一种基于应力分布的电子收集器实现方法

摘要

本发明涉及一种基于应力分布的电子收集器实现方法，包括以下内容：1)根据半导体材料光生载流子寿命及扩散距离，确定电子收集区域；2)根据收集效果，采用光学变换原理设定三个电子迁移率值；3)根据设定的环形电子收集区域的径向电子迁移率ur和环向电子迁移率uθ分别得到A扇形区域和B扇形区域所对应的电子迁移率分布；4)根据计算得到的A扇形区域和B扇形区域的电子迁移率分布，通过半导体的迁移率大小和应力大小的关系，计算得到环形电子收集区域的A扇形区域和B扇形区域的应力分布；5)计算得到C区域的应力分布；6)根据求解得到应力分布，将各区域分别施加相应应力，即制作得到一电子收集器。本发明可以广泛应用于半导体器件、太阳能等领域。

权利要求

1.一种基于应力分布的电子收集器实现方法，其特征在于包括以下内容：

1)根据半导体材料光生载流子寿命及扩散距离，确定电子收集区域，具体过程为：

1.1)采用半导体材料制作一基底，根据半导体材料光生载流子寿命及扩散距离，在基底上设置一环形电子收集区域，并将环形电子收集区域间隔分割成若干扇形区域；

1.2)将所有扇形区域分别定义为A扇形区域和B扇形区域相间分布，环形电子收集区域以外的区域定义为C区域；

2)根据收集效果，采用光学变换原理设定三个电子迁移率值，其中，三个电子迁移率值分别为环形电子收集区域周围的电子迁移率μ0，环形电子收集区域的径向电子迁移率μr以及环形电子收集区域的环向电子迁移率μθ；

3)根据设定的环形电子收集区域的径向电子迁移率ur和环向电子迁移率uθ分别得到A扇形区域和B扇形区域所对应的电子迁移率分布；

4)根据计算得到的A扇形区域和B扇形区域的电子迁移率分布，通过半导体的迁移率大小和应力大小的关系，计算得到环形电子收集区域的A扇形区域和B扇形区域的应力分布；

5)根据环形电子收集区域周围的电子迁移率μ0，通过半导体的迁移率大小和应力大小的关系，计算得到C区域的应力分布；

6)根据求解得到的A扇形区域、B扇形区域以及C区域的应力分布，将各区域分别施加相应应力，即制作得到一电子收集器。

2.如权利要求1所述的一种基于应力分布的电子收集器实现方法，其特征在于：所述2)三个电子迁移率值满足如下关系：μrμθ＝μ02且μr>μθ。

3.如权利要求1所述的一种基于应力分布的电子收集器实现方法，其特征在于：所述3)中的A扇形区域和B扇形区域所对应的电子迁移率分布μA和μB为：式中,fA是整个A扇形区域占环形电子收集区域的体积比，fB是整个B扇形区域占环形电子收集区域的体积比。

4.如权利要求2所述的一种基于应力分布的电子收集器实现方法，其特征在于：所述3)中的A扇形区域和B扇形区域所对应的电子迁移率分布μA和μB为：式中,fA是整个A扇形区域占环形电子收集区域的体积比，fB是整个B扇形区域占环形电子收集区域的体积比。

5.如权利要求1～4任一项所述的一种基于应力分布的电子收集器实现方法，其特征在于：所述基底选择硅、锗、砷化镓和碳化硅中的一种。

说明书

一种基于应力分布的电子收集器实现方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体技术领域，特别是关于一种基于应力分布的电子收集器实现方法。

背景技术

[0002] 目前，通过变换光学原理实现对场的操控成为电磁波、声波、热场、电场、磁场等领域的热门。

[0003] 通过PN结结构实现电子和空穴的分离是过去几十年来非常重要的发明。作为电子学、光电子学、光伏器件，PN结在现代信息科技和能源技术中扮演着极其重要的角色。通常来说，PN结是通过两种不同性质的半导体材料(即P型半导体和N型半导体)的接触来产生内建电场，从而对电子和空穴实现两个相反方向的作用力，最终实现电子和空穴的分离。然而，PN结并非能够在所有的半导体材料中实现，另外，通过PN结实现电子空穴的分离也有一些缺点，比如在有限的空间内积累载流子导致整流效应的延迟，即整流的高频截止效应。

发明内容

[0004] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够避免高频截止效应的基于应力分布的电子收集器实现方法。

[0005] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于应力分布的电子收集器实现方法，其特征在于包括以下内容：1)根据半导体材料光生载流子寿命及扩散距离，确定电子收集区域，具体过程为：1.1)采用半导体材料制作一基底，根据半导体材料光生载流子寿命及扩散距离，在基底上设置一环形电子收集区域，并将环形电子收集区域间隔分割成若干扇形区域；1.2)将所有扇形区域分别定义为A扇形区域和B扇形区域相间分布，环形电子收集区域以外的区域定义为C区域；2)根据收集效果，采用光学变换原理设定三个电子迁移率值，其中，三个电子迁移率值分别为环形电子收集区域周围的电子迁移率μ0，环形电子收集区域的径向电子迁移率μr以及环形电子收集区域的环向电子迁移率μθ；3)根据设定的环形电子收集区域的径向电子迁移率ur和环向电子迁移率uθ分别得到A扇形区域和B扇形区域所对应的电子迁移率分布；4)根据计算得到的A扇形区域和B扇形区域的电子迁移率分布，通过半导体的迁移率大小和应力大小的关系，计算得到环形电子收集区域的A扇形区域和B扇形区域的应力分布；5)根据环形电子收集区域周围的电子迁移率μ0，通过半导体的迁移率大小和应力大小的关系，计算得到C区域的应力分布；6)根据求解得到的A扇形区域、B扇形区域以及C区域的应力分布，将各区域分别施加相应应力，即制作得到一电子收集器。

[0006] 所述步骤2)三个电子迁移率值满足如下关系：

[0007] μrμθ＝μ02且μr>μθ。

[0008] 所述步骤3)中的A扇形区域和B扇形区域所对应的电子迁移率分布μA和μB为：

[0009]

[0010]

[0011] 式中,fA是整个A扇形区域占环形电子收集区域的体积比，fB是整个B扇形区域占环形电子收集区域的体积比。

[0012] 所述基底选择硅、锗、砷化镓和碳化硅中的一种。

[0013] 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的电子收集器能够使半导体中不同区域实现不同的应力分布，从而产生设定的电子迁移率分布，当外加光源产生光生载流子时，能够将扩散的电子实现收集效果，电子收集器内部的电子浓度是其他区域电子浓度的几倍到几十倍，从而达到控制电子实现电子空穴分离的作用。2、本发明的电子收集器对于各种材料都适合，而且没有高频截止效应。3、传统的基于PN结原理的电子空穴分离是通过两种不同掺杂性质的半导体接触实现内建电场从而实现对电子空穴的分离，而本发明只需要在同一种半导体材料中通过施加应力便能够实现对电子在特定区域的收集，从而实现了电子空穴的分离，因此本发明具有对所有半导体材料的普适性。本发明可以广泛应用于半导体器件、太阳能等领域。

附图说明

[0014] 图1是本发明的空间坐标变换示意图；

[0015] 图2是本发明的实施例一电子收集器结构示意图，其中，电子从电子收集器的左边进入扩散，图(a)为环形电子收集区域分布示意图， 表示A扇形区域， 表示B扇形区域， 表示C区域；图(b)为电子浓度示意图；

[0016] 图3是本发明的实施例二电子收集器结构示意图，其中，电子从电子收集器的左边进入扩散，图(a)为环形电子收集区域分布示意图， 表示A扇形区域， 表示B扇形区域， 表示C区域；图(b)为电子浓度示意图。

具体实施方式

[0017] 以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

[0018] 本发明根据光学变换原理通过设计空间中的电子空穴迁移率分布实现对电子在特定区域汇集。光学变换的基本原理可以归纳为：坐标变换不改变麦克斯韦方程的形式，只改变其中的基本参数和场值。通过光学变换原理，可以实现对物理场的操控；众所周知，物质的扩散可以用菲克定理来描述，那么可以将光学变换的基本原理引入扩散场，实现对扩散的控制。

[0019] 对于静态菲克定律，其扩散方程可以表示为：

[0020] ▽·(D▽C)＝0

[0021] 在变换空间里，则可以表示为：

[0022]

[0023] 其中，

[0024]

[0025] 式中，C为浓度，D为扩散系数，A为雅可比变换矩阵，x,y,z为原始坐标，x',y',z'为变换坐标。

[0026] 如图1所示，假设一个二维情况，半径为b的圆向半径为a的同心圆压缩，同时半径为c的同心圆被稀释，那么坐标变换可以表示为：

[0027]

[0028]

[0029] 式中，k1＝b/a，k2＝(c-a)/(c-b)，k3＝(b-a)/(c-b)是柱坐标下的系数。D0为背景的扩散系数，Dr为径向的扩散系数，φ，z分别为原始坐标，φ'，z'分别为变换后的坐标。

[0030] 物质收集器件分为三个区域：中心区域为r′≤a,物质浓度增强了k1倍；在中间层(a≤r′≤b)，物质浓度向中心区域集中；在外层(b≤r′≤c),物质浓度稀释了k2倍。因此可以很容易地得到，对于一个物质收集器，其扩散系数的分布可以表示为：

[0031] Dθ＝Dr＝D0＝1 c≤r，0≤r≤a

[0032]

[0033] 式中，Dθ为环向扩散系数。

[0034] 由公式(3)可以看出，一个物质收集器是需要环向和径向扩散系数为梯度变化的各向异性分布。显然，要实现这样梯度的、各向异性的扩散系数非常困难，非常不利于在实际中实现。但是通过研究发现，环向和径向扩散系数的乘积为背景扩散系数的平方。假设环向扩散系数为d，那么径向的扩散系数为1/d，当假设环向扩散系数为一个常数而不是一个梯度函数，那么径向的扩散系数也为一个常数。但是通过研究发现，只要扩散系数满足Dθ·Dr＝D02，且Dθ＜Dr即可，比如设定环向的扩散系数Dθ为d,那么可以得到径向的扩散系数为1/d。由于在半导体材料中的电子空穴的迁移率正比于扩散系数，假设环向和径向迁移率分别为μθ和μr，背景迁移率为μ0，那么收集器的迁移率需要满足μrμθ＝μ02且μr>μθ。

[0035] 本发明的基于应力分布的电子收集器实现方法，具体实现过程为：

[0036] 1、根据半导体材料光生载流子寿命及扩散距离，确定电子收集区域，具体过程为：

[0037] 1.1)采用半导体材料制作一基底，根据半导体材料光生载流子寿命及扩散距离，在基底上设置一环形电子收集区域，并将环形电子收集区域间隔分割成若干扇形区域；基底可以选择硅、锗、砷化镓和碳化硅中的一种。

[0038] 1.2)将所有扇形区域分别定义为A扇形区域和B扇形区域相间分布，环形电子收集区域以外的区域定义为C区域；如图2所示，黑色区域均为A扇形区域，白色区域均为B扇形区域，灰色区域为C区域。

[0039] 2、根据收集效果，采用光学变换原理设定三个电子迁移率值，其中，三个电子迁移率设定需要满足：

[0040] μrμθ＝μ02且μr>μθ

[0041] 式中，μ0为环形电子收集区域周围的电子迁移率，μr为环形电子收集区域的径向电子迁移率，μθ为环形电子收集区域的环向电子迁移率。假设选定μr＝4μ0，μθ＝1/4μ0则可以实现收集效果。本发明实施例具体试验时可以将环向和径向迁移率设置为常数，并且它们的乘积为背景迁移率的平方，并且环向的迁移率要比径向的迁移率要小，环向迁移率越小则收集效果越好；那么如果假设背景迁移率为1，环向和径向的迁移率可以为常数如1/5和5，1/10和10等常数。

[0042] 本发明实施中的环形电子收集区域的收集效果可以采用有限元软件comsol进行模拟，评价所设计的环形电子收集区域效果，即首先选用comsol中的扩散模型，根据设计要求设定环形电子收集区域和背景扩散系数分布，观察模拟后扩散通量分布图，通过观察环形电子收集区域中心的通量大小来评判环形电子收集区域的收集效果。

[0043] 3、根据设定的环形电子收集区域的径向电子迁移率ur和环向电子迁移率uθ分别计算A扇形区域和B扇形区域所对应的电子迁移率分布。

[0044] 为了实现各向异性的环向和径向电子迁移率分布，A扇形区域和B扇形区域的电子迁移率分布μA和μB可以表示为：

[0045]

[0046]

[0047] 式中,fA是整个A扇形区域占环形电子收集区域的体积比，fB是整个B扇形区域占环形电子收集区域的体积比。

[0048] 4、根据计算得到的A扇形区域和B扇形区域的电子迁移率分布，通过半导体的迁移率大小和应力大小的关系，计算得到环形电子收集区域的A扇形区域和B扇形区域的应力分布。

[0049] 5、根据环形电子收集区域周围的电子迁移率μ0，通过半导体的迁移率大小和应力大小的关系，计算得到C区域的应力分布。

[0050] 6、根据求解得到的A扇形区域、B扇形区域以及C区域的应力分布，将各区域分别施加相应应力，即制作得到一电子收集器，具体是：根据所施加的应力大小制作相应的模具，并将制作的模具紧贴着基底，采用压机施加于模具压力最终在半导体材料上实现不同地方具有不同压力。

[0051] 下面通过具体实施例对本发明的电子收集器实现方法进行详细说明：

[0052] 实施例一：选用单晶本征硅作为基底，利用光学变换原理，并结合本征硅随应力变化的迁移系数，设计出电子收集器所需的应力分布，具体过程为：

[0053] 1、如图2所示，将环形电子收集区域设定为内径300um,外径为1000um的圆环，黑色区域均为A扇形区域，白色区域均为B扇形区域，A扇形区域和B扇形区域的中心角的角度分别为20°和10°，灰色区域为C区域；

[0054] 2、将背景迁移率设定为500cm2/V·s，径向电子迁移率为1000cm2/V·s，环向电子迁移率为250cm2/V·s；

[0055] 3、通过计算可以得到A扇形区域和B扇形区域的电子迁移率分别为220cm2/V·s和1200cm2/V·s，C区域的迁移率为500cm2/V·s；

[0056] 4、查阅本征硅的电子迁移率与应力关系数据可以得到，A扇形区域需要施加的压力为2GPa，B扇形区域需要施加的压为0GPa，C区域施加的压力为1GPa；

[0057] 5、根据各区域应力分布，对应A扇形区域、B扇形区域和C区域制作相应的钢材质模具(图中A扇形区域和C区域为突出部分)，将模具紧贴着本征硅，并用压机施加于模具压力最终在本征硅片上实现不同地方不同压力；

[0058] 6、使用时，将光打在制作的电子收集器上，产生光生载流子，即电子和空穴，并不断地扩散，当电子遇到施加不同应力的电子收集器后，电子汇聚在电子收集器的中心部分。

[0059] 实施例二：选用单晶本征硅作为基底，利用光学变换原理，并结合本征硅随应力变化的迁移系数，设计出电子收集器所需的应力分布，具体过程为：

[0060] 1、如图3所示，将环形电子收集区域设定为内径300um,外径为1000um的圆环，黑色区域A和白色区域B部分为相间的扇形，A扇形区域和B扇形区域的中心角的均为10°；

[0061] 2、将背景迁移率设定为600cm2/V·s,径向电子迁移率为1200cm2/V·s，环向电子迁移率为300cm2/V·s；

[0062] 3、通过计算可以得到A扇形区域和B扇形区域的电子迁移率分别为200cm2/V·s和2 2
1200cm/V·s,C区域的迁移率为600cm/V·s；

[0063] 4、查阅本征硅的电子迁移率与应力关系数据可以得到，A扇形区域需要施加的压力为2.3GPa，B扇形区域需要施加的压为0GPa，C区域需要施加的压为0.8GPa；

[0064] 5、根据各区域应力分布，对应A扇形区域、B扇形区域和C区域制作相应的钢材质模具(图中A扇形区域和C区域为突出部分)，将模具紧贴着硅片，并用压机施加于模具压力最终在硅片上实现不同地方不同压力；

[0065] 6、使用时，将光打在制作的电子收集器上，产生光生载流子，即电子和空穴，并不断地扩散，当电子遇到施加不同应力的电子收集器后，电子汇聚在电子收集器的中心部分。

[0066] 上述各实施例仅用于说明本发明，其中方法的各实施步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。