一种光电转换结构的制作方法

本发明涉及一种具有宽光谱响应、高吸收率的光电转换结构。

背景技术：

光电转换技术的理论基础源于光电效应，它是研究以光子作为信息载体和能量载体的科学。光电效应包括内光电效应和外光电效应，其中内光电效应包括光生伏特效应和光电导效应，所谓光生伏特效应是指光照使得不均匀半导体或者半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象；所谓光电导效应是光照作用下电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，使得材料电导率发生变化的现象。利用光生伏特效应制造的光生电电池广泛应用于宇宙开发、航空运输、气象观测、通讯设备、信号指示等领域；利用光电导效应制造的光电探测器广泛应用于制导、安检、药物鉴定、监视、成像等领域。

提高光电转换效率是光电转换技术中亘古不变的主题，例如：太阳能发电正在给人类的能源消费结构带来革命性变化，未来将会发展为与现代化石能源相比拟的重要支撑性能源，然而太阳能发电成本较高，且光电转换效率不尽人意，使得太阳能光伏发电的大规模应用受到限制；另外，现有光电探测器存在响应光谱范围窄的缺陷，且光电转换效率亟待提高，传统的ptsi/p-si肖特基红外探测器主要工作在中红外波段(3～5μm)，集成黑硅的msm型探测器也只能在近红外波段有较好的吸收响应，上述不足使得窄带响应光电探测器不能满足工程的需求。故而，发展宽光谱、强吸收、高响应的光电探测系统，成为了光电探测领域重要研究方向之一，

减少反射损失、实现对光的高效吸收是提高光电转换效率的一个重要途径；同时，拓宽光电转换结构的响应光谱不但可以提高对光的利用效率，而且可以拓宽光电转换结构的应用范围领域。因此，亟需一种在宽光谱范围内能够实现强吸收、高响应的光电转换结构。

技术实现要素：

鉴于现有技术的需求，本发明所要解决的技术问题在于提供一种具有高光电转换效率的光电转换结构，本发明利用黑硅的陷光效应并在黑硅的陷光结构上构建非平面结构反射光腔，以最大程度提高光线在器件结构内经过的光程，从而提高光利用率；利用p型硅、黑硅、ptsi材料不同的吸收响应光谱，使得本发明结构在宽光谱范围内能够实现强吸收、高响应，进而解决了现有光电转换结构响应光谱窄、光电转换效率低的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种光电转换结构，包括：p型硅衬底层，ptsi薄膜层，热空穴反射介质层和电极层，所述p型硅衬底层表面设有尖锥状微纳阵列形成黑硅层；所述黑硅层表面由内至外依次设有ptsi薄膜层、热空穴反射介质层和电极层形成非平面微结构；其中，黑硅层与ptsi薄膜层形成肖特基结，ptsi薄膜层、热空穴反射介质层和电极层三者形成反射光腔。

进一步地，本发明光电转换结构还包括设置于p型硅衬底层背面的抗反射膜层；抗反射膜层可以增加结构的通光量，抗反射膜的厚度可根据实用需求进行合理设计，根据本发明实施例，在响应波长范围为0.4μm～5μm时，取中心波长为2.7μm，若材料折射率为1.5，则根据计算可得在0.4μm～5μm的响应波长范围内为实现最大增透效果，抗反射膜层的厚度应为450nm。

进一步地，为了降低入射光在到达黑硅层之前的损失，同时满足对短波长范围内的光子激发，本发明中p型硅衬底层的厚度为1～10μm。

本发明具有尖锥状微纳阵列的黑硅层实际上是一种非平面陷光结构，通过黑硅的陷光效应，使得光线在陷光结构中经过多次的反射，提高通过的光程，以提高光利用效率，进而增加光吸收率；而在p型硅衬底层上制备得到的尖锥状微纳阵列趋于可控，其形状大小可以通过工艺控制，本发明中黑硅层的微纳阵列中任一尖锥的底面直径不小于0.5μm，任一尖锥的高度不小于2μm。

进一步地，任一尖锥的高度与底面直径之比不小于5∶1。

本发明中ptsi薄膜层直接设置在黑硅层的陷光结构表面，与黑硅形成肖特基势垒，为使ptsi层中受光子激发产生的热空穴顺利越过势垒，ptsi薄膜的厚度应小于空穴在其中的平均自由程，因此，本发明中ptsi薄膜层的厚度不大于50nm。

为了阻挡ptsi薄膜层中的热空穴扩散，提高空穴注入p型硅衬底的效率，本发明优选热空穴反射介质层的材料为si3n4。

根据本发明实施例，本发明中电极层的材料为铝(al)；为了能够保证铝作为电极层用于传导光生载流子、同时也能作为反射层同ptsi薄膜层和空穴反射介质层形成非平面微结构的反射光腔，进而使光线经过多次反射，以吸收更多的光能，故作为优选实施方式，本发明中铝电极层的厚度不小于100nm。本发明提供的光电转换结构可用作光电探测器或者太阳能电池。

本发明的原理如下：

本发明中黑硅和ptsi形成的肖特基势垒将因光电导效应产生的空穴和电子分别在黑硅、ptsi中囤积，形成自建电场，产生光生伏特效应，同时，两边的载流子可通过电极引出，形成电流。

为提高光电转换效率，本发明首先通过合理设计结构提高光吸收率，其中主要通过以下三种途径：(1)在p型硅衬底层的背面设计抗反射膜层，确保光线在进入结构之前就具备较大的通过量，以为后续的吸收提供光辐射量；(2)通过在p型硅衬底层上设计尖锥状微纳阵列形成黑硅层，不仅增大了结构的有效吸收表面积，还使得光线在尖锥状微纳阵列之间进行多次反射，提高光线行程，提高了光吸收率、增加光电转换的几率；(3)通过黑硅层上的ptsi薄膜层、热空穴反射介质层和电极层这三者形成非平面结构反射光腔，增加光线的传输光程，黑硅陷光结构的基础上二次提高反射产生的光吸收利用，大大减少了光线因漏出产生的能量损失，以吸收更多的光能、增加光电转换的几率。

除此之外，本发明还通过以下技术手段拓宽光电转换结构的响应光谱：由于本发明中p型硅材料、黑硅材料、ptsi材料具有不同的禁带宽度，光线在经过不同的材料层时，其不同波段的光被不同材料分别吸收响应，因此该光电转换结构的总吸收响应光谱得到了拓宽，从而实现了宽光谱范围内的吸收响应；进一步地，黑硅在制备过程中引入的杂质能级使得黑硅的禁带宽度进一步降低，能够使得进一步地拓宽吸收响应光谱范围。p型硅材料多对应短波段的吸收响应光谱，多见于1.1μm内的可见光和近红外；黑硅材料多对应中波段的吸收响应光谱，多见于1.1μm～5μm的近中红外；ptsi材料多对应长波段的吸收光谱，多见于3μm外的中远红外。其分段吸收响应可以参见附图3。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过分段吸收响应，拓宽了光谱的响应范围，进而拓宽了本发明的应用范围，能够解决现有技术光电探测器响应光谱窄的问题；本发明通过陷光效应和非平面微结构光反射腔提高了光的吸收率和利用率，根据说明书附图4中可以看出：本发明黑硅材料不掺杂的情况下，通过此新型结构已可极大提高光吸收率。因此，本发明所提供的光电转换结构能够在宽光谱范围内实现强吸收、高响应，可广泛应用于光生电技术中，例如太阳能电池技术以及光电探测器技术。

附图说明

图1为本发明光电转换结构的示意图；

图2为本发明光电转换结构通过黑硅陷光结构(粗箭头)和光腔结构(细箭头)增强吸收效率的示意图；

图3为本发明光电转换结构宽光谱分段响应的示意图；

图4为本发明具体实施例在0.4～1.7μm波段的吸收率、透射率、反射率仿真曲线；

其中，1为抗反射膜层，2为p型硅衬底层，3为黑硅层，4为ptsi薄膜层，5为热空穴反射介质层，6为电极层。

具体实施方式

以下结合本发明具体实施例和说明书附图对本发明原理进行详细说明：

实施例：

如图1所示为本光电转换结构具体实施例的结构示意图，包括：设置于p型硅衬底层2背面的抗反射膜层1以及设于p型硅衬底层2表面的尖锥状微纳阵列形成的黑硅层3，所述黑硅层3表面由内至外依次设有ptsi薄膜层4、热空穴反射介质层5和电极层6形成非平面微结构；其中，黑硅层3与ptsi薄膜层4形成肖特基结，ptsi薄膜层4、热空穴反射介质层5和电极层6三者形成反射光腔。

具体地，本实施例中p型硅衬底层2的厚度为2μm；

具体地，本实施例中黑硅层3的微纳阵列中尖锥的底面平均直径为1μm；尖锥的高度为5μm；尖锥的高度与底面直径之比为5∶1；

具体地，本实施例中ptsi薄膜层4的厚度为50nm。

具体地，本实施例中热空穴反射介质层5的材料为si3n4，其厚度为50nm；

具体地，本实施例中电极层6的材料为al，其厚度为100nm。

本发明实施例所提供的光电转换结构能够提高光吸收率，其主要通过以下三种途径：

(1)在p型硅衬底层的背面设计抗反射膜层，确保光线在进入结构之前就具备较大的通过量，以为后续的吸收提供光辐射量；

(2)通过在p型硅衬底层上设计尖锥状微纳阵列形成黑硅层，不仅增大了结构的有效吸收表面积，还使得光线在尖锥状微纳阵列之间进行多次反射，提高光线行程，提高了光吸收率、增加光电转换的几率；

(3)通过黑硅层上的ptsi薄膜层、热空穴反射介质层和电极层这三者形成非平面结构反射光腔，增加光线的传输光程，在黑硅陷光结构的基础上二次提高反射产生的光吸收利用，大大减少了光线因漏出产生的能量损失，以吸收更多的光能、增加光电转换的几率。

如图2所示，其中粗箭头表示通过黑硅陷光结构的光线，细箭头表示通过光腔结构的光线，如上所示通过这两种方式均能达到增强吸收效率的目的。

另一方面，如图3所示，本发明采用分段吸收响应，由于本发明中p型硅材料、黑硅材料、ptsi材料具有不同的禁带宽度，其中黑硅在制备过程中引入的杂质能级使得黑硅的禁带宽度进一步降低，光线在经过不同的材料层时，其不同波段的光被不同材料分别吸收响应，因此该光电转换结构的总吸收响应光谱得到了拓宽，从而实现了宽光谱范围内的吸收响应。进一步地，p型硅材料多对应短波段的吸收响应光谱，多见于1.1μm内的可见光和近红外；黑硅材料多对应中波段的吸收响应光谱，多见于1.1μm～5μm的近中红外；ptsi材料多对应长波段的吸收光谱，多见于3μm外的中远红外。

图4为本发明具体实施例在0.4～1.7μm波段的吸收率、透射率、反射率仿真曲线；具体地，由于仿真软件材料库不含ptsi的材料参数，ptsi的光学常数由仪器filmetricsf20测试获得，因此选取测试仪器在工作波段0.4～1.7μm内进行仿真；结构参数设置如前所述；通过在结构前后设置光场探测器分别测量结构的反射率r、透射率t，通过如下利用公式计算得到该结构的吸收率：

a＝1-t-r

其中：a为吸收率，t为透射率，r为反射率。

从图4中可以看出：本发明提出的光电转换结构在中长波段吸收率较好，达到80％以上；同时因抗反射层厚度不能兼顾所有入射波长，在短波端因反射率略大在一定程度上影响了结构的吸收，然而依然保持在60％以上，整个波段因黑硅的陷光结构和反射光腔，透射率降低到了1％以下，可见该结构提高光吸收的效果显著。

以上结合附图对本发明的实施例进行了阐述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。