[發明專利]超多晶面六角錐圖形化GaAs襯底上納米柱及制備方法

在審

• 申請號: 201910307078.0
• 申請日: 2019-04-17
• 公開（公告）號: CN109994562A
• 公開（公告）日: 2019-07-09
• 發明（設計）人: 李國強;粱敬晗;高芳亮;余粵鋒;徐珍珠;林靜
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01L31/0352
• 分類號: H01L31/0352;H01L31/0304;H01L31/036;H01L31/18
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍;江裕強

本發明公開了一種超多晶面六角錐圖形化GaAs襯底上納米柱及制備方法，所述超多晶面六角錐圖形化GaAs襯底的每個六角錐圖形表面具有6~10個高指數晶面，所述納米柱的直徑為10?50nm，其制備方法包括如下步驟：（1）超多晶面六角錐圖形化GaAs襯底的制備；（2）超多晶面六角錐圖形化GaAs襯底的清洗；（3）分子束外延方法生長GaAs納米柱。解決了分子束外延在無金屬催化劑、無掩膜的GaAs襯底表面難以制備高度有序、高密度的GaAs和InGaAs納米柱和高性能納米柱結構太陽電池器件的問題。制備超多晶面圖形化GaAs襯底采用的濕法蝕刻設備簡單，操作方便；生長納米柱的MBE工藝簡單、過程安全、無污染。

技術領域

本發明涉及GaAs和InGaAs納米柱生長領域，特別涉及超多晶面六角錐圖形化GaAs襯底上納米柱及制備方法。

背景技術

GaAs基III-V族高效多結太陽能電池與目前廣泛使用的硅太陽能電池相比，具有更高的光電轉換效率，更強的抗輻照能力和更好的耐高溫性能使其在空間太陽能電池領域逐步取代Si系列太陽能電池。目前，盡管單結太陽能電池的實驗室光電轉換效率已經接近其理論極限值，但從太陽光譜的利用率來看，GaAs基太陽能電池還有很大的提升空間。如何提高太陽光在GaAs基太陽能電池的利用率已經成為當下研究的熱點。

圖形化襯底技術在提高GaAs基太陽能電池的光利用率方面顯示了很好的優勢，該技術得到高度關注。圖形化襯底是指表面具有周期性圖形陣列的襯底。相較于平片襯底，一方面圖形化襯底表面圖形陣列誘發外延薄膜側向生長，從而改善外延晶體質量；另一方面圖形陣列促使光線散射或折射，抑制內部全反射，從而提升太陽光利用效率。相較于平面薄膜結構電池器件，圖形化襯底上制備的納米柱結構太陽能電池在性能提升方面具有極大優勢。首先圖形化襯底具有超大表面積，提高了GaAs及InGaAs納米柱形核位點數量與密度；納米柱具有超高的表面積/體積比，并且可抑制內部全反射，大幅提升太陽能電池吸光效率。此外，通過精細調控納米柱尺寸，可實現吸收太陽光波長的可控，實現低成本高性能太陽能電池的制備。

目前，高度有序GaAs和InGaAs納米柱的生長方法主要有催化劑法和選區生長法。催化劑法以Au、Pt、Ni等納米粒子為催化劑誘導VLS（Vapor liquid solid）生長機制，使氣體反應物溶入納米催化金屬液滴中，在過飽和條件下生成一維納米柱。然而催化劑法具有以下缺點：1）工藝復雜，需經沉積、退火等工藝制備金屬催化劑顆粒；2）有序排列的金屬催化劑顆粒制備困難；3）金屬催化劑顆粒在外延過程中作為雜質摻入外延材料中，降低器件電學及光學性能。選區生長法需利用納米壓印、聚焦離子束切割、光刻工藝、干法蝕刻工藝等制備周期性掩膜，提供分布均勻的形核位置，從而制備尺寸可控、均勻分布的納米柱。其缺點為工藝復雜、價格昂貴、去除掩膜工藝困難等。

結構優化的圖形化襯底可實現GaAs和InGaAs納米柱的有序可控生長，且無需引入金屬催化劑雜質以及使用昂貴、復雜的聚焦離子束/納米壓印等工藝。因此，建立圖形化襯底微結構與納米柱形核、有序性、質量關系的有效連接，對生長高度有序、高密度的GaAs、InGaAs納米柱以及制備高性能納米柱結構太陽能電池器件具有重大意義。

發明內容

本發明的目的是為了解決在無催化劑、無掩膜的襯底上，分子束外延（MBE）方法難以生長高度有序、高密度的GaAs和InGaAs納米柱的問題，提供了一種在超多晶面圖形化GaAs襯底上MBE生長GaAs和InGaAs納米柱的制備方法，所制備的納米柱陣列高度有序、密度高。

為了實現上述目的，本發明提供如下的技術方案。

本發明提供了一種超多晶面六角錐圖形化GaAs襯底上納米柱，所述超多晶面六角錐圖形化GaAs襯底是指在平片GaAs晶圓的表面蝕刻出凸起和凹坑圖形陣列，所述凸起和凹坑構成六角錐；在六角錐圖形表面生長有納米柱。

優選地，所述六角錐圖形表面具有6~10個高指數晶面，平片GaAs晶圓的厚度為900~1100 μm，納米柱的直徑為10~50 nm。