一种异质半导体器件、探测器及光伏电池制造技术

本实用新型专利技术提供一种异质半导体器件，至少包括由第一半导体材料构成的第一部件和第二半导体材料构成的第二部件，第一部件和第二部件一般为层状结构(片状结构)；所述的第一部件和第二部件分别构成所述半导体器件的第一活性区域和第二活性区域；所述的第一部件和第二部件仅通过由第三半导体材料构成的第三部件连接，减少了界面面积，进而减少了缺陷数量，能减小器件噪声，提高信噪比。提高信噪比。提高信噪比。

【技术实现步骤摘要】
一种异质半导体器件、探测器及光伏电池


[0001]本技术属于半导体器件，尤其涉及一种异质半导体器件，可用于光电池提升光电转换效率，也可以用于探测器，大大提高信噪比。

技术介绍

[0002]通过将不同半导体材料结合起来可以实现各种高性能的异质器件：利用异质结构，将不同材料的优良物理特性结合，例如将高载流子迁移率的材料和高光子吸收系数的材料制异质结，可以实现高性能的光电器件等。
[0003]但是，目前的异质材料集成技术，包括但不仅限于平面外延，会在不同材料的界面处产生大量缺陷。这是因为不同材料间的存在晶格失配和热失配等，这会导致不同材料的界面处产生应力，为了释放掉这些应力，材料会在界面处产生缺陷，尤其是线性位错等缺陷甚至会传递到半导体材料内部。由于不同半导体材料之间的界面存在大量缺陷，使得探测器产生噪声、光电池产生载流子复合损耗。

技术实现思路

[0004]本技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种异质半导体器件，至少包括由第一半导体材料构成的第一部件和第二半导体材料构成的第二部件，第一部件和第二部件一般为层状结构(片状结构)；所述的第一部件和第二部件分别构成所述半导体器件的第一活性区域和第二活性区域；所述的第一部件和第二部件仅通过由第三半导体材料构成的第三部件连接，以减少所述第一部件和第二部件的连通面积。由于通常异质材料的晶格失配较大，如果直接将第一部件和第二部件连接在一起，二者界面将产生大量缺陷，而通过第三部件连接第一部件和第二部件，减少了界面面积，进而减少了缺陷数量。而缺陷数量的减少可以减少半导体中产生的复合中心，使得探测器的噪声减少，提高信噪比，也可以降低载流子复合损耗，从而提高光电池的光电转换效率。
[0005]只要第三部件与第一部件的接触面积小于第一部件面积，或者第三部件与第二部件的接触面积小于第二部件面积，即可减少所述第一部件和第二部件的连通面积。第三部件的截面可以为上下宽度相同的柱形结构或上下宽度不同的梯形结构，但不限于此。柱形结构的第三部件与上下第一部件和第二部件形成工字型结构；截面为梯形结构的第三部件至少其顶面面积小于所述第一部件或第二部件的面积。
[0006]优选的，第三半导体材料的晶格常数等于或接近第一半导体材料或第二半导体材料的晶格常数，也就是说，第三半导体材料可以为第一半导体材料或第二半导体材料，或者其他不同于第一半导体材料或第二半导体材料，但其晶格常数等于或接近第一半导体材料或第二半导体材料。
[0007]或者，第三半导体材料的晶格常数介于第二半导体材料和第一半导体材料的晶格常数之间，例如，第二半导体材料和第一半导体材料组成的固溶体；在通过面积因素减少缺陷的前提下，选择介于(包括等于)第二半导体材料和第一半导体材料的晶格常数之间的第
三半导体材料，可以进一步减小各层间的晶格失配，提高晶体质量。
[0008]因此，可以选择晶格常数α满足：0.9α1≤α≤1.1α2的第三半导体材料，其中，α1、α2为第一半导体材料、第二半导体材料的晶格常数；或α1、α2为第二半导体材料、第一半导体材料的晶格常数。
[0009]在本技术的某些实施例中，第三部件是通过刻蚀形成的，具体的，通过在平面的衬底(可以是第一部件或第二部件)上将半导体材料刻蚀掉一定深度的环形闭合区域，留下的中心部分即为第三部件。
[0010]在本技术的某些实施例中，第三部件是通过键合wafer bonding的方式连接与第一部件或第二部件的，具体的，先在第一或第二部件上形成第三器件，再通过晶圆键合的方式将其结合起来。
[0011]在本技术的某些实施例中，第三部件，甚至第二部件，都是从第一部件表面外延生长得到的。作为优选的方案，所述第三部件是在一约束通道内，从所述第一部件表面外延生长得到。线性缺陷在约束通道侧面终止，相较于整个平面的外延方法，可以在远离界面的部分得到高质量的半导体材料。
[0012]从器件的结构完整性和力学性能考虑，可以在所述第一部件和第二部件之间的第三部件以外的空间，通过介电材料进行填充。例如使用氧化物填充，对第一部件和第二部件起支撑与限制作用，保证结构的耐用性等，介电材料还可以对半导体表面进行保护和钝化。
[0013]本技术适用于现有半导体二极管、三极管、雪崩二极管、叠层光电池等异质半导体器件的改进，通过在异质界面引入第三部件，可以有效提高半导体器件的信噪比。
[0014]作为半导体光电二极管，第一半导体材料和第二半导体材料可以为硅、锗、
Ⅲ‑Ⅴ
族化合物半导体、SiC等等，第三半导体材料可以为与第一半导体材料或第二半导体材料相同的材料、或二者的固溶体或混合物、或不同于二者但起到隔离作用以防止二者反应的其他材料；第三部件的引入，在不减少感光区域大小的情况下，光信号强度基本不受影响，同时通过减少了第一部件和第二部件之间的异质材料接触面积，进而减少了器件的缺陷数量，减少了器件的噪声，提高了器件信噪比。
[0015]作为多结叠层光电池，第一部件与第二部件可以采用硅、
Ⅲ‑Ⅴ
族化合物半导体、钙钛矿等等，第一部件与第二部件各自有两个相反的掺杂区域以形成pn结，第三部件可以采用第一部件或第二部件相同的材料并掺杂、或是采用其他隧穿材料以在多结叠层光电池中形成隧穿层连接两个pn结；第三部件的引入可以在不显著影响光子吸收的同时减小异质材料的接触面积，从而减少了器件中的缺陷和复合中心，减少了光电池的载流子复合损耗，提高了光电转换效率。
[0016]作为雪崩二极管(APD)或单光子雪崩二极管(SPAD)，其具有正负二个电极；所述第一部件和第二部件之一为雪崩区，之二为吸收区，而且，雪崩区和吸收区采用两种不同的材料。以Ge
‑
on
‑
Si SPAD为例进行说明：现有技术中，雪崩区可以采用硅，吸收区可以采用锗。由于雪崩区和吸收区采用两种不同的材料，二者的晶格失配达4％，普通的结合方式将会在界面处甚至半导体体内形成大量缺陷，而本申请第三部件的引入，通过减少界面面积大幅度减少了缺陷量，有效提升了器件的信噪比。
[0017]在本技术某些优选的实施例中，在通过面积因素减少缺陷的前提下，在第一部件或第二部件中，还有一掺杂层，以调控雪崩区和吸收区的电场。该掺杂层在器件工作时
将被耗尽，仅留下带电荷的离子，从而在两侧形成方向相反的附加电场，与外电场结合后就能在其两侧产生不同的电场强度。
[0018]在本技术某些优选的实施例中，在通过面积因素减少缺陷的前提下，第一部件或第二部件表面，设有第三电极，以调控雪崩区和吸收区的电场。通过调控第三电极的电势，减小其与吸收区电极的电势差就能减小吸收区的电场强度，同时相应地，其与雪崩区电极的电势差会增加，从而增加其电场强度。
[0019]在本技术某些优选的实施例中，在通过面积因素减少缺陷的前提下，所述第一部件和第二部件之间的第三部件以外的空间，还通过介电材料进行填充；且所述介电材料中设有电极，以调控雪本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种异质半导体器件，其特征在于，至少包括由第一半导体材料构成的第一部件和第二半导体材料构成的第二部件，所述的第一部件和第二部件分别构成所述半导体器件的第一活性区域和第二活性区域；所述的第一部件和第二部件仅通过由第三半导体材料构成的第三部件连接，以减少所述第一部件和第二部件的连通面积。2.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述第三部件为上下宽度相同的柱形结构或上下宽度不同的梯形结构。3.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述第一部件和第二部件之间的第三部件以外的空间，由介电材料填充。4.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述半导体器件为线性模式雪崩二极管或盖革模式单光子雪崩二极管，具有正负二...

【专利技术属性】
技术研发人员：程志渊，张哲宇，褚衍盟，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：新型
国别省市：