光電轉(zhuǎn)換元件的制作方法
【專利摘要】本公開內(nèi)容提供了一種光電轉(zhuǎn)換元件，包括層疊了第一金屬層、第一半導(dǎo)體層、第二半導(dǎo)體層和第二金屬層的光電轉(zhuǎn)換層。第一金屬層或第二金屬層包含多孔金屬薄膜，多孔金屬薄膜具有穿過膜的多個(gè)開口。每一個(gè)開口都具有平均大于等于80nm2且小于等于0.8μm2的面積，多孔金屬薄膜具有大于等于2nm且小于等于200nm的厚度。第二半導(dǎo)體層的帶隙比第一半導(dǎo)體層的帶隙小，具有與所述第一半導(dǎo)體層相反的極性，且位于距所述多孔金屬薄膜5nm以內(nèi)處。
【專利說明】光電轉(zhuǎn)換元件
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)基于并要求于2013年9月20日提交的在先日本專利申請(qǐng)No. 2013-196105 的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，其全部內(nèi)容通過引用的方式并入本文中。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003] 本公開內(nèi)容的實(shí)施例涉及光電轉(zhuǎn)換元件。

【背景技術(shù)】
[0004] 使用半導(dǎo)體的普通光電轉(zhuǎn)換元件具有取決于半導(dǎo)體的帶隙的吸收波長帶，因此不 能充分吸收太陽光譜的能量。例如，由于僅吸收在300到llOOnm范圍中的光，單晶Si太陽 能電池僅具有略大于20%的發(fā)電效率。因此，為了改進(jìn)普通光電轉(zhuǎn)換元件的發(fā)電效率，必須 在光電轉(zhuǎn)換層中形成區(qū)域，W便在轉(zhuǎn)換層自身不能吸收能量的較長波長范圍中吸收光。
[0005] 同時(shí)，作為用于改進(jìn)光電轉(zhuǎn)換元件的效率的手段，提出了一種方法，其中，通過使 用金屬納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)生增強(qiáng)電場，并從而傳播載流子激勵(lì)來引起等離子體共振。
[0006] 在迄今所采用的處理中，半導(dǎo)體襯底的背面受到慘雜處理W在半導(dǎo)體的帶隙中形 成長波長吸收區(qū)，隨后在其上提供金屬網(wǎng)，W便收集由長波長范圍中的吸收產(chǎn)生的光電電 流，從而改進(jìn)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0007] 但由于通過慘雜形成長波長吸收層，存在的問題是慘雜濃度不足，因此即使吸收 由直接躍遷產(chǎn)生，吸收率也無法令人滿意。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008] 圖1是由傳統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換元件吸收的太陽光的光譜（AM1. 5)。
[0009] 圖2是顯示充當(dāng)單晶Si太陽能電池的傳統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換元件的光譜靈敏度特性的曲 線圖。
[0010] 圖3是由實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換元件吸收的太陽光的光譜。
[0011] 圖4示意性地示出了傳統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換元件的結(jié)構(gòu)。
[0012] 圖5示意性地示出了根據(jù)實(shí)施例的包括長波長吸收層和納米網(wǎng)狀電極的光電轉(zhuǎn) 換元件的結(jié)構(gòu)。
[0013] 圖6示意性地示出了當(dāng)金屬納米結(jié)構(gòu)暴露于光時(shí)的自由電子的行為。
[0014] 圖7顯示了納米網(wǎng)狀電極和金屬點(diǎn)的概念略圖。
[0015] 圖8示意性的示出了金屬納米結(jié)構(gòu)。
[0016] 圖9是顯示在納米網(wǎng)狀電極的網(wǎng)孔間隔與電場增強(qiáng)之間的相關(guān)性的曲線圖。
[0017] 圖10是顯示在金屬點(diǎn)的半徑與局部電場的擴(kuò)展之間的相關(guān)性的曲線圖。
[0018] 圖11顯示了示出制備根據(jù)實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換元件的方法的示意性截面圖。
[0019] 圖12顯示了示出制備根據(jù)實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換元件的方法的示意性截面圖。
[0020] 圖13顯示了示出制備根據(jù)實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換元件的方法的示意性截面圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021] 現(xiàn)在將參考附圖來解釋實(shí)施例。
[0022] 根據(jù)實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換元件包括層疊了第一金屬層、第一半導(dǎo)體層、第二半導(dǎo)體 層和第二金屬層光電轉(zhuǎn)換層；其中，
[0023] 所述第一金屬層或第二金屬層包含多孔金屬薄膜，
[0024] 所述多孔金屬薄膜具有穿過所述多孔金屬薄膜的多個(gè)開口，
[0025] 每一個(gè)所述開口都具有平均80nm2到0. 8 y m2的面積，其中包含80nm2和0. 8 y m2，
[0026] 所述多孔金屬薄膜具有2nm到200nm的厚度，其中，包含2nm和200nm,
[0027] 所述第二半導(dǎo)體層的帶隙比所述第一半導(dǎo)體層的帶隙小，
[0028] 所述第二半導(dǎo)體層的極性與所述第一半導(dǎo)體層的極性相反，并且
[0029] 所述第二半導(dǎo)體層位于距所述多孔金屬薄膜5nm W內(nèi)處。
[0030] 根據(jù)實(shí)施例的另一個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件包括層疊了第一金屬層、第一半導(dǎo)體層、第二 半導(dǎo)體層和第二金屬層的光電轉(zhuǎn)換層；其中，
[0031] 在所述半導(dǎo)體層上提供有包含多個(gè)微小金屬顆粒的層，
[0032] 每一個(gè)所述微小顆粒都具有平均4nm3到0. 52 y m3的體積，其中，含有4nm3和 0. 52 y m3，
[003引如果顆粒體積小于4xl(T3ym3,則在相鄰兩個(gè)所述微小顆粒之間的間隔大于等于 1皿，但如果顆粒體積大于等于4xl(T3 y m3,則間隔為100皿到1 y m(含），其中，包含100皿 和 1 y m，
[0034] 所述第二半導(dǎo)體層的帶隙比所述第一半導(dǎo)體層的帶隙小，
[0035] 所述第二半導(dǎo)體層的極性與所述第一半導(dǎo)體層的極性相反，并且
[0036] 所述第二半導(dǎo)體層位于距所述微小顆粒5nm W內(nèi)處。
[0037] W下將參考附圖來說明實(shí)施例。
[0038] W下參考附圖解釋根據(jù)實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換元件，在附圖中，相同或相似的部分分 另化相同或相似的標(biāo)號(hào)來標(biāo)識(shí)。
[0039] 首先，通過參考圖1和2在原理上解釋如何由根據(jù)實(shí)施例的半導(dǎo)體層吸收長波長 的光，所述半導(dǎo)體層具有比元件的光電轉(zhuǎn)換層小的帶隙。圖1是由傳統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換元件吸收 的太陽光的光譜（AM1. 5)，圖2是顯示充當(dāng)單晶Si太陽能電池的傳統(tǒng)元件的光譜靈敏度特 性的曲線圖。在圖1中，分別在橫軸和縱軸上繪制了光的波長和光譜福射分布。另一方面， 在圖2中分別在橫軸和縱軸上獲知了光的波長和量子效率。
[0040] 如圖1所示的，由于太陽光的光譜基于太陽的黑體福射，福射光廣泛地在300皿到 2500nm的范圍內(nèi)。
[0041] 但如圖2所示的，由于單晶Si的光吸收光譜取決于其帶隙1. 12eV，單晶Si僅可W 吸收在300到llOOnm范圍中的光。因此傳統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換元件僅可W取得一部分太陽光能量， 相應(yīng)地，具有最大約20%的發(fā)電效率。
[0042] 為了光電轉(zhuǎn)換元件吸收較長波長范圍中的光，通常認(rèn)為采用具有小帶隙的半導(dǎo)體 是有效的，例如Ge。然而，如果帶隙較小，吸收光波長范圍較寬，但由于低帶隙而降低了開路 電壓。結(jié)果，發(fā)電效率自身沒有增大。相反，發(fā)電效率會(huì)由于低開路電壓而降低。
[0043] 因此，光電轉(zhuǎn)換元件需要吸收較長波長范圍中的光，同時(shí)保持適當(dāng)?shù)膸叮?到 2eV)。
[0044] 鑒于此， 申請(qǐng)人:發(fā)現(xiàn)通過引入具有比光電轉(zhuǎn)換元件自身更小的帶隙的半導(dǎo)體層， 可W使得具有適當(dāng)帶隙（1到2eV)的光電轉(zhuǎn)換元件吸收較長波長范圍中的光，如圖3所示 的。
[0045] 但如果在光電轉(zhuǎn)換層上提供具有小帶隙的半導(dǎo)體層，由于頻帶中斷，通常會(huì)導(dǎo)致 能量勢壘。因此，即使光在半導(dǎo)體層中產(chǎn)生載流子，也存在載流子不能注入到光電轉(zhuǎn)換層中 的問題。
[0046] 為了避免該問題，在轉(zhuǎn)換層與半導(dǎo)體層之間形成隧道結(jié)，充當(dāng)長波長吸收層，W使 得載流子可W借助隧道效應(yīng)流過勢壘進(jìn)入轉(zhuǎn)換層中。
[0047] 此外，為了在半導(dǎo)體層中產(chǎn)生的載流子可W流入轉(zhuǎn)換層，光產(chǎn)生的載流子的分布 必須從半導(dǎo)體層側(cè)向轉(zhuǎn)換層側(cè)傾斜。但實(shí)際上，分布通常從轉(zhuǎn)換層側(cè)向半導(dǎo)體層側(cè)傾斜，因 此載流子不能流入轉(zhuǎn)換層中。
[0048] 因此，必須提供用于使得在半導(dǎo)體層中產(chǎn)生的載流子的分布從半導(dǎo)體表面?zhèn)认蜣D(zhuǎn) 換層側(cè)傾斜的手段。
[0049] 鑒于此， 申請(qǐng)人:發(fā)現(xiàn)了一種合成物，其中，通過使用金屬納米結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生等離子體 共振，從而增強(qiáng)電場并由此傳播載流子激勵(lì)，其正好在金屬納米結(jié)構(gòu)下幾十納米深度內(nèi)感 應(yīng)了比普通的增強(qiáng)了幾倍到幾百倍的電場，W使得借助金屬納米結(jié)構(gòu)的電場增強(qiáng)效應(yīng)的作 用，載流子分布從半導(dǎo)體表面?zhèn)认蜣D(zhuǎn)換層側(cè)傾斜。在光電轉(zhuǎn)換元件中，該個(gè)構(gòu)成使得可W將 在半導(dǎo)體層中吸收的光能量大量轉(zhuǎn)移到光電轉(zhuǎn)換層中。
[0050] 圖3是由實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換元件吸收的太陽光的光譜。
[0051] 如圖3所示的，如果采用Ge作為包含在使用Si (帶隙；Eg = 1. 12eV)的轉(zhuǎn)換元件 中的小帶隙半導(dǎo)體，就將光吸收范圍延長到leOOnm的波長。該是因?yàn)镚e具有0. 67eV的帶 隙Eg。
[0052] 在W下說明中，參考圖4和5解釋根據(jù)實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換元件的構(gòu)成。圖4A示意 性地示出了傳統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換元件的結(jié)構(gòu)，圖4B是顯示傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換元件中的在光波長與量子效 率之間的相關(guān)性的曲線圖。此外，圖5A示意性地示出了根據(jù)實(shí)施例的具有長波長吸收層的 光電轉(zhuǎn)換元件的結(jié)構(gòu)，圖5B是顯示在包括光電轉(zhuǎn)換層、長波長吸收層與納米網(wǎng)狀電極的結(jié) 構(gòu)中的隧道結(jié)和載流子分布的能帶圖，圖5C是顯示在根據(jù)實(shí)施例的具有長波長吸收層的 轉(zhuǎn)換元件中的在光波長與量子效率之間的相關(guān)性的曲線圖。
[005引如圖4A所示的，在傳統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換元件中，n+層位于P-Si層上，在n+層上提供正 面電極41。此外，在P-Si層的背面上提供背面電極43。當(dāng)入射光進(jìn)入傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換元件中的 P-Si層中時(shí)，根據(jù)帶隙能級(jí)，將電子和空穴分離到導(dǎo)帶和價(jià)帶中，隨后W光電電流的形式取 出到外部Voc。
[0054] 但如果入射光具有長波長，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換元件就顯示出如圖4B所示的量子效率。因 此，在暴露于長波長的光時(shí)，傳統(tǒng)元件由于低量子效率而不能提取出光電電流。
[00巧]如圖5A所示的，在根據(jù)實(shí)施例的包括長波長吸收層和納米網(wǎng)狀電極的光電轉(zhuǎn)換 元件中，n+層位于P-Si層上，在n+層上提供正面電極51。此外，在P-Si層的背面上提供 背面電極53。而且，在P-Si層的背面上但與背面電極不接觸地提供n-(ie層，n-(ie層具有 比光電轉(zhuǎn)換層小的帶隙。例如可W通過在P-Si層的背面上的CVD (化學(xué)氣相沉積）來形成 n-Ge層。另外，在背面電極中提供納米網(wǎng)狀電極52,并與n-Ge層接觸。納米網(wǎng)狀電極在 n-(ie層上提供微小金屬顆粒（物體）。
[0056] 如圖5B所示的，由于P-Si和n-(ie是具有不同帶隙的半導(dǎo)體，頻帶中斷導(dǎo)致在它 們之間的分界面的能量勢壘。為了消除能量勢壘，形成了隧道結(jié)。為了形成隧道結(jié)，必須在 分界面增大半導(dǎo)體層中的載流子濃度。因此，接近分界面的濃度大于等于1〇19皿氣但另一 方面，半導(dǎo)體層中的載流子濃度的上限約為l〇22cnT3。如果濃度大于它（即lxl〇22cnT3?）， 則其自身中的基質(zhì)半導(dǎo)體在特性上（例如帶隙）會(huì)改變。該是不利的。
[0057] 在根據(jù)實(shí)施例的包括長波長吸收層和納米網(wǎng)狀電極的轉(zhuǎn)換元件中，n-Ge層與背面 電極不接觸，因此可W獲得根據(jù)帶隙的電壓，如圖5C所示的。另外，n-Ge層將吸收范圍擴(kuò) 展到較長波長范圍（如由虛線所示的）。此外，由于納米網(wǎng)狀電極位于n-Ge層上，借助增強(qiáng) 電場的效應(yīng)增大了光吸收量，因而改進(jìn)了量子效率，如圖5C所示的（如由粗虛線所示的）。
[0058] 在W上，采用Ge作為小帶隙半導(dǎo)體。但例如也可W使用GeSn、GaAb、PbS、PbSe和 InSb。如果半導(dǎo)體的層具有約lOnm的厚度，它給與了可接受的效果。如果具有約lOOOnm 的厚度，層可W充分地吸收光。
[0059] n-Ge層必須位于納米網(wǎng)狀電極附近處。該是因?yàn)榧{米網(wǎng)狀電極正好在納米網(wǎng)狀電 極下幾十納米深度內(nèi)的區(qū)域中產(chǎn)生增強(qiáng)電場，因此增強(qiáng)電場正好在納米網(wǎng)狀電極下具有峰 值強(qiáng)度。因此，為了得益于增強(qiáng)電場，優(yōu)選地將n-Ge層設(shè)置在距納米網(wǎng)狀電極5皿內(nèi)。
[0060] 由于由納米網(wǎng)狀電極產(chǎn)生的增強(qiáng)電場正好在納米網(wǎng)狀電極下幾十納米深度內(nèi)延 伸，還由于它們正好在納米網(wǎng)狀電極下具有峰值強(qiáng)度，n-Ge層必須具有至少lOnm的厚度， W便得益于增強(qiáng)電場。
[0061] 如上所述，由于包括n-(ie層5和納米網(wǎng)狀電極6,與傳統(tǒng)元件相比，根據(jù)實(shí)施例的 圖5A的光電轉(zhuǎn)換元件在發(fā)電效率中有所改進(jìn)。
[0062] 接下來，通過參考圖6在原則上解釋金屬納米結(jié)構(gòu)如何導(dǎo)致等離子體共振，W產(chǎn) 生增強(qiáng)電場。圖6A示意性地示出了當(dāng)金屬納米結(jié)構(gòu)暴露于光時(shí)的自由電子的行為，圖6B 也示意性地示出了當(dāng)金屬納米結(jié)構(gòu)暴露于光時(shí)的局部電場的產(chǎn)生。
[0063] 如圖6A所示的，已經(jīng)知道，當(dāng)金屬納米結(jié)構(gòu)10暴露于光12時(shí)，假如納米結(jié)構(gòu)10 具有等于或小于光12的波長的尺寸，就激發(fā)表面等離子體振子。當(dāng)金屬納米結(jié)構(gòu)10暴露 于光13時(shí)，誘使納米結(jié)構(gòu)10中的自由電子11垂直于光傳播的方向振蕩。結(jié)果，在納米結(jié) 構(gòu)10的邊緣的上側(cè)（光13照射的一側(cè)）上，自由電子11的振蕩導(dǎo)致自由電子11密集出 現(xiàn)的區(qū)域13和自由電子11稀疏出現(xiàn)的區(qū)域14。
[0064] 結(jié)果，如圖6B所示的，在納米結(jié)構(gòu)10的邊緣附近產(chǎn)生平行于光傳播方向振蕩的局 部電場15。產(chǎn)生的局部電場15的強(qiáng)度是由光12產(chǎn)生的電場的幾百倍，因此促使了電子-空 穴對(duì)的產(chǎn)生。
[0065] W下參考圖7解釋充當(dāng)金屬納米結(jié)構(gòu)的納米網(wǎng)狀電極6 (多孔金屬薄膜）或者一 組金屬點(diǎn)7 (微小金屬顆粒）的結(jié)構(gòu)。圖7A是納米網(wǎng)狀電極6的概念略圖，圖7B是金屬點(diǎn) 7的概念略圖。
[0066] 金屬納米結(jié)構(gòu)例如可W是圖7A所示的納米網(wǎng)狀電極6。納米網(wǎng)狀電極6具有多孔 結(jié)構(gòu)，是連續(xù)金屬薄膜，為其提供了具有幾乎對(duì)應(yīng)于入射光的波長的尺寸的多個(gè)開口。
[0067] 或者，金屬納米結(jié)構(gòu)例如可W是圖7B所示的一組金屬點(diǎn)7。在p-Si層1上則刖畐 1形成金屬點(diǎn)7,其每一個(gè)都具有幾乎對(duì)應(yīng)于入射光的波長的直徑r。
[0068] 隨后W下通過參考圖8來解釋由金屬納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的強(qiáng)局部電場。
[0069] 圖8A示意性的示出了金屬納米結(jié)構(gòu)，圖8B顯示了根據(jù)時(shí)域有限差分師TD)法應(yīng) 用于金屬納米結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果。
[0070] 受到仿真的結(jié)構(gòu)包括Si 20/A1 21/空氣22,如圖8A所示的，A1 21層具有30皿 的厚度。A1 21層具有開口 23,每一個(gè)開口都具有100皿的直徑r，并W 200皿的間距1布 置。
[0071] 假定入射光24(入=1000皿，在光傳播方向上）應(yīng)用于結(jié)構(gòu)，根據(jù)時(shí)域有限差分 (FDTD)法仿真在圖8A的結(jié)構(gòu)中的電場強(qiáng)度。圖8B中顯示了結(jié)果。仿真的結(jié)果指示在A1 21的邊緣附近增強(qiáng)了電場，W產(chǎn)生局部電場25。
[0072] W下通過參考圖9來解釋電場的增強(qiáng)如何與充當(dāng)金屬納米結(jié)構(gòu)的納米網(wǎng)狀電極6 的開口直徑相關(guān)。圖9是顯示在納米網(wǎng)狀電極的網(wǎng)孔間隔與電場的增強(qiáng)之間的相關(guān)性的曲 線圖。在圖9中，分別在縱軸和橫軸上繪制了電場強(qiáng)度和網(wǎng)孔間隔。
[0073] 如圖9所示的，為了在A1 21的邊緣增強(qiáng)電場，必須W lym或更小的間距布置開 口 23。該表示每一個(gè)開口 23都必須具有0.8 ym3或更小的面積。另一方面，考慮到處理精 度，開口間距約為幾十納米或更大。該表示每一個(gè)開口 23都具有大于等于80nm3的面積。
[0074] 依據(jù)W上仿真的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)假如A1 21層具有大于等于2皿的厚度，就可W充分地 產(chǎn)生增強(qiáng)的電場。但如果A1 21層具有大于200nm的厚度，增強(qiáng)就飽和。
[00巧]相對(duì)于充當(dāng)金屬納米結(jié)構(gòu)的金屬點(diǎn)7, W與用于納米網(wǎng)狀電極6相同的方式實(shí)施 仿真。圖10是顯示在金屬點(diǎn)的半徑與局部電場的擴(kuò)展之間的相關(guān)性的曲線圖。在圖10中， 分別在縱軸與橫軸上繪制了正好在金屬點(diǎn)下面的局部電場的擴(kuò)展與金屬點(diǎn)的半徑。
[007引圖10中，金屬點(diǎn)7的半徑在Inm到lOOOnm的范圍中。假如金屬點(diǎn)7是球形，按照 點(diǎn)7的體積，該個(gè)范圍就對(duì)應(yīng)于4nm3到0. 52 y m3。因此，發(fā)現(xiàn)如果金屬點(diǎn)具有平均大于等 于4nm3且小于等于0. 52 y m3的體積，就可W充分獲得電場增強(qiáng)效果。
[0077] 在半徑約為1000皿或更大的情況下，已經(jīng)知道，如果點(diǎn)7中的間隔過窄，在金屬點(diǎn) 7中就出現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移，減弱了電場增強(qiáng)效果。
[0078] 此外，如圖10所示的，如果金屬點(diǎn)7具有小尺寸，局部電場延伸約該尺寸的一半 寬。例如，如果金屬點(diǎn)7具有Inm的半徑（其對(duì)應(yīng)于4皿3的體積），局部電場就延伸到Inm (其 對(duì)應(yīng)于半徑）。但局部電場的延伸不一定按照點(diǎn)7的尺寸的增大而增大。如果尺寸大于特 定值，局部電場就僅在約lOOnm或更小的范圍值延伸。例如，如果金屬點(diǎn)7是具有l(wèi)OOnm或 更大的半徑的球形（其對(duì)應(yīng)于4xl(T 3 y m3或更大的體積），局部電場就延伸到約lOOnm或更 小。
[0079] 如上所述，在金屬點(diǎn)7具有小于4xl(T3ym3的體積的情況下，如果在相鄰兩個(gè)點(diǎn)7 之間的間隔的平均大于等于1皿，則在金屬點(diǎn)7中不出現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移。
[0080] 在每一個(gè)金屬點(diǎn)7具有大于等于4xl(T3 y m3的體積的情況下，如果在相鄰兩個(gè)點(diǎn)7 之間的間隔的平均大于等于100皿，則在金屬點(diǎn)7中不出現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移。
[008。 然而，已經(jīng)知道，如果W過大的間隔布置金屬點(diǎn)7,點(diǎn)7占用如此小的面積，W使得 電場增強(qiáng)被減弱。在相鄰兩個(gè)點(diǎn)7之間的間隔的平均因此小于等于1 y m。
[0082] 通過參考圖11至13, W下說明根據(jù)實(shí)施例的產(chǎn)生光電轉(zhuǎn)換元件的方法。圖11至 13顯示了示出根據(jù)實(shí)施例的產(chǎn)生光電轉(zhuǎn)換元件的方法的示意性截面圖。
[0083] 為了形成具有200到300nm或更小的開口的金屬電極圖案，必須使用現(xiàn)有技術(shù)的 曝光裝置或電子束光刻系統(tǒng)，將它們用于產(chǎn)生半導(dǎo)體集成電路。但如果采用該些裝置或系 統(tǒng)，就不可能W低成本產(chǎn)生大的圖案。相反，納米壓印被認(rèn)為是能夠W低成本形成大圖案的 方法。因此在W下解釋的過程中，采用納米壓印來形成金屬納米網(wǎng)。
[0084] 首先，如圖11A所示的，制備具有l(wèi)xl〇i6cnT3的慘雜濃度的P型單晶Si襯底。襯底 的正面與背面隨后分別受到使用P和B離子的離子注入。在離子注入后，執(zhí)行激活退火，W 形成在距Si正面200nm內(nèi)的lxl0 2°cnT3濃度的n+層和距Si背面200nm內(nèi)的lxl02°cnT3濃 度的P+層。
[0085] 接下來，如圖11B所示的，按照CVD方法形成lym厚度的n-Ge層。在層的形成過 程中，控制慘雜濃度W使得濃度在距與Si表面的分界面lOOnm內(nèi)處可W為l〇i 9cnT3,而在更 遠(yuǎn)范圍中可W為l〇"cnT3。
[0086] 隨后，如圖lie所示的，在n-Ge表面上氣相沉積Ag，W形成30皿厚度的Ag層。
[0087] 隨后，如圖12A所示的，將抗蝕劑涂敷在形成于n-Ge表面上的Ag層上。
[008引此后，如圖12B所示的，制備提供了 200皿大小的凹凸圖案（圖案形成于9cm2的 面積中）的石英壓模，并用于進(jìn)行壓印過程，其中，在加熱P型單晶Si襯底的同時(shí)，將壓模 的凹凸表面壓印到抗蝕劑上。
[0089] 在壓印過程后，冷卻襯底，并隨后釋放壓模7, W在抗蝕劑層上形成200nm大小的 凹版圖案，如圖12C所示的。
[0090] 隨后，抗蝕劑的凹版圖案受到借助CF4的反應(yīng)離子蝕刻巧IE)，W去除抗蝕劑的底 部，如圖12D所示的。
[0091] 在去除了底部后，借助離子研磨蝕刻Ag層，如圖12E所示的。隨后去除留在蝕刻 的Ag層上的抗蝕劑，W在Ag層中形成開口。因而，形成金屬納米網(wǎng)。
[009引此后，如圖13A所示的，將抗蝕劑涂敷在金屬納米網(wǎng)上，通過100 ym寬度和1mm間 隔的網(wǎng)格圖案掩模受到光刻曝光，隨后顯影W形成抗蝕劑圖案。
[0093] 形成的抗蝕劑圖案用作掩模，W借助離子研磨蝕刻金屬納米網(wǎng)8,此后Ge層受到 借助CF4的RIE，W部分露出P+Si層，如圖13B所示的。隨后去除殘留的抗蝕劑。
[0094] 在P+Si層的露出部分上，借助剝離法（lift-off method)形成背面電極，如圖13C 所示的。
[009引最后，如圖13D所示的，在n+層上形成叉指狀電極，W獲得光電轉(zhuǎn)換元件。
[0096] 盡管針對(duì)單晶Si光電轉(zhuǎn)換元件給出了 W上解釋，但W類似于W上的方式，在諸如 多晶Si、非晶Si和化合物半導(dǎo)體元件的其他類型的轉(zhuǎn)換元件中也可W形成小帶隙半導(dǎo)體 層和在其上提供的金屬納米網(wǎng)。化合物半導(dǎo)體的示例包括GaAs、CdTe和CIS。
[0097] 示例
[0098] W下的示例將進(jìn)一步詳細(xì)解釋根據(jù)實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換元件。在9cm2的尺寸中產(chǎn) 生轉(zhuǎn)換元件，并評(píng)估其特性。在示例中，借助納米壓印形成金屬納米網(wǎng)和金屬點(diǎn)。但也可W 借助其他方法（例如利用自組裝的方法）形成它們。
[009引在此，在表中總結(jié)了示例1到12。
[0100] 表 1
[0101]

【權(quán)利要求】
1. 一種光電轉(zhuǎn)換元件，包括層疊了第一金屬層、第一半導(dǎo)體層、第二半導(dǎo)體層和第二金 屬層的光電轉(zhuǎn)換層；其中， 所述第一金屬層或所述第二金屬層包含多孔金屬薄膜， 所述多孔金屬薄膜具有穿過所述多孔金屬薄膜的多個(gè)開口， 每一個(gè)所述開口都具有平均80nm2到0. 8 y m2的面積，其中，包含80nm2和0. 8 y m2的面 積， 所述多孔金屬薄膜具有2nm到200nm的厚度，其中，包含2nm和200nm的厚度， 所述第二半導(dǎo)體層的帶隙比所述第一半導(dǎo)體層的帶隙小， 所述第二半導(dǎo)體層的極性與所述第一半導(dǎo)體層的極性相反，并且 所述第二半導(dǎo)體層位于距所述多孔金屬薄膜5nm W內(nèi)處。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件，其中，所述第一金屬層或所述第二金屬層由選自包含 A1、Ag、Au、Cu、Pt、Ni、Co、Cr 和 Ti 的組的材料構(gòu)成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件，其中，至少一個(gè)半導(dǎo)體層在所述第一半導(dǎo)體層與所 述第二半導(dǎo)體層之間的分界面附近處具有1〇19皿-3至1〇22皿-3的載流子濃度，其中，包含 l〇i 9cnT3和1022cnT3的載流子濃度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件，其中，所述第二半導(dǎo)體層由選自包含Ge、GeSn、GaSb、 PbS、PbSe和In訊的組的材料構(gòu)成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件，其中，所述第二半導(dǎo)體層具有l(wèi)Onm至lOOOnm的厚度， 其中，包含lOnm和lOOOnm的厚度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件，其中，所述第一半導(dǎo)體層包含P-型層或n-型層，且所 述半導(dǎo)體層由單晶娃、多晶娃或非晶娃構(gòu)成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件，其中，所述半導(dǎo)體層包含P-型層或n-型層，且所述第 一半導(dǎo)體層由化合物半導(dǎo)體構(gòu)成。
8. -種光電轉(zhuǎn)換元件，包括層疊了第一金屬層、第一半導(dǎo)體層、第二半導(dǎo)體層和第二金 屬層的光電轉(zhuǎn)換層；其中， 在所述半導(dǎo)體層上提供有包含多個(gè)微小金屬顆粒的層， 每一個(gè)所述微小顆粒都具有平均4皿3至0. 52 y m3的體積，其中，包含4nm3和0. 52 y m3 的體積， 如果所述顆粒體積小于4xl(T3y m3,則在相鄰兩個(gè)所述微小顆粒之間的間隔大于等 于1皿，但如果所述顆粒體積大于等于4xl(T3ym3,則所述間隔為lOOnm至liim，其中包含 lOOnm 和 1 y m， 所述第二半導(dǎo)體層的帶隙比所述第一半導(dǎo)體層的帶隙小， 所述第二半導(dǎo)體層的極性與所述第一半導(dǎo)體層的極性相反，并且 所述第二半導(dǎo)體層位于距所述微小顆粒5nm W內(nèi)處。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的元件，其中，所述第一金屬層或所述第二金屬層由選自包含 A1、Ag、Au、Cu、Pt、Ni、Co、Cr 和 Ti 的組的材料構(gòu)成。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的元件，其中，至少一個(gè)半導(dǎo)體層在所述第一半導(dǎo)體層與所述 第二半導(dǎo)體層之間的分界面附近處具有l(wèi)〇i9cnT3至的濃度，其中，包含與 10 22cm-3的濃度。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的元件，其中，所述第二半導(dǎo)體層由選自包含Ge、GeSn、Ga訊、 PbS、PbSe和In訊的組的材料構(gòu)成。
12. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的元件，其中，所述第二半導(dǎo)體層具有l(wèi)Onm至lOOOnm的厚度， 其中，包含lOnm和lOOOnm的厚度。
13. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的元件，其中，所述第一半導(dǎo)體層包含P-型層或n-型層，且所 述半導(dǎo)體層由單晶娃、多晶娃或非晶娃構(gòu)成。
14. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的元件，其中，所述半導(dǎo)體層包含P-型層或n-型層，且所述第 一半導(dǎo)體層由化合物半導(dǎo)體構(gòu)成。
【文檔編號(hào)】H01L31/04GK104465818SQ201410478643
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月20日
【發(fā)明者】藤本明, 中西務(wù), 中村健二 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝