[发明专利]GaAsP纳米结构的Ga辅助的生长、不含金的GaAsP纳米结构及包含该纳米结构的光伏电池

说明书

发明领域

本发明涉及半导体纳米结构，例如纳米线或纳米“薄片”，并且适用于例如光伏器件或类似的器件。

发明背景

常规地，纳米结构是具有至少一个其的大小在纳米范围（即～10^-9m）内的区域或特征维度的材料结构。例如，该结构可以为其的厚度在纳米范围内的板的形式。可选择地，该结构可以实质上是一维的，其中其的横向尺寸在纳米范围内。准一维的纳米结构可以被称为纳米线。

半导体纳米线的生长在1964年首先被Wagner和Ellis讨论。他们生长的纳米线借助于液体金催化剂颗粒和被称为蒸气-液体-固体（VLS）生长机理的纳米线生长机理被催化。该名称来源于以下事实，即用于生长线的材料最初在蒸气相或气相中，然后变为被结合到金催化剂颗粒的液相中，并且最终进入纳米线本身的固体相。通常，这样的纳米线生长以以下步骤为特征，即把一个或多个金催化剂颗粒放置在生长衬底上并且然后把生长材料引入系统中，在系统中它们将被金催化剂颗粒聚集。在某种程度上，金颗粒将变得被生长材料过饱和化并且开始使其本身下方的材料成核并且以这种方式“生长”纳米线。催化剂颗粒的直径决定纳米线的直径。

多年以来，对于催化剂的优选材料一直是金。硅和第III-V族半导体纳米线二者的借助于金催化剂颗粒的生长已经被透彻地研究并且具有关于该话题的大量公开的文献。

纳米线的小直径的一个优点是可以把它们在非晶格匹配的衬底上生长，即在晶格中的单个的原子之间的距离不同于纳米线中的单个原子之间的距离的衬底上生长。该优点出现，是因为纳米线的小直径减少或最小化其经历的应变。在早期的描述在硅上被金催化地生长非晶格匹配的磷砷化镓（GaAsP）III-V纳米线的文章[1]中，所使用的生长体系是金属有机气相外延（MOVPE）。除了MOVPE，已知的是如何使用分子束外延（MBE）制造第III-V族半导体纳米线。

虽然在本领域中有所关注，但是纳米线生长的理论理解尚未发展以支持实验数据。在2010年，Frank Glas发表了文章[2]，在其中他计算出金催化剂液滴的化学势为其的第III族和第V族原子的含量的函数。在该文章中，表明金液滴的化学势显著地取决于液滴内的第V族材料的量。催化剂液滴和其正停靠在其上的半导体表面的化学势的差异是液滴的过饱和化以及因此用于液滴下的纳米线的成核的驱动力的测量。文章包含理论计算以表明，假定少量的第V族材料在纳米线生长期间被结合到催化剂颗粒中，，对于相同量的第V族材料，生长磷化镓（GaP）纳米线比生长砷化镓（GaAs）纳米线时，金液滴的化学势将较大。

最近，利用镓作为用于生长砷化镓（GaAs）纳米线的颗粒的纳米线生长方法已经被开发。Ga辅助的这种生长类型也被称为自辅助生长。GaAs纳米线被直接地在硅衬底上生长或在具有在纳米线生长之前被沉积在顶部上的硅氧化物（SiOx）层的衬底上生长[3、4、5]。衬底的典型使用的晶体取向是(111)。镓液滴的以这种方式辅助生长的用途意味着纳米线可以被更容易地结合至基于硅的技术，因为镓不以与金相同的方式影响硅的电子性质和半导体性质，这可以对硅的性质具有有害影响[11]。

镓辅助的GaAs纳米线生长机理被认为与被金催化的生长机理近似地相同。认为，GaAs纳米线生长在硅衬底上来回运动的自由镓原子形成镓液滴之后开始，镓液滴然后被As材料过饱和化。当液滴达到过饱和化的某个临界量时，它们开始在下方成核GaAs。因为新的镓原子在生长期间正持续地被结合到液滴中，所以液滴在生长全过程中保持不变，除非被结合在液滴中的新的镓原子的数量小于被结合的As原子的数量。已知自辅助的GaAs纳米线对于光电应用是优选的[9]。

铟-磷化物InP和InAsP的不使用金的生长也已经被实现[6、7]。然而，至少对于InAs的情况，仍然被争论的是在纳米线的生长期间液体颗粒是否存在。

第III-V族半导体纳米结构的在光伏电池的活性层中的用途是已知的。

例如，US7,087,833公开了包括作为光敏层的至少一个部分的半导体纳米结构的光伏器件。每个纳米结构具有由第一材料（例如GaAs）制造的核，核被由不同于第一材料的第二材料（例如InP）制造的壳围绕。材料被选择为展示II型带偏移曲线，由此被纳米结构上的入射光创造的载流子的一个类型通过核被传导并且载流子的另一个类型通过壳被传导。

WO2008/067824公开了具有活性层的光伏器件，其中具有片状的（例如成锥形的平面的）形状的核-壳类型纳米结构被在衬底上生长。在一个实施例中，InAs纳米薄片使用被金催化的VLS制造方法在GaAs衬底上生长。