片上太阳能电池的最新发展

光电二极管在光照下，P端可以产生一个相对于N端的正电压，因此光电二极管除了可以探测光信号以外，还可以作为能量收集器件，将光能转化为电能，太阳能电池就是利用光电二极管实现的。通过标准CMOS工艺制备片上太阳能电池，可以使它与CMOS集成电路系统共享硅基设计，因此电源与电路系统可以高度集成在一块芯片上，可以实现一个自供电的微系统。该技术对于传感器的微型化具有十分重要的意义^[1]。由式(5.4)可以得出光电二极管两端的电压V p d与流经负载的电流I L的函数：

在光照条件下，光电二极管在不同负载条件下的I-V特性曲线称为负载线，如图5.15所示。光电二极管作为太阳能电池提供的最大输出功率可以通过I×V的最大值得到，如图5.15中的阴影部分。

图5.14　单晶硅的光吸收系数和吸收深度曲线

我们以一个标准三阱（TripleWell）0.18µm CMOS(Comp lementary Metal Oxide Sem iconductor)工艺为例。芯片的衬底材料是P型硅（Psub），衬底内可以做出N型掺杂浓度较低的N阱（N-well）和深N阱（DN-well），也可以做出N型掺杂浓度较高的N+层和P型掺杂浓度较高的P+层。此外，在深N阱中可以做出P型掺杂浓度较低的P阱（Pwell）以及掺杂浓度较高的P+层。因此，在一个标准的三阱CMOS工艺中总共有6种P-N结，分别是N+/P-sub、P+/N-well、P+/DN-well，Nwell/P-sub，DN-well/P-sub和P-well/DN-well。图5.16中的粗线部分表示关注的P-N结，虚线部分表示寄生P-N结，即与关注的P-N结一同存在。不同P-N结具有不同的深度，深度浅的P-N结对于短波长光的量子效率高，深度深的P-N结对于长波长光的量子效率高。

图5.15　光电二极管作为太阳能电池的负载线

刘京京等详细研究了针对830 nm激光的标准0.25µm CMOS三阱工艺的片上太阳能电池设计。为了获得针对830 nm光源的各种P-N结的量子效率，我们首先设计了不同P-N结及组合，并进行了流片，包括^[2]：N+/P-sub、N-well/P-sub、DN-well/P-sub、P-well/DNwell、2P-well/DN-well串联、3P-well/DN-well串联和2P+/N-well串联。单个P-N结在830 nm激光源照射下只能产生0.3～0.45V的电压（基于安全的考虑，最大激光输出功率为5mW），不足以驱动电路系统，所以设计了两个及三个P-N结的串联。

图5.17展现了三种片上太阳能电池结构，金属导线通过高掺杂浓度的N+或P+实现P-N结之间的连接，因为掺杂浓度高具有更好的导电性能。图5.17(a)是两个P-well/DN-well串联。第一个P-N结的DN-well接地，它的P-well就会产生一个P-N结的正电压，然后将第一个P-N结的P-well连接到第二个P-N结的DN-well，理论上第二个P-N结的P-well就会生成两个P-N结的正电压。图5.17(b)是N-well/P-sub和P-well/DN-well的串联。N-well会生成低于P-sub的一个P-N结电压（即负电压），P-well会生成高于P-sub的一个P-N结正电压（DN-well与P-sub短路），所以该组合可以生成两个P-N结的电压差。图5.17(c)是三个P-well/DN-well串联，理论上可以生成三个P-N结的正电压。

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图5.16　标准三阱CMOS工艺中的6种可能P-N结结构的纵剖图

片上太阳能电池的芯片照片如图5.18所示，测试每个P-N结的负载线，并得到短路光电流，利用式(5.10)可以算出P-N结的量子效率。测试结果显示N+/P-sub、N-well/P-sub、DN-well/P-sub这三个P-N结产生的是负电压（P-sub接地），量子效率分别是1.68%、64.64%和70.46%。因为光源（830 nm）波长较长，所以越深的P-N结，量子效率就越高。P-well/DN-well、P+/N-well和P+/DN-well这三个P-N结能够生成正电压（N-well和DN-well接地），P-well/DN-well的量子效率会高于其他两个P-N结，但是也只有7.45%，这是因为830 nm激光的吸收深度比P-well/DN-well要深，寄生P-N结DN-well/P-sub吸收了大部分激光产生的电子-空穴对。

图5.17　片上太阳能电池结构图

图5.18　片上太阳能电池芯片照片

串联多个P-well/DN-well或者P+/N-well都生成0V电压，这是因为第一个P-N结里生成的空穴都被第二个P-N结的寄生P-N结中和了。例如：P-well/DN-well存在一个寄生DN-well/P-sub，后者对于波长较长的830 nm光子具有更强的吸收能力，因此在长波长光照射下，串联P-well/DN-well无法生成多倍的电压。如果光源是短波长，则该方法是有效的。最后选择了P-well/DN-well和N-well/P-sub串联组成片上太阳能电池，在光照条件下前者生成一个P-N结正电压，而后者生成一个P-N结负电压，两者之间就有两个P-N结的电压差，可以驱动一个电路系统。该片上太阳能电池测试的负载线如图5.19所示，照射的光强为79.45µW/mm 2。为了方便看图，N-well/P-sub的负载线以x轴为中心翻到了上面。N-well/P-sub的开路电压是0.503V（实际是-0.503V），P-well/DN-well的开路电压是0.464V，两个串联在一起的片上太阳能电池的开路电压是0.907V，基本是两者电压之和。该片上太阳能电池的光电转换效率约为3.5%。

图5.19　片上太阳能电池负载线测试结果

日本东京大学采用0.18µm的CMOS三阱工艺设计片上太阳能电池，测试了各种P-N结对白光LED的I-V曲线。在31000lx光强照射下，单个P-well/DN-well的开路电压是0.5V，短路电流是17.5µA；两个P-well/DN-well串联的开路电压是0.96V，短路电流是7µA；三个Pwell/DN-well串联的开路电压是1.3V，短路电流是3µA。前面讨论的结果是在830 nm激光照射下无法通过串联多个P-well/DN-well来提高电压，但是东京大学使用白光LED则可以实现，主要原因是在白光LED中，短波长的可见光占比大于红外线，所以P-well/DN-well的量子效率大于寄生P-N结DN-well/P-sub。虽然通过串联多个P-N结提高了电压，但是由于寄生P-N结导致漏电流，整体的光电转换效率随着串联的P-N结个数的增加而不断降低。香港科技大学也做了类似的工作，利用AMS 0.35µm CMOS工艺设计片上太阳能电池，采用卤灯作为光源。他们通过串联两个P+/N-well得到0.84V，串联三个P+/N-well得到了1.3V，但是两个串联的光电转换效率是0.3%，三个串联的效率只有0.06%。浅P-N结P+/N-well串联可以提高电压，这是因为该光源光谱主要集中在360～740 nm的短波长。韩国延世大学采用0.25µm CMOS工艺设计片上太阳能电池，同样也是采用卤灯作为光源。他们串联两个P-well/DN-well，并在太阳能电池上面加了滤光片。测试结果表明当滤掉大于600 nm波长的光时，串联结构才会起作用，得到双倍的P-N结电压。显然滤光片滤掉了长波长的光，也就是削弱了寄生P-N结DN-well/P-sub的影响，从而实现串联升压的效果，但是这也大大降低了光电转换效率，测试结果显示只有0.27%。