CN107564980A - 半导体装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半导体装置及其制造方法，涉及半导体技术领域。其中，所述方法包括：提供衬底结构，所述衬底结构包括：导电层；和在所述导电层之上的彼此间隔开的多个纳米柱，每个纳米柱包括第一半导体层和在所述第一半导体层上的第二半导体层，所述第一半导体层与所述第二半导体层的导电类型不同；在所述多个纳米柱之上形成石墨烯层，其中每个纳米柱之上的石墨烯层彼此连通。本发明可以提高太阳能电池的转换效率。

Description

半导体装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种半导体装置及其制造方法，更具体地，涉及一种太阳能电池及其制造方法。
背景技术
随着全球能源的日趋紧张，太阳能作为新型能源已得到了大力的开发。太阳能电池是以半导体材料为主，利用光电材料吸收光能，进而进行光电转换，从而将光能转换为电能。目前太阳能电池主要包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三大类，产业化的太阳能电池的转化效率分别是20％左右、17％左右、10％左右。因此，现有的太阳能电池的转换效率比较低，有必要提出一种新的技术方案来提高太阳能电池的转化效率。
发明内容
本公开的一个实施例的目的在于提出一种新颖的半导体装置及其制造方法，能够提高太阳能电池的转化效率。
根据本公开的一个实施例，提供了一种半导体装置的制造方法，包括：提供衬底结构，所述衬底结构包括：导电层；和在所述导电层之上的彼此间隔开的多个纳米柱，每个纳米柱包括第一半导体层和在所述第一半导体层上的第二半导体层，所述第一半导体层与所述第二半导体层的导电类型不同；在所述多个纳米柱之上形成石墨烯层，其中每个纳米柱之上的石墨烯层彼此连通。
在一个实施例中，每个纳米柱还包括在第二半导体层上的铝层。
在一个实施例中，所述衬底结构还包括衬底，所述导电层位于所述衬底上。
在一个实施例中，所述衬底结构还包括：在所述导电层上的第三半导体层，所述第三半导体层的材料和所述第一半导体层的材料相同；所述多个纳米柱位于所述第三半导体层之上。
在一个实施例中，所述提供衬底结构的步骤包括：提供初始衬底结构，所述初始衬底结构包括：导电层；在所述导电层上的第一半导体层；在所述第一半导体层上的第二半导体层；和在所述第二半导体层上的铝层；通过阳极氧化工艺对所述铝层的上部进行氧化以形成氧化铝层，其中所述氧化铝层中形成有多个纳米孔，所述纳米孔从所述氧化铝层的上表面延伸到所述铝层的下部；在所述多个纳米孔中填充硬掩模；以所述硬掩模为掩模依次刻蚀所述氧化铝层、所述铝层的下部、所述第二半导体层、以及所述第一半导体层的至少一部分；去除所述硬掩模，从而形成所述多个纳米柱。
在一个实施例中，所述第一半导体层和所述第二半导体层的材料包括硅；所述以所述硬掩模为掩模依次刻蚀所述氧化铝层、所述铝层的下部、所述第二半导体层、以及所述第一半导体层的至少一部分包括：以所述第二半导体层为停止层利用含Cl的等离子体刻蚀所述氧化铝层和铝层；利用含F的等离子体刻蚀所述第二半导体层和所述第一半导体层的至少一部分。
在一个实施例中，所述阳极氧化工艺利用包括五硼酸铵和已二酸铵的中性电解液和/或包括磷酸和草酸的酸性电解液在0-100V的电压下进行。
在一个实施例中，所述方法还包括：在去除所述硬掩膜后，对纳米柱中的铝层的表面进行清洗。
在一个实施例中，所述在所述多个纳米柱之上形成连续的石墨烯层包括：预先在金属衬底上形成石墨烯层；将在金属衬底上形成的石墨烯层转移到所述多个纳米柱之上。
在一个实施例中，所述方法还包括：在所述石墨烯层上形成保护层。
在一个实施例中，所述纳米孔的横向尺寸为5-5000nm。
在一个实施例中，所述纳米柱的横向尺寸为5-5000nm。
在一个实施例中，所述第一半导体层的材料和所述第二半导体层的材料相同。
在一个实施例中，所述第一半导体层的材料和所述第二半导体层的材料不同。
根据本公开的另一个实施例，提供了一种半导体装置，包括：导电层；在所述导电层之上的彼此间隔开的多个纳米柱，每个纳米柱包括第一半导体层和在所述第一半导体层上的第二半导体层，所述第一半导体层与所述第二半导体层的导电类型不同；和在所述多个纳米柱之上的石墨烯层，其中每个纳米柱之上的石墨烯层彼此连通。
在一个实施例中，每个纳米柱还包括在第二半导体层上的铝层。
在一个实施例中，所述装置还包括：在所述导电层上的第三半导体层，所述第三半导体层的材料和所述第一半导体层的材料相同；其中所述多个纳米柱位于所述第三半导体层之上。
在一个实施例中，所述装置还包括：衬底，所述导电层位于所述衬底上。
在一个实施例中，所述装置还包括：在所述石墨烯层上的保护层。
在一个实施例中，所述纳米柱的横向尺寸为5-5000nm。
在一个实施例中，所述第一半导体层的材料和所述第二半导体层的材料相同。
在一个实施例中，所述第一半导体层的材料和所述第二半导体层的材料不同。
通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征、方面及其优点将会变得清楚。
附图说明
附图构成本说明书的一部分，其描述了本公开的示例性实施例，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理，在附图中：
图1是根据本公开一个实施例的半导体装置的制造方法的简化流程图；
图2A示出了根据本公开一个实施例的衬底结构的示意截面图；
图2B示出了根据本公开一个实施例的在多个纳米柱上形成石墨烯层的示意截面图；
图2C示出了根据本公开一个实施例的在石墨烯层上形成保护层的示意截面图；
图3A示出了根据本公开另一个实施例的衬底结构的示意截面图；
图3B示出了根据本公开另一个实施例的在多个纳米柱上形成石墨烯层的示意截面图；
图3C示出了根据本公开另一个实施例的在石墨烯层上形成保护层的示意截面图；
图4A示出了根据本公开一个实施例的形成衬底结构的一个阶段的示意截面图；
图4B示出了根据本公开一个实施例的形成衬底结构的一个阶段的示意截面图；
图4C示出了根据本公开一个实施例的形成衬底结构的一个阶段的示意截面图；
图4D示出了根据本公开一个实施例的形成衬底结构的一个阶段的示意截面图；
图4E示出了根据本公开一个实施例的形成衬底结构的一个阶段的示意截面图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应理解，除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不应被理解为对本发明范围的限制。
此外，应当理解，为了便于描述，附图中所示出的各个部件的尺寸并不必然按照实际的比例关系绘制，例如某些层的厚度或宽度可以相对于其他层有所夸大。
以下对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，在任何意义上都不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和装置可能不作详细讨论，但在适用这些技术、方法和装置情况下，这些技术、方法和装置应当被视为本说明书的一部分。
应注意，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义或说明，则在随后的附图的说明中将不需要对其进行进一步讨论。
图1是根据本公开一个实施例的半导体装置的制造方法的简化流程图。如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤102，提供衬底结构。该衬底结构包括导电层和在导电层之上的彼此间隔开的多个纳米柱。其中，每个纳米柱包括第一半导体层和在第一半导体层上的第二半导体层，第一半导体层与第二半导体层的导电类型不同，第一半导体层与第二半导体层的接触界面形成PN结。
步骤104，在多个纳米柱之上形成石墨烯层，其中每个纳米柱之上的石墨烯层彼此连通。
本公开提供的制造方法得到的半导体装置可以用作太阳能电池，相对于常规的太阳能电池来说，一方面，由于纳米柱的表面积显著增加，从而可以大大提高光子的吸收效率，从而提高太阳能电池的转换效率；另一方面，以石墨烯层作为太阳能电池的电极可以降低电极与半导体之间的接触电阻，从而提高电迁移速度，从而提高太阳能电池的转换效率。
图2A-图2C示出了根据本公开一个实施例的半导体装置的制造方法的不同阶段。下面结合图2A-图2C对根据本公开一个实施例的半导体装置的制造方法进行详细说明。
首先，如图2A所示，提供衬底结构。该衬底结构包括导电层201和在导电层201之上的彼此间隔开的多个纳米柱202。其中，导电层201的材料可以是诸如Al的电极材料。每个纳米柱202包括第一半导体层212和在第一半导体层212上的第二半导体层222。这里，第一半导体层212与第二半导体层222的导电类型不同，从而在第一半导体层212与第二半导体层222的接触界面可以形成PN结232。在一个实施例中，第一半导体层212的材料和第二半导体层222的材料可以相同，从而在第一半导体层212与第二半导体层222的接触界面形成同质PN结。在另一个实施例中，第一半导体层212的材料和第二半导体层222的材料也可以不同，从而在第一半导体层212与第二半导体层222的接触界面形成异质PN结。另外，衬底结构还可以包括衬底(图中未示出)，导电层212可以位于衬底上。
之后，如图2B所示，在多个纳米柱202之上形成石墨烯层203，其中每个纳米柱202之上的石墨烯层203彼此连通。在一个实施例中，可以预先在诸如铜、铂、钨或镍的金属衬底上形成石墨烯层；然后，将在金属衬底上形成的石墨烯层转移到多个纳米柱之上。例如，可以以甲烷、氢气和氩气作为前驱物，在700-1000℃的温度下通过化学气相沉积(CVD)或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方式在铜衬底上沉积石墨烯层；然后通过湿法转移的方式将石墨烯层转移到纳米柱之上。然而，本公开并不限于此，也可以通过其他的方式进行石墨烯的转移。
下面参照图2B描述所得到的半导体装置的结构。
如图2B所示，半导体装置包括：导电层201、在导电层201之上的彼此间隔开的多个纳米柱202、以及在多个纳米柱202之上的石墨烯层203，其中每个纳米柱202之上的石墨烯层203彼此连通。每个纳米柱202包括第一半导体层212和在第一半导体层212上的第二半导体层222，第一半导体层212与第二半导体层222的导电类型不同，在第一半导体层212与第二半导体层222的接触界面可以形成PN结232。在一个实施例中，纳米柱的横向尺寸可以为5-5000nm。
之后，如图2C所示，还可以在图2B所示的半导体装置中的石墨烯层203上形成保护层204。优选地，保护层204可以是玻璃膜；更优选地，保护层204可以是二氧化硅玻璃膜。
图3A-图3C示出了根据本公开另一个实施例的半导体装置的制造方法的不同阶段。需要说明的是，由于上面已经参照图2A-图2C详细描述了半导体装置的制作过程，本实施例仅重点介绍与上述实施例的不同之处，相关之处可以参照上面实施例的描述。
首先，如图3A所示，提供衬底结构。与图2A所示衬底结构相比，图3A所示衬底结构中的每个纳米柱还可以包括在第二半导体层222上的铝层242。另外，图3A所示衬底结构还可以包括在导电层201上的第三半导体层205，多个纳米柱202位于第三半导体层205之上。这里，第三半导体层205的材料和第一半导体层212的材料相同，例如都为硅。需要说明的是，由于第三半导体层205和第一半导体层212的材料相同，故图3A一体地示出了第三半导体层205和第一半导体层212。
然后，如图3B所示，在多个纳米柱202之上形成石墨烯层203，其中每个纳米柱202之上的石墨烯层203彼此连通。可以根据上面描述的方式来形成石墨烯层203，在此不再赘述。
下面参照图3B描述所得到的半导体装置的结构。
如图3B所示，半导体装置包括：导电层201、在导电层201上的第三半导体层205、位于第三半导体层205之上的彼此间隔开的多个纳米柱202、以及在多个纳米柱202之上的石墨烯层203，其中每个纳米柱202之上的石墨烯层203彼此连通，第三半导体层205的材料和第一半导体层212的材料相同。每个纳米柱202包括第一半导体层212、在第一半导体层212上的第二半导体层222、以及在第二半导体层222上的铝层232，第一半导体层212与第二半导体层222的导电类型不同，在第一半导体层212与第二半导体层222的接触界面形成了PN结232。
之后，如图3C所示，还可以在石墨烯层203上形成保护层204，例如玻璃膜等。
图2A和图3A所示的衬底结构可以根据不同的方式来形成。下面结合图4A-图4E介绍一种形成衬底结构的具体实现方式。
首先，如图4A所示，提供初始衬底结构，该初始衬底结构包括：导电层201、在导电层201上的第一半导体层212、在第一半导体层212上的第二半导体层222、以及在第二半导体层上的铝层242。第一半导体层212与第二半导体层222的接触界面形成了PN结232。
然后，如图4B所示，通过阳极氧化工艺对铝层242的上部进行氧化以形成氧化铝层401，其中，氧化铝层401中形成有多个纳米孔402，纳米孔402从氧化铝层401的上表面延伸到铝层242的下部。应理解，这里的“上部”和“下部”仅仅是相对的概念，也即，相对于铝层242的下部而言，铝层242的上部位于铝层242相对靠上的位置。在一个实施例中，纳米孔的横向尺寸(例如直径)可以为5-5000nm，例如10nm、50nm、100nm、1000nm、3000nm等。在一个实施例中，上述阳极氧化工艺可以利用包括五硼酸铵和已二酸铵的中性电解液和/或包括磷酸和草酸的酸性电解液在0-100V的电压下进行。然而，本公开并不限于此。根据本公开的教导，本领域技术人员可以调整阳极氧化工艺的工艺条件来得到不同横向尺寸的纳米孔。
需要指出的是，本文中纳米孔/柱的“横向尺寸”是指与纳米孔/柱延伸的方向垂直的方向的尺寸，例如纳米孔垂直向下延伸，则“横向”即指水平方向。
接下来，如图4C所示，在多个纳米孔402中填充硬掩模403。例如，可以沉积诸如氮化钛的硬掩模材料以填充多个纳米孔402并覆盖氧化铝层401，之后，可以对硬掩模材料进行平坦化，例如化学机械抛光(CMP)，从而得到表面与氧化铝层401的表面基本齐平的硬掩模403。
接下来，如图4D和4E所示，以硬掩模403为掩模依次刻蚀氧化铝层401、铝层242的下部、第二半导体层222、以及第一半导体层212的至少一部分。在一个实施例中，第一半导体层212和第二半导体层222的材料可以包括硅。首先，可以以第二半导体层222为停止层利用含Cl的等离子体刻蚀氧化铝层401和铝层242，例如，可以以BCl3作为源气体得到含Cl的等离子体；然后，可以利用含F的等离子体刻蚀第二半导体层222和第一半导体层212的至少一部分。
在一个实现方式中，如图4D所示，可以仅仅刻蚀去除第一半导体层212的一部分，也即，在刻蚀第一半导体层212时可以停止在导电层201以上的第一半导体层212中。第一半导体层212中未被刻蚀的部分212A作为图3A所示的第三半导体层205，第一半导体层212中被刻蚀的部分中剩余的部分212B和第二半导体层222组成了图3A所示的纳米柱202。
在另一个实现方式中，如图4E所示，在刻蚀第一半导体层212时可以停止在导电层201。
之后，去除硬掩模403，从而可以形成图3A所示的衬底结构。优选地，在去除硬掩膜403后，可以对纳米柱中的铝层242的表面进行清洗，以去除铝层的表面的氧化铝。在一个实施例中，可以采用弱碱性清洗剂，例如碳酸钠或三乙醇胺来对纳米柱中的铝层242的表面进行清洗。
之后，还可以去除第二半导体层222上的铝层242，从而形成图2A所示的衬底结构。
至此，已经详细描述了根据本公开实施例的半导体装置及其制造方法。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节，本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。另外，本说明书公开所教导的各实施例可以自由组合。本领域的技术人员应该理解，可以对上面说明的实施例进行多种修改而不脱离如所附权利要求限定的本公开的精神和范围。

Claims (22)

1.一种半导体装置的制造方法，其特征在于，包括：
提供衬底结构，所述衬底结构包括：
导电层；和
在所述导电层之上的彼此间隔开的多个纳米柱，每个纳米柱包括第一半导体层和在所述第一半导体层上的第二半导体层，所述第一半导体层与所述第二半导体层的导电类型不同；
在所述多个纳米柱之上形成石墨烯层，其中每个纳米柱之上的石墨烯层彼此连通。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个纳米柱还包括在第二半导体层上的铝层。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底结构还包括衬底，所述导电层位于所述衬底上。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底结构还包括：
在所述导电层上的第三半导体层，所述第三半导体层的材料和所述第一半导体层的材料相同；
所述多个纳米柱位于所述第三半导体层之上。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述提供衬底结构的步骤包括：
提供初始衬底结构，所述初始衬底结构包括：
导电层；
在所述导电层上的第一半导体层；
在所述第一半导体层上的第二半导体层；和
在所述第二半导体层上的铝层；
通过阳极氧化工艺对所述铝层的上部进行氧化以形成氧化铝层，其中所述氧化铝层中形成有多个纳米孔，所述纳米孔从所述氧化铝层的上表面延伸到所述铝层的下部；
在所述多个纳米孔中填充硬掩模；
以所述硬掩模为掩模依次刻蚀所述氧化铝层、所述铝层的下部、所述第二半导体层、以及所述第一半导体层的至少一部分；
去除所述硬掩模，从而形成所述多个纳米柱。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一半导体层和所述第二半导体层的材料包括硅；
所述以所述硬掩模为掩模依次刻蚀所述氧化铝层、所述铝层的下部、所述第二半导体层、以及所述第一半导体层的至少一部分包括：
以所述第二半导体层为停止层利用含Cl的等离子体刻蚀所述氧化铝层和铝层；
利用含F的等离子体刻蚀所述第二半导体层和所述第一半导体层的至少一部分。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述阳极氧化工艺利用包括五硼酸铵和已二酸铵的中性电解液和/或包括磷酸和草酸的酸性电解液在0-100V的电压下进行。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：
在去除所述硬掩膜后，对纳米柱中的铝层的表面进行清洗。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述多个纳米柱之上形成连续的石墨烯层包括：
预先在金属衬底上形成石墨烯层；
将在金属衬底上形成的石墨烯层转移到所述多个纳米柱之上。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述石墨烯层上形成保护层。
11.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述纳米孔的横向尺寸为5-5000nm。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米柱的横向尺寸为5-5000nm。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一半导体层的材料和所述第二半导体层的材料相同。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一半导体层的材料和所述第二半导体层的材料不同。
15.一种半导体装置，其特征在于，包括：
导电层；
在所述导电层之上的彼此间隔开的多个纳米柱，每个纳米柱包括第一半导体层和在所述第一半导体层上的第二半导体层，所述第一半导体层与所述第二半导体层的导电类型不同；和
在所述多个纳米柱之上的石墨烯层，其中每个纳米柱之上的石墨烯层彼此连通。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，每个纳米柱还包括在第二半导体层上的铝层。
17.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，还包括：
在所述导电层上的第三半导体层，所述第三半导体层的材料和所述第一半导体层的材料相同；
其中所述多个纳米柱位于所述第三半导体层之上。
18.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，还包括：
衬底，所述导电层位于所述衬底上。
19.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，还包括：
在所述石墨烯层上的保护层。
20.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述纳米柱的横向尺寸为5-5000nm。
21.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述第一半导体层的材料和所述第二半导体层的材料相同。
22.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述第一半导体层的材料和所述第二半导体层的材料不同。
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