稍大之一空乏區寬度d、及大概對應至第 二活性層7」莩度之通道高度hs所界定。不僅光栅5之節距p， 寬度w及高度hp亦可最佳化以於下方第二活性層7中之特 定波長繞射最大之入射光。若空乏區8儘可能的大為較佳， 以吸收對應地產生最大電荷載子(其由電接觸所擷取)之最大 光。 圖4顯示跨越條帶長度(其構成光柵5)之圖〗中波長選擇 吸收層1之堆疊的橫截面圖。各波長選擇吸收層丨中之金屬 接觸3藉二維金屬互聯2於吸收層間之堆疊二側互聯。画4 200947724 清楚可見’不同條帶5由抗反射塗層6所覆蓋^光柵 具有空乏區8之第二活性層7 ’空乏區8散佈於幾 全長。第二活性層7位於第三電性非活性層9下方，^八 不同波長選擇吸收層i之間係放置可能具有 = 非活性遠端層11。 之電性 圖5b及5c顯示圖1波長選擇吸收層堆疊之上 除在左側的三維金屬互聯2，以致能於單一積體 圄 ❹ 鲁 之橫截面圖)組裝最大堆疊。堆疊之右側顯示起始於三 a 2 同，接觸3。亦可見構成光柵5之不^3 條帶，而電性非活性填充材料1G係移除以顯示 層It!部。針對圖％至义之範例’係選擇基於t 技術。圖5b係一維光柵範例。圖5c係根據本發明之二 柵範例，且用於圖2a及2b之吸收曲線。 一尤 圖6a至6b顯示根據本發明之另一光栅，其由週期性多 ，帶15(如圖5c所示之二維光柵)所構成。條帶間平均距離由 參數a所界定，且對應於光栅節距。多條帶15亦由沿條帶 ^以週期b而職性變動之寬度所界定。可較佳地選^多條 ，結構’使人射光之S及P極化皆可棚取。此條帶^ =基於一般多晶矽，而允許使用標準CM〇s製程，而不需對 製程做修正。圖6a顯示圖5c中一些堆疊之上視圖，盆具有 組裴於圖6b所示之積體電路上之多條帶15及三維金ϋ聯 2 〇 較佳地^可選擇應變矽而非塊狀矽作為在各波長選擇吸 收層1中之第一活性層7。應變石夕層提供產生之電荷載子(電 子f洞)較強的遷移率。使用此類材料之光偵測器建構提供高 ，荷遷移率，且比使用塊狀矽於光吸收之光偵測器裝置有較 向之反應及表現。高電荷遷移率可轉換為光偵測器裝置之較 200947724 強光子電流及較南反應性。這是因為石夕之拉伸應變減少了能 隙。因此，波長仍較長之光可由應變妙層所製造第―活性 層7吸收，如同可由塊，吸收。因 之金屬接觸與互聯之數量及位置，金屬互聯之潛在缺陷及不 良製程所導致之毀損接觸並不損害設計。每列之一作用接觸 (working contactX見圖6b)係足夠用以收集列中由入射光所產 生之所有電荷。 【圖式簡單說明】 ❹ &處騎—步參簡隨H以轉本㈣之範例實 施例，其中： -圖1顯示根據本發明’沿著波長選擇吸收層堆疊之橫截 面示意圖； 、 圖2a及2b顯示不同波長之吸收曲線； 圖3a-3c顯示根據本發明數個條帶之橫截面示意圖； 圖4顯示根據本發明二條帶之橫截面示意圖； 圖5a-5c顯示沿垂直於圖丨之堆疊之深度的橫截面示 圖；以及 μ • 圖6a及6b顯示圖1之堆疊之俯視示意圖。 【主要元件符號說明】 1 波長選擇吸收層 三維金屬互聯 3a'3b 金屬接觸 4 第一層 5 光柵 6 抗反射塗層 7 第二活性層 13 200947724 8 空乏區 9 電性非活性層 10 填充材料 11 電性非活性遠端層 12 層 13 第二區域 14 薄層 15 多條帶

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Claims (1)

1. 200947724 七、申請專利範圍： 1· -種包含波長選擇吸㈣之—堆4之多重接面歧子裝置，每 -該吸收層包含具有-特定_(pitch)之一光栅之一第一 層’該特定節距係界定由-下方的第二電性活性層所吸收之入 射光的波長’該第二電性活性層係仅於一第三電性非活性層之 上’不同吸收層之該第二電性活性層係與橫向接觸電性連接， 以擷取由該活性种該所吸收人射光所產生之電荷載子。 ❹ 鬱 2.如申凊專利範圍第1項所述之多重接面光電子裝置，其中該第 一層=之絲㈣由特定寬度之週紐條帶㈣滿如二 所界疋該特疋寬度係取決於該個別吸收層所吸收之波長該 週期係由該節距所界定。 ° =申請專利範圍第i或2項所述之多重接面光電子裝置，其中 該活性層係由摻雜不同濃度之區域所界定，致使 =等條帶下方之區域對應一第一區域，該第一區域之一推 县1辰又糸至少比介於該等第一區域間之第二區域濃度的小一 而該第—層之鱗條帶係與該第二電性活性層之該第一 區域電性絕緣。 第3項所述之多重接面光電子裝置’其中該第 ，，摻雜物可為與該整體活性層相同之p或n型且該第 一區域之摻雜物為p與n型擇一。 把圍第1項之所述之多重接面光電子裝置，其中該 ° ^之第一層中之該光柵係由—抗反射塗層所覆蓴。 15 200947724 6.如申請專利範圍第1項所述之多重接面光電子裝置，其中該吸 收層係由-特定宽度之—電性非活性遠端層所覆蓋該寬度係 適於產生於與包含該吸收層之一平面垂直的方向且由入射光' 波加總所形成之駐波。 7.如申請專利第丨項所述之多重接面光電子裝置，其中該第 一層中係沉積電性非活性填充材料，以等化第一層。 e

   8·如申請專利範圍第1項所述之多重接面规子襄置，其中基於 =術’以類玻璃材料製造該電性非活性層，以多晶發製造該 、帶，且以對應摻雜之矽製造該第二電性活性層。 9 ^請專，圍第1或8項所述之多重光電子裝置，其中該吸 該第一層中之該光柵係以造成相鄰該光栅之該電性活 第一層中之拉伸應變之材料所製造。 10柵糊細第1撕叙Μ光電子裝置，其中該光 期性多條帶界定，該多條帶具有等於該光拇之該節距 一、a’及沿該多條帶長度以一週期b週期性變動之 && _她⑽娜自狀射光之極化 11 12. 種多重接面光電子妓之製造方法，包細下步驟： 16 200947724 之一第一層的 製造包含具有1定節距㈣h)之 距職由—下相第二電性活 電i非活性光的波長，該第二電性活性層係位於一第三 接觸μ二’不同吸枚層之該第二電性活性層係與橫向 接，電性連接’以擷取由該活性層中顧吸收人射光所產生之 電何載子，以及 堆疊數個具有不同節距之該等波長選擇吸收層，以對應 地吸收該入射光之不同波長。 _ ❹ 17