一种高效率光电池及其制造方法与流程

1.本发明涉及光电池技术领域，具体涉及一种高效率光电池及其制造方法。


背景技术：

2.在光耦电路中，会将发光二极管与光感应芯片封装在一起，光感应芯片包括光电池。当电信号控制发光二极管发出光信号时，光电池接收到光信号并利用光生伏特效应输出电流信号，以此实现电信号的光隔离传输。
3.对于光电池来说，光信号的强度和光电池的转换效率决定了输出的电流信号的大小。现有光电池的纵向结构如图1所示，其中psub为p型衬底，nw为n阱区，p+为p型加浓注入区，n+为n型加浓注入区，sio2为表面二氧化硅层，metal为光电池的电极连接铝线，anode为光电池的正极，也就是光电流流出的端口，cathode为光电池的负极。p+与nw之间形成pn结，pn结的交界面存在耗尽区，即形成pin区。光线穿过芯片表面氧化层和p+区后到达pin区，并在此形成光电流。
4.对于现有的光电池，其光电子只在一个pin区上产生光电流，光电子的利用效率和转换效率均较低，折算到每平方米面积的光电池产生的光电流通常不超过100安培。


技术实现要素：

5.鉴于背景技术的不足，本发明是提供了一种高效率光电池及其制造方法，所要解决的技术问题是现有光电池的转换效率较低。
6.为解决以上技术问题，第一方面，本发明提供了一种高效率光电池，包括从下往上依次层叠的衬底、埋氧层、外延层和二氧化硅层；所述外延层上沿左右方向设有第一介质隔离层和第二介质隔离层；所述外延层上在第一介质隔离层和第二介质隔离层之间设有深p阱区，所述深p阱区从所述外延层的顶面向下延伸，所述深p阱区的底面高于所述外延层的底面，所述深p阱区与所述第二介质隔离层间隔设置；所述深p阱区上设有n阱区，所述n阱区从所述深p阱区的顶面向下延伸，所述n阱区的底面高于所述深p阱区的底面；所述n阱区的顶部设有第一p+离子注入区和第一n+离子注入区，所述第一p+离子注入区的底面和第一n+离子注入区的底面高于所述n阱区的底面；所述外延层上在所述深p阱区和第二介质隔离层之间设有第二n阱区，所述第二n阱区从所述外延层的顶面向下延伸，所述第二n阱区的底面高于所述深p阱区的底面；所述第二n阱区的顶面设有第二n+离子注入区；所述深p阱区的顶面在所述第一介质隔离层和n阱区之间设有第二p+离子注入区。
7.在第一方面的某种实施方式中，所述埋氧层、第一介质隔离层和第二介质隔离层的材质均为二氧化硅。
8.在第一方面的某种实施方式中，所述衬底为p型衬底，所述外延层为n型外延层。
9.在第一方面的某种实施方式中，所述第一介质隔离层的顶面和第二介质隔离层的
顶面向上延伸至外延层的顶面，所述第一介质隔离层的底面和第二介质隔离层的底面向下延伸至埋氧层上。
10.在第一方面的某种实施方式中，所述n阱区和第二n阱区的深度相同，所述第一n+离子注入区的深度和第二n+离子注入区的深度相同，所述第一p+离子注入区和第二p+离子注入区的深度相同。
11.在第一方面的某种实施方式中，本发明还包括穿过二氧化硅层分别与第一p+离子注入区和第二p+离子注入区电连接的阳极金属线；还包括穿过二氧化硅层分别与第一n+离子注入区和第二n+离子注入区电连接的阴极金属线。
12.第二方面，本发明还提供了一种高效率光电池的制造方法，包括以下步骤：s1：在p型衬底上从上往下依次制造埋氧层和n型的外延层；s2：在外延层上制作第一介质隔离层和第二介质隔离层，所述第一介质隔离层和第二介质隔离层在外延层上左右分布，所述第一介质隔离层的顶面和第二介质隔离层的顶面向上延伸至外延层的顶面，所述第一介质隔离层的底面和第二介质隔离层的底面向下延伸至埋氧层上；s3：从外延层的顶面向内制作深p阱区，所述深p阱区在第一介质隔离层和第二介质隔离层之间，所述深p阱区的底面高于所述外延层的底面；s4：从所述深p阱区的顶面向内制作n阱区和从外延层的顶面向内制作第二n阱区，所述第二n阱区在所述深p阱区和第二介质隔离层之间，所述n阱区的底面和第二n阱区的底面高于所述深p阱区的底面；s5：在n阱区的顶面向内制作第一p+离子注入区和在深p阱区在第一介质隔离层和n阱区之间的顶面向内制作第二p+离子注入区；在n阱区的顶面向内制作第一n+离子注入区和在第二n阱区的顶面向内制作第二n+离子注入区，所述第一n+离子注入区在所述第一p+离子注入区右侧；s6：在所述外延层的顶部制作二氧化硅层，所述二氧化硅层覆盖所述第一介质隔离层、第二介质隔离层、深p阱区、n阱区和第二n阱区；s7：在所述二氧化硅层上制作与所述第一p+离子注入区和第二p+离子注入区电连接的阳极金属线，在所述二氧化硅层上制作与所述第一n+离子注入区和第二n+离子注入区电连接的阴极金属线。
13.在第二方面的某种实施方式中，在步骤s2中先在外延层上蚀刻出制造第一介质隔离层和第二介质隔离层的沟槽，然后在沟槽中沉积二氧化硅来制造第一介质隔离层和第二介质隔离层。
14.在第二方面的某种实施方式中，步骤s3中通过离子注入技术来制作深p阱区；步骤s4中通过离子注入技术来制作n阱区和第二n阱区；步骤s5中通过离子注入技术来制作第一p+离子注入区、第二p+离子注入区、第一n+离子注入区和第二n+离子注入区。
15.在第二方面的某种实施方式中，步骤s7中先在二氧化硅层上蚀刻出阳极导线孔和阴极导线孔，然后在阳极导线孔和二氧化硅层上沉积铝来形成阳极金属线和在阴极导线孔和二氧化硅层上沉积铝来形成阴极金属线。
16.本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：本发明通过在外延层上制作深p阱区，以及在深p阱区中制作n阱区并在n阱区中制作第一p+离子注入区和第一n+离子注入区，
这样可以形成三个pin结构，而光在循环多次经过三个pin结构时都能产生光电流，从而提高了光电池对光的利用效率和转换效率；另外通过二氧化硅层与外延层的交界面和埋氧层与外延层的交界面可以对光进行反射，反射的光还能在通过pin结构时产生光电流，从而能进一步提高本发明对光的利用效率和转换效率。
附图说明
17.图1现有光电池的纵向结构示意图；图2为本发明的光电池的结构示意图；图3为在衬底上制作完埋氧层和外延层的结构示意图；图4为在图3中制作第一介质隔离层和第二介质隔离层的结构示意图；图5为在图4中制作深p阱区的结构示意图；图6为在图5中制作出n阱区和第二n阱区的结构示意图；图7为在图6中制作第一p+离子注入区、第一n+离子注入区、第二p+离子注入区和第二n+离子注入区的结构示意图。
18.图中：1、衬底，2、埋氧层，3、外延层，4、第一介质隔离层，5、第二介质隔离层，6、深p阱区，7、n阱区，8、第二n阱区，9、第一p+离子注入区，10、第一n+离子注入区，11、第二p+离子注入区，12、第二n+离子注入区，13、二氧化硅层，14、阴极金属线，15、阳极金属线。
具体实施方式
19.现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
20.对于图1所示的光电池，其只通过n阱区和p+离子注入区形成一个pin结构，导致光在从表面的二氧化硅层进入内部时转换效率较低，不能产生足够的光电流，基于此，如图2所示，本发明提供了一种高效率光电池，包括从下往上依次层叠的衬底1、埋氧层2、外延层3和二氧化硅层13；其中，衬底1为p型衬底，外延层3为n 型外延层，埋氧层2的材质为二氧化硅。
21.外延层3上沿左右方向设有第一介质隔离层4和第二介质隔离层5；其中第一介质隔离层4的顶面和第二介质隔离层5的顶面向上延伸至外延层3的顶面，第一介质隔离层4的底面和第二介质隔离层5的底面向下延伸至埋氧层2上；第一介质隔离层4和第二介质隔离层5的材质为二氧化硅。
22.外延层3上在第一介质隔离层4和第二介质隔离层5之间设有深p阱区6，深p阱区6从外延层3的顶面向下延伸，深p阱区6的底面高于外延层3的底面，深p阱区6与第二介质隔离层5间隔设置。
23.深p阱区6上设有n阱区7，n阱区7从深p阱区6的顶面向下延伸，n阱区7的底面高于深p阱区6的底面；n阱区6的顶部设有第一p+离子注入区9和第一n+离子注入区10，第一p+离子注入区9的底面和第一n+离子注入区10的底面高于n阱区7的底面；外延层3上在深p阱区6和第二介质隔离层5之间设有第二n阱区8，第二n阱区8从外延层3的顶面向下延伸，第二n阱区8的底面高于深p阱区6的底面；第二n阱区8的顶面设有第二n+离子注入区12；
深p阱区6的顶面在第一介质隔离层4和n阱区7之间设有第二p+离子注入区11。
24.另外，二氧化硅层13上还设有阴极金属线14和阳极金属线15，其中阴极金属线14穿过二氧化硅层13分别与第一n+离子注入区10和第二n+离子注入区12电连接，阳极金属线15穿过二氧化硅层13分别与第一p+离子注入区9和第二p+离子注入区11电连接。其中，阴极金属线14和阳极金属线15的材质是铝。
25.对于本发明的光电池，第一p+离子注入区9与n阱区7之间的pn结和中间的耗尽层形成了第一pin区，n阱区7和深p阱区6之间的pn结和中间的耗尽层形成了第二pin区，深p阱区6与外延层3之间的pn结和中间的耗尽层形成了第三pin区，三个pin区通过阳极金属线15和阴极金属线14并联。
26.在实际使用时，当光线照射到二氧化硅层13后，二氧化硅层13与硅形成的交界面形成反射面，可以抑制光电子的逸出；当光电子到达第一pin区后，一定比例的光电子利用光生伏特效应转换为光电流，部分光电子继续穿透n阱区7，在到达第二pin区后，又有一定比例的光电子利用光生伏特效应转换为光电流；部分光电子继续穿透深p阱区6到达第三pin区，在到达第三pin区后又有部分光电子利用光生伏特效应转换为光电流；因此本发明通过在外延层3上制作深p阱区6，以及在深p阱区6中制作n阱区7并在n阱区7中制作第一p+离子注入区9和第一n+离子注入区10，这样可以形成三个pin结构，而光在循环多次经过三个pin结构时都能产生光电流，从而提高了光电池对光的利用效率和转换效率；另外当光电子通过外延层3到达外延层3与埋氧层2的交界面后，部分光电子又能返回到外延层3，返回的光电子在经过三个pin区后又产生部分光电流，因此能进一步提高本发明对光的利用效率和转换效率。另外通过第一介质隔离层4和第二介质隔离层5可以实现器件隔离，将该光电池与其它光电池或者其它器件隔离开。
27.第二方面，本发明还提供了一种高效率光电池的制造方法，包括以下步骤：s1：在p型衬底1上从上往下依次制造埋氧层2和n型的外延层3；衬底1上制作完埋氧层2和外延层3的结构如图3所示，其中埋氧层2为二氧化硅，外延层3为n型外延层3。
28.s2：在外延层3上制作第一介质隔离层4和第二介质隔离层5，第一介质隔离层4和第二介质隔离层6在外延层3上左右分布，第一介质隔离层4的顶面和第二介质隔离层5的顶面向上延伸至外延层3的顶面，第一介质隔离层4的底面和第二介质隔离层5的底面向下延伸至埋氧层2上；其中外延层3上制作完第一介质隔离层4和第二介质隔离层5的结构示意图如图4所示，第一介质隔离层4和第二介质隔离层5的材质为二氧化硅。
29.具体地，在步骤s2中先在外延层2上蚀刻出制造第一介质隔离层4和第二介质隔离层5的沟槽，然后在沟槽中沉积二氧化硅来制造第一介质隔离层4和第二介质隔离层5。
30.s3：从外延层3的顶面向内制作深p阱区6，深p阱区6在第一介质隔离层4和第二介质隔离层5之间，深p阱区6的底面高于外延层3的底面；其中可以通过离子注入技术来制作深p阱区6。
31.s4：从深p阱区6的顶面向内制作n阱区7和从外延层3的顶面向内制作第二n阱区8，第二n阱区8在深p阱区6和第二介质隔离层6之间，n阱区7的底面和第二n阱区8的底面高于深p阱区的底面；其中可以通过离子注入技术来制作n阱区7和第二n阱区8，另外可以同时制作n阱区7和第二n阱区8；制作完n阱区7和第二n阱区8的结构如图6所示。
32.s5：在n阱区7的顶面向内制作第一p+离子注入区9和在深p阱区6在第一介质隔离层4和n阱区7之间的顶面向内制作第二p+离子注入区11；在n阱区7的顶面向内制作第一n+离子注入区10和在第二n阱区8的顶面向内制作第二n+离子注入区12，第一n+离子注入区10在第一p+离子注入区9右侧；其中可以通过离子注入技术来制作第一p+离子注入区9、第二p+离子注入区11、第一n+离子注入区10和第二n+离子注入区12，制作完第一p+离子注入区9、第二p+离子注入区11、第一n+离子注入区10和第二n+离子注入区12的结构如图7所示；另外可以同时制作第一p+离子注入区9和第二p+离子注入区11；可以同时制作第一n+离子注入区10和第二n+离子注入区12。
33.s6：在外延层2的顶部制作二氧化硅层13，二氧化硅层13覆盖第一介质隔离层4、第二介质隔离层5、深p阱区6、n阱区7和第二n阱区8。
34.s7：在二氧化硅层13上制作与第一p+离子注入区9和第二p+离子注入区11电连接的阳极金属线15，在二氧化硅层13上制作与第一n+离子注入区10和第二n+离子注入区11电连接的阴极金属线14；制作完阳极金属线15和阴极金属线14的结构示意图如图2所示。
35.具体地，步骤s7中先在二氧化硅层13上蚀刻出阳极导线孔和阴极导线孔，然后在阳极导线孔和二氧化硅层上沉积铝来形成阳极金属线15，在阴极导线孔和二氧化硅层上沉积铝来形成阴极金属线14。
36.上述依据本发明为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

技术特征：
1.一种高效率光电池，其特征在于，包括从下往上依次层叠的衬底、埋氧层、外延层和二氧化硅层；所述外延层上沿左右方向设有第一介质隔离层和第二介质隔离层；所述外延层上在第一介质隔离层和第二介质隔离层之间设有深p阱区，所述深p阱区从所述外延层的顶面向下延伸，所述深p阱区的底面高于所述外延层的底面，所述深p阱区与所述第二介质隔离层间隔设置；所述深p阱区上设有n阱区，所述n阱区从所述深p阱区的顶面向下延伸，所述n阱区的底面高于所述深p阱区的底面；所述n阱区的顶部设有第一p+离子注入区和第一n+离子注入区，所述第一p+离子注入区的底面和第一n+离子注入区的底面高于所述n阱区的底面；所述外延层上在所述深p阱区和第二介质隔离层之间设有第二n阱区，所述第二n阱区从所述外延层的顶面向下延伸，所述第二n阱区的底面高于所述深p阱区的底面；所述第二n阱区的顶面设有第二n+离子注入区；所述深p阱区的顶面在所述第一介质隔离层和n阱区之间设有第二p+离子注入区。2.根据权利要求1所述的一种高效率光电池，其特征在于，所述埋氧层、第一介质隔离层和第二介质隔离层的材质均为二氧化硅。3.根据权利要求1所述的一种高效率光电池，其特征在于，所述衬底为p型衬底，所述外延层为n型外延层。4.根据权利要求1所述的一种高效率光电池，其特征在于，所述第一介质隔离层的顶面和第二介质隔离层的顶面向上延伸至外延层的顶面，所述第一介质隔离层的底面和第二介质隔离层的底面向下延伸至埋氧层上。5.根据权利要求1所述的一种高效率光电池，其特征在于，所述n阱区和第二n阱区的深度相同，所述第一n+离子注入区的深度和第二n+离子注入区的深度相同，所述第一p+离子注入区和第二p+离子注入区的深度相同。6.根据权利要求1所述的一种高效率光电池，其特征在于，还包括穿过二氧化硅层分别与第一p+离子注入区和第二p+离子注入区电连接的阳极金属线；还包括穿过二氧化硅层分别与第一n+离子注入区和第二n+离子注入区电连接的阴极金属线。7.一种高效率光电池的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：在p型衬底上从下往上依次制造埋氧层和n型的外延层；s2：在外延层上制作第一介质隔离层和第二介质隔离层，所述第一介质隔离层和第二介质隔离层在外延层上左右分布，所述第一介质隔离层的顶面和第二介质隔离层的顶面向上延伸至外延层的顶面，所述第一介质隔离层的底面和第二介质隔离层的底面向下延伸至埋氧层上；s3：从外延层的顶面向内制作深p阱区，所述深p阱区在第一介质隔离层和第二介质隔离层之间，所述深p阱区的底面高于所述外延层的底面；s4：从所述深p阱区的顶面向内制作n阱区和从外延层的顶面向内制作第二n阱区，所述第二n阱区在所述深p阱区和第二介质隔离层之间，所述n阱区的底面和第二n阱区的底面高于所述深p阱区的底面；s5：在n阱区的顶面向内制作第一p+离子注入区和在深p阱区在第一介质隔离层和n阱区之间的顶面向内制作第二p+离子注入区；在n阱区的顶面向内制作第一n+离子注入区和
在第二n阱区的顶面向内制作第二n+离子注入区，所述第一n+离子注入区在所述第一p+离子注入区右侧；s6：在所述外延层的顶部制作二氧化硅层，所述二氧化硅层覆盖所述第一介质隔离层、第二介质隔离层、深p阱区、n阱区和第二n阱区；s7：在所述二氧化硅层上制作与所述第一p+离子注入区和第二p+离子注入区电连接的阳极金属线，在所述二氧化硅层上制作与所述第一n+离子注入区和第二n+离子注入区电连接的阴极金属线。8.根据权利要求7所述的一种高效率光电池的制造方法，其特征在于，在步骤s2中先在外延层上蚀刻出制造第一介质隔离层和第二介质隔离层的沟槽，然后在沟槽中沉积二氧化硅来制造第一介质隔离层和第二介质隔离层。9.根据权利要求7所述的一种高效率光电池的制造方法，其特征在于，在步骤s3中通过离子注入技术来制作深p阱区；步骤s4中通过离子注入技术来制作n阱区和第二n阱区；步骤s5中通过离子注入技术来制作第一p+离子注入区、第二p+离子注入区、第一n+离子注入区和第二n+离子注入区。10.根据权利要求7所述的一种高效率光电池的制造方法，其特征在于，步骤s7中先在二氧化硅层上蚀刻出阳极导线孔和阴极导线孔，然后在阳极导线孔和二氧化硅层上沉积铝来形成阳极金属线，在阴极导线孔和二氧化硅层上沉积铝来形成阴极金属线。

技术总结
本发明涉及光电池技术领域,公开了一种高效率光电池及其制造方法，其中光电池包括从上往下依次层叠的衬底、埋氧层、外延层和二氧化硅层；外延层上设有第一介质隔离层、第二介质隔离层和深P阱区，深P阱区上设有N阱区，N阱区的顶部设有第一P+离子注入区和第一N+离子注入区，外延层上在深P阱区和第二介质隔离层之间设有第二N阱区，第二N阱区的顶面设有第二N+离子注入区；深P阱区的顶面在第一介质隔离层和N阱区之间设有第二P+离子注入区；在实际使用时，本发明的光电池形成三个PIN结构，而光在循环多次经过三个PIN结构时都能产生光电流，从而提高了光电池对光的利用效率和转换效率。从而提高了光电池对光的利用效率和转换效率。从而提高了光电池对光的利用效率和转换效率。


技术研发人员：罗寅 张胜 谭在超 丁国华
受保护的技术使用者：苏州锴威特半导体股份有限公司
技术研发日：2023.07.25
技术公布日：2023/8/24