微型高效宽光谱换能器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种微型高效宽光谱换能器，属于能量转换技术领域。该换能器包括半导体衬底、扩散层、高渗杂层，以及分别从衬底和高浓度离子注入层引出的电极，半导体衬底和扩散层形成单ＰＮ结，此外夹在衬底与高渗杂层之间、形成双ＰＮ结的离子注入层。高渗杂层覆盖离子注入层，使离子注入层厚度在１ｎｍ－１００ｎｍ之间，两个以上的双ＰＮ结区域从端头半导体衬底与扩散层形成的单ＰＮ结区域延伸，并与单ＰＮ结的延伸区域相间，构成栅栏状结构。本发明专利技术可以将光能、辐射热能以及光电转换过程中的热能均高效率地转换成电能，加之其吸收光谱宽、噪音低、开关速度快的特性，十分适合于在通信以及光电子对抗等诸多领域推广应用。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种能量转换装置，尤其是一种可以将光、热、辐射等多种能量和电能进行转换的换能器的结构改进，同时本专利技术还涉及该换能器的置备方法，属于能量转换

技术介绍
随着通信技术以及电子对抗、光电子对抗技术的迅速发展，人们对于可以接受较宽光谱，进而将光、热、辐射能和电能进行转换的换能装置的需求越来越迫切。目前公知的此类装置通常由半导体衬与扩散层形成的PN结、以及该PN结两端引出的电极构成。这种光电池仅仅凭PN结形成的自建电场使光能转换成电流，而根本无法利用光电转换过程中存在的大量热能，其转换效率很低，最多只能达到18.5％。申请日为991014、申请号为99229600.5的中国专利《热光电池》公开了一种热光电池结构。这种结构的热光电池从理论上打开了吸收红外线及利用耗散热能的通道。然而，由于其创新的出发点仅仅考虑如何将耗散热能转换成电能，即着眼于提高效率，而对用于通信领域和电子和光电子对抗的换能器而言，还存在以下问题1.可以吸收利用的光谱宽度较窄；2.灵敏度不够高，而白噪音较大；3.动态范围需进一步扩大；4.开关速度较慢。由于应用领域不同，考虑问题的出发点不同，因此上述专利未能顾及、当然也不可能解决以上问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述需要解决的问题，提出一种可以将光、热、辐射等多种能量充分转换成电能，并且其各种性能指标可以满足通信和光电子对抗等
需求的微型高效宽光谱换能器。同时本专利技术还将给出微型高效宽光谱换能器的置备方法。为了达到上述目的，申请人经过深入研究和反复实践，提出以下技术方案本专利技术的微型高效宽光谱换能器包括半导体衬底、扩散层，以及从衬底引出的电极，半导体衬底和扩散层形成单PN结。此外，还含有高渗杂层和离子注入层，所述离子注入层夹在衬底与高渗杂层之间，形成双PN结。高渗杂层引出电极，并覆盖离子注入层，使离子注入层厚度在1nm-100nm之间。两个以上的双PN结区域从端头半导体衬底与扩散层形成的单PN结区域延伸，并与所述单PN结的延伸区域相间，构成栅栏状结构。在本专利技术微型高效宽光谱换能器衬底与离子注入层之间的PN结界面，可以产生与普通光电池类似的光生电位，由此而产生的光生电流可以用下式表示J＝-qμn(dФn/dx) (1)(1)式中J光生电流q电子电荷μ电子迁移率n电子密度Фn光生电位其中，qФn为光生电位引入后的准费米能级。而在离子注入层与高浓度离子注入层之间的PN结界面之间，由于此区间在电子自由程的距离内，势能改变很快，不存在平衡状态，所以此区域内的载流子不能用准费米能级来描述，其光生电流应当用下式表示J＝q(nm-no)VR(2)(2)式中J光生电流q电子电荷nm有电流时在xm处的电荷密度no在xm处的准平衡电荷密度VR势能极大处的复合速度根据上述理论分析可知，当注入光强度达到一定程度后，无论是短谱还是长谱，均将引起量子隧道效应。换个角度通俗些说，由于高渗杂作用使高浓度离子注入层与离子注入层之间的PN结处、包括“覆盖”区域，积聚大量可以吸收近红外线的载流子，而离子注入层的厚度极薄，载流子很容易穿越其形成的势垒，因此两PN结处的总电流将是光生电流加上吸收热能载流子产生的电流及隧道电流之和，以上的热能包括光辐射热以及光电转换过程中产生的热能。所以，采用本专利技术后，换能器可吸收的光谱范围广，灵敏度高，输出功率大。此外，本专利技术的“栅栏状结构”使得换能器的受光面积最大，因此其结构紧凑，在输出同等功率的情况下，尺寸最小。结果，其漏电流引起的噪音低，信噪比高；并且时间常数小，加上利用多子传输机制取代少子传输机制，因此开关速度快。总之，本专利技术真正实现了将光能、辐射热能以及光电转换过程中的热能均高效率地转换成电能。因为量子隧道效应带来的电流增益远比光生电流大得多，因此转换效率大大提高，加之其光谱宽、噪音低、开关速度快的特性，十分适合于在通信以及光电子对抗等诸多领域推广应用。制备本专利技术微型高效宽光谱换能器的方法包括以下工艺步骤A.氧化——约5份干氧加60份湿氧再加5份干氧，氧化温度控制在1000℃～1200℃，使半导体衬底材料表面形成氧化层；B.光刻——温度控制在30℃～50℃，时间3～5分钟，在半导体衬底材料上刻去局部氧化层，形成扩散窗口；C.扩散——温度控制在1000℃～1200℃，时间16～20分钟，通过在半导体衬底材料上扩散三或五族元素，形成扩散层；D.氧化——约30份湿氧加40份干氧，温度控制在950℃～1150℃，E.光刻——在半导体衬底材料上刻出离子注入窗口，温度、时间同步骤B；F.离子注入——在50千伏下注入三或五族元素化合物，温度控制在900℃～1100℃，时间约3小时，浓度1014～1019cm-3，厚度控制在1nm～100nm，形成离子注入层；G.光刻——在离子注入层表面刻出高渗杂窗口，温度、时间同步骤B；H.离子注入——在50千伏下注入三或五族元素化合物，温度控制在900℃～1100℃，时间约3小时，浓度1019～1021cm-3，厚度控制在0.7um～0.9um，形成高渗杂层(高浓度离子注入层)；I.蒸铝——温度1148℃，衬底温度250℃，恒温8～12分钟，形成表面蒸铝层；J.光刻——在蒸铝层上刻出电极，温度、时间同步骤B；之后进行划片、装架、封装等常规后续工艺步骤，完成本专利技术微型高效宽光谱换能器的制备。本专利技术申请人曾采用“低压真空化学淀积”完成步骤H，温度控制在550℃～650℃，真空度控制在约10-5乇，保温三小时，生长掺杂多晶半导体，浓度达1017～1021cm-3，形成高浓度离子注入层。采用与步骤F类似的离子注入法后，不仅无需添置新的设备，制备成本低，而且制备质量容易控制，获得了预想不到的实验效果。总之，由于本专利申请首先涉及到将光电池原理应用于电子对抗等领域中的换能装置，并发现应用过程中存在的问题，进而采用既有科学依据、又巧妙可行的技术方案解决了遇到的种种问题，因此在崭新的应用领域中，具有光明的前景。附图说明下面结合附图对本专利技术作进一步说明。图1是本专利技术实施例一的结构示意图。图2是本专利技术实施例二的特性曲线图。具体实施例方式图1中的微型高效宽光谱换能器包括n-半导体衬底1(外延片)、p+扩散层2、p+离子注入层3、n++高浓度离子注入层4、电极6和7、氧化绝缘层5和8。半导体衬底1和扩散层2形成一个n-p+构成的PN结。p+离子注入层3夹在n-衬底1与n++高浓度离子注入层4之间，形成上下双PN结，构成类似“三明治”的n-、p+、n++纳米夹层结构。p+离子注入层3被n++高浓度离子注入层4覆盖，厚度为1-100nm。电极6和7分别从衬底1的底面和高浓度离子注入层4的上面引出。氧化绝缘层8隔在电极7与衬底1之间，避免短路。若干个双PN结区域(图中示意出三个)从端头半导体衬底1与扩散层2形成的单PN结区域延伸，并与所述单PN结的延伸区域相间，构成栅栏状结构。p+扩散层2形成的矩形区域上表面盖有氧化层5，工作时可以完全用来接收光谱。实验证明，当本实施例夹层结构中的p+离子注入层3为合适的纳米级尺寸时，可以具有热生载流子的传输能力，即微型高效宽光谱换能器不仅可以通过光生载流子将光能转变成电能，同时可以通过热生载流子将光辐射热能以及光电转换过程本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微型高效宽光谱换能器，包括半导体衬底、扩散层，以及从衬底引出的电极，半导体衬底和扩散层形成单ＰＮ结，其特征在于：还含有高渗杂层和离子注入层，所述离子注入层夹在衬底与高渗杂层之间，形成双ＰＮ结，所述高渗杂层引出电极，并覆盖离子注入层，使离子注入层厚度在１ｎｍ－１００ｎｍ之间，所述两个以上的双ＰＮ结区域从端头半导体衬底与扩散层形成的单ＰＮ结区域延伸，并与所述单ＰＮ结的延伸区域相间，构成栅栏状结构。

【技术特征摘要】
1.一种微型高效宽光谱换能器，包括半导体衬底、扩散层，以及从衬底引出的电极，半导体衬底和扩散层形成单PN结，其特征在于还含有高渗杂层和离子注入层，所述离子注入层夹在衬底与高渗杂层之间，形成双PN结，所述高渗杂层引出电极，并覆盖离子注入层，使离子注入层厚度在1nm-100nm之间，所述两个以上的双PN结区域从端头半导体衬底与扩散层形成的单PN结区域延伸，并与所述单PN结的延伸区域相间，构成栅栏状结构。2.根据权利要求1所述的微型高效宽光谱换能器，其特征在于所述衬底为n-型，所述扩散层为p+型，所述离子注入层为p+型，所述高渗杂层为高浓度离子注入层为n++型。3.根据权利要求1所述的微型高效宽光谱换能器，其特征在于所述衬底为p-型，所述扩散层为n+型，所述离子注入层为n+型，所述高渗杂层为高浓度离子注入层为p++型。4.根据权利要求2或3所述的微型高效宽光谱换能器，其特征在于所述衬底的一侧上直接制有用作引出电极的高渗杂扩散层。5.根据权利要求1、2或3所述的微型高效宽光谱换能器，其特征在于所述高浓度离子注入层与离子注入层之间、以及离子注入层与衬底之间设置本征层。6.根据权利要求1、2或3所述的微型高效宽光谱换能器，其特征在于所述衬底周边设置p+或n+隔离槽。7.根据权利要求1、2或3所述的微型高效宽光谱换能器，其特征在于所述电极的局部与扩散层通过电...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈钟谋，
申请(专利权)人：陈钟谋，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]