TWI430458B - 耦合光電半導體結構及其製造方法 - Google Patents

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Description

耦合光電半導體結構及其製造方法
本發明係關於一種半導體結構及其製造方法，特別是一種耦合光電半導體結構及其製造方法。
在習知光電技術中，理論最大的太陽能效率是26~28%，若要使效率更為提高，需要利用各種半導體能隙組合讓涵蓋的範圍盡可能的擴大，亦即，涵蓋紫外光、可見光及紅外光等不同能量的區域，來提高轉換效率。
習知太陽能電池的主要材料是矽(Si)，但是Si為非直接能隙半導體材料，其具有光吸收係數小、入射後需要較長距離才能被吸收之缺點，且所能達到的轉換效率不高。相對三五族材料來說，其光吸收係數大，僅數μm厚度即可充分吸收光子，較適合將太陽能電池薄膜化來整合起來。然而，習知太陽能電池皆無法提高對於紅外光區域範圍之波長區域之轉換效率。
因此，有必要提供一創新且具進步性的耦合光電半導體結構及其製造方法，以解決上述問題。
本發明提供一種耦合光電半導體結構，該耦合光電半導體結構包括複數個量子點單元，每一量子點單元包括複數個量子點、一捕獲層及一間隔層(spacer)，該捕獲層覆蓋該等量子點，該間隔層設置於該捕獲層之一表面，每一相對上方量子點單元之量子點設置於每一相對下方量子點單元之間隔層之一表面，相對二量子點單元之量子點產生耦合能帶。
本發明另提供一種耦合光電半導體結構之製造方法，該耦合光電半導體結構之製造方法包括以下步驟：(a)形成複數個量子點；(b)形成一捕獲層，該捕獲層覆蓋該等量子點；(c)形成一間隔層(spacer)於該捕獲層之一表面，以形成一量子點單元；及(d)重複步驟(a)至(c)，形成一耦合光電半導體結構，每一相對上方量子點單元之量子點設置於每一相對下方量子點單元之間隔層之一表面，相對二量子點單元之量子點產生耦合能帶。
在本發明之耦合光電半導體結構中，可調變每一量子點單元之量子點之間距，以達到耦合的結構。每一相對上方量子點單元之量子點受到相對下方量子點單元之量子點應力影響，而沿著相對下方量子點的位置成長。量子點能增加紅外光波長範圍的光伏特效應，並且上下相對量子點距離很近，可使得電子波函數有耦合產生，而耦合能帶的產生可增加轉換效率。
參考圖1，其顯示本發明耦合光電半導體結構之示意圖。該耦合光電半導體結構1包括複數個量子點單元11，每一量子點單元11包括複數個量子點111、一捕獲層112及一間隔層(spacer)113。
每一量子點單元11之量子點111係形成於一表面(例如：砷化鎵(GaAs)層之一表面)。該捕獲層112覆蓋該等量子點111。該間隔層113設置於該捕獲層112之一表面。每一相對上方量子點單元11之量子點111設置於每一相對下方量子點單元11之間隔層113之一表面，且相對二量子點單元11之量子點111產生耦合能帶。較佳地，相鄰量子點單元11之量子點111係實質上位於相對位置。
較佳地，每一量子點單元11之量子點111及捕獲層112之整體厚度係為5~10奈米，每一量子點單元11之間隔層112之形成溫度係為630~670℃。較佳地，每一量子點單元11之間隔層113之厚度係為5~15奈米。
在本發明之耦合光電半導體結構1中，由於相鄰二量子點單元11之量子點111距離很近，如此使得電子波函數有耦合產生，而耦合能帶的產生使得該耦合光電半導體結構1可增加光電轉換效率。
每一量子點111係為砷化鎵銦，每一捕獲層112係包括砷-鎵化合物，其中砷化鎵銦表示為In1-x Gax As，x小於或等於0.5。在本實施例中，每一捕獲層112另包括銦，且表示為In1-y Gay As，其中y大於0.8。每一量子點111之銦含量比例大於每一捕獲層112之銦含量比例。例如，每一量子點111所包含之砷化鎵銦為In0.75 Ga0.25 As(x等於0.25)，每一捕獲層112所包含之砷化鎵銦為In0.1 Ga0.9 As(y等於0.9)。
圖2顯示本發明耦合光電半導體結構製造方法之流程圖。配合參考圖1及圖2，首先，參考步驟S21，形成複數個量子點111。在本實施例中，係利用分子束磊晶(MBE)成長，以自組成方式形成該等量子點111於一基層(例如：砷化鎵層)之一表面。較佳地，該基層之形成溫度係為630~670℃。在本實施例中，該等量子點111係於形成該基層後一第一時間(例如：1分鐘)，於480~540℃下形成。
參考步驟S22，形成一捕獲層112，該捕獲層112覆蓋該等量子點111。在本實施例中，係於480~540℃下形成該捕獲層112。較佳地，每一量子點單元11之量子點111及捕獲層112之整體厚度係為5~10奈米。
參考步驟S23，形成一間隔層(spacer)113於該捕獲層112之一表面，以形成一量子點單元11。在本實施例中，該間隔層113係為砷化鎵(GaAs)。較佳地，該間隔層113係於形成該捕獲層112後一第二時間(例如：1分鐘)，於630~670℃下形成，且厚度較佳係為5~15奈米。
參考步驟S24，重複步驟S21至S23，形成一耦合光電半導體結構1。每一相對上方量子點單元11之量子點111設置於每一相對下方量子點單元11之間隔層113之一表面，相對二量子點單元11之量子點111產生耦合能帶。較佳地，相鄰量子點單元11之量子點111係實質上形成於相對位置。
本發明之耦合光電半導體結構之製造方法，係可依據不同需求製得具有不同層數量子點單元之耦合光電半導體結構。要注意的是，具有不同層數量子點單元之耦合光電半導體結構，其具有不同之製程條件。
舉例而言，具有3層量子點單元之耦合光電半導體結構，其量子點及捕獲層之較佳的形成溫度較佳係為540℃；具有6層量子點單元之耦合光電半導體結構，其量子點及捕獲層之較佳的形成溫度較佳係為540℃；具有9層量子點單元之耦合光電半導體結構，其量子點及捕獲層之較佳的形成溫度較佳係為520℃。實際結果顯示，具有越多層數量子點單元之耦合光電半導體結構，其量子點及捕獲層之形成溫度越低。
相同的是，不論本發明耦合光電半導體結構具有多少層數量子點單元，皆具有可增加吸收紅外光波長範圍及增加光電轉換效率之功效。
要強調說明的是，在本發明中，上述各溫度條件係利用熱電偶量測之數據，在其他應用中，亦可利用紅外線光測高溫計(pyrometer)取得上述各溫度條件。上述各溫度條件係可利用不同溫度量測裝置取得，而不同溫度量測裝置會得到不同之溫度量測結果。例如，在本發明之實際量測結果中，利用熱電偶取得之溫度條件540℃，利用紅外線光測高溫計取得之溫度條件510℃；利用熱電偶取得之溫度條件520℃，利用紅外線光測高溫計取得之溫度條件480℃。
茲以下列實例予以詳細說明本發明，唯並不意謂本發明僅侷限於此等實例所揭示之內容。其中，本實例之耦合光電半導體結構2與上述圖1之耦合光電半導體結構1相同元件部分，係以相同元件符號表示。
實例：
參考圖3，其顯示本發明實例之耦合光電半導體結構之示意圖。在本實例中，該耦合光電半導體結構2具有9層量子點單元11，並且另包括一第一砷化鎵層21、一第二砷化鎵層22、一第三砷化鎵層23、一第四砷化鎵層24、一第五砷化鎵層25、一砷化鎵鋁層26及一第六砷化鎵層27。
在本實例中，該第一砷化鎵層21係作為承載基板，其係為n+型，厚度為350微米，且其晶面方向係為(100)。該第二砷化鎵層22形成於該第一砷化鎵層21之一表面，其厚度為1微米，且摻雜矽(Si)濃度為2×18 cm-3 。該第三砷化鎵層23形成於該第二砷化鎵層22之一表面，其厚度為0.2微米。該耦合光電半導體結構2一側之量子點形成於該第三砷化鎵層23之一表面。該第四砷化鎵層24形成於該耦合光電半導體結構2另一側之間隔層113之一表面，其厚度為0.2微米。
該第五砷化鎵層25形成於該第四砷化鎵層24之一表面，其厚度為0.05微米，且摻雜鈹(Be)濃度為2×17 cm-3 ，使該第五砷化鎵層25係為p+型。該砷化鎵鋁(Al0.5 Ga0.5 As)層26形成於該第五砷化鎵層25之一表面，其厚度為0.4微米，且摻雜鈹(Be)濃度為1~5×18 cm-3 ，使該砷化鎵鋁層26係為p+型。該第六砷化鎵層27形成於該砷化鎵鋁層26之一表面，其厚度為0.05微米，且摻雜鈹(Be)濃度為8×18 cm-3 ，使該第六砷化鎵層27係為p+型。
參考圖4，其顯示本發明實例中，具有不同層數量子點單元之耦合光電半導體結構之電壓-電流密度關係圖。其中，曲線L1表示不具有量子點單元之耦合光電半導體結構之電壓-電流密度曲線；曲線L2表示具有3層量子點單元之耦合光電半導體結構之電壓-電流密度曲線；曲線L3表示具有6層量子點單元之耦合光電半導體結構之電壓-電流密度曲線；曲線L4表示具有9層量子點單元之耦合光電半導體結構之電壓-電流密度曲線。由圖4可清楚得知，具有量子點單元之耦合光電半導體結構，能產生較高之電流密度，其中又以具有9層量子點單元之耦合光電半導體結構產生之電流密度較高。
參考圖5，其顯示本發明實例中，具有不同層數量子點單元之耦合光電半導體結構之波長-光電流強度關係圖。
其中，曲線L5表示具有3層量子點單元之耦合光電半導體結構之波長-光電流強度曲線；曲線L6表示具有6層量子點單元之耦合光電半導體結構之波長-光電流強度曲線；曲線L7表示具有9層量子點單元之耦合光電半導體結構之波長-光電流強度曲線。由圖5可清楚得知，具有較多層量子點單元之耦合光電半導體結構，對於紅外光區域之波長(約1000~1300奈米之區域範圍)具有較佳之響應，亦即對於紅外光區域之波長具有較佳之轉換效率，其中又以具有9層量子點單元之耦合光電半導體結構具有較高之轉換效率。
在本發明之耦合光電半導體結構中，可調變每一量子點單元之量子點之間距，以達到耦合(例如：垂直耦合)的結構。每一相對上方量子點單元之量子點受到相對下方量子點單元之量子點應力影響，而沿著相對下方量子點的位置成長。量子點能增加紅外光波長範圍的光伏特效應，並且上下相對量子點距離很近，可使得電子波函數有耦合產生，而耦合能帶的產生可增加轉換效率。
上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效，並非限制本發明，因此習於此技術之人士對上述實施例進行修改及變化仍不脫本發明之精神。本發明之權利範圍應如後述之申請專利範圍所列。
1．．．本發明之耦合光電半導體結構
11．．．量子點單元
21．．．第一砷化鎵層
22．．．第二砷化鎵層
23．．．第三砷化鎵層
24．．．第四砷化鎵層
25．．．第五砷化鎵層
26．．．砷化鎵鋁層
27．．．第六砷化鎵層
111．．．量子點
112．．．捕獲層
113．．．間隔層
圖1顯示本發明耦合光電半導體結構之示意圖；
圖2顯示本發明耦合光電半導體結構製造方法之流程圖；
圖3顯示本發明實例之耦合光電半導體結構之示意圖；
圖4顯示本發明實例中，具有不同層數量子點單元之耦合光電半導體結構之電壓-電流密度關係圖；及
圖5顯示本發明實例中，具有不同層數量子點單元之耦合光電半導體結構之波長-光電流強度關係圖。
1．．．本發明之耦合光電半導體結構
11．．．量子點單元
111．．．量子點
112．．．捕獲層
113．．．間隔層

Claims (13)

  1. 一種耦合光電半導體結構，包括複數個量子點單元，每一量子點單元包括複數個量子點、一捕獲層及一間隔層(spacer)，該捕獲層覆蓋該等量子點，該間隔層設置於該捕獲層之一表面，每一量子點單元之量子點及捕獲層之整體厚度係為5~10奈米，每一量子點單元之間隔層之厚度係為5~15奈米，每一相對上方量子點單元之量子點設置於每一相對下方量子點單元之間隔層之一表面，相對二量子點單元之量子點產生耦合能帶。
  2. 如請求項1之耦合光電半導體結構，其中每一量子點單元之量子點及捕獲層之形成溫度係為480~540℃。
  3. 如請求項1之耦合光電半導體結構，其中每一量子點單元之間隔層之形成溫度係為630~670℃。
  4. 如請求項1之耦合光電半導體結構，其中每一量子點係為砷化鎵銦，每一捕獲層係包括砷-鎵化合物，砷化鎵銦表示為In1-x Gax As，x小於或等於0.5。
  5. 如請求項4之耦合光電半導體結構，其中每一捕獲層另包括銦，且表示為In1-y Gay As，y大於0.8。
  6. 如請求項5之耦合光電半導體結構，其中每一量子點之銦含量比例大於每一捕獲層之銦含量比例。
  7. 如請求項1之耦合光電半導體結構，其中相鄰量子點單元之量子點係實質上位於相對位置。
  8. 一種耦合光電半導體結構之製造方法，包括以下步驟：(a)形成複數個量子點； (b)形成一捕獲層，該捕獲層覆蓋該等量子點；(c)形成一間隔層(spacer)於該捕獲層之一表面，以形成一量子點單元，該量子點單元之量子點及捕獲層之整體厚度係為5~10奈米，該量子點單元之間隔層之厚度係為5~15奈米；及(d)重複步驟(a)至(c)，形成一耦合光電半導體結構，每一相對上方量子點單元之量子點設置於每一相對下方量子點單元之間隔層之一表面，相對二量子點單元之量子點產生耦合能帶。
  9. 如請求項8之方法，其中在步驟(a)中係利用分子束磊晶(MBE)成長以自組成方式形成該等量子點。
  10. 如請求項8之方法，其中在步驟(a)中，該等量子點係形成於一基層之表面，該基層之形成溫度係為630~670℃。
  11. 如請求項9之方法，其中在步驟(a)中，係於形成該基層後一第一時間，於480~540℃下形成該等量子點，在步驟(b)中，於480~540℃下形成該捕獲層。
  12. 如請求項11之方法，其中在步驟(c)中，係於形成該捕獲層後一第二時間，於630~670℃下形成該間隔層。
  13. 如請求項8之方法，其中在步驟(d)中，相鄰量子點單元之量子點係實質上形成於相對位置。
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