專利名稱：在太陽能電池中使用3d集成衍射光柵的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及包括波長選擇吸收層的疊層的多結光電器件。此外，涉及包括一個或 多個這種多結光電器件的集成電路。還涉及這種多結光電器件的制造方法。
背景技術：
在太陽能電池中使用光電效應來產生能量是滿足對“綠色”形式的能量的要求的 最有前景的方法之一。由于太陽能電池的效率的現(xiàn)有世界記錄為約38%但卻是非常昂貴的 芯片，因此強烈需要改進，尤其是用于降低制造成本。太陽能電池的研究領域接近于與用于 為了光通信的目的而檢測光所使用的光電器件有關的研究領域。常規(guī)太陽能電池中的半導 體同時執(zhí)行兩個過程以產生光伏效應光的吸收和電荷(電子和帶正電荷的被稱為“空穴” 的物類)的分離。通過將電子從價帶激發(fā)到導帶，半導體吸收具有高于帶隙的能量的光子， 留下帶正電荷的空穴。如果能夠在其自發(fā)復合之前分離這些受激態(tài)電荷載流子，則可以產 生為負載提供電力的電壓和電流。然而，多種能量損耗機理復雜化且限制了能量產生潛能。 首先，低于半導體帶隙的光能僅僅通過而未被利用，這代表一種顯著的損耗。其次，當通過 具有大于帶隙的能量的光子將電子激發(fā)到導帶時，電子將失去作為熱量的能量(光生載流 子的熱能化)，直到電子的能量被減小到帶隙能量。該能量損耗被稱為“過激發(fā)能量”。最 后，處于其受激態(tài)的電子將自發(fā)返回到其基態(tài)，并且在此過程中將能量釋放為熱或光。該現(xiàn) 象已知為光生電子_空穴對的復合。這些損耗一起將硅半導體限制為33%的最大可實現(xiàn) 效率，或者在特定情況下最高為38%。作為由從電池的前表面反射、被電接觸遮蔽、以及在 半導體/電極結處的歐姆損耗而導致的光損耗的結果，現(xiàn)今的常規(guī)單結硅太陽能電池呈現(xiàn) 11-18%之間的效率。光子能量在較高波長下降低。當使用硅材料時，光子能量仍足以產生自由電子時 的最大波長為1. 15 μ m0利用更大波長的輻射僅僅導致太陽能電池的發(fā)熱而不產生任何電 流。因此即便在較小波長下許多光子也不產生任何電子-空穴對，但它們仍引起太陽能電 池溫度的升高。硅基技術的成本很大程度上在于材料。由于硅是相對差的光吸收體，電池相當厚 ( 200-400 μ m)，因此使用大量的高質量硅。薄膜太陽能電池的使用有可能將材料成本最 多降低為常規(guī)太陽能電池的1/80。由于單獨的電池是通過切穿硅晶體或硅錠而制成，附加 的材料損耗(已知為切損)與切割相關聯(lián)。為了產生互連而進行的批處理以及高的材料和 制造設備成本進一步增加了固定成本。在伴隨著常規(guī)太陽能技術的低的光吸收和高的材料 成本情況下，在二十世紀七十年代出現(xiàn)了薄膜作為潛在的解決方案，其使用較少的硅(非 晶硅)或完全為新的半導體材料(例如碲化鎘(CdTe)、銅銦鎵的二硒化物(CIGS)或硫化鎘 (CdS))以及透明導電氧化物。用于航天應用的包括InGaP/InGaAs/Ge的較高效率三結電 池已實現(xiàn)了 28%的效率。然而，這些新的半導體需要真空沉積，這使得制造成本成倍增加。 由此，雖然降低了原材料成本，但所有的薄膜技術仍然復雜且昂貴。為此，在過去的二十年， 薄膜太陽能電池技術已從有前景的研究狀態(tài)(約8%的效率)轉變?yōu)榈土恐圃煸O備。
現(xiàn)在，光學技術集中于片上光子集成電路。目前這樣的事實限制了直接在芯片上 的光學IO或光學片至片通信，即，光探測器在互補金屬氧化物半導體(CMOS)集成電路(IC) 上的實現(xiàn)極具挑戰(zhàn)性。在文獻中找到幾種途徑來將光探測器集成到商業(yè)IC工藝中。這幾種 途徑的范圍從在遍及用作探測器的深溝槽存儲器基元的工藝中可得的用PN(正-負)結實 現(xiàn)的片上光電二極管到其中在芯片的頂上設置附加的半導體層(例如鍺)的混合實現(xiàn)法。硅是僅用于非常短波長探測器的可用半導體。CMOS工藝或更好的BICMOS工藝提 供了全范圍的可用作探測器的PN結。通過PN結產生的耗盡區(qū)是產生太陽能電流的前提。 耗盡區(qū)越大，探測器的敏感區(qū)越大，并且通過入射光產生的電子-空穴對越多。輕摻雜硅 (本征區(qū))的使用引起對重摻雜硅的更大耗盡區(qū)。該耗盡區(qū)還受到從外部對PC接觸或者P 和N接觸的預負載施加的電壓的影響。PC接觸也用于防止衍射光柵的負載，并由此避免光 柵效率的降低。這使得對垂直駐波的優(yōu)化成為可能。劣化的光柵效率會導致駐波強度的移 動最大量?！愣?，使用諸如“雙應力襯里”或“掩埋硅鍺”的應變硅技術來通過在原子結 構上引入拉伸或壓縮應力而改善P-MOS和N-MOS晶體管(ρ或η型金屬氧化物半導體晶體 管)的切換特性。對于光電子器件而言，應變硅的使用將通過增大原子距離的拉伸應變而 減小帶隙。這使得該材料對不適合無應變的硅探測器的波長的敏感度提高。這增加了該材 料的吸收。應變硅可用于標準SOI技術，因此不需要工藝修改。在US6891869中描述了這樣一種器件，其包括在垂直疊層中設置的多個不同的波 長選擇活性層，具有與所述活性層的帶對準且功函數(shù)設計的橫向接觸，由接觸-絕緣體和 導體-絕緣體構成。由活性層選擇性吸收或發(fā)射不同能量的光子。在每個層或具有相同參 數(shù)的層組的橫向側上分離地設置接觸工具，以提取在光子吸收層中產生的電荷載流子和/ 或向光子發(fā)射層中注入電荷載流子。所需的層比較厚，未被優(yōu)化用于薄膜層。并且該器件 不使用任何設備來集中光能且不使用任何共振結構。在US2007/0041679中描述了集成光信號波長解復用器，其可同時解復用和檢測 光信號。該集成器件的特征在于用于承載光信號的波導結構、緊鄰波導結構的光電探測器、 以及與光電探測器集成的波長限制光柵結構。該光柵結構被制造在光電探測器內且用于將 僅僅被選擇的波長傳送到光電探測器。

發(fā)明內容
鑒于以上情況，本發(fā)明的一個目的是開發(fā)一種光電子器件，其基于用于集成電路 制造的標準工藝，同時優(yōu)化其效率且降低其成本。根據本發(fā)明，通過一種包括波長選擇吸收層的疊層的多結光電子器件實現(xiàn)該目 的。所述吸收層中的每一個包括第一層，所述第一層具有特定柵距(pitch)的光柵，所述特 定柵距限定將要在下伏的第二電活性層自身內吸收的入射光的波長，所述第二電活性層位 于第三電惰性層上。不同吸收層內的所述第二電活性層與橫向接觸電連接，以提取通過在 所述活性層內吸收的入射光產生的電荷載流子。根據本發(fā)明的多結光電子器件的第一實施例的特征在于，通過特定寬度的周期性 條帶限定所述吸收層的所述第一層內的所述光柵，所述特定寬度依賴于將通過各吸收層吸 收的波長。通過所述光柵的柵距限定所述條帶排列的周期。
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在根據本發(fā)明的一個實施例中，通過以可變的濃度摻雜的區(qū)域限定所述吸收層內 的所述活性層，以便在所述條帶之下的區(qū)域對應于第一區(qū)域，所述第一區(qū)域的摻雜濃度比 在所述第一區(qū)域之間的第二區(qū)域的濃度低至少一個數(shù)量級。通常通過某種玻璃狀材料使所 述第一層的所述條帶與所述第二電活性層的所述第一區(qū)域電隔離。用于所述第一區(qū)域的摻 雜劑可以為P型或η型，而對于整個活性層則相同。用于所述活性層內的所述第二區(qū)域的 摻雜劑被選擇為交替地具有ρ型和η型?？赡艿氐槐匦璧兀谒霾煌諏拥乃龅?一層內的所述光柵被抗反射涂層覆蓋?？梢栽谒鑫諏拥乃龅谝粚觾瘸练e某種電惰性 填充材料以均衡所述第一層。這通常通過覆蓋已經可能地但不必需地被所述抗反射涂層覆 蓋的所述光柵自身而實現(xiàn)。在根據本發(fā)明的可選實施例中，所述吸收層被具有特定寬度的電惰性間隔層覆 蓋，所述特定寬度適于沿與包括所述吸收層的平面垂直的方向產生駐波。這些駐波來自入 射光波的疊加，該疊加可能地但不必需地與被反射的光波組合。在根據本發(fā)明的有利的備選方案中，所述多結光電子器件基于硅技術，以便所述 電惰性層用某種玻璃狀材料制成，所述玻璃狀材料可能地但不必需地為氧化硅(SiO2)。那 么所述條帶用多晶硅制成，并且所述第二電活性層由相應地摻雜的硅制成。所述抗反射涂 層可以由SiNi制成。在一些實施例中，在所述吸收層的所述第一層內的所述光柵用在鄰近 所述光柵的所述第二電活性層上引起拉伸應變的某種材料制成。在根據本發(fā)明的另一可選實施例中，所述光柵由周期性多條帶(poly-stripes) 限定，所述多條帶的周期(稱為a)等于所述光柵的柵距。所述多條帶自身由以第二周期 (稱為b)沿其長度周期性變化的寬度限定。對兩個周期參數(shù)(a和b)進行優(yōu)化，以最大化 來自入射光的兩個偏振S和P的吸收。所提出的有利設計被優(yōu)化用于超薄膜太陽能電池的 應用，該超薄膜太陽能電池使用到所述電活性硅吸收層中的瞬逝耦合。每個層被設計為與 特定波長相互作用，包括被優(yōu)化為向包括耗盡區(qū)的超薄( IOOnm)的電活性層提供瞬逝耦 合的光柵濾波器。本發(fā)明還涉及一種集成電路，其包括一個或多個如上所述的多結光電子器件。本 發(fā)明還涉及一種多結光電子器件的制造方法，其包括制造如上所述的波長選擇吸收層和層 疊具有不同柵距的多個這種吸收層以相應地吸收不同波長的入射光的步驟。在從屬權利要求、以下描述和附圖中說明對本發(fā)明的有利發(fā)展。


下面將參考附圖進一步解釋本發(fā)明的示例性實施例，在附圖中圖1示意性示出沿著根據本發(fā)明的波長選擇吸收層的疊層的深度的截面圖；圖2a示出對不同波長的吸收曲線；圖2b示出由多條帶制成的二維光柵的示意性頂視圖；圖3a_3c示意性示出根據本發(fā)明的幾個條帶的截面圖；圖4示意性示出沿著圖1的疊層的與其垂直的深度的截面圖；圖5a示出圖1的疊層的截面圖；圖5b、5c示出圖1的疊層的頂視圖；圖6a示意性示出四個來自圖7的疊層的頂視圖；以及
圖6b示意性示出根據本發(fā)明組裝的四個來自圖6a的疊層的頂視圖。
具體實施例方式圖1示出了根據本發(fā)明的波長選擇吸收層1的疊層的截面圖。該截面圖是沿該疊 層的幾乎在其邊界處的生長軸截取的，以至少部分地示出橫向電接觸。橫向電接觸被設置 在每個波長選擇吸收層1的頂部處，并由三維金屬互連2構成，該互連2被電連接到具有倒 梯形狀形狀的金屬接觸3a，以便提取由所吸收的入射光產生的電荷載流子。每個波長選擇吸收層1相應地由具有光柵5的第一層4構成，該光柵5的柵距限 定被該吸收層1吸收的入射光的波長。有利地，按不同的值選擇如圖1所示的層疊在一起 的不同吸收層1的光柵的柵距，以便以優(yōu)化的方式覆蓋入射光中的所關注的波長光譜。依 賴于所使用的材料和層疊在一起的波長選擇吸收層1的數(shù)目，相應地限定對柵距的選擇。 圖2a示出對于入射光和不同柵距(S卩，對于基于由多條帶制成的二維衍射光柵的可能實施 例，柵距a和b)以及該二維光柵的不同寬度(即，al、a2和bl，如圖2b所示)的不同吸收 曲線。根據要吸收的入射波長來進行對柵距和寬度的選擇。一般而言，二級衍射光柵不是 所要求的預備(preliminary)，但其匹配強度最大點數(shù)目和給定工藝的最小特征尺寸。通過 二級衍射光柵，可以通過強度最大點供給耗盡區(qū)的最大值。優(yōu)化后的設計在每個耗盡區(qū)具 有最大強度。圖1所示的每個波長選擇吸收層1上的光柵5被某種抗反射涂層6覆蓋，以避免過 多的入射光在光柵表面上被反射而對電荷載流子的產生沒有貢獻。可以設想僅僅為該疊層 中的第一個或第一頂部光柵中的一些提供該抗反射涂層6，這是因為從疊層深處的波長選 擇吸收層反射的入射會至少部分地對位于其上方的吸收層內的電荷載流子的產生有貢獻。 并且，從抗反射涂層6突出的一些接地接觸3b被電連接到光柵，以確保不會發(fā)生可能由入 射輻射引起的靜電現(xiàn)象。為了均衡每個波長選擇吸收層的頂部，在第一層4內的光柵5上方沉積電惰性 (inactive)填充材料10。每個吸收層1的光柵5自身在下方鄰近電活性的第二層7。嚴格 地說，這是其中吸收用于太陽能電池的入射光(通常為太陽光)的層。具有其各自的柵距 的每個光柵5作為衍射濾波器而對入射光的光譜的各自的波長作用，從而對應波長的光被 集中在光柵邊界下方的第二層7內。該區(qū)域近似地對應于耗盡區(qū)8的極限，該耗盡區(qū)8被 局限在光柵之下的第二活性層7內。通過以這樣的濃度摻雜而獲得該耗盡或第一區(qū)域，該 濃度比第一區(qū)域之間的第二區(qū)域的濃度低至少一個數(shù)量級。活性層7可能但不必需地敷設 在第三電惰性層9上。在光柵5的正下方和第二活性層7的上方設置某種電惰性層14。圖1示出了可以在不同的波長選擇層1之間設置特定寬度的某種電惰性間隔層 11?？梢酝ㄟ^依賴于在與包括吸收層的平面垂直的方向上產生的駐波而選擇構成該間隔層 11的層12的不同數(shù)目，來獲得不同的寬度。這些駐波來自可能地但不必需地與在疊層中的 部分層處反射的光波組合的入射光波的疊加。該間隔層11中的單層12的寬度由所使用的 材料和制造工藝給出?？梢允褂矛F(xiàn)有的制造工藝以不同的方式獲得不同的波長選擇吸收層1的層疊。通 常，間隔層由某種玻璃狀材料制成，即，由氧化硅(SiO2)制成。因此，對疊層的回火(熱處 理)將實現(xiàn)使所有吸收層1膠粘為疊層。
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一般而言，用于光柵的材料的選擇依賴于成本因素且可能基于硅技術。在該情況 下，所有的電惰性層，即，第一層4內的填充材料10、電絕緣14、第三電惰性層9和電惰性間 隔層11，都是由氧化硅制成。光柵5自身可以由多晶硅(PC)制成，而抗反射涂層6可以由 SiNi制成(參見圖3a)。但可以在本發(fā)明的范圍內選擇其他材料。第二活性層7由相應地 摻雜的硅制成。與所選擇的摻雜劑材料無關地，對應于耗盡區(qū)8的第一區(qū)域可以為ρ型或 η型，但對于整個第二活性層7是相同的，如圖3c所示。在第一區(qū)域8之間的第二區(qū)域13 的摻雜劑可以交替地為ρ型和η型。圖3a和3b示出具有第二活性層7和下方的第三電惰 性層9的光柵5的示意性截面圖。在活性層7內直接在光柵5的下方的是被輕摻雜或者為 P型或η型且對應于耗盡區(qū)8的區(qū)域。在其之間是交替地為ρ或η型的重摻雜(即，P+或 η+)區(qū)域13 (參見圖3c)。圖3b示出光柵5的詳細截面圖。具有柵距P的光柵5由寬度為w且高度為hp的 縱向條帶構成，并且條帶的頂部稍小于緊鄰第二活性層7的底部，以便構建具有由制造條 件導致的梯形狀界面的條帶。這些條帶通過某種惰性薄層14而與第二活性層7電隔離，該 惰性薄層14可能由氧化硅制成。第二活性層7內的耗盡區(qū)8由耗盡寬度d和溝道高度hs 限定，其中耗盡寬度d稍大于條帶14的寬度w，溝道高度hs近似地對應于第二活性層7的 厚度。不僅柵距P，而且可能地光柵的寬度w和高度hp，都可被優(yōu)化以在下伏的第二活性層 7內衍射某種特定波長的入射光的最大值。如果耗盡區(qū)8盡可能大，便可以有利地吸收相應 地產生將被電接觸提取的電荷載流子的最大值的光最大值。圖4示出了跨構建光柵5的條帶的長度的圖1的波長選擇吸收層1的疊層的截面 圖。在每個波長選擇吸收層1內的金屬接觸3都在其間通過3d金屬互連2而被互連在疊 層兩側。圖4中可以清楚地看到，不同的條帶5被抗反射涂層6覆蓋。在光柵下方示出了 具有耗盡區(qū)8的第二活性層7，耗盡區(qū)8在條帶的幾乎整個長度下方。第二活性層7被敷設 在第三電惰性層9上，同時在不同的波長選擇吸收層1之間設置可能具有不同寬度的電惰 性間隔層11。圖5b和5c示出了圖1的波長選擇吸收層的疊層的頂視圖。在左側去除3d金屬 互連2，以能夠在單個集成電路(參見圖5a的截面圖)上組裝多個疊層。在疊層的右側示 出了具有3d金屬互連2的開始的不同金屬接觸3。還可以看出構建光柵5的不同平行條 帶，同時去除了電惰性填充材料10以示出在條帶之間的第二活性層7的頂部。為圖5a至 5c所示的實例選擇硅基技術。圖5b是一維光柵實例。圖5c是根據本發(fā)明的二維光柵實例 且用于圖2a和2b中的吸收曲線。圖6a至6c示出了根據本發(fā)明的備選光柵，其由周期性多條帶 (poly-stripes) 15 (如圖5c所示的二維光柵)構成。條帶之間的平均距離由參數(shù)a限定并 對應于光柵的柵距。多條帶15還由以周期b沿著條帶的長度周期性變化的寬度確定。當 入射光的S和P偏振都應被俘獲時，有利地選擇多條帶的結構。這樣的多條帶15可以是基 于通常的多晶硅，允許使用標準的CMOS制造工藝而不隱含工藝修改。圖6a示出幾個來自 圖5c的疊層的頂視圖，其中多條帶15和3d金屬互連被組裝在集成電路上，如圖6b所示。有利地，可以為每個波長選擇吸收層1內的第二活性層7選擇應變硅來替代體硅。 應變硅層為所產生的載流子電荷(電子和空穴)提供更大的遷移率。使用這樣的材料構建 的光探測器提供高的電荷遷移率，由此提供與使用體硅進行光吸收的光探測器相比更高的響應和性能。高度電荷遷移率還轉變?yōu)楣馓綔y器器件的更高光電流和更高響應度。這是因 為硅上的拉伸應變減小了帶隙。由此，具有更長波長的光可以被由應變硅層制成的第二活 性層7吸收，如可被體硅吸收的。由于組裝之后的所有活性區(qū)域的金屬接觸和互連的數(shù)目 和位置，金屬互連的引起斷裂接觸的潛在缺陷和差的加工不會損害設計。每行一個有效接 觸(參見圖6b)就足以通過在該行內收集所有由入射光產生的電荷。參考標號列表1波長選擇吸收層2 3d金屬互連3 3a ；3b金屬接觸4 第一層5 光柵6抗反射涂層7第二活性層8 耗盡區(qū)9第三電惰性層10電惰性填充材料11電惰性間隔層12 11 的單層13在第一區(qū)域8之間的高摻雜的第二區(qū)域14 薄層15多條帶
權利要求
一種包括波長選擇吸收層的疊層的多結光電子器件，所述吸收層中的每一個包括第一層，所述第一層具有特定柵距的光柵，所述特定柵距限定將要在下伏的第二電活性層自身內吸收的入射光的波長，所述第二電活性層位于第三電惰性層上，不同吸收層的所述第二電活性層與橫向接觸電連接以提取通過在所述活性層內吸收的入射光產生的電荷載流子。
2.根據權利要求1的多結光電子器件，其中通過特定寬度的周期性條帶限定所述第一 層內的所述光柵，所述特定寬度依賴于將通過各吸收層吸收的波長，通過所述柵距限定所 述周期。
3.根據權利要求1或2的多結光電子器件，其中通過以可變的濃度摻雜的區(qū)域限定所 述吸收層內的所述活性層，以便在所述條帶之下的區(qū)域對應于第一區(qū)域，所述第一區(qū)域的 摻雜濃度比在所述第一區(qū)域之間的第二區(qū)域的濃度低至少一個數(shù)量級，同時所述第一層的 所述條帶與所述第二電活性層的所述第一區(qū)域電隔離。
4.根據權利要求3的多結光電子器件，其中用于所述第一區(qū)域的摻雜劑為ρ型或η型 但對于整個活性層而言則相同，并且用于所述第二區(qū)域的摻雜劑被選擇為交替地具有P型 和η型。
5.根據權利要求1的多結光電子器件，其中在所述不同吸收層的所述第一層內的所述 光柵被抗反射涂層覆蓋。
6.根據權利要求1的多結光電子器件，其中所述吸收層被具有特定寬度的電惰性間隔 層覆蓋，所述特定寬度適于沿與包括所述吸收層的平面垂直的方向產生的駐波，所述駐波 源自入射光波的疊加。
7.根據權利要求1的多結光電子器件，其中在所述第一層內沉積用于均衡所述第一層 的某種電惰性填充材料。
8.根據權利要求1的多結光電子器件，其中其基于硅技術，以便所述電惰性層用某種 玻璃狀材料制成，所述條帶由多晶硅制成，并且所述第二電活性層由相應地摻雜的硅制成。
9.根據權利要求1或8的多結光電子器件，其中所述吸收層的所述第一層內的所述光 柵由在鄰近所述光柵的所述第二電活性層上引起拉伸應變的某種材料制成。
10.根據權利要求1的多結光電子器件，其中所述光柵由周期性多條帶限定，所述多條 帶的周期a等于所述光柵的所述柵距，所述多條帶的寬度以周期b沿其長度周期性變化，兩 個周期參數(shù)a和b都被優(yōu)化，以最大化來自所述入射光的兩個偏振S和P的吸收。
11.一種集成電路，其包括一個或多個根據前述權利要求中的任何一項的多結光電子 器件。
12.—種多結光電子器件的制造方法，包括制造波長選擇吸收層的步驟，所述波長選擇 吸收層包括第一層，所述第一層具有特定柵距的光柵，所述特定柵距限定將要在下伏的第 二電活性層自身內吸收的入射光的波長，所述第二電活性層位于第三電惰性層上，不同吸 收層的所述第二電活性層與橫向接觸電連接以提取通過在所述活性層內吸收的入射光產 生的電荷載流子，所述制造方法還包括層疊具有不同柵距的多個這樣的波長選擇吸收層以 相應地吸收不同波長的入射光的步驟。
全文摘要
提出了一種包括波長選擇吸收層的疊層的多結光電子器件。所述吸收層中的每一個包括第一層，所述第一層具有特定柵距的光柵，所述特定柵距限定將要在下伏的第二電活性層自身內吸收的入射光的波長，所述第二電活性層位于第三電惰性層上。不同吸收層內的所述第二電活性層與橫向接觸電連接，以提取通過在所述活性層內的被吸收的入射光產生的電荷載流子。通過特定寬度的周期性條帶限定所述吸收層的所述第一層內的所述光柵，所述特定寬度依賴于通過各吸收層吸收的波長。通過所述光柵的所述柵距限定條帶排列的周期。有利地，可以使用普通的硅技術。
文檔編號H01L31/04GK101919054SQ200980102047
公開日2010年12月15日 申請日期2009年1月7日 優(yōu)先權日2008年1月14日
發(fā)明者M·弗爾蒂格, N·莫爾, T·E·莫爾夫, T·普夫呂格爾 申請人:國際商業(yè)機器公司