光电装置的制作方法

光电装置
1.优先权要求
2.本技术要求在2020年11月26日提交的欧洲专利申请号20306452.2的优先权权益，其内容通过引用以法律允许的最大程度整体并入本文。
技术领域
3.本公开总体涉及光电装置，并且更具体地涉及包括光发射器和光传感器的装置。


背景技术：

4.许多光电装置包括光发射器和对光的检测器、或光检测器。发射器被配置成当特定电压被施加到发射器时产生光。光检测器被配置成当接收光、优选由发射器发射的光时生成电子空穴对或光电流。
5.在本领域中需要解决已知光电装置的所有缺点或一些缺点。


技术实现要素：

6.一个实施例提供了一种光电装置，包括在同一衬底上的光发射器和光检测器，其中，发射器和光检测器中的至少一项基于半导体纳米颗粒。
7.另一实施例提供了一种制造光电装置的方法，包括在同一衬底上形成光发射器和光检测器，其中，发射器和光检测器中的至少一项基于半导体纳米颗粒。
8.根据实施例，基于半导体纳米颗粒的每个光检测器或发射器包括半导体纳米颗粒层、空穴传输层、电子传输层和电极。
9.根据实施例，该装置包括基于半导体纳米颗粒的发射器和基于半导体的光检测器。
10.根据实施例，所述光检测器包括光电二极管。
11.根据实施例，光检测器不包括半导体纳米颗粒。
12.根据实施例，光发射器和光检测器并排地在衬底上。
13.根据实施例，光发射器和光检测器被堆叠。
14.根据实施例，光发射器和光检测器两者都基于半导体纳米颗粒，并且光发射器和光检测器被堆叠。
15.根据实施例，光发射器和光检测器两者通过绝缘层分离。
16.根据实施例，衬底是弯曲的。
17.根据实施例，半导体颗粒的核由以下材料中的一种材料或以下材料中的一些材料的合金制成：cdse、cds、cdte、cdses、cdtese、ags、zno、zns、znse、cuins、cuinse、cuingas、cuingase、pbs、pbse、pbses、pbte、inassb、inas、insb、ingaas、inp、ingap、inalp、ingaalp、inzns、inznse、inznses、hgte、hgse、hgsete、ge、si，并且所述半导体颗粒的壳层由以下材料中的一种材料或以下材料中的一些材料的合金制成：cdse、cds、cdte、cdses、cdtese、ags、zno、zns、znse、cuins、cuinse、cuingas、cuingase、pbs、pbse、pbses、pbte、inassb、
inas、insb、ingaas、inp、ingap、inalp、ingaalp、inzns、inznse、inznses、hgte、hgse、hgsete、ge、si。
18.另一实施例提供了包括如前所述的装置的光谱仪。
19.另一实施例提供包括如前所述的装置的图像传感器。
20.另一实施例提供包括如前所述的装置的高光谱图像传感器。
21.另一实施例提供包括如前所述的装置的多光谱图像传感器。
22.另一实施例提供包括如前所述的装置的接近度传感器。
23.另一实施例提供包括如前所述的装置的光通信装置。
24.另一实施例提供包括如前所述的装置的飞行时间传感器。
25.另一实施例提供包括如前所述的装置的指纹传感器。
26.另一实施例提供包括如前所述的装置的面部id传感器。
27.另一实施例提供包括如前所述的装置的医疗、健康或保健传感器。
附图说明
28.将在以下参照附图对以例示和非限制性的方式给出的具体实施例的描述中详细描述上述特征和优点以及其他特征和优点，在附图中：
29.图1示出光电装置的实施例；
30.图2示出由光电装置可能发射的不同光波长和光谱；
31.图3示出光电装置的另一实施例；
32.图4示出光电装置的另一实施例；
33.图5示出光电装置的另一实施例；并且
34.图6示出光电装置的另一实施例。
具体实施方式
35.在各个附图中，相同的特征由相同的附图标记表示。尤其是在各种实施例中共同的结构特征和/或功能特征可以具有相同的附图标记，并且可以设置相同的结构特性、尺寸特性和材料特性。
36.为了清楚起见，仅详细例示和描述了对理解本文所述的实施例有用的操作和元件。
37.除非另外指出，当提及两个元件连接在一起时，这表示没有除了导体外的任何中间元件的直接连接，并且当提及两个元件耦联在一起时，这表示这两个元件可以连接或者它们可以通过一个或多个其他元件耦联。
38.在以下公开中，除非另外指出，当提及绝对位置限定词时，例如术语“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”等，或提及相对位置限定词时，例如术语“上方”、“下方”、“更高”、“更低”等，或提及取向限定词时，例如“水平”、“垂直”等，则参考图中所示的取向。
39.除非另有说明，表述“约”、“近似”、“基本”和“以
…
的数量级”表示在10％内，并且优选在5％内。
40.图1示出光电装置10的实施例。
41.装置10包括光发射器12和光检测器14，被配置成优选在光在场景上反射之后接收
由发射器12发射的光的至少一部分。
42.装置10例如是飞行时间(tof)传感器，换言之，该装置例如旨在通过飞行时间(tof)测量距离。备选地，该装置例如是接近度传感器。装置10例如是光谱仪。备选地，装置10例如被配置成在lifi(光保真)中使用，或者换言之，被用来允许通过光无线传输信息。例如，装置10被配置成使用在成像器或图像传感器中，以便生成表示场景的图像。例如，该装置是高光谱图像传感器或多光谱图像传感器。备选地，该装置例如是指纹传感器。备选地，该装置例如是面部id传感器，换言之，被配置成识别面部的装置。备选地，在该示例中，该装置是医疗、健康或保健传感器。
43.装置10包括支撑件16。发射器12和光检测器14并排处于同一支撑件16上。支撑件16包括衬底18。因此，发射器12和光检测器14处于相同的衬底上。衬底18例如是半导体层，例如由硅制成。例如，电子组件处于衬底18中和衬底上。例如，晶体管(未示出)，例如mos(金属氧化物半导体)晶体管，例如cmos(互补金属氧化物半导体)晶体管，可以形成在衬底18中和衬底上。备选地，衬底可以是另外的材料，例如玻璃或塑料。
44.支撑件16优选包括处于支撑件16、优选半导体衬底18上的互连网络20。互连网络20包括围绕若干级导电焊盘22的绝缘层的堆叠，焊盘22通过导电通孔24互连。互连网络允许形成在衬底中和衬底上的组件在这些组件自身之间互连以及与发射器和光检测器互连。
45.发射器12是基于半导体纳米颗粒的光发射器，在本领域中通常称为量子点。更具体地，发射器12包括一层或多层26的半导体纳米颗粒。
46.半导体纳米颗粒是纳米材料结构，其在考虑到对应于其带隙的电激励的情况下，由于半导体纳米颗粒内部的电子空穴对的产生和随后的复合而发射光子。类似地，在考虑到光子入射到纳米材料结构上的情况下，可以产生电子空穴对。以这种方式，可以基于半导体纳米颗粒例如构建诸如led(发光二极管)的发射元件以及诸如光检测器的检测元件。
47.半导体纳米颗粒包括半导体核。如果半导体纳米颗粒是光发射器的一部分，则核的尺寸或大小、组成和形状决定由发射器发射的光的波长，或者决定在光检测器中产生电子空穴对所吸收的光的波长。半导体纳米颗粒也可以包括包围核的壳层(优选在半导体材料中)，以便保护和钝化核。半导体纳米颗粒还包括从壳层延伸并且钝化、保护和功能化半导体表面的配体、有机脂族化合物、有机金属或无机分子。
48.图2示出可能由光电装置、例如由图1的发射器12发射的不同光波长。更准确地说，图2示出对于几种类型和/或尺寸的半导体纳米颗粒核，例如对于不同材料的核和壳层，发射量(y轴)作为波长(x轴，以nm为单位)的函数。
49.对应于一种类型的半导体纳米颗粒的发射量的每条曲线基本具有高斯曲线的形式。每条曲线的最大值对应于由发射器发射的光的中心波长。
50.如图2所示，发射器12可发射的波长范围相当大。例如，发射器12可以发射的波长为300nm及以上，并且例如在300nm至3000nm的范围内。因此，可以通过选择半导体纳米颗粒的特征来调谐或调节发射器12，以便获得被配置成发射选定波长的光发射器。
51.再次参考图1，层26的半导体纳米颗粒可以在几种类型的半导体纳米颗粒中。例如，半导体纳米颗粒可以是量子点，换句话说，一种具有基本为球形的核的半导体纳米颗粒。半导体纳米颗粒也可以是量子线或量子棒，换句话说，是一种具有在一个方向上有延伸形式的核的半导体纳米颗粒，例如基本是圆柱体的形式。半导体纳米颗粒也可以是量子阱，
换言之，一种具有基本带有层的形式、换言之平行六面体的形式的核的半导体纳米颗粒。
52.所述核例如由以下材料中的一种材料或以下材料中的一些材料的合金制成：cdse、cds、cdte、cdses、cdtese、ags、zno、zns、znse、cuins、cuinse、cuingas、cuingase、pbs、pbse、pbses、pbte、inassb、inas、insb、ingaas、inp、ingap、inalp、ingaalp、inzns、inznse、inznses、hgte、hgse、hgsete、ge、si。壳层例如由以下材料中的一种材料或以下材料中的一些材料的合金制成：cdse、cds、cdte、cdses、cdtese、ags、zno、zns、znse、cuins、cuinse、cuingas、cuingase、pbs、pbse、pbses、pbte、inassb、inas、insb、ingaas、inp、ingap、inalp、ingaalp、inzns、inznse、inznses、hgte、hgse、hgsete、ge、si。材料的选择取决于期望的波长，如关于图2所描述的。
53.优选地，核的尺寸小于20nm，例如在2至15nm的范围内。尤其在量子点的情况下，各量子点的直径优选在2至15nm的范围内。
54.层26处于构成阴极的电子传输层28和构成阳极的空穴传输层30之间。在图1的示例中，空穴传输层30处于层26上方并且电子传输层28处于层26下方。因此，电子传输层28与层26的最靠近衬底18的面接触，并且空穴传输层30因此与层26的最远离衬底18的面接触。电子传输层28与电极层或电极32接触，并且空穴传输层30与电极层或电极34接触。
55.电极层32和34由导电材料制成，例如由金属或氧化铟锡制成。电极32和34允许在发射器的阳极和阴极之间施加电压。
56.最靠近衬底的电极，在本示例中是电极32，处于例如互连网络20上，并且因此在互连网络上方。备选地，最靠近衬底的电极可以是网络20的焊盘22。
57.例如，图1的发射器12包括层堆叠，该层堆叠包括从支撑件16开始的电极32、电子传输层28、半导体纳米颗粒层26、空穴传输层30和电极34。
58.发射器的若干层优选对于由发射器12发射的光的波长至少部分透明。更具体地，处于层26和场景(朝向该场景发射光)之间的层对于由发射器发射的光的波长是至少部分透明的。在图1的示例中，在与衬底相对的一侧上发射光，换句话说，通过空穴传输层30和电极34。因此，空穴传输层30和电极34优选至少部分透明。
59.根据另一实施例，光可以发射通过衬底18。处于层26和支撑件16之间的层，在该示例中为电子传输层28和电极32、衬底18、和网络20的隔离层，对于发射器发射的光的波长是至少部分透明的。优选地，没有组件或焊盘处于由发射器12发射的光的路径上，换言之，没有组件或焊盘与层26垂直对准地定位。
60.至少部分透明的特征例如是材料的固有特征或层厚度的结果。优选地，发射器的层中的至少一个层、优选发射器的所有层是薄层，例如具有小于200nm的厚度。因此，这些层对于发射器和光检测器发射和接收的波长是部分透明的。
61.光检测器14被配置成接收由发射器发射(优选在场景上反射之后)的光的至少一部分。光检测器优选是基于半导体的光检测器。优选地，光检测器包括光电二极管。因此，光检测器优选包括形成pn结或pin结的半导体层。该结可以例如是垂直结或水平结。光检测器14优选不包括半导体纳米颗粒层。
62.在图1中，光检测器14包括具有水平pn结的光电二极管。光检测器14包括形成pn结的n掺杂半导体层36和p掺杂半导体层38。在图1的示例中，层36与层38接触并处于该层上方。在图1的示例中，光检测器还包括与层36接触的电极40和与层38接触的电极42。因此，光
检测器14包括层堆叠，该层堆叠包括从支撑件20起的电极42、半导体层38、半导体层36和电极40。
63.优选地，如在发射器中，光检测器14的层中的至少一些层对于光的波长是至少部分透明的。换言之，光检测器被配置成对波长(该波长被配置成在光检测器中产生空穴电子对)敏感。例如，电极40对于光的波长(光检测器被配置成对该波长敏感)至少部分透明。
64.在图1的示例中，发射器和光检测器被空气、换句话说被空的空间隔开。备选地，发射器和光检测器可以通过一种或几种材料隔开。优选地，发射器和光检测器至少通过绝缘材料隔开，优选地通过对发射器发射的波长和被配置成在光检测器中产生空穴电子对的波长不透明的材料隔开。
65.选择发射器的半导体颗粒的特征，使得发射器发射具有在第一范围(例如以第一波长为中心)内的波长的光，并且选择光检测器的特征，使得光检测器在接收具有在第二范围(例如以第二波长为中心)内的波长的光时生成电子空穴对。
66.第一波长和第二波长例如可以基本相同。根据另一实施例，第一波长和第二波长可以不同，以便从发射器接收最多的光。实际上，在一些应用中，由发射器发射的光在与场景交互时可改变波长。因此，由发射器发射的光与朝向光检测器反射的光的波长不同。
67.虽然图1表示发射器和光检测器的一些细节，但是根据另一实施例，发射器和光检测器可以由不包括半导体纳米颗粒的其他类型的基于半导体纳米颗粒的发射器和光检测器代替。
68.装置的形成包括在具有衬底18的同一支撑件16上形成发射器和光检测器。例如，发射器和光检测器顺序地形成。换句话说，例如首先形成发射器或光检测器然后形成另外的光检测器或发射器，而元件的未形成的区域由掩模保护。在发射器和光检测器包括公共层的情况下，例如在最靠近衬底的层中，这些层可以同时形成。制造方法的一个示例可以优选地依次包括：形成衬底18；如果相关的话，形成衬底18的组件；形成互连网络20；形成保护要形成光检测器的区域的掩模；形成发射器，包括形成电极32、形成电子传输层28、形成半导体纳米颗粒层26、形成空穴传输层30并且形成电极34；去除保护光检测器的定位的掩模；形成保护发射器的掩模；并且形成光检测器，包括形成电极42、形成p掺杂半导体层38、形成n掺杂半导体层并且形成电极40。
69.备选地，光检测器可以在发射器之前形成。
70.图3示出光电装置50的另一实施例。
71.与图1的装置10类似，装置50包括光发射器12和光检测器14，光检测器被配置成接收由发射器12发射的光的至少一部分。与装置10类似，装置50包括支撑件16，并且因此包括半导体衬底18和互连网络20。
72.装置50与装置10的不同之处在于，光检测器14不处于支撑件上，并且因此不处于衬底上，而是处于衬底18中。例如，在光检测器包括光电二极管的情况下，在衬底18中形成半导体区域，以便形成pn结或pin结。
73.优选地，覆盖光检测器的层，换言之，处于光检测器与场景(由发射器发射的光从该场景反射)之间的层，对于配置成在光检测器中生成空穴电子对的波长是透明的。
74.优选地，发射器12对于光检测器14的侧面偏置。换句话说，发射器与光检测器14外部的衬底18的区域垂直对准地定位。换句话说，发射器不与光检测器垂直对准。换句话说，
发射器不覆盖、甚至部分地覆盖光检测器。
75.制造该实施例的方法的示例与制造图1的实施例的方法的不同之处在于，形成光检测器是形成衬底的组件的一部分，并且因此在发射器的形成之前完成。
76.图4示出光电装置60的另一实施例。图4包括与图3相同的元件。将仅突出显示所述装置50与所述装置60之间的差异。
77.装置60与装置50的不同之处在于发射器12与光检测器14垂直对准。换句话说，发射器至少部分地覆盖光检测器，优选地完全覆盖光检测器。尤其是发射器的有源区，换言之，发射光的发射器的区域，例如半导体颗粒层26，被定位成与光检测器的有源区的至少一部分垂直对准，换言之，光检测器的区域注定接收由发射器发射的光。
78.由发射器发射的光在场景的方向上发送。装置60的处于发射器有源区之间的层优选地对于发射器发射的光的波长至少部分透明。在图4的示例中，场景处于发射器的与光检测器相对的一侧。因此，装置60的处于有源区和场景之间的层是空穴传输层30和电极34。所发射的光中的一些光例如在场景上反射并且例如通过发射器到达光检测器。优选地，处于场景和光检测器之间的发射器12的所有层对于在光检测器中产生电子空穴对的光的波长是至少部分透明的。在图4的示例中，处于光检测器和场景之间的层包括发射器的所有层，换言之，电极32和34、电子传输层28、空穴传输层30和半导体颗粒层26以及互连网络20。优选地，没有焊盘22处于光检测器和场景之间的互连网络中。
79.制造该实施例的方法类似于制造图3的实施例的方法，但是不同之处在于发射器与光检测器垂直对准地形成。
80.图5示出光电装置70的另一实施例。装置70包括发射器12和基于半导体颗粒的光检测器72的在支撑件16上的堆叠。
81.如前所述，装置70包括支撑件16，并且尤其包括互连网络20和半导体衬底18。装置70包括发射器12，换句话说，包括电极32和34、电子传输层28、空穴传输层30和半导体颗粒层26。
82.装置70还包括基于半导体颗粒的光检测器72。光检测器72包括如前所述的包含半导体纳米颗粒的层74。层74被配置成当在接收光检测器的工作范围内波长的光时生成电子空穴对。
83.已经关于图1描述了不同类型的半导体纳米颗粒。层74的半导体颗粒与层26是相同类型(量子点、量子线或量子棒、量子阱)或不同类型。类似地，层74的颗粒的材料例如在关于图1描述的相同材料列表中。层26的颗粒和层74的颗粒例如由不同的材料制成或由相同的材料制成。类似地，层26的颗粒和层74的颗粒可以具有基本相同的尺寸或可以具有不同的尺寸。优选地，层26的颗粒和层74的颗粒具有不同的尺寸和/或具有不同的类型和/或由彼此不同的材料制成。
84.更一般地，选择发射器的半导体颗粒的特征，使得发射器发射具有在第一范围(例如以第一波长为中心)内的波长的光，并且选择光检测器的半导体颗粒的特征，使得光检测器在接收具有在第二范围(例如以第二波长为中心)内的波长的光时生成电子空穴对。
85.第一波长和第二波长例如可以基本相同。根据另一实施例，如前所述，第一波长和第二波长可以不同。
86.层74处于构成阴极的电子传输层76和构成阳极的空穴传输层78之间。在图5的示
例中，空穴传输层78处于层74上方并且电子传输层76处于层74下方。因此，电子传输层76与层74的最靠近衬底18的面接触，并且空穴传输层78因此与层74的最远离衬底18的面接触。电子传输层76与电极层或电极80接触，并且空穴传输层78与电极层或电极82接触。
87.电极层80和82由导电材料制成，例如由金属制成。电极80和82允许在光检测器的阳极和阴极之间施加电压。
88.在图5的示例中，最靠近衬底的电极(在本示例中为电极80)处于互连网络20上并且因此处于互连网络上方。备选地，最靠近衬底的电极可以是网络20的焊盘22。
89.因此，光检测器72包括层堆叠，该层堆叠包括从支撑件16开始的电极80、电子传输层76、半导体纳米颗粒层74、空穴传输层78和电极82。
90.发射器和光检测器相互堆叠。在图5的示例中，发射器处于光检测器上。光检测器处于支撑件16上。因此，光检测器72处于发射器12和支撑件16之间。
91.备选地，发射器可以处于光检测器下方。发射器因此处于光检测器和支撑件之间。
92.如在图4的实施例中，图5的装置的至少一些部分优选地对于发射器12发射的光的波长和/或对于光检测器接收的光的波长至少部分透明。
93.例如，装置70包括处于发射器12和光检测器72之间的绝缘层84。绝缘层84例如在发射器的电极32和光检测器的电极82之间。绝缘层84例如在一侧上与发射器的电极32接触，并且在另一侧上与光检测器的电极82接触。绝缘层84确保发射器和光检测器的电绝缘。尤其，层84确保在电极82和电极32之间没有电连接。因此，通过在电极32和34之间以及电极80和82之间施加不同的电压，可以独立地控制发射器和光检测器。
94.备选地，发射器和光检测器可以具有代替电极82和32以及绝缘层84的公共电极。
95.图5的实施例的优点在于，发射器和光检测器的工作波长可以通过选择半导体颗粒的特征来调谐。
96.图5的实施例的另一优点是，由装置占据的表面低于如果发射器和光检测器并排设置所占据的表面。
97.图6示出光电装置90的另一实施例。
98.装置90包括弯曲的衬底91。例如，衬底由半导体材料、玻璃、金属或塑料材料制成。光电元件92形成在衬底的面94上。
99.弯曲的衬底指的是包括至少一个弯曲面(优选是横向面，优选是其上形成组件的面)的衬底。换句话说，指的是包括至少一个面的衬底，该至少一个面具有的边缘、优选其所有边缘在不同于该面中心水平的水平上。优选地，相对于面中心水平，两个横向面具有处于不同水平上的边缘。
100.优选地，衬底的至少一个横向面具有小于1cm的曲率半径，从而实现曲率可调谐的装置。
101.在图6的示例中，衬底的两个横向面都是弯曲的。每个元件92例如是光发射器或光检测器。
102.根据实施例，装置90包括单个发射器和多个光检测器，发射器和光检测器都由元件92表示。例如，发射器处于面94的中心。优选地，发射器是基于半导体纳米颗粒的发射器，例如先前描述的发射器12。装置90的光检测器例如类似于先前描述的光检测器14，换句话说，光检测器不包括半导体纳米颗粒。
103.根据另一实施例，装置90包括分别由元件92表示的多个发射器12和多个光检测器14。
104.根据另一实施例，每个元件92可以表示光检测器和发射器。例如，每个元件代表图1、3、4或5的实施例的发射器12和光检测器14或72。
105.可以在不同的衬底上分别形成发射器和光检测器，并且通过连接两个衬底的导体来连接发射器和光检测器。例如，两个衬底可以固定到并且电连接到支撑件，例如另一衬底，并且通过支撑件在这两个衬底之间连接。然而，这种结构使用空间。关于图1和图2至6描述的实施例的优点在于，该实施例允许形成比在两个不同衬底的情况下较小和较紧凑的装置。
106.已经描述了各种实施例和变体方案。本领域技术人员将理解，这些实施例的某些特征可以组合并且本领域技术人员将容易想到其他变体方案。
107.最后，基于上文提供的功能描述，本文描述的实施例和变体方案的实际实现方式在本领域技术人员的能力范围内。