专利名称：高光电转换效率的p-n结硅光电二极管的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有高光电转换效率的p-n结硅光电二极管，可用于制造具有高灵敏度的光探测器和高效太阳能电池。
p-n结二极管器件是最简单的光电器件。半导体有吸收光并使光子转换成光生载流子(电子、空穴对)的特点，由于p-n结处存在着自建电场，光照在半导体上产生的光生载流子就会扩散到p-n结处的自建电场，而光生载流子就会被这个自建电场加速以形成光生电流。p-n结二极管就是依靠着其自建电场使光转换成电流，因此p-n结器件可用于制造光探测器和太阳能电池。
p-n结光探测器已经进入商业应用领域，现有p-n结光探测器的弱点是其对光特别是长波长(红外波段)的光吸收率不高，因此现有p-n结光探测器对光特别是红外光的光电转换效率比较低，另外，较低光电转换效率的p-n结也使得p-n结太阳能电池的转换效率不高。
本发明的目的就是为了克服现有p-n结硅光电器件的弱点，而提供了一种具有高光电转换效率的p-n结硅光电二极管，使器件吸收更多的光，使更多的光子转化成光生载流子(电子、空穴对)，从而增大p-n结的光电转换效率，以提高光探测器的灵敏度和太阳能电池的效率。
本发明“高光电转换效率的p-n结硅光电二极管”的结构是在硅衬底表面附近形成的p-n结的上方或下方存在一具有高热稳定性的缺陷层。
上述所说的热稳定性的缺陷层是通过向硅衬底注入氢离子，并经退火而在硅表面下形成的。这一技术是本发明的发明人李建明先生研制成功的，并于1989年发表在“应用物理快讯”上，该技术的名称为“缺陷层上的硅(Silicon on defect layer)简称为SODL[Jianming Li，Appl.Phys.Lett.，55，2223(1989)]。SODL内的缺陷层是由非常多的缺陷组成，这就使这个缺陷层接近无序非晶层，而非晶吸收光的效率比单晶大很多[P.J.Zahzucchi，et al.，J.Appl.Phys.，48，5227(1977)]，因此，具有这种缺陷的硅片比单晶硅片吸收更多的光并转换出更多的光生载流子，同时，这种缺陷层具有很高的热稳定性，在制备p-n结的热处理过程中保持稳定而不消失。
在硅衬底表面下形成缺陷层后，接着再利用p-n结二极管的通常制备技术制备p-n结二极管，通过选择不同的制备条件，控制p-n结的结深，从而制得了p-n结可以在缺陷层的上方或下方的高光电转换效率的p-n结光电二极管。这里所说的硅衬底可以是n型的，也可以是p型的材料。
本发明由于采用了这种新型的p-n结结构，制备出了具有明显高的光电转换效率的p-n结光电器件。因为缺陷层具有高的热稳定性，在制备p-n结的热处理过程中，能够保持稳定而不消失，使器件能吸收更多的光，使更多的光子转换成光生载流子，这样就可增大p-n结的光电转换效率，可以提高光探测器的灵敏度和太阳能电池的效率。
以下结合附图和实施例具体描述本发明
图1为p-n结在缺陷层上方的硅光电二极管的结构剖面图。
图2为p-n结在缺陷层下方的硅光电二极管的结构剖面图。
图3为本发明的一个p-n结硅光电二极管的伏安特性曲线示意图。
图4为p-n结二极管的光生电流频谱响应曲线。
其中a为缺陷层附近的p-n结二极管的光生电流频谱响应曲线。
b为附近没有缺陷层的p-n结二极管的光生电流频谱响应曲线。
图中1-硅衬底 2-缺陷层 3-p-n结 4-表面层实施例1在电阻率ρ＝8-10Ωcm的n型(100)晶向的硅衬底(1)上，采用前面所述李建明先生所研制并已公开发表的技术，在硅衬底(1)上制备具有热稳定性的缺陷层(2)。主要工艺条件H+注入剂量为2.8×1016H+/cm2，能量为180kev，在900℃快速退火10秒，再采用常规退火条件为1180℃，20分钟，在硅衬底表面下0.6μm处形成缺陷层(2)。再采用本专业技术人员熟知的p-n结形成技术，制备p-n结，如采用在1050℃下进行硼扩散40分钟，就可制得结深在衬底表面下0.8μm处的p-n结(3)，这就构成了p-n结在缺陷层下方0.2μm处的情形，具体结构如图2所示。
图3给出了实施例1所制得的p-n结在缺陷层下方的光电二极管的伏安特性曲线，由图3可以看出缺陷层附近的p-n结光生电流频谱响应曲线，b曲线给出了上述p-n结在附近没有缺陷层存在的情况下的光生电流频谱响应曲线。由图4可知，在6000埃波长光的照射下，常规方法制得的p-n结二极管产生了3.6×10-6安培的光生电流(见b曲线所示)，而缺陷层附近的p-n结二极管产生了7.0×10-6安培的光生电流(见a曲线所示)。由图4也知，在其它波长的光照射下，缺陷层附近的p-n结二极管也同样比常规的p-n结二极管产生更多的光生电流，由此可见，缺陷层附近的p-n结二极管能产生更多的光生电流。
实施例二在电阻率ρ＝10-12Ω·cm的p型衬底上，采用与实施例1相同的方法和工艺条件制得缺陷层(2)在衬底(1)表面下0.6μm处，再在950℃下进行磷扩散15分钟，形成p-n结(3)在硅表面下0.4μm处，具体结构如图1所示。
对此实施例所制得的p-n结二极管的测量分析，也得出如图3、图4所类似的结果。
显而易见，根据本发明的结构和实施例的上述具体描述，对于本专业的技术人员是很容易在n型或p型不同的硅衬底上，制备出如图1或图2所示结构的p-n结光电二极管的。这类p-n结二极管都有图3，图4中曲线所示的结果。即p-n结附近有缺陷层的p-n结二极管比p-n结附近无缺陷层的p-n结二极管具有明显高的光生电流，这是由于缺陷层吸收更多的光，并产生更多的电子、空穴对，从而有更高的光电转换效率的缘故。
权利要求
1.一种用于光电转换的p-n结硅光电二极管，其特征在于在硅衬底表面附近形成的p-n结的上方或下方存在一具有高热稳定性的缺陷层。
2.根据权利要求1所述的p-n结硅光电二极管，其特征在于所说的硅衬底可以是n型的，也可以是p型的。
全文摘要
本发明涉及一种具有高光电转换效率的P-N结硅光电二极管器件，其特点是在P-N结附近的上方或下方存在一具有高热稳定性的缺陷层。由于缺陷层能吸收更多的光而产生更多的光生载流子，从而使这种P-N结硅二极管产生更大的光生电流，实现高的光电转换效率，提高光探测器的灵敏度和太阳能电池的效率。
文档编号H01L31/103GK1056188SQ9110378
公开日1991年11月13日 申请日期1991年6月8日 优先权日1991年6月8日
发明者李建明 申请人:中国科学院半导体研究所