基于纳米柱阵列的光电器件及其制作方法技术

一种基于纳米柱阵列结构的光电器件及其制作方法。该光电器件包括表面具有纳米柱阵列结构的n型或p型半导体层，该纳米柱阵列上依次生长有垂直结构有源区和横向连续无裂痕的p型或n型区，该p型或n型区上覆设电流扩展层，该n型或p型半导体层和电流扩展层上还分别设有电极；该方法包括对纳米柱阵列模板进行填充、平面化，制作有源区、p型或者n型区、电流扩展层和电极等步骤。本发明专利技术解决了传统纳米结构光电器件在制作金属电极时引发的漏电流问题，也能有效防止“自上而下”制备工艺中刻蚀对有源区的表面损伤和“自下而上”制备方法中纳米结构取向不一致的问题，使器件不仅具有纳米结构特性，而且提高了器件成品率及其电学稳定性和可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体材料生长领域的一种光电器件及其制备方法，特别涉及一种基于纳米柱阵列模板的半导体光电器件及其制作方法。
技术介绍
为了提高光电器件的性能和引入量子效应在内的新效应，纳米结构比如纳米柱、 纳米线等在光电器件中得到了广泛的应用。由于横向尺寸效应，一维纳米结构限制了载流子的横向运动，纵向运动变得更加有效，使基于纳米结构的光电器件能够获得更高的载流子输运能力、响应度和较高的转换效率；同时，相对于晶体膜层结构，纳米结构在生长过程中能有效的释放侧向应力，得到无应力、极低位错密度的高质量晶体材料，降低了光电器件中由于缺陷、位错引发的非辐射复合。但传统“自下而上”的制备方法得到的纳米结构取向不一致，不利于后期的器件制作和应用，所以基于垂直排列纳米阵列的光电器件近年来得到了广泛关注。但是，要将所有的纳米柱电学集成到有效的回路中，金属接触的制作是很困难的。 参阅图1-2，传统基于纳米结构光电器件的典型制备工艺为(a)制作微结构掩膜层，将衬底204上的薄膜刻蚀成纳米阵列结构，如顶部为ρ型半导体201，202为有源区，底部及阵列间隙便为η型半导体203 ； (b)对纳米阵列结构用填充物205进行填充；(c)采用干法刻蚀， 露出顶层201 ;(d)制作电流扩展层206，淀积金属，制作η/ρ电极207。按前述工艺，刻蚀过程将有源层及其两侧的η/ρ型层不同程度的形成了纳米柱，然后采用填充物进行纳米柱缝隙的旋涂填充。但由于纳米阵列的高宽比较大，填充物和纳米阵列之间的毛细效应，无法精确控制填充物的厚度和平整度，使得在沉积电流扩展层或者金属电极时顶层与有源区之间导通形成漏电通道208或者导通，成品率低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种，该光电器件具有良好垂直取向纳米柱阵列的有源区结构，并且具有较高的晶体质量，该方法能有效避免传统工艺中金属电极沉积时引发的漏电流问题，提高基于纳米结构光电器件的稳定性和成品率，从而克服了现有技术中的不足。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用了如下技术方案一种基于纳米柱阵列结构的光电器件，包括表面具有纳米柱阵列结构的η型或ρ型半导体层，其特征在于所述纳米柱阵列上依次生长有垂直结构有源区和横向连续无裂痕的 P型或η型区，所述P型或η型区上覆设电流扩展层，同时，所述η型或P型半导体层和电流扩展层上还分别设有电极。进一步的讲，所述纳米柱阵列结构中还填充有填充物。所述η型或ρ型半导体层和电流扩展层表面上还分别设有金属接触电极。所述η型或ρ型半导体层设于衬底表面。一种基于纳米柱阵列结构的光电器件的制作方法，其特征在于，该方法为首先，对形成于η型或者ρ型半导体层上的纳米柱阵列模板进行填充、平面化，使各纳米柱顶部露出；而后，依次在该纳米柱阵列上外延生长垂直结构有源区和连续无裂痕P型或者η型区， 并在P型或者η型区上制作电流扩展层；最后，在η型或ρ型半导体层和电流扩展层上还分别制作形成金属接触电极。具体而言，该方法包括如下步骤I、在η型或者P型半导体层表面制作微结构，并进行刻蚀形成具有垂直取向的纳米柱阵列；II、对纳米柱阵列模板进行填充、平面化，使各纳米柱顶部露出；III、采用垂直纵向生长为主导的生长模式外延生长垂直结构有源区；IV、采用水平横向生长为主导的生长模式外延生长连续无裂痕ρ型或者η型区；V、制作电流扩展层以及η型和ρ型区金属接触电极。步骤I中所述微结构掩膜层的制作方法至少选自自组装形成金属微球的方法和旋涂单层微粒法。步骤II具体为采用填充物对纳米柱阵列进行旋涂填充，并采用干法刻蚀或者抛光去掉多余的填充物使之形成一平整面，并使各纳米柱顶部露出；所述填充物至少选自光刻胶、聚酰亚胺和旋涂玻璃中的任意一种。步骤III中所述垂直纵向生长为主导的生长模式是指沿轴向的外延生长速率远大于径向的生长速率。步骤IV中水平横向生长为主导的生长模式是指外延生长沿着纳米柱径向的生长速率大于轴向方向的生长速率。前述光电器件可能包括太阳能电池、发光二极管、光电探测器和激光器等。与现有技术相比，本专利技术的优点在于本专利技术在传统纳米结构光电器件制备方法的基础上，对材料生长方法作出了创新，能有效避免“自下而上”生长方法中纳米结构取向不一致的问题，得到良好垂直取向排列的纳米柱阵列结构；同时也能防止“自上而下”制备方法中刻蚀对有源区的损伤。通过改变生长模式形成连续无裂痕顶层易于制作金属电极和后期的器件制作。提高了纳米结构光电器件电学连接的稳定性和器件的可靠性，增加了器件制作的成品率。附图说明图1是传统纳米柱阵列结构光电器件制备工艺流程图之一； 图2是传统纳米柱阵列结构光电器件制备工艺流程图之二；图3是本专利技术基于纳米柱阵列的光电器件的制备工艺流程图之一； 图4是本专利技术基于纳米柱阵列的光电器件的制备工艺流程图之二； 图5是本专利技术基于纳米柱阵列的光电器件中纳米柱阵列的局部放大图； 图中各附图标记的含义为201、401 ρ型半导体；202、402 有源区；203、403 η型半导体；204、404 衬底；205、405 填充物；206、406 电流扩展层；207、407 金属电极； 208传统制备方法中产生的漏电通道。具体实施例方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明确，下面结合附图及一较佳实施例对本专利技术作进一步详细说明。以下以蓝宝石衬底上制备纳米柱阵列化6鄉/6鄉p-i-n双异质结太阳能电池结构为例说明本专利技术基于纳米柱阵列的光电器件的制备方法，其中本征InGaN吸收层相当于其他光电器件的有源区，参阅图3-5，其制作工艺包括以下主要步骤步骤1 在η型GaN顶层上制作微结构掩膜层，并刻蚀形成纳米柱阵列 首先对样品进行清洗，将衬底放入等离子体增强化学气相淀积(PECVD)真空室，使衬底升温至30(T350 °C并保持稳定，同时去除衬底中残留的水汽。抽真空并通入工艺气体，该工艺气体包含有SiH4、N20和N2，其中，SiH4的流量为4 sccm, N2O的流量为710 sccm，N2的流量为180 sccm，气压保持在2000 mTorr，稳定30秒钟后采用20W的射频功率起辉，在衬底上开始淀积厚度为300 nm的二氧化硅薄膜。本实例以退火自组织形成的Ni球为微结构作掩膜。将样品放入电子束蒸发设备， 淀积8 15 nm的Ni，剥离去胶。850 °C退火40 60秒，在GaN样品上形成直径约100 300 nm的Ni球。接着以Ni球为掩膜，进行SiO2的反应离子刻蚀。抽真空并通入工艺气体，该工艺气体包含有SF6, CHF3和He，气压保持在1850 mTorr,稳定30秒钟后采用200 W的射频功率进行二氧化硅的刻蚀，整个刻蚀过程衬底温度约20°C。刻蚀3分钟，形成300 nm的Si02m 米柱。然后将样品放入感应耦合等离子体(inductively coupled plasma, ICP)刻蚀机中进行GaN刻蚀。该工艺气体包含Cl2和BCl3, ICP源和样片台偏置射频源的功率分别为500 W和300 W，刻蚀深度约500 nm。最后采用BOE去除SiO2和Ni，得到η型GaN纳米柱阵列， 如图4 (a)。步骤2 对纳米柱阵列的η型GaN样品采用填充物405进行填充，使其平面化 干燥，去除样品表面吸附的水汽，将SOG (Spin-on-本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于纳米柱阵列结构的光电器件，包括表面具有纳米柱阵列结构的ｎ型或ｐ型半导体层（４０３），其特征在于：所述纳米柱阵列上依次生长有垂直结构有源区（４０２）和横向连续无裂痕的ｐ型或ｎ型区（４０１），所述ｐ型或ｎ型区（４０１）上覆设电流扩展层（４０６），同时，所述ｎ型或ｐ型半导体层（４０３）和电流扩展层（４０６）上还分别设有电极。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张东炎，郑新和，李雪飞，董建荣，杨辉，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：32