专利名称：用于光电应用的非单晶基板上的纳米线的制作方法
用于光电应用的非单晶基板上的纳米线
背景技术：
目前，为了生产具有高效率的太阳能电池，传统的太阳能电池制造 技术一般从很高质量的单晶基板比如硅入手。否则，如果使用非单晶基 板，则太阳能电池的效率降^^。然而，存在着与该类型传统太阳能电池 制造技术有关的缺点。
例如，缺点之一是目前对用于制造太阳能电池的高质量单晶硅基板 的需求太大，以至于这些基板供应不足。因此，由于高质量单晶硅基板 的缺乏，随着对基于单晶硅基板的太阳能电池的需求增加，制造太阳能 电池会是非常昂贵的，并且可能有时是不可能的。
因此，要求着手解决一个或多个上述问题。
图1是#>据本发明的不同实施例的包括一条或多条纳米线的示例性 装置的侧面剖#见图。
图2是根据本发明的不同实施例的包括一条或多条纳米线的另 一示 例性装置的侧面剖视图。
图3是根据本发明的不同实施例的包括一条或多条納米线的又另一 示例性装置的侧面剖#见图。
图4是根据本发明的不同实施例的包括一条或多条纳米线的再另一 示例性装置的侧面剖视图。
图5是根据本发明的不同实施例的包括一条或多条纳米线的另 一示 例性装置的侧面剖^L图。
图6是根据本发明的不同实施例的方法的流程图。
图7是根据本发明的不同实施例的另一方法的流程图。
具休实施方式
现在将详细参考本发明的不同实施例，在附图中示出它们的示例。 虽然将结合不同实施例来说明本发明，应当理解的是，这些不同实施例不是要限制本发明。相反地，本发明旨在涵盖可包括在根据权利要求解 释的本发明的范围内的替换、更改和等效物。而且，在根据本发明的不 同实施例的下列详细说明中阐述了大量具体细节，以便于透彻理解本发 明。然而，对于本领域技术人员来说4艮明显的是，可在不带有这些具体 细节的情况下实施本发明。在其它情况下，没有详细说明众所周知的方 法、程序、元件和电路，以免不必要地混淆本发明的方面。
图1是根据本发明不同实施例的示例性装置100的側面剖视图， 所述示例性装置100包括一条或多条以"桥接，，配置生长(或形成)的 纳米线102。特别地，在装置100内，可在非单晶材料表面104和106 (例如，多晶硅、非晶硅、多晶(颗粒尺寸在微米到纳米的范围内)金 刚石以及相关的碳基材料和/或微晶硅)上生长一条或多条单晶纳米线 102 (由每条直线表示)，所述非单晶材料一般是廉价的材料。因此， 由于装置100不包含昂贵的材料(例如，单晶硅)，可很大程度地减少 其制造成本。 一旦被制造，装置100可被正向偏置，从而导致纳米线102 发出光110(例如，成为光学活性的)，并使得装置100能够被用作显 示设备(未示出)的一部分。另外，如果装置100没有被偏置，纳米线 102可各自吸收具有宽能量范围(或更多)的电磁波112,并将其转化 为电流(例如，成为导电的)，从而使得装置100能够被用作太阳能电 池(或光电池)的一部分。而且，如果装置100被反向偏置，纳米线102 可各自吸收具有宽能量范围(或更多)的电磁波112,并以比零偏置时 更高的速度和效率将其转化为电流，从而使得装置100能够被用作辐射 探测器的一部分。通过在这些不同的应用中使用装置100，这些装置的 制造成本可被很大程度地降低。
进一步注意到，装置100可被用于很多种不同光源。例如在不同实 施例中，纳米线102可在，但不限于，红外波长、可见光波长、紫外(UV) 波长以及任何电磁波长范围内发出"光"110。另外，通过将装置100 的纳米线102适当地放置在光学腔中，像在传统的激光器结构中那样， 可将其用作产生激光110的增益区。
在图1中，由于装置100的纳米线102可被用于产生不同颜色的可 见光IIO，多个装置IOO可被用于为显示设备，比如平板显示器产生光。 例如在一个实施例中，三个不同的装置IOO可被用于显示器的每个像素。 特别地，可用为显示器像素产生红光的材料实现第一装置IOO的納米线102，可用为显示器像素产生绿光的材料实现第二装置100的纳米线 102,并且可用为显示器像素产生蓝光的材料实现第三装置100的纳米 线102。然后，例如，可由在传统液晶显示器中常见的非晶薄膜晶体管 驱动第一、二和三装置100，但不限于此。另外，多个装置100可被用 于显示器阵列。这里指出，对于太阳能电池应用，由于装置100的納米 线被用于吸收具有宽光语范围的光(和/或任何电磁波)112,可在一个 电池中用所有不同类型的材料实现所述装置100的纳米线。
注意到，当装置IOO被用作光发射器、辐射/光探测器或用作光电 池时，其单晶纳米线102表现出单晶半导体的全部特性，但装置100可 由廉价的材料，比如非单晶基板108制成，非单晶基板108可用玻璃、 Mylar 、石英、金属、钢、不锈钢、和/或其它廉价基板材料实现，但 不限于这些。而且，只要材料表面具有使得纳米线能够被生长的物理特 性，凸部104和106也可由廉价的材料制成，比如，但不限于，多晶硅、 非晶硅、多晶(颗粒尺寸在微米到纳米的范围内)金刚石以及相关的碳 基材料、微晶硅和/或可承受纳米线生长温度(例如，其可为约500摄 氏度)的任何材料。低温生长技术，比如等离子增强化学气相沉积，可 以使納米线生长温度显著低于500摄氏度。因此，装置100对于制造是 廉价的，并且其纳米线102还保持单晶特性，以用于高效率太阳能电池、 辐射/光探测器或光发射器。注意，显示设备(未示出)可包括一个或 多个用于发光的装置100。而且，太阳能电池可包括一个或多个装置100， 用于吸收具有宽光语范围的光(或任何电磁波)并将其转化为电流，以 进一步提高效率。另外，辐射/光探测器可包括一个或多个装置100。
在图l中，如上所述，装置100的制造可以是廉价的。另外，根据 一个实施例，作为装置IOO的一部分的非单晶基板材料108可来自轧辊。 因此，可用轧辊制造工艺实现多个装置IOO的制造。另外，由于非单晶 基板材料108可包括轻重量材料，比如Mylar ,得到的装置100可以 是轻重量的。另外，納米线102可被生长得密集到足以捕获光(或任何 电磁波)，但在纳米线102之间可有大量的空隙从而使其重量轻。当处 理重量成为问题的应用比如外太空应用时，可能对这方面有要求。例如 根据一实施例，在Mylar上制成以用作太阳能电池的多个装置100可被 巻成张紧密的巻，而不给与其相关的太空船或卫星增加很多重量。 一旦 太空船或卫星到达外太空，太阳能电池巻可以接着被解开而提供其期望的功能性。
由于可在透明基板108上制造装置100,可在既要求具有太阳能电 池应用，又要求具有一定透明度的情况中使用多个装置100。例如，一 个或多个包括透明非单晶基板膜108的装置IOO可被应用于窗户、屋顶 天窗和其它任何地方。注意，对于显示设备，装置100可输出不同方向 的光(或任何电磁波)110，包括通过透明非单晶基板108。应当理解的 是，对于太阳能电池(或光电池或辐射/光探测器)，装置100可从不 同的方向接收光(或任何电磁波)112,包括通过透明非单晶基板108。 应当认识到，如果装置IOO太阳能电池将被放在不透明的屋顶上，它可 能没有必要具有透明基板108。替代地，基板108可由热良导体，比如， 也耐用的薄铝板或不锈钢板，来实现。
在图l中，装置IOO可包括凸部104和106，它们可各自用文中提 到的各种材料中的任何材料制成，但不限于此。凸部104和106也可被 称为壁、柱等。注意到，可用任意的方式将凸部104和106布置在(或 耦接到)非单晶基板108上。单晶纳米线102每条可从非单晶凸部104 朝向凸部106生长(或生成)，或反之。在一条或多条单晶納米线102 可从非单晶凸部106朝向凸部104生长(或生成)的同时， 一条或多条 单晶纳米线102可从非单晶凸部104朝向凸部106生长(或生成)。在 这些情况中的任何一种之中，纳米线102可各自在其两端具有电接触(或 被电耦接)。因此，装置100的纳米线102可被称为桥接配置。应当理 解的是，每条纳米线102可被生长(或生成)为具有随机取向。纳米线 102可被生长(或生成)为使得它们相互定向和/或沿特定方向取向。注 意到，装置100的纳米线102能够将单晶半导体特性的优点(例如，高 光电转换效率)与非单晶基板108以及其它非单晶材料104和106结合。 这里指出，即使凸部104和106由非单晶材料构成，由于纳米线102的 直径极小的一维结构特征，纳米线102能够被生长为单晶结构。凸部104 和106的材料可被重掺杂(例如，对非晶和/或微晶硅用硼和磷)，使 得它们将成为电极和/或它们将在纳米线102中产生内建电势。
可用p型材料制造凸部104，而可用n型材料制造凸部106。因此， 可将正向偏置应用于凸部104的p型材料，从而导致纳米线102发出光 110 (或任何电磁波)。然而，如果没有偏置被应用于装置100，納米线 102中的内建电势将分离通过吸收光(或任何电磁波)产生的过剩的电子和空穴，导致电流流经可被连接或耦接至装置100的外部电路。
注意到，装置100的纳米线102每条可用任何类型的纳米线(例如， 材料、配置等)来实现。例如，每条纳米线102可用至少，但不限于， 金属、III-V族化合物半导体材料(例如GaAs、 GaN、 InP等)和相关合 金、II-VI族化合物半导体材料(例如，ZnO、 CdSe等)和相关合金、 IV族半导体材料(例如、Si、锗(Ge) 、 SiGe等)和相关合金等来实 现。而且，纳米线102的成分可以是本征的或每条可被部分掺杂。例如， 每条纳米线102可被掺杂为n型材料、p型材料或无掺杂。另外，纳米 线102可由一种类似GaAs或相关合金的材料制成。而且，纳米线102 可包含不同的片段。例如， 一条或多条纳米线102可具有由第一材料制 成的片段和由第二材料制成的第二片段，等等,从而产生一条或多条异 质材料纳米线102。另外， 一条或多条纳米线102可以是同心的，其中 纳米线具有第一材料的圆柱形芯，该圆柱形芯可用第二材料覆盖，等等。 这里指出，根据本发明的不同实施例可用任何类型的納米线来实现。
在图l中，指出的是，装置IOO的另一优点是纳米线102的生长时 间可以很短(例如，约30秒到1分钟生长约1微米的有源区)。因此， 这是贡献于装置IOO较短的总加工时间的因素。比较起来，典型的发光 二极管(LED)和激光器各自占用3到4小时的生长时间。因此装置100 的制造时间非常短，这使得其作为光发射器、辐射/光探测器和太阳能 电池非常具有吸引力。
图2是根据本发明不同实施例的示例性装置200的侧面剖视图， 该示例性装置200包括一条或多条以"桥接，，配置生长的纳米线202。 注意到装置200类似于图1的装置100。然而，图2的装置200的凸部 204和206是由与非单晶基板208 —样的材料形成的。而且，装置200 还包括绝缘体210，该绝缘体210将基板208的p型材料与其n型材料 电分离，从而使得电流能够在非单晶基板208中没有电短路的情况下流 经纳米线202。
特别地，可从基板208的凸部204朝向凸部206生长单晶纳米线 202，或反之。 一条或多条单晶纳米线202可从凸部204和206中之一 或两者生长，以最终与另一个凸部耦接。
在图2中，应当理解的是，纳米线202可用与文中关于纳米线102 说明的方式类似的任何方式来实现。另外，纳米线202可用与文中关于纳米线102说明的方式类似的任何方式来操作。另外，非单晶基板208 可用与文中关于非单晶基板108说明的方式类似的任何方式来实现。
装置200可包括凸部204和206,它们可各自用文中提到的各种材 料中的任何材料制成，但不限于此。凸部204和206也可被称为壁、柱 等。纳米线202可各自在其两端具有电接触(或被电耦接)。因此，装 置200的纳米线202可被称为桥接配置。注意到装置200的纳米线202
能够将单晶半导体特性的优点(例如，高光电转换效率)与非单晶基板 208结合。指出的是，即使凸部204和206由非单晶材料构成，由于纳 米线202的直径极小的一维结构特征，它们能够生长为单晶结构。凸部 204和206的材料可被重掺杂(例如，对非晶或微晶硅用硼和磷)，使 得它们将成为电极和/或它们将在纳米线202中产生内建电势。
图3是根据本发明不同实施例的示例性装置300的侧面剖视图，其 包括一条或多条以"事实桥接"配置生长的纳米线304。特别地，注意， 装置300的纳米线304可在非单晶基板308上被生长为要求的长度。此 后，可布置一层绝缘材料306，使其基本填充纳米线304之间的空隙。 然后，电极302 (例如，金锗、硅金，或其它欧姆金属接触)可被耦接 至纳米线304,这意味着现在有的电连接从各条纳米线304的顶端到其 底端，各条纳米线304的底端耦接至非单晶基板308。
注意，装置300的纳米线304可用与文中关于纳米线102说明的方 式类似的任何方式来实现。另外，纳米线304可用与文中关于纳米线102 说明的方式类似的任何方式来操作。而且，非单晶基板308可用与文中 关于非单晶基板108说明的方式类似的任何方式来实现。
在图3中，纳米线304可各自在其两端具有电接触(或被电耦接)。 因此，装置300的纳米线304可被称为事实桥接配置。注意装置300的 纳米线304能够将单晶半导体特性的优点(例如，高光电转换效率)与 非单晶基板308结合。指出的是，即使基板308由非单晶材料构成，由. 于纳米线304的直径极小的一维结构特性，它们能够生长为单晶结构。
应当理解的是，装置300可用于显示器技术。例如，可用为显示器 像素产生红光110的材料制造第一装置300的纳米线304，可用为显示 器像素产生绿光110的材料实现第二装置300的纳米线304,可用为显 示器像素产生蓝光110的材料实现第三装置300的納米线304。用这种 方式，显示器的每个像素可具有3个偏置点，因而每个像素可具有3个电分离的元件(例如，装置300 )。另外，多个装置300可被用于显示 器阵列。
图4是根椐本发明不同实施例的示例性装置400的侧面剖视图，其 包括一条或多条以"事实桥接"配置生长的纳米线304。注意装置400 类似于图3的装置300。然而，装置400的納米线304被生长在非单晶 材料的层310上。应当理解的是，非单晶材料的层310可用与文中关于 非单晶材料表面104和106说明的材料类似的任何一种或多种材料来形 成，但不限于此。例如，材料层310可用，但不限于，微晶硅(jac-Si) 来实现。
应当认识到，装置400的纳米线304可以用与文中关于纳米线102 说明的方式类似的任何方式来实现。另外，图4的纳米线304可以用与 文中关于纳米线102说明的方式类似的任何方式来操作。另外，非单晶 基板308可以用与文中关于非单晶基板108说明的方式类似的任何方式 来实现。
在图4中，纳米线304可各自在其两端具有电接触(或被电耦接)。 因此，装置400的纳米线304可被称为事实桥接配置。注意装置400的 纳米线304能够将单晶半导体特性的优点(例如，高光电转换效率)与 非单晶层310和基板308结合。指出的是，即使层310由非单晶材料构 成，由于纳米线304的直径极小的一维结构特性，它们能够生长为单晶 结构。应当理解的是，装置400可以用与文中说明的装置300类似的任 何方式来使用。
图5是根据本发明不同实施例的示例性装置500的侧面剖视图，其 包括以"桥接，，配置生长的一条或多条纳米线502、 504和506。特别地， 装置500示出了根据本发明不同实施例的，可用于太阳能电池和/或辐 射/光探测器的配置，但不限于此。
注意凸部516和518 (连同纳米线502 )可以用与文中关于图1的 凸部104和106 (以及纳米线102)说明的方式类似的任何方式来实现 和操作。而且，凸部518和520 (连同纳米线504 )可以用与文中关于 图1的凸部104和106 (以及纳米线102)说明的方式类似的任何方式 来实现和操作。另外，凸部520和522 (连同纳米线506 )可以用与文 中关于图1的凸部104和106 (以及纳米线102)说明的方式类似的任 何方式来实现和操作。然而，注意凸部516、 518、 520和522各自被分别耦接至电极508、 510、 512和514。电极508、 510、 512和514 (它 们每个都可以用与文中关于电极302说明的方式类似的任何方式来实 现)被耦接在每个凸部516、 518、 520和522的"顶部"，从而使得每
个电极能够被电耦接至其它电路(例如，与太阳能电池功能性有关)。 而且，非单晶基板524可以用与文中关于非单晶基板108说明的方式类 似的任何方式来实现。
指出的是，有根据本发明不同实施例的纳米线"桥接"的其它配置 未在文中特别示出。注意根据本发明的不同实施例不限于文中示出的那 些纳米线桥接配置。
图6是根据本发明不同实施例的用于制造包括一条或多条纳米线的 装置的方法600的流程图。方法600包括本发明不同实施例的示例性流 程，在计算设备可读并可执行的指令(或代码)例如软件的控制下，可 由(多个)处理器和电组件执行。计算设备可读并可执行的指令(或代 码)例如可驻留在数据存储特征中，比如可由计算设备使用的易失性存 储器、非易失性存储器和/或海量数据存储中。然而，计算设备可读并 可执行的指令(或代码)可驻留在任何类型的计算设备可读介质中。尽 管在方法600中公开了具体操作，这种操作是示例性的。方法600可以 不包括图6示出的全部操作。而且，方法600可包括各种其它操作和/ 或图6所示操作的变化。同样地，可以更改方法600的操作的顺序。注 意，可由软件、固件、电子硬件或它们的任意组合来执行方法600的操 作。
特别地，材料可被布置在非单晶基板上。 一条或多条纳米线可被布 置在材料和非单晶基板上。绝缘材料可被布置在该一条或多条纳米线、 材料和非单晶基板的至少一部分上。电极可被耦接至该一条或多条纳米
线以导通电流。用这种方式，可制造根据本发明不同实施例的可包括一 条或多条纳米线的装置。
在图6的操作602中，材料(例如，310)可被布置在非单晶基板 (例如，308 )上。注意可用多种方法实现操作602。例如，材料可包括， 但不限于，多晶硅、非晶硅、多晶(颗粒尺寸在微米到纳米的范围内) 金刚石和相关的碳基材料、微晶硅，等等。应当认识到，可用与文中所 述方式类似的任何方式来实现操作602,但不限于此。
在操作604中， 一条或多条纳米线(例如，304 )可被布置在材料和非单晶基板上。应当理解的是，可用各种方法实现操作604。例如，
该一条或多条纳米线可包括至少，但不限于，金属、ni-v族化合物半
导体材料和相关合金、II-VI族化合物半导体材料和相关合金、IV族半
导体材料和相关合金，等等。注意，可用与文中所述方式类似的任何方
式来实现操作604,但不限于此。
在图6的操作606中，绝缘材料(例如，306 )可被布置在一条或 多条纳米线、材料和非单晶基板的至少一部分上。应当认识到，可用各 种方法实现操作606。例如，可用与文中所述方式类似的任何方式实现 操作606'但不限于此。
在操作608中，电极(例如，302 )可被耦接至一条或多条纳米线 以导通电流。应当理解的是，可用各种方法实现操作608。例如，可用 与文中所述方式类似的任何方式实现操作608,但不限于此。在操作608 结束时，可退出流程600。用这种方式，可制造根椐本发明不同实施例 的可包括一条或多条纳米线的装置。指出的是，根椐本发明的不同实施 例，流程600的一条或多条纳米线可被用于发光(或任何电磁波)。另 外，根据本发明的不同实施例，流程600的一条或多条纳米线可被用于 吸收光(或任何电磁波)并产生电流。流程600的装置可与显示设备、 辐射/光探测器设备，和/或太阳能电池设备结合，但不限于此。
图7是方法700的流程图，该方法700用于制造根据本发明不同实 施例的包括一条或多条纳米线的装置。方法700包括本发明不同实施例 的示例性流程，在计算设备可读并可执行的指令(或代码)例如软件的 控制下，可由(多个)处理器和电组件执行。计算设备可读并可执行的 指令(或代码)例如可驻留在数据存储特征中，比如可由计算设备使用 的易失性存储器、非易失性存储器和/或海量数据存储中。然而，计算 设备可读并可执行的指令(或代码)可驻留在任何类型的计算设备可读 介质中。尽管在方法700中公开了具体操作，这种操作是示例性的。方 法700可以不包括图7示出的全部操作。而且，方法700可包括各种其 它操作和/或图7示出的操作的变化。同样地，可以更改方法700的操 作的顺序。注意，可由软件、固件、电子硬件或它们的任意组合来执行 方法700的操作。
特别地，可与非单晶基板结合形成一个或多个凸部。至少第一凸部 和第二凸部可各自包括电极。 一条或多条纳米线可被形成在至少第一凸部和第二凸部之间。用这种方式，可制造根据本发明不同实施例的可包 括一条或多条纳米线的装置。注意，第一和第二凸部中至少一个可被偏 置以导致装置以特定方式操作。
在图7的操作702中，可与非单晶基板结合形成一个或多个凸部(例 如，104、 106,之类)。注意，可用各种方式实现操作702。例如，至 少第一凸部和第二凸部可各自包括电极。应当认识到，可用与文中所述 方式类似的任何方式来实现操作702,但不限于此。
在操作704中， 一条或多条纳米线(例如，304 )可被形成在至少 第一凸部(例如，104)和第二凸部(例如，106)之间。应当理解的是， 可用各种方法实现操作704。例如，可用与文中所述方式类似的任何方 式来实现操作704，但不限于此。用这种方式，可制造根据本发明不同 实施例的可包括一条或多条纳米线的装置(例如，100之类)。
在图7的操作706中，第一和第二凸部中至少一个可被偏置以导致 装置以特定的方式操作。应当认识到，可用各种方法实现操作706。例 如，可用与文中所述方式类似的任何方式来实现操作706,但不限于此。 在操作706结束时，可退出流程700。指出的是，根据本发明的不同实 施例，流程700的一条或多条纳米线可被用于发光(或任何电磁波)。 另外，根据本发明的不同实施例，流程700的一条或多条纳米线可被用 于吸收光(或任何电磁波)并产生电流。流程700的装置可与显示设备、 辐射/光探测器设备和/或太阳能电池设备结合，但不限于此。
为了例证和说明，已给出根据本发明的不同特定实施例的上述说 明。它们不是要面面倶到或者将本发明限制于公开的确切形式，并且明 显地，根据上述教导，很多更改和变更是可能的。本发明可根据权利要 求及其等效物来解释。
1权利要求
1.一种装置100，包括非单晶基板108；从所述非单晶基板108的表面生长的纳米线102；以及耦接至所述纳米线102的电极，其中所述纳米线102是导电的或光学活性的。
2. 如权利要求1所述的装置100,其中所述纳米线102用于发出电 磁波110。
3. 如权利要求2所述的装置100，其中显示设备包括所述装置100。
4. 如权利要求1所述的装置100,其中所述纳米线102用于吸收电 磁波112并产生电流。
5. 如权利要求4所述的装置100,其中太阳能电池包括所述装置100。
6. 如权利要求1所述的装置100,其中所述非单晶基板108包括多 晶桂。
7. 如权利要求1所述的装置100，其中所述非单晶基板108包括非晶娃o
8. 如权利要求1所述的装置100,其中所述非单晶基板108包括微 晶娃。
9. 一种装置100,包括 非单晶基板108，包括第一凸部104;和 第二凸部106;以及 从所述第一凸部104上生长并耦接至所迷第二凸部106的纳米线102。
10. 如权利要求9所述的装置100,其中所述纳米线102用于发出光。
11. 如权利要求9所述的装置100，其中所迷納米线102用于吸收 电》兹波112并产生电流。
12. 如权利要求9所述的装置100，其中所述第一凸部104包括选 自多晶硅、非晶硅、多晶金刚石和相关碳基材料、以及微晶硅构成的组的材料。
13. 如权利要求9所述的装置100,其中所述非单晶基板108包括选自玻璃、石英、Mylar、钢、金属、塑料以及不锈钢构成的组的材料。
14. 如权利要求9所述的装置100,其中所述装置100与选自显示器和太阳能电池构成的组的设备结合。
全文摘要
根据本发明的一个实施例是装置100，其可包括非单晶基板108和从非单晶基板108的表面生长的纳米线102。而且，装置100还可包括耦接至纳米线102的电极。注意的是，纳米线102可以是导电的和/或光学活性的。
文档编号H01L29/06GK101553934SQ200780018737
公开日2009年10月7日 申请日期2007年5月22日 优先权日2006年5月22日
发明者N·科贝亚施, S·-Y·王 申请人:惠普开发有限公司