半导体纳米线的凹槽式接触的制作方法
【专利说明】半导体纳米线的四槽式接触
[0001]相关申请的交叉参考
[0002]本申请要求于2012年12月21日提交的序列号为13/723,413的美国非临时专利申请的优先权，其全部公开内容在此以引用的方式并入本文。
技术领域
[0003]本发明涉及半导体器件，并且更具体地涉及纳米线半导体器件。
【背景技术】
[0004]传统上，通过将纳米线封装在绝缘体中，然后对绝缘体进行蚀刻以使每根线材的顶端露出来实现轴向纳米线器件的电接触。然后沉积导电材料以形成纳米线的电接触。
[0005]本发明人观察到，现有技术中I X Imm2的InP纳米线太阳能电池的平均开路电压V。。比所预期的来自理想的InP太阳能电池(900mV)的显著低(500_700mV)。除了纳米线太阳能电池的平均V。。较低之外，V。。的分布通常是大的，具有若干10mV的标准偏差。因此，具有较高的开路电压且开路电压的小分布的纳米线太阳能电池是所需的。
【发明内容】
[0006]一个实施例涉及半导体纳米线器件，其包括:至少一根半导体纳米线，其具有底面和顶面；绝缘材料，其包围所述半导体纳米线；以及电极，其欧姆接触所述半导体纳米线的顶面。所述电极与所述半导体纳米线的半导体材料的接触由与所述半导体纳米线的顶面的接触占主导。
[0007]另一实施例涉及半导体纳米线器件，包括:至少一根半导体纳米线，其具有底面和顶面；绝缘材料，其包围所述半导体纳米线并且延伸到所述纳米线的顶面以上以在所述绝缘材料的侧壁与所述纳米线的顶面之间产生凹槽；以及电极，其填充所述凹槽并且欧姆接触所述纳米线的顶面。
[0008]另一实施例涉及制造半导体纳米线器件的方法，包括:形成至少一根半导体纳米线，所述半导体纳米线具有位于所述半导体纳米线的顶面的催化剂粒子或包括顶面的牺牲部分；围绕所述半导体纳米线形成绝缘材料；去除所述催化剂粒子或所述牺牲部分以在所述绝缘材料的顶面下方对所述纳米线的顶面形成凹槽；以及形成与所述纳米线的顶面欧姆接触的电极。
【附图说明】
[0009]图1a-1d是示出(a)顶部具有催化剂粒子、部分由绝缘体覆盖并且全部由透明电极覆盖的现有技术的纳米线，(b)顶部没有催化剂粒子、部分由绝缘体覆盖并且全部由透明电极覆盖的纳米线，(C)顶部具有催化剂粒子、纳米线的全长和催化剂粒子的一部分由绝缘体覆盖并且全部由透明电极覆盖的现有技术的纳米线以及(d)顶部没有催化剂粒子、绝缘体延伸超过纳米线的顶部并且全部由透明电极覆盖的纳米线的示意图。
[0010]图2a-2b是示出(a)图1a的纳米线在低偏压/低照明条件下的耗尽区以及(b)图1a的纳米线在高偏压/高照明条件下的耗尽区的示意图。
[0011]图3a-3d是(a)图1b或图1d的纳米线并联连接的纳米线器件的电路图，(b)图3a的电路的电流对电压曲线图，(C)图1a或图1c的纳米线并联连接的纳米线器件的电路图，(d)图3c的电路的电流对电压曲线图。
[0012]图4a_4d是示出实施例对于传统的纳米线器件的(a)效率、(b)填充因子、(c)开路电压以及⑷电流密度的增加的标绘图。
[0013]图5a_5g是示出根据实施例的制造纳米线器件的方法的示意图。
[0014]图5h和5i是示出根据可替代实施例制造的纳米线器件的示意性侧横截面视图。
[0015]图6a_6b是(a)顶部具有催化剂粒子的纳米线阵列以及(b)去除催化剂粒子并且在纳米线的顶部留下凹槽的纳米线阵列的扫描电子显微镜(SEM)显微图。
[0016]图7是对比在纳米线的顶部具有金催化剂粒子和不具有金催化剂粒子的纳米线的作为波长函数的反射率的曲线图。
[0017]图8a_8b是示出根据可替代实施例的制造纳米线器件的方法的示意图。
【具体实施方式】
[0018]为了本申请的目的，纳米线是直径(对于圆柱形纳米线而言)或宽度(对于非圆柱形纳米线而言，诸如在垂直于其轴线的平面内具有六边形横截面形状的纳米线)小于I微米，诸如2到500nm，诸如100到300nm的纳米级结构。然而，长度可以为至少0.5微米，诸如0.5到3微米，诸如I到2微米。
[0019]高效的太阳能电池由IV族或II1-V族材料，诸如但不限于S1、InP和GaAs制成，具有非常接近顶面的pn结。优选地，该pn结从表面的顶部起仅为几个10nm的数量级。这对于半导体纳米线器件也是如此。建模和实验两者都表明，最高效的半导体纳米线太阳能电池具有至少ISOnm的线径。这样，从接触的角度而言，半导体纳米线可被视为一块小平面材料。
[0020]为了从半导体纳米线阵列制成光电器件，诸如LED或太阳能电池，顶部接触优选包含透明的导电氧化物(TCO)。TCO与有源器件之间的接触优选具有尽可能低的电阻，最好是欧姆的。在太阳能电池的情况下，也优选接触本身不具有光学活性，即，接触不应从器件的开路电压(Vqc)中减去。
[0021]在从诸如Au等金属催化剂生长半导体纳米线的情况下，传统常识是，Au种子粒子有利于形成对纳米线的欧姆接触。因此，通常不去除Au粒子，特别是因为去除将需要额外的处理步骤。然而，已知金属催化剂种子粒子由于遮光性而会降低效率。除了遮光性之外并且与传统常识相反，集成金属粒子也可提供差的电接触。Au被发现对II1-V半导体形成肖特基型接触。除可能存在于半导体纳米线中的任何二极管之外，肖特基型接触在电流-电压特性中显示为反向二极管。因此，总器件典型地包括如图1a所示且在下面更详细地讨论的与反向肖特基二极管串联的半导体纳米线二极管。
[0022]图1a和Ib分别示出了现有技术和本发明第一实施例的纳米线器件。如图1a所示，现有技术的半导体纳米线101是轴向纳米线，其包括具有第一导电类型(例如P型或η型)的第一部分102和具有不同于第一导电类型的第二导电类型(例如η型或P型)的第二部分104。在半导体纳米线101的第一部分102与第二部分104之间的界面处形成png103。pn结103具有如图中的二极管附图标记120所指示的二极管的电特性。如果需要，纳米线可包括p-1-n结器件，其中结合区103包括本征半导体或第一或第二导电类型的半导体，其具有一定的掺杂浓度，该掺杂浓度的大小至少为低于区域102和104的的掺杂浓度的大小的数量级。
[0023]另外，绝缘或介电层包围半导体纳米线101的侧壁的至少一部分，由此形成围绕半导体纳米线101的绝缘外壳108。在一个实施例中，绝缘外壳108由诸如3102的透明材料制成。如果半导体纳米线101通过VLS工艺或使用金属催化剂粒子的其他工艺生长，诸如Aerotaxy?工艺(如已公布的PCT申请W011/142，717 (‘717公布文本)所述的那样，其被让与Qunano AB并且其全部内容在此以引用的方式并入本文)，则金属催化剂粒子106位于半导体纳米线101的第二部分104的顶部上。
[0024]如上所述，可在金属催化剂粒子106和半导体纳米线101的第二部分104之间形成反向肖特基二极管122。TCO电极110将包括绝缘外壳108在内的半导体纳米线101封装。在半导体纳米线101的未被绝缘外壳108覆盖的那些部分，可在TCO电极110与半导体纳米线101之间形成直接接触。这种接触通常是欧姆的，如附图标记124所示。另外的欧姆接触可在金属催化剂粒子106与TCO电极110之间形成，如附图标记126所示。欧姆接触连接124与金粒子-纳米线肖特基连接122并联。作为替代，这种接触可形成另一个肖特基二极管，其具有不同于二极管120或反向肖特基二极管122的电特性。
[0025]图2a_2b示意性示出了图1a的纳米线在低偏压/低照明条件下的耗尽区140、142(图2a)以及图1a的纳米线在高偏压/高照明条件下的耗尽区(图2b)。如图2a所示，第一耗尽区140形成在半导体纳米线101中的png 103处。第二耗尽区142由于反向肖特基二极管122而形成。也就是说，反向肖特基二极管122在半导体纳米线101的上部诱导耗尽区142。此外，如图2b所示，耗尽区140、142的厚度随着所施加的电压和/或照明而变化。这样，反向肖特基二极管122可对纳米线侧上的接触产生影响，使接触不仅依赖于工艺变量(例如，Ah1)而且还可能依赖于外力。
[0026]图1b示出了在沉积TCO电极110之前去除金属催化剂粒子106的实施例。在此实施例中，在半导体纳米线101的顶面与TCO电极110之间形成欧姆接触128而不是如图1a所示的在半导体纳米线101中形成的反向肖特基二极管122。绝缘外壳108的顶部与半导体纳米线101的顶面1la之间的高度是Ah1，其中△匕指示对于纳米线末端露出长度的长度而言的典型工艺变量。
[0027]在第一实施例的一方面中，半导体纳米线101具有直径或宽度并且TCO电极110在顶面1la的下方接触半导体纳米线101的侧部1lb使得侧部1lb的长度Ah1小于半导体纳米线101的直径/宽度101c。例如，直径/宽度1lc可比侧部1lb的长度Λ Ii1大10%-500%，诸如大50-100%。在第一实施例的另一方面中，Ah1等于零，并且没有纳米线的侧部被外壳108露出，使得纳米线与外壳具有大约相同的高度。在这种构造中，电极110