TW202107721A - 具有高開路電壓的光電裝置 - Google Patents

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Abstract

一種光電裝置，包括具有第一導電型的第一半導體區域，具有不同於第一導電型的第二導電型的第二半導體區域，以及在第一半導體區域和第二半導體區域之間的光電轉換區域。光電轉換區域具有與第一導電型相同的第三導電型。

Description

具有高開路電壓的光電裝置
本發明涉及一種光電裝置，更具體地涉及一種用於將光訊號轉換成電的光伏電池。
光伏（photovoltaic，PV）電池作為用於將輻射轉換為電能的裝置，其可以包括P型和N型擴散區域。輻射照射到光伏電池上會產生電子和電洞，這些電子和電洞會遷移到擴散區域，從而在擴散區域之間產生電壓差。擴散區域電連接到相應的端子，以允許外部電路連接到光伏電池並由光伏電池供電。被動光伏電池係設計用於轉換太陽輻射從紫外線一直到可見光再到紅外光的範圍，這使得設計太陽能電池有特殊要求。
主動光伏電池設計為透過發光二極體（LED）或雷射功率源為電子設備或存儲裝置充電。在主動光伏電池中，轉換來自LED或雷射的單波長或窄帶輻射光譜可能對設計電池有著不同的要求，例如來自LED或雷射的光應該是不可見的並且對眼睛安全，或者光伏電池應該具有高功率效率，即高開路電壓（VOC ）和高短路電流（ISC ）。
本申請的一個目的是提供一種具有高開路電壓的改進的光電裝置。
本申請的一個方面提供了一種光電裝置，光電裝置包括光電單元，光電單元包括用於將光訊號轉換成電訊號的光電轉換層，以及夾著光電轉換層的第一半導體層和第二半導體層。第一半導體層和第二半導體層具有不同的原子排列。
根據一個實施例，一種光電裝置包括：光電單元，光電單元包括用於將光訊號轉換為電訊號的光電轉換層；以及夾著光電轉換層的第一半導體層和第二半導體層。光電轉換層包括具有IV族元素的材料，第一半導體層包括具有IV族元素的材料，並且第一半導體層的IV族元素與光電轉換層的IV族元素不同。
根據一個實施例，一種光電裝置包括光電單元，光電單元包括用於將光訊號轉換成電訊號的光電轉換層。光電轉換層包括鍺。
本申請的另一方面提供了一種光電裝置，其包括具有第一導電型的第一半導體區域、具有與第一導電型不同的第二導電型的第二半導體區域，以及第一半導體區域和第二半導體區域之間的光電轉換區域。光電轉換區域具有與第一導電型相同的第三導電型。
根據一個實施例，一種光電裝置包括光電轉換區域，包括第一側和與第一側相對的第二側、具有第一導電型的第一半導體區域，以及具有不同於第一導電型的第二導電型的第二半導體區域。第一半導體區域和第二半導體區域均在光電轉換區域的第一側上，其中光電轉換區域具有與第一導電型相同的第三導電型。
在下文中，將參照附圖說明細節，該些附圖中之內容亦構成說明書細節描述的一部份，並且以可實行該實施例之特例描述方式來繪示。下文實施例已描述足夠的細節俾使該領域之一般技藝人士得以具以實施。
當然，亦可採行其他的實施例，或是在不悖離文中所述實施例的前提下作出任何結構性、邏輯性、及電性上的改變。因此，下文之細節描述不應被視為是限制，反之，其中所包含的實施例將由隨附的申請專利範圍來加以界定。
在本申請中，用語“鍺矽（GeSi）”是指Gex Si1-x ，其中0＜x＜1。用語“本徵”是指未故意添加摻雜物的半導體材料。
如本文所使用的，諸如“第一”、“第二”和“第三”的用語描述了各種元件、組件、區域、層和/或部件，這些元件、組件、區域、層和/或部件不應受到這些用語的限制。這些用語僅用於將一個元件、組件、區域、層和/或部件與另一個區分。除非上、下文明確指出，否則本文中使用的諸如“第一”、“第二”和“第三”的用語並不暗示順序或次序。
與矽（Si）相比，鍺（Ge）具有高的載子遷移率（例如，高的電洞和電子遷移率）和光吸收。這是為什麼鍺可用於需要增強性能和/或高量子效率的裝置的原因之一。在矽基板上生長的鍺可以適用於主動光伏電池的合適平台，例如，它可以吸收不可見光且對眼睛安全的大於 1.4um的近紅外光（NIR）的波長，並具有提高ISC 的大量子效率。但是，當作為光電二極體處理時，其在反向偏置（reverse-bias）處的相對較大的暗電流表示在正向偏置處存在作為再結合中心的缺陷，這可能會降低VOC 和功率效率。
請參考圖1和圖2。圖1是根據本申請的一個實施例的示例性光電裝置1的示意性截面圖。圖2是根據本申請的一個實施例的具有不對稱雙本徵異質接面配置的光電單元的放大圖。如圖1所示，光電裝置1包括基板10、由基板10支撐的光電單元20，以及佈置在光電單元20上的光學元件E。根據本申請的一個實施例，例如，基板10可以包括矽。根據本申請的一個實施例，例如，光學元件E可以包括設置在光電單元20和矽基板10上的間隔層30以及設置在間隔層30上的透鏡40。
根據本申請的一個實施例，透鏡40被佈置成可將入射光500聚焦到光電單元20上。根據本申請的一個實施例，間隔層30可以包括對入射光500的目標波長透明的透光材料。上述透光材料包括但不限於聚合物、介電材料、透明材料、部分透明材料等。上述材料可以包括但不限於Si、SiO2 、Si3 N4 或其等之組合。根據本申請的一個實施例，間隔層30可以包括對例如為近紅外光（例如，波長＞ 750nm）的入射光500透明的介電材料層，以使入射光500被光電單元20吸收。雖然未顯示於圖中，應當理解，光電裝置1可以包括多個光電單元20，並且多個光電單元20可以被佈置成二維陣列。
根據本申請的一個實施例，間隔層30的材料不同於透鏡40的材料。根據本申請的一個實施例，間隔層30的厚度大於透鏡40的厚度。間隔層30用於增加進入光電單元20的入射光500的量。根據本申請的一個實施例，間隔層的厚度不小於5微米（μm）。根據本申請的一個實施例，間隔層30的厚度不大於100 μm。根據本申請的一個實施例，光電單元20的寬度w1 小於基板10的寬度w2 。
根據本申請的一個實施例，光電單元20可以部分地嵌入在基板10中。根據本申請的另一實施例，光電單元20可以完全嵌入在基板10中。根據本申請的另一實施例，光電單元20可以不被嵌入在基板10中，而是全部設在基板10上。
如圖2所示，光電單元20包括非對稱雙本徵異質接面配置。根據本申請的一個實施例，例如，光電單元20包括用於將光訊號轉換為電訊號的光電轉換層201、設置在光電轉換層201的第一側201a上的第一半導體層210和設置在光電轉換層201的第二側201b上的第二半導體層220。光電轉換層201夾設在第一半導體層210和第二半導體層220之間。第一半導體層210的能隙大於光電轉換層201的能隙。根據本申請的一個實施例，第二半導體層220的能隙也大於光電轉換層201的能隙。使第一半導體層210和第二半導體層220各自的能隙大於光電轉換層201的能隙可以增加光電單元20的開路電壓（VOC ）。根據本申請的一個實施例，基板10的材料不同於光電轉換層201的材料。
根據本申請的一個實施例，光電轉換層201的厚度不小於500nm且不大於10μm，以實現更高的效率。根據本申請的一個實施例，第一半導體層210的厚度不小於10nm，不大於1 μm，藉以對光電轉換層201具有較佳的表面保護。根據本申請的一個實施例，第二半導體層220的厚度不小於10nm，不大於10 μm，藉以使光電轉換層201具有較佳的成長品質。根據本發明的一個實施例，第一半導體層210的原子排列與第二半導體層220的原子排列不同。例如，第一半導體層210是非晶的，而第二半導體層220是結晶的。用語「結晶」包含單晶或是多晶。根據本申請的一個實施例，可以通過任何合適的方法，例如X射線繞射分析（XRD）來確定原子排列。根據本發明的一個實施例，第一半導體層210和第二半導體層220都是本徵的。根據本申請的一個實施例，第一半導體層210與光電轉換層201直接接觸。根據本申請的一個實施例，第二半導體層220與光電轉換層201直接接觸。
根據本申請的一個實施例，光電轉換層201的材料不同於第一半導體層210的材料。根據本申請的一個實施例，光電轉換層201的材料與第一半導體層210的材料和第二半導體層220的材料均不相同。根據本申請的一個實施例，光電轉換層201可以包括含IV族元素的材料，且第一半導體層210可以包括含IV族元素的材料。根據本申請的一個實施例，第一半導體層210的IV族元素不同於光電轉換層201的IV族元素。根據本申請的一個實施例，例如，光電轉換層201被配置為吸收具有在不小於800nm的不可見光波長範圍內的峰值波長的光子，例如850nm、940nm、1050nm、1064nm、1310nm、1350nm或1550nm。在一些實施例中，不可見光波長範圍不大於2000nm。根據本申請的一個實施例，光電轉換層201可以包括Ge或GeSi。根據本申請的一個實施例，光電轉換層201由Ge或GeSi組成。根據本申請的一個實施例，例如，第一半導體層210的材料和第二半導體層220的材料包括Si。
根據本申請的一個實施例，例如，光電轉換層201可以是結晶層，第一半導體層210可以是非晶層，第二半導體層220可以是結晶層。光電轉換層201的材料與第一半導體層210的材料和第二半導體層220的材料均不相同。在光電轉換層201和第一半導體層210之間形成有第一異質接面，並且在光電轉換層201和第二半導體層220之間形成有第二異質接面。由於第一半導體層210的原子排列與第二半導體層220的原子排列不同，光電單元20包括不對稱的雙異質接面構造。
根據本申請的一個實施例，例如，光電轉換層201可以是本徵結晶鍺層，第一半導體層210可以是本徵非晶矽層，第二半導體層220可以是本徵結晶矽層。在光電轉換層201和第一半導體層210之間形成有第一異質接面，並且在光電轉換層201和第二半導體層220之間形成有第二異質接面。由於第一半導體層210的原子排列與第二半導體層220的原子排列不同，光電單元20包括不對稱的雙本徵異質接面構造。
應當理解，在一些實施例中，經過熱處理或其他製程處理之後，非晶矽層可以轉變成多晶矽層或微晶矽層。根據本申請的一個實施例，第一半導體層210和第二半導體層220可以具有不同的導電型，例如，第一半導體層210可以是輕度P摻雜，例如不大於1x1017 cm-3 ，並且第二半導體層220可以是輕度N摻雜，例如不大於1×1017 cm-3 。此外，在一些實施例中，本徵結晶鍺層可以是不摻雜的P型。在一些實施例中，光電轉換層201可以是輕度P摻雜或N摻雜的，例如不大於1×1017 cm-3 。
根據本申請的一個實施例，光電裝置1可以進一步包括設置在第一半導體層210的上表面210a上的第一接觸層230。根據本申請的一個實施例，光電裝置1可以進一步包括設置在第二半導體層220的下表面220b上的第二接觸層240。根據本申請的一個實施例，第二接觸層240的導電型不同於第一接觸層230的導電型。例如，第一接觸層230可以是P型層，第二接觸層240可以是N型層。根據本申請的一個實施例，第一接觸層230和第二接觸層240包括半導體材料。根據本申請的一個實施例，第一接觸層230的能隙大於光電轉換層201的能隙。根據本申請的一個實施例，第二接觸層240的能隙也大於光電轉換層201的能隙。根據本申請的一個實施例，第一接觸層230具有與第二接觸層240不同的原子排列。例如，第一接觸層230可以是非晶層，第二接觸層240可以是結晶層。根據本申請的一個實施例，第一接觸層230的原子排列與第一半導體層210的原子排列相同。根據本申請的一個實施例，第二接觸層240與第二半導體層220的原子排列相同。例如，第一接觸層230可以是非晶層， 第一半導體層210亦為非晶層。又例如，第二接觸層240可以是結晶層，第二半導體層220亦為結晶層。
根據本申請的一個實施例，光訊號可以從第一接觸層230、從第二接觸層240或者從光電轉換層201的側壁以等於或大於0度的角度進入光電轉換層201，其中側壁位於第一側201a和第二側201b之間。
根據本申請的一個實施例，光電裝置1還可包括設置在第一接觸層230的上表面230a上的導電接觸件250和設置在第二接觸層240的下表面240b上的導電接觸件260。導電接觸件250包括導電材料，例如金屬或透明導電氧化物或透明導電薄膜。
根據本申請的一個實施例，第一接觸層230具有不小於1x1018 cm-3 且不大於1x1021 cm-3 的峰值濃度，用於與導電接觸件250歐姆接觸。根據本申請的一個實施例，第二接觸層240具有不小於1x1018 cm-3 且不大於1x1021 cm-3 的峰值濃度，以與導電接觸件260歐姆接觸。根據本申請的一個實施例，第二接觸層240可以形成在基板10內。根據本申請的一個實施例，第一接觸層230具有不小於10 nm且不大於4 μm的厚度，以在後端製程有較佳的整合度。根據本申請的一個實施例，第二接觸層240具有不小於10 nm且不大於4 μnm的厚度，以在後端製程有較佳的整合度。
請參考圖3。圖3例示出圖2中光電單元20的能隙結構的能帶圖。在圖3中，由於在光電單元20中形成非對稱雙異質接面，所以可以形成第一能障310以及第二能障。第一能障310可以阻擋電子朝向第一半導體層210移動。類似地，第二能障320可以阻擋電洞朝向第二半導體層220移動。故，電子在第一半導體層210、第一接觸層230、及導電接觸件250的複合機會被減低；電洞在第二半導體層220、第二接觸層240、及導電接觸件260的複合機會亦被減低。故，可以增加VOC 。
根據本申請的一個實施例，因為間隔層30和透鏡40被佈置為將較大的光學區聚焦到較小的光學區中，從而僅需要較小的光電單元20，並且因此光電單元20中的光電轉換層201的尺寸可以變小。由於光電單元20的寬度w1 小於基板10的寬度w2 ，所以可以減小正向偏壓下的二極體擴散電流，這又增加了VOC 。根據本申請的一個實施例，光電裝置1適用於主動光伏電池，並且在第一半導體層210和第二半導體層220中幾乎沒有吸收（或非常少的吸收）。
圖4是根據本申請的另一實施例的示例性光電裝置2的示意性截面圖，其中相似的層、區域或元件由相同的附圖標記表示。如圖4所示，根據本申請的一個實施例，光電裝置2包括基板10、由基板10支撐的光電單元20，以及設置在基板10的上表面10a上的光學元件E。例如，基板10可以包括矽。根據本申請的一個實施例，例如，光學元件E可以包括設置在光電單元20和矽基板10上的間隔層30以及設置在間隔層30上的透鏡40。
根據本申請的一個實施例，間隔層30不與光電單元20直接接觸。根據本申請的一個實施例，光電裝置2還包括結合到基板10的下表面10b的載體60。基板10的下表面10b和載體60之間可以設置有黏結層70。根據本申請的一個實施例，載體60和光電單元20通過黏結層70連接在一起。 根據本申請的一個實施例，載體60可以包括矽基板，但是不限於此。根據本申請的一個實施例，黏結層70可以包括介電材料、氧化物材料和/或金屬材料，例如Au和/或In。
圖5A是根據本申請的又一實施例的示例性光電裝置20a的示意性截面圖。例如，光電裝置20a可以是光伏電池。如圖5A所示，光電裝置20a包括基板200、具有第一導電型的第一半導體區域230p、具有不同於第一導電型的第二導電型的第二半導體區域240n，以及位於第一半導體區域230p與第二半導體區域240n之間的光電轉換區域201p。換句話說，具有不同導電型的第一半導體區域230p和第二半導體區域240n位於光電轉換區域201p的相對兩側。第二半導體區域240n可以形成在基板200中。光電轉換區域201p由基板200支撐。根據本申請的一個實施例，基板200的材料不同於光電轉換區域201p的材料。光電轉換區域201p具有與第一導電型相同的第三導電型。在一些實施例中，第一導電型是P型，第二導電型是N型。在一些實施例中，諸如電極的導電接觸件250可以設置在第一半導體區域230p上，並且諸如電極的導電接觸件260可以設置在第二半導體區域240n上。導電接觸件250、260包括導電材料例如金屬或透明導電氧化物或透明導電薄膜。在一些實施例中，導電接觸件250、260可以在基板200的同一側上。
根據一些實施例，第一半導體區域230p包括第一摻雜物，其具有不小於1×1018 cm-3 的第一峰值濃度。第二半導體區域240n包括第二摻雜物，其具有不小於1×1018c m-3 的第二峰值濃度。光電轉換區域201p包括第三摻雜物，具有第三峰值濃度。在一些實施例中，第三峰值濃度不小於1×1017 cm-3 。根據一些實施例，第三峰值濃度在1×1017 cm-3 和1×1019 cm-3 之間。
根據一些實施例，第一峰值濃度高於第三峰值濃度。根據一些實施例，第一摻雜物和第三摻雜物可以是包括III族元素的P型摻雜物。第一摻雜物和第三摻雜物可以相同也可以不同。在一些實施例中，P型摻雜物是硼。第二摻雜物包括N型摻質。N型摻雜物可以是V族元素。在一些實施例中，N型摻雜物是磷。根據一些實施例，第一半導體區域230p的材料不同於光電轉換區域201p的材料。在一些實施例中，第二半導體區域240n的材料不同於光電轉換區域201p的材料。
根據一些實施例，第一半導體區域230p的能隙大於光電轉換區域201p的能隙。根據一些實施例，第二半導體區域240n的能隙大於光電轉換區域201p的能隙。
根據一些實施例，光電轉換區域201p包括鍺或是由鍺組成。根據一些實施例，光電轉換區域201p包括GeSi或是由GeSi組成。根據一些實施例，第一半導體區域230p包括矽或是由矽組成。根據一些實施例，第二半導體區域240n包括矽或是由矽組成。
例如，第一半導體區域230p可以包括非晶矽、多晶矽或單晶矽。第一半導體區域230p可以是P型並且具有不小於1×1019 cm-3 的摻雜濃度。例如，第二半導體區域240n可以包括結晶矽並且可以是N型。第二半導體區域240n具有不小於1×1019 cm-3 的摻雜濃度。例如，光電轉換區域201p可以包括摻雜濃度在1×1017 cm-3 至1×1019 cm-3 範圍內的結晶鍺。又例如，光電轉換區域201p可以包括摻雜濃度為1×1019 cm-3 以上的結晶鍺層。
圖5B是根據本申請的又一實施例的示例性光電裝置20a’的示意性截面圖。導電接觸件250、260可以在基板200的兩個相對側。換句話說，基板200在導電接觸件250、260之間。根據一些實施例，基板200具有導電型。在一些實施例中，導電型是N型。在一些實施例中，基板200包括N型摻雜物，具有包括最低濃度的濃度分佈。在一些實施例中，濃度分佈是從基板200的頂表面測量到基板200的底表面。在一些實施例中，N型摻雜物的最低濃度在1x1012 cm-3 和5x1014 cm-3 之間，並且基板200的厚度不大於100μm，以獲得大的開路電壓（VOC ）和大的短路電流（ISC ）。在一些實施例中，N型摻雜物的最低濃度大於1×1015 cm-3 或大於1×1016 cm-3 ，並且基板200的厚度可以大於100μm。換句話說，通過以最低濃度大於1×1015 cm-3 的方式將N型摻雜物摻雜到基板200中，基板200的厚度可以大於100μm，這有利於光電裝置20a’的製造，並且光電裝置20a’可以同時具有大的開路電壓（VOC ）和大的短路電流（ISC ）。在一些實施例中，N型摻雜物的最低濃度在1×1016 cm-3 至1×1019 cm-3 之間。在一些實施例中，基板200由結晶矽所組成。
根據一些實施例，第一半導體區域230p的材料與光電轉換區域201p的材料相同。在一些實施例中，第二半導體區域240n的材料與光電轉換區域201p的材料相同。例如，第一半導體區域230p、光電轉換區域201p和第二半導體區域240n均包括Ge或GeSi。又例如，第一半導體區域230p、光電轉換區域201p和第二半導體區域240n均由Ge或GeSi所組成。
圖6是圖5A的示例性光電裝置20a的能隙結構的能帶圖。應理解的是，圖5A僅用於說明目的。能帶圖未準確反映由能帶偏移（band offset）或內建勢能（built-in potential）引起的能障。通過採用故意摻雜的光電轉換區域201p，可以在光電轉換區域201p和第二半導體區域240n之間形成能障。故，光電轉換區域201p與第二半導體區域240n之間的能障可以防止正向偏置時的電子漂移到光電轉換區域201p中。換句話說，正向偏置時的電子和電洞可以被能障隔開，並且分別位於第二半導體區域240n和光電轉換區域201p之間的界面的兩個相對側。因此，可以減少Schocky-Read-Hall復合，從而增加VOC 。此外，在一些實施例中，由於第二半導體區域240n的能隙大於光電轉換區域201p的能隙和/或第一半導體區域230p的能隙大於光電轉換區域201p的能隙，可以擴大光電轉換區域201p與第二半導體區域240n之間的能障，從而可以進一步防止正向偏置時電子飄移至光電轉換區域201p中。因此，可以進一步增加VOC 。
根據一些實施例，第一半導體區域230p中的第一摻雜物可以是N型摻雜物，光電轉換區域201p中的第三摻雜物可以是N型摻雜物，第二半導體區域240n中的第二摻雜物可以是是P型摻雜物。通過採用故意摻雜的光電轉換區域201p，可以在第一半導體區域230p和光電轉換區域201p之間形成能障。故，光電轉換區域201p和第一半導體區域230p之間的能障，可以防止正向偏置的電洞漂移到光電轉換區域201p中。換句話說，正向偏置的電洞和電子可以被能障隔開，並且分別位於第一半導體區域230p和光電轉換區域201p之間的界面的兩個相對側。因此，可以減少Schocky-Read-Hall復合，從而增加VOC 。此外，在一些實施例中，由於第一半導體區域230p的能隙大於光電轉換區域201p的能隙和/或第二半導體區域240n的能隙大於光電轉換區域201p的能隙，可以擴大光電轉換區域201p與第一半導體區域230p之間的能障，從而可以進一步防止正向偏置時的電洞飄移至光電轉換區域201p中。因此，可以進一步增加VOC 。
圖7是根據本申請的又一個實施例的示例性光電裝置20b的示意性截面圖，其中，相似的層、區域或元件由相同的附圖標記表示。如圖7所示，例如，第二接觸區域240n的第二摻雜物可以擴散到光電轉換區域201p中，或者可以被有意地摻雜到光電轉換區域201p的一部分中。換句話說，光電轉換區域201p的靠近第二半導體區域240n的部分可以既包括第二摻雜物又包括第三摻雜物。
圖8是根據本申請的又一個實施例的示例性光電裝置20c的示意性截面圖，其中，相似的層、區域或元件由相同的附圖標記表示。如圖8所示，例如，第一半導體區域230p的第一摻雜物可以擴散到光電轉換區域201p中。
圖9是根據本申請的又一個實施例的示例性光電裝置20d的示意性截面圖，其中，相似的層，區域或元件由相同的附圖標記表示。根據一個實施例，第一半導體區域230p的材料與光電轉換區域201p的材料相同。例如，第一半導體區域230p和光電轉換區域201p皆包含結晶鍺。第二半導體區域240n位於基板200中並且包括結晶矽。
圖10是根據本申請的又一個實施例的示例性光電裝置20e的示意性截面圖，其中，相似的層、區域或元件由相同的附圖標記表示。根據一個實施例，第二半導體區域240n的材料與光電轉換區域201p的材料相同。例如，第一半導體區域230p包括非晶矽、多晶矽或結晶矽。光電轉換區域201p和第二半導體區域240n皆包含結晶鍺。
根據一些實施例，光電裝置可以進一步包括在光電轉換區域和第二半導體區域之間的第三半導體區域。在一些實施例中，第三半導體區域是結晶的。在一些實施例中，第三半導體區域可用於改善在其上形成的光電轉換區域的品質。
圖11是根據本申請的又一實施例的示例性光電裝置20f的示意性截面圖，其中，相似的層、區域或元件由相同的附圖標記表示。如圖11所示，光電裝置20f包括在光電轉換區域201p和第二半導體區域240n之間的第三半導體區域240i。在一些實施例中，第三半導體區域240i是結晶的，以改善在其上形成的光電轉換區域201p的品質。在一些實施例中，第三半導體區域240i是本徵的並且具有不大於200nm的厚度，以用於增加光電裝置20f的VOC 。在一些實施例中，第三半導體區域240i可以具有與第二半導體區域240n的第二導電型相同的導電型。在一些實施例中，第三半導體區域240i可以包括結晶矽。在一些實施例中，第三半導體區域240i的材料與基板200的材料相同。在一些實施例中，實質上不可見的界面可以形成在第三半導體區域240i和基板200之間。
圖12是根據本申請的又一實施例的示例性光電裝置20g的示意性截面圖，其中，相似的層、區域或元件由相同的附圖標記表示。如圖12所示，光電裝置20g在光電轉換區域201p和第二半導體區域240n之間包括第四半導體區域201i。第四半導體區域201i是本徵的。第四半導體區域201i可以是未摻雜或輕摻雜的區域，例如濃度不大於1x1016 cm-3 。在一些實施例中，第四半導體區域201i可包括結晶鍺，這可以降低光電轉換區域201p的磊晶生長的難度。根據一些實施例，光電裝置還可以同時包括第三半導體區域240i（如圖11所示）和第四半導體區域201i，其中第三半導體區域240i在第二半導體區域240n和光電轉換區域201p之間，第四半導體區域201i位於第三半導體區域240i和光電轉換區域201p之間。
根據一些實施例，光電轉換區域的第三摻雜物可以具有濃度，其中濃度沿著從與光電轉換區域具有相同導電型的第一半導體區域到與光電轉換區域具有不同導電型的第二半導體區域的方向漸變。在一些實施例中，濃度沿著從第一半導體區域到第二半導體區域的方向逐漸減小。根據一些實施例，當光電轉換區域為P型時，其濃度沿著從P型第一半導體區域到N型第二半導體區域的方向逐漸減小。
圖13是根據本申請的又一實施例的示例性光電裝置20h的示意性截面圖，其中，相似的層、區域或元件由相同的附圖標記表示。如圖13所示，光電轉換區域201p包括具有濃度的第三摻雜物（例如，P型摻雜物），其中濃度沿著從第一半導體區域230p到第二半導體區域240n的方向D1 漸變。 在一些實施例中，濃度沿著從第一半導體區域230p到第二半導體區域240n的方向D1 逐漸減小。
根據一些實施例，一光電裝置可以包括光電轉換區域，光電轉換區域包括第一側和與第一側相對的第二側、具有第一導電型的第一半導體區域、以及具有不同於第一導電型的第二導電型的第二半導體區域。第一半導體區域和第二半導體區域均在光電轉換區域的第一側上。光電轉換區域具有與第一導電型相同的第三導電型。
在一些實施例中，光電裝置還包括將光電轉換區域和第二半導體區域分開的第三半導體區域。在一些實施例中，第三半導體區域與圖11中所描述的相似。
在一些實施例中，第一半導體區域與光電轉換區域直接接觸。在一些實施例中，第一半導體區域用作半導體接觸區域。在一些實施例中，第二半導體區域與光電轉換區域直接接觸。在一些實施例中，第二半導體區域用作半導體接觸區域。
在一些實施例中，第一半導體區域的材料不同於光電轉換區域的材料。 在一些實施例中，第一半導體區域的材料與第二半導體區域的材料相同。 在一些實施例中，從第一半導體區域到第二半導體區域的方向基本上垂直於從光電轉換區域的第一側到第二側的方向。在一些實施例中，第一半導體區域與第二半導體區域實體上彼此分離。
圖14A是根據本申請的又一實施例的示例性光電裝置20i的示意性俯視圖。圖14B是沿著圖14A中的A-A’線的示意性截面圖，其中相似的層、區域或元件由相同的附圖標記表示。光電轉換區域201p包括第一側201a和與第一側201a相反的第二側201b。第一導電型（例如，P型）的第一半導體區域230p設置在基板200中。在一些實施例中，第一半導體區域230p包括結晶矽。具有與第一導電型不同的第二導電型（例如，N型）的第二半導體區域240n也設置在基板200中。在一些實施例中，第二半導體區域240n包括結晶矽。第一半導體區域230p和第二半導體區域240n均設置在光電轉換區域201p的第一側201a上。光電轉換區域201p具有與第一導電型相同的第三導電型。
在一些實施例中，光電裝置20i還包括覆蓋光電轉換區域201p的頂表面的鈍化層240。在一些實施例中，鈍化層240覆蓋光電轉換區域201p的頂表面並且覆蓋光電轉換區域201p的所有側壁。在一些實施例中，鈍化層240的材料不同於光電轉換區域201p的材料。在一些實施例中，鈍化層240減少了光電轉換區域201p的表面缺陷。在一些實施例中，鈍化層240保護光電轉換區域201p的表面免受環境的污染或破壞。在一些實施例中，鈍化層240包括非晶矽。
如圖14A和14B所示，第一半導體區域230p和第二半導體區域240n形成在基板200的鄰近光電轉換區域201p的一側。第一半導體區域230p包括第一主要部分231p。第二半導體區域240n包括第二主要部分241n。第一主要部分231p和第二主要部分241n設置在光電轉換區域201p的相對兩側，並且未被光電轉換區域201p覆蓋。第一半導體區域230p還包括從第一主要部分231p向第二主要部分241n延伸的第一延伸部分232p。第二半導體區域240n還包括從第二主要部分241n朝向第一主要部分231p延伸的第二延伸部分242n。第一延伸部分232p和第二延伸部分242n被光電轉換區域201p覆蓋。導電接觸件250設置在第一主要部分231p上。導電接觸件260設置在第二主要部分241n上。在一些實施例中，第一半導體區域230p包括多個第一延伸部分232p，每個第一延伸部分232p從第一主要部分231p朝向第二主要部分241n延伸並且彼此分離。在一些實施例中，第二半導體區域240n還包括多個第二延伸部分242n，每個第二延伸部分242n從第二主要部分241n朝向第一主要部分231p延伸並且彼此分離。多個第一延伸部232p和多個第二延伸部242n交替地配置，並被光電轉換區域201p覆蓋。
根據一個實施例，第一半導體區域230p與第二半導體區域240n實體上彼此分離。光電裝置20i還包括第三半導體區域240i，第三半導體區域240i將光電轉換區域201p和第一半導體區域230p分開，並且將光電轉換區域201p和第二半導體區域240n分開。換句話說，第三半導體區域240i在光電轉換區域201p和第一半導體區域230p之間。第三半導體區域240i在光電轉換區域201p和第二半導體區域240n之間。在一些實施例中，第三半導體區域240i是本徵的。在一些實施例中，諸如電極的導電接觸件250與第一半導體區域230p直接接觸。換句話說，第一半導體區域230p用作半導體接觸區域。在一些實施例中，諸如電極的導電接觸件260與第二半導體區域240n直接接觸。換句話說，第二半導體區域240n用作半導體接觸區域。
第一半導體區域230p的材料不同於光電轉換區域201p的材料。在一些實施例中，第一半導體區域230p的材料與第二半導體區域240n的材料相同。從第一半導體區域230p到第二半導體區域240n的方向基本上垂直於從光電轉換區域201p的第一側201a到第二側201b的方向。
圖15是根據本申請的又一實施例的示例性光電裝置20j的示意性截面圖，其中，光電裝置20j具有與圖14A中的俯視圖相似的俯視圖，而截面圖係沿圖14A中的B-B’切線，其中相似的層、區域或元件由相同的附圖標記表示。如圖15所示，光電裝置20j包括光電轉換區域201p，包括第一側201a和與第一側201a相對的第二側201b。第一導電型（例如，P型）的第一半導體區域230p設置在基板200中。具有不同於第一導電型的第二導電型（例如，N型）的第二半導體區域240n設置在基板200中，並與第一半導體區域230p分離。第一半導體區域230p和第二半導體區域240n均設置在光電轉換區域201p的第一側201a上。光電轉換區域201p具有與第一導電型相同的第三導電型。
根據一個實施例，光電裝置20j還包括第三半導體區域240i，第三半導體區域240i將光電轉換區域201p與第二半導體區域240n分開並且將第一半導體區域230p與光電轉換區域201p分開。換句話說，第三半導體區域240i在光電轉換區域201p和第一半導體區域230p之間。第三半導體區域240i在光電轉換區域201p和第二半導體區域240n之間。在一些實施例中，第三半導體區域240i是本徵的。在一些實施例中，在光電裝置的製造過程中，例如形成第三半導體區域240i的步驟，第一半導體區域230p的第一摻雜物可以擴散到第三半導體區域240i中。故，在第一半導體區域230p和光電轉換區域201p之間的第三半導體區域240i的一部分240ia包括第一摻雜物。
諸如電極的導電接觸件250與第一半導體區域230p直接接觸。換句話說，第一半導體區域230p用作半導體接觸區域。諸如電極的導電接觸件260與第二半導體區域240n直接接觸。換句話說，第二半導體區域240n用作半導體接觸區域。
根據一個實施例，第一半導體區域230p與第二半導體區域240n實體上彼此分離。根據一個實施例，光電裝置20j還包括在第三半導體區域240i和光電轉換區域201p之間的第四半導體區域。第四半導體區域可以類似於如圖12中所描述的第四半導體區域201i。
第一半導體區域230p的材料不同於光電轉換區域201p的材料。在一些實施例中，第一半導體區域230p的材料與第二半導體區域240n的材料相同。從第一半導體區域230p到第二半導體區域240n的方向基本上垂直於從光電轉換區域201p的第一側201a到第二側201b的方向。
圖16是根據本申請的又一個實施例的示例性光電裝置20k的示意性截面圖，其中光電裝置20k具有與圖14A中的俯視圖相似的俯視圖，而截面圖係沿著圖14A中的A-A’切線，其中相似的層、區域或元件由相同的附圖標記表示。如圖16所示，光電裝置20k包括光電轉換區域201p，包括第一側201a和與第一側201a相對的第二側201b。第一導電型（例如，P型）的第一半導體區域230p設置在基板200中。具有不同於第一導電型的第二導電型（例如，N型）的第二半導體區域240n設置在基板200中，並與第一半導體區域230p物理隔離。第一半導體區域230p和第二半導體區域240n均設置在光電轉換區域201p的第一側201a上。光電轉換區域201p具有與第一導電型相同的第三導電型。
根據一個實施例，光電裝置20k還包括第三半導體區域240i，將光電轉換區域201p與第一半導體區域230p分隔開並且將光電轉換區域201p與第二半導體區域240n分隔開。在一些實施例中，第三半導體區域240i是本徵的。
在一些實施例中，在光電裝置的製造過程中，例如形成第三半導體區域240i的步驟，第二半導體區域240n的第二摻雜物可以擴散到第三半導體區域240i中。故，第三半導體區域240i的在第二半導體區域240n和光電轉換區域201p之間的部分240ib包括第二摻雜物。
諸如電極的導電接觸件250與第一半導體區域230p直接接觸。換句話說，第一半導體區域230p用作半導體接觸區域。諸如電極的導電接觸件260與第二半導體區域240n直接接觸。換句話說，第二半導體區域240n用作半導體接觸區域。
根據一個實施例，第一半導體區域230p與第二半導體區域240n實體上彼此分離。根據一個實施例，光電裝置20k還包括在第三半導體區域240i和光電轉換區域201p之間的第四半導體區域。第四半導體區域可以類似於如圖12中所描述的第四半導體區域201i。
第一半導體區域230p的材料不同於光電轉換區域201p的材料。在一些實施例中，第一半導體區域230p的材料與第二半導體區域240n的材料相同。從第一半導體區域230p到第二半導體區域240n的方向基本上垂直於從光電轉換區域201p的第一側201a到第二側201b的方向。
圖17是根據本申請的又一個實施例的示例性光電裝置20l的示意性截面圖，其中光電裝置20l具有與圖14A中的俯視圖相似的俯視圖，且截面圖係沿著圖14A中的C-C’切線，其中相似的層、區域或元件由相同的附圖標記表示。如圖17所示，光電裝置20l包括光電轉換區域201p，包括第一側201a和與第一側201a相對的第二側201b。第一導電型（例如，P型）的第一半導體區域230p設置在基板200中。具有不同於第一導電型的第二導電型（例如，N型）的第二半導體區域240n設置在基板200中，並與第一半導體區域230p物理隔離。第一半導體區域230p和第二半導體區域240n均設置在光電轉換區域201p的第一側201a上。光電轉換區域201p具有與第一導電型相同的第三導電型。
根據一個實施例，第一半導體區域230p與第二半導體區域240n實體上彼此分離。光電裝置20l還包括將第一半導體區域230p與第二半導體區域240n分開的第三半導體區域240i。在一些實施例中，第三半導體區域240i是本徵的。
在一些實施例中，在光電裝置的製造過程中，例如形成第三半導體區域240i的步驟，第一半導體區域230p的第一摻雜物可以擴散到第三半導體區域240i中。故，第三半導體區域240i在第一半導體區域230p和光電轉換區域201p之間的部分240ia包括第一摻雜物。在一些實施例中，在光電裝置的製造過程中，例如形成第三半導體區域240i的步驟，第二半導體區域240n的第二摻雜物可以擴散到第三半導體區域240i中。故，第三半導體區域240i在第二半導體區域240n與光電轉換區域201p之間的部分240ib包括第二摻雜物。換句話說，第三半導體區域240i可以包括第一摻雜物和第二摻雜物兩者。
諸如電極的導電接觸件250與第一半導體區域230p直接接觸。換句話說，第一半導體區域230p用作半導體接觸區域。諸如電極的導電接觸件260與第二半導體區域240n直接接觸。換句話說，第二半導體區域240n用作半導體接觸區域。
第一半導體區域230p的材料不同於光電轉換區域201p的材料。在一些實施例中，第一半導體區域230p的材料與第二半導體區域240n的材料相同。從第一半導體區域230p到第二半導體區域240n的方向基本上垂直於從光電轉換區域201p的第一側201a到第二側201b的方向。
圖18是根據本申請的又一個實施例的示例性光電裝置20m的示意性截面圖，其中，光電裝置20m具有與圖14A中的俯視圖相似的俯視圖，且截面圖係沿著圖14A中的A-A’切線，其中相似的層、區域或元件由相同的附圖標記表示。如圖18所示，光電裝置20m包括光電轉換區域201p，包括第一側201a和與第一側201a相對的第二側201b。第一導電型（例如，P型）的第一半導體區域230p設置在基板200中。具有不同於第一導電型的第二導電型（例如，N型）的第二半導體區域240n設置在基板200中，並與第一半導體區域230p物理隔離。第一半導體區域230p和第二半導體區域240n均設置在光電轉換區域201p的第一側201a上。光電轉換區域201p具有與第一導電型相同的第三導電型。
根據一個實施例，第一半導體區域230p與第二半導體區域240n實體上彼此分離。光電裝置20m還包括將光電轉換區域201p、第一半導體區域230p和第二半導體區域240n分開的第三半導體區域240i。在一些實施例中，第三半導體區域240i是本徵的。諸如電極的導電接觸件250與第一半導體區域230p直接接觸。換句話說，第一半導體區域230p用作半導體接觸區域。 諸如電極的導電接觸件260與第二半導體區域240n直接接觸。換句話說，第二半導體區域240n用作半導體接觸區域。
第一半導體區域230p的材料不同於光電轉換區域201p的材料。在一些實施例中，第一半導體區域230p的材料與第二半導體區域240n的材料相同。從第一半導體區域230p到第二半導體區域240n的方向基本上垂直於從光電轉換區域201p的第一側201a到第二側201b的方向。
根據一個實施例，光電轉換區域201p包括具有濃度的摻雜物（例如，P型摻雜物），其中濃度沿著從第一半導體區域230p到第二半導體區域240n的方向D2 漸變。在一些實施例中，濃度沿著從與光電轉換區域具有相同導電型的第一半導體區域230p到與光電轉換區域具有不同導電型的第二半導體區域240n的方向D2 逐漸減小，以促進電子傳輸。根據一些實施例，當光電轉換區域201p為P型時，濃度沿著從P型第一半導體區域230p到N型第二半導體區域240n的方向逐漸減小。
在一些實施例中，光電裝置或光伏電池的結構可以是先前示出的實施例的組合。應當理解，各層的導電型可以相反。例如，在一些實施例中，P+ 區域可以是N+ 區域，N++ 區域可以是P++ 區域，並且P++ 區域可以是N++ 區域。
圖19示出了在光電轉換區域201p中具有不同濃度的摻雜物的圖11中的光電裝置的I-V曲線的模擬結果，其中，光電轉換區域201p由鍺所組成。如圖19所示，峰值濃度在1×1017 cm-3 和1×1019 cm-3 之間的光電轉換區域201p的光電裝置具有相對較好的VOC 。
請參考圖20，其示出了不同光電裝置的I-V曲線，其中光電轉換區域201p由鍺所組成，並且其峰值濃度約為1×1018 cm-3 。如圖20所示，根據本申請的每個光電裝置均具有良好的VOC 。
根據本申請的一個實施例，光電裝置可以是光感測器。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
1、2:光電裝置 10:基板 10a:上表面 10b:下表面 20:光電單元 20a～20m、20a’:光電裝置 30:間隔層 40:透鏡 60:載體 70:黏結層 200:基板 201:光電轉換層 201p:光電轉換區域 201a:第一側 201b:第二側 201i:第四半導體區域 210:第一半導體層 210a:上表面 220:第二半導體層 220b:下表面 230:第一接觸層 230a:上表面 230p:第一半導體區域 231p:第一主要部分 232p:第一延伸部分 240:第二接觸層 240b:下表面 240n:第二半導體區域 240i:第三半導體區域 240ia、240ib:部分 240:鈍化層 241n:第二主要部分 242n:第二延伸部分 250:導電接觸件 260:導電接觸件 310:第一能障 320:第二能障 500:入射光 D1、D2:方向 E:光學元件 w1:寬度 w2:寬度
透過閱讀後續的詳細描述和實施例可以更全面地理解本發明，本實施例參照附圖給出，其中： 圖1是根據本申請的一個實施例的示例性光電裝置的示意性截面圖。 圖2是根據本申請的一個實施例的具有不對稱雙本徵異質接面配置的光電單元的放大圖。 圖3例示出圖2中光電單元的能隙結構的能帶圖。 圖4是根據本申請的另一實施例的示例性光電裝置的示意性截面圖。 圖5A是根據本申請的又一實施例的示例性光電裝置的示意性截面圖。 圖5B是根據本申請的又一實施例的示例性光電裝置的示意性截面圖。 圖6是圖5A的示例性光電裝置的能隙結構的能帶圖。 圖7是根據本申請的又一個實施例的示例性光電裝置的示意性截面圖。 圖8是根據本申請的又一個實施例的示例性光電裝置的示意性截面圖。 圖9是根據本申請的又一個實施例的示例性光電裝置的示意性截面圖。 圖10是根據本申請的又一個實施例的示例性光電裝置的示意性截面圖。 圖11是根據本申請的又一實施例的示例性光電裝置的示意性截面圖。 圖12是根據本申請的又一實施例的示例性光電裝置的示意性截面圖。 圖13是根據本申請的又一實施例的示例性光電裝置的示意性截面圖。 圖14A是根據本申請的又一實施例的示例性光電裝置的示意性俯視圖。 圖14B是沿著圖14A中的A-A’線的示意性截面圖。 圖15是根據本申請的又一實施例的示例性光電裝置的示意性截面圖。 圖16是根據本申請的又一個實施例的示例性光電裝置的示意性截面圖。 圖17是根據本申請的又一個實施例的示例性光電裝置的示意性截面圖。 圖18是根據本申請的又一個實施例的示例性光電裝置的示意性截面圖。 圖19示出了圖11中所示之光電裝置具有不同峰值濃度的電流-電壓（I-V）曲線的模擬結果。 圖20示出了不同光電裝置的I-V曲線。
200:基板
201p:光電轉換區域
230p:第一半導體區域
240n:第二半導體區域
250:導電接觸件
260:導電接觸件
20a:光電裝置

Claims (20)

  1. 一種光電裝置，包含： 具有第一導電型的第一半導體區域； 具有與所述第一導電型不同的第二導電型的第二半導體區域；以及 在所述第一半導體區域和所述第二半導體區域之間的光電轉換區域，所述光電轉換區域具有與所述第一導電型相同的第三導電型。
  2. 如請求項1所述的光電裝置，其中所述第一半導體區域包括具有第一峰值濃度的第一摻雜物，所述第二半導體區域包括具有第二峰值濃度的第二摻雜物，所述光電轉換區域包括具有第三峰值濃度的第三摻雜物，其中所述第三峰值濃度不小於1×1017 cm-3 。
  3. 如請求項2所述的光電裝置，其中所述第一峰值濃度高於所述第三峰值濃度。
  4. 如請求項1所述的光電裝置，其中所述第一半導體區域的材料與所述光電轉換區域的材料相同，所述第二半導體區域的材料與所述光電轉換區域的材料相同。
  5. 如請求項1所述的光電裝置，其中所述第一半導體區域的材料不同於所述光電轉換區域的材料，且其中所述第二半導體區域的材料不同於所述光電轉換區域的材料。
  6. 如請求項1至5中任一項所述的光電裝置，其中所述光電轉換區域包含鍺。
  7. 如請求項1所述的光電裝置，其中所述第一半導體區域包含一能隙，所述第一半導體區域的所述能隙大於所述光電轉換區域的一能隙。
  8. 如請求項1所述的光電裝置，其中所述第二半導體區域包含矽和/或所述第一半導體區域包含矽。
  9. 如請求項1所述的光電裝置，其中所述光電轉換區域包含具有濃度的摻雜物，其中所述濃度沿著從所述第一半導體區域到所述第二半導體區域的方向漸變。
  10. 如請求項9所述的光電裝置，其中所述濃度沿著從所述第一半導體區域到所述第二半導體區域的方向逐漸減小。
  11. 如請求項1所述的光電裝置，其中所述第一導電型是P型，所述第二導電型是N型。
  12. 如請求項1所述的光電裝置，其更包含在所述光電轉換區域和所述第二半導體區域之間的第三半導體區域。
  13. 如請求項2所述的光電裝置，其中所述光電轉換區域包含所述第二摻雜物和所述第三摻雜物兩者。
  14. 一種光電裝置，包含： 一光電轉換區，包含第一側和與所述第一側相對的第二側； 具有第一導電型的第一半導體區域；以及 具有與所述第一導電型不同的第二導電型的第二半導體區域； 其中，所述第一半導體區域和所述第二半導體區域均在所述光電轉換區域的所述第一側上，並且所述光電轉換區域具有與所述第一導電型相同的第三導電型。
  15. 如請求項14所述的光電裝置，其中所述光電轉換區域的峰值濃度不少於1×1017 cm-3 。
  16. 如請求項14所述的光電裝置，其更包含覆蓋所述光電轉換區域的鈍化層。
  17. 如請求項14所述的光電裝置，其中所述第一半導體區域的材料不同於所述光電轉換區域的材料，其中所述第一半導體區域的材料與所述第二半導體區域的材料相同。
  18. 如請求項14所述的光電裝置，其中從所述第一半導體區域到所述第二半導體區域的方向基本上垂直於從所述光電轉換區域的所述第一側到所述第二側的方向。
  19. 如請求項14至18中任一項所述的光電裝置，其中所述第一半導體區域與所述第二半導體區域在實體上彼此分離。
  20. 如請求項14所述的光電裝置，其更包含位於所述光電轉換區域以及所述第一半導體區域之間的第三半導體區域。
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