DE112008000514T5 - Heterokristallines Halbleiterbauelement und Verfahren zum Herstellen desselben - Google Patents

Heterokristallines Halbleiterbauelement und Verfahren zum Herstellen desselben Download PDF

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Abstract

Ein heterokristallines Halbleiterbauelement 100 mit:
einer ersten Schicht 110 eines ersten nicht-einkristallinen Halbleitermaterials, das einen ersten Energiebandabstand aufweist;
einer zweiten Schicht 140 eines zweiten nicht-einkristallinen Halbleitermaterials, das einen zweiten Energiebandabstand aufweist;
einer Nanostrukturschicht 120, die Nanostrukturen 122, 124 eines einkristallinen Halbleitermaterials, das einen dritten Energiebandabstand aufweist, eine Nanostruktur 122, 124 der Nanostrukturschicht 120, die eine Einheit mit einem Kristalliten 112 entweder in der ersten Schicht 110 oder in der zweiten Schicht 140 bildet, umfasst, wobei die Nanostrukturschicht 120 zwischen der ersten Schicht 120 und der zweiten Schicht 140 angeordnet ist; und
separaten elektrischen Kontakten 160a, 160b mit der ersten Schicht 110 und der zweiten Schicht 140, wobei die Nanostrukturen 122, 124 seitens der separaten elektrischen Kontakte 160a, 160b elektrisch zugänglich sind.

Description

  • HINTERGRUND
  • 1. Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf die Nanotechnologie. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein heterokristallines Halbleiterbauelement und ein Integrieren einer einkristallinen Halbleiternanostruktur mit einer nicht-einkristallinen Halbleiterschicht des Halbleiterbauelements.
  • 2. Beschreibung der verwandten Technik
  • Historisch betrachtet umfassen Hochleistungs-Halbleiterbauelemente, vor allem diejenigen mit pn-Übergängen, Einkristalle aus einem oder mehreren Halbleitermaterialien. Unter anderem eliminiert eine Verwendung derartiger einkristalliner Materialien für Halbleiterbauelemente im Wesentlichen die Streuung von geladenen Trägern (z. B. Löchern und Elektronen) an Korngrenzen, die bei nicht-einkristallinen Halbleitermaterialien wie z. B. polykristallinen Halbleitermaterialien vorliegt. Eine derartige Streuung verringert die Driftbeweglichkeit und die Diffusion von geladenen Trägern auf nachteilige Weise und führt zu einer schlechteren Leistungsfähigkeit (z. B. einem erhöhten Widerstandswert) von Bauelementen, z. B. Transistoren und Solarzellen. Auch wenn verschiedene Halbleitermaterialien zusammen bei einem einzigen Bauelement verwendet würden, beispielsweise bei einem Heterostruktur- oder Heteroübergang-Bauelement, werden einkristalline Halbleitermaterialien allgemein auf der Basis ihrer jeweiligen Gitterstrukturen ausgewählt, um zu gewährleisten, dass die verwirklichte Struktur insgesamt eine im Wesentlichen einkristalline Struktur ist. Desgleichen werden Nanostrukturen, die Nanodrähte und Nanopunkte umfassen, jedoch nicht auf diese beschränkt sind, üblicherweise aus einkristallinen Substraten einer Keimbildung unterzogen und wachsen gelassen, teilweise um sich die einheitliche Beschaffenheit des Gitters derartiger Substrate zunutze zu machen, das erforderliche kristallographische Informationen liefert, damit die Nanostrukturen als Einkristalle wachsen gelassen werden.
  • Vor relativ kurzer Zeit begannen amorphe und andere im Wesentlichen nicht-einkristalline Halbleitermaterialien Aufmerksamkeit zu erregen, insbesondere bei Solarzellenanwendungen. Wenn sie auch die mit mehreren Korngrenzen verbundenen Nachteile aufweisen, können derartige nicht-einkristalline Halbleitermaterialien beträchtlich preiswerter in der Herstellung sein als ihre einkristallinen Gegenspieler. Bei vielen Anwendungen überwiegen die geringeren Kosten der Herstellung des Halbleiterbauelements aus nicht-einkristallinen Materialien jeglichen Verlust an Leistungsfähigkeit, der sich eventuell ergibt. Ferner kann eine Verwendung von nicht-einkristallinen Halbleitermaterialien für Heterostrukturen die möglichen Kombinationen von Materialien, die verwendet werden können, erhöhen, da eine Fehlanpassung der Gitter bei nicht-einkristallinen Halbleitern von geringerer Bedeutung ist.
  • Beispielsweise wird üblicherweise stark dotiertes polykristallines Silizium (Si) statt oder zusätzlich zu Metall für Leiterbahnen bei integrierten Schaltungen verwendet, wobei die starke Dotierung den erhöhten spezifischen Widerstand, der mit einer Trägerstreuung von den mehreren Korngrenzen verbunden ist, im Wesentlichen überwindet. Desgleichen wird polykristallines Si üblicherweise in Solarzellen verwendet, wo seine relativ niedrigeren Kosten die Abnahme der Leistungsfähigkeit, die mit der Beschaffenheit des polykristallinen Materials verbunden ist, überwiegt. Amorphes Halbleitermaterial findet desgleichen Anwendung bei Solarzellen und bei Dünnfilmtransistoren (TFTs – thin film transistors) für diverse optische Anzeigeanwendungen, bei denen die Kosten allgemein vor Leistungsfähigkeitsbelangen rangieren. Ungünstigerweise ist die Fähigkeit, nicht-einkristalline Halbleitermaterialien effektiv mit einkristallinen Halbleitermaterialien zu kombinieren, um übergangsbasierte Halbleiterbauelemente und Heterostruktur- oder Heteroübergang-Bauelemente zu verwirklichen, bisher teilweise auf Grund der störenden Auswirkungen, die ein Zusammenfügen einer einkristallinen Schicht mit einer nicht-einkristallinen Schicht auf die physischen Eigenschaften der einkristallinen Schicht hat, allgemein von wenig Erfolg gekrönt.
  • KURZE ZUSAMMENFASSUNG
  • Bei manchen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist ein heterokristallines Halbleiterbauelement vorgesehen. Das heterokristalline Halbleiterbauelement umfasst eine erste Schicht eines ersten Halbleitermaterials, das eine nicht-einkristalline Struktur aufweist. Das heterokristalline Halbleiterbauelement umfasst ferner eine Nanostrukturschicht, die eine Nanostruktur aufweist. Die Nanostruktur ist ein Halbleitermaterial, das eine einkristalline Struktur aufweist. Die Nanostruktur bildet eine Einheit mit einem Kristalliten in der ersten Schicht.
  • Bei anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist ein heterokristallines Halbleiterbauelement vorgesehen. Das heterokristalline Halbleiterbauelement umfasst eine erste Schicht eines ersten nicht-einkristallinen Halbleitermaterials, das einen ersten Energiebandabstand aufweist; und eine zweite Schicht eines zweiten nicht-einkristallinen Halbleitermaterials, das einen zweiten Energiebandabstand aufweist. Das heterokristalline Halbleiterbauelement umfasst ferner eine Nanostrukturschicht, die Nanostrukturen eines einkristallinen Halbleitermaterials umfasst, das einen dritten Energiebandabstand aufweist. Eine Nanostruktur der Nanostrukturschicht bildet eine Einheit mit einem Kristalliten in der ersten Schicht oder der zweiten Schicht. Die Nanostrukturschicht befindet sich zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht. Das heterokristalline Halbleiterbauelement umfasst ferner separate elektrische Kontakte mit der ersten Schicht und der zweiten Schicht. Die Nanostrukturen sind für die separaten elektrischen Kontakte elektrisch zugänglich.
  • Bei anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines heterokristallinen Halbleiterbauelements vorgesehen. Das Herstellungsverfahren umfasst ein Bilden einer ersten Schicht eines nicht-einkristallinen Halbleitermaterials auf einer Oberfläche eines Substrats. Das Herstellungsverfahren umfasst ferner ein Wachsenlassen einer Nanostruktur eines einkristallinen Halbleitermaterials aus einem Kristalliten in der ersten Schicht derart, dass die Nanostruktur mit dem Kristalliten eine Einheit bildet.
  • Bestimmte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung weisen andere Merkmale auf, die entweder zusätzlich zu den oben beschriebenen Merkmalen und/oder statt derselben vorliegen. Diese und andere Merkmale mancher Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen ausführlich beschrieben.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die verschiedenen Merkmale von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sind unter Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung eventuell besser verständlich, die in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen zu sehen ist, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche strukturelle Elemente bezeichnen und bei denen:
  • 1A–1B Seitenansichten eines heterokristallinen Halbleiterbauelements gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
  • 2A–2B Seitenansichten eines heterokristallinen Halbleiterbauelements gemäß verschiedenen anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
  • 3 eine Seitenansicht eines heterokristallinen Halbleiterbauelements, das ferner ein Kapselungsmaterial umfasst, gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • 4A–4B vergrößerte Ansichten von exemplarischen pn-Übergängen in einem heterokristallinen Halbleiterbauelement gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
  • 4C–4G vergrößerte Ansichten von exemplarischen pn-Übergängen in einem Teil des heterokristallinen Halbleiterbauelements der 2B gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
  • 5A eine Seitenansicht des heterokristallinen Halbleiterbauelements der 1A, das ferner elektrische Kontakte umfasst, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht
  • 5B eine Seitenansicht des heterokristallinen Halbleiterbauelements der 2A, das ferner elektrische Kontakte umfasst, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht
  • 5C eine Seitenansicht eines heterokristallinen Halbleiterbauelements gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • 6 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines heterokristallinen Halbleiterbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen und liefern ein heterokristallines Halbleiterbauelement. Ein heterokristallines Halbleiterbauelement ist hierin als Halbleiterbauelement definiert, das eine Schicht aus nicht-einkristallinem Material und eine Nanostrukturschicht, die eine einkristalline Nanostruktur aufweist, die mit der Schicht aus nicht-einkristallinem Material eine Einheit bildet (d. h. aus demselben als Keim gebildet und wachsen gelassen wurde), umfasst. Insbesondere sind einzelne Nanostrukturen innerhalb der Nanostrukturschicht einer atomaren Nahordnung der Schicht aus nicht-einkristallinem Material zugeordnet. Kristallographische Informationen, die mit der atomaren Nahordnung zusammenhängen, werden während des Wachstums der Nanostruktur an die Nanostruktur übertragen. Die eine Einheit bildende Kristall/Struktur-Verbindung an der Grenzfläche zwischen der Schicht aus nicht-einkristallinem Material und der Schicht aus der einkristallinen Halbleiternanostruktur ermöglicht eine Verwendung der Grenzfläche für eine Vielzahl von auf einen Halbleiterübergang bezogenen Anwendungen, einschließlich optoelektronischer Bauelemente (z. B. Photodetektoren, LEDs, Laser und Solarzellen) und elektronischer Bauelemente (Tunneldioden und -transistoren), jedoch nicht beschränkt auf diese.
  • Gemäß manchen Ausführungsbeispielen umfasst das heterokristalline Halbleiterbauelement einen Halbleiterübergang, der durch selektives Dotieren in oder zwischen den Schichten bereitgestellt wird. Beispielsweise kann ein pn-Übergang gebildet werden, wenn die Nanostrukturschicht mit einem Dotierungsmittel vom n-Typ dotiert ist und die Schicht aus nicht-einkristallinem Material ein Halbleitermaterial ist, das mit einem Dotierungsmittel vom p-Typ dotiert ist. Bei einem anderen Beispiel ist ein pn-Übergang gänzlich in der Nanostrukturschicht gebildet. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist zwischen einer p-Region und einer n-Region eine intrinsische Schicht gebildet, um in dem heterokristallinen Halbleiterbauelement einen pin-Übergang zu ergeben. Beispielsweise kann ein Teil der Nanostrukturschicht n-dotiert sein, während ein anderer Teil derselben im Wesentlichen undotiert (z. B. intrinsisch) ist und die nicht-einkristalline Halbleiterschicht p-dotiert ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen sind in oder zwischen der bzw. den Nanostrukturschicht(en) und der bzw. den nicht-einkristallinen Halbleiterschicht(en) mehrere pn-Übergänge, pin-Übergänge und Kombinationen derselben gebildet, wie nachstehend aus führlicher erörtert wird. Der Einfachheit der Erörterung halber und nicht zum Zwecke einer Einschränkung bedeutet der Begriff „pn-Übergang” hierin entweder den pn-Übergang oder den pin-Übergang oder beide, es sei denn, zum richtigen Verständnis ist eine explizite Unterscheidung notwendig.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann das heterokristalline Halbleiterbauelement ferner ein Heterostruktur- oder Heteroübergang-Halbleiterbauelement umfassen. Beispielsweise werden Halbleitermaterialien, die verschiedene Bandabstände aufweisen, eingesetzt, um die Nanostrukturschicht bzw. die nicht-einkristalline Halbleiterschicht mancher Ausführungsbeispiele von heterokristallinen Halbleiterbauelementen der vorliegenden Erfindung zu verwirklichen. Das heterokristalline Halbleiterbauelement, das derartige unterschiedliche Materialien umfasst, wird als heterokristallines Heterostruktur-Halbleiterbauelement bezeichnet.
  • Hierin ist ein nicht-einkristallines Material dahin gehend definiert, dass es eine atomare Nahordnung aufweist, und dass dem Material als solches eine atomare Fernordnung fehlt. Im Gegensatz dazu weist ein einkristallines Halbleitermaterial, wie es hierin verwendet wird, ein Kristallgitter auf, das im Mikrometermaßstab im Wesentlichen kontinuierlich ist, wie es allgemein für einen Einkristall definiert ist. Bei manchen Ausführungsbeispielen erstreckt sich die atomare Nahordnung in einem Bereich von 1 Nanometer bis etwa 100 Mikrons. Die atomare Nahordnung manifestiert sich als mehrere kleine Regionen eines kristallinen Materials oder von Kristalliten, die innerhalb des und allgemein in dem gesamten nicht-einkristallinen Material dispergiert sind. Die Regionen von Kristalliten können von Clustern einzelner Kristalliten bis zu gesonderten einzelnen Kristalliten reichen. Somit umfasst das nicht-einkristalline Material mehrere Kristalliten, die in einer nicht-einkristallinen Matrix vergraben sind. Die Kristallite in dem nicht-einkristallinen Material definieren im Wesentlichen die atomare Nahordnung.
  • Der Begriff „heterokristallin” ist hierin als Struktur definiert, die zumindest zwei verschiedene Arten von Strukturphasen aufweist. Insbesondere umfasst eine heterokristalline Struktur hierin zumindest ein nicht-einkristallines Material, das Kristallite aufweist, und ein einkristallines Material, das mit einem Kristalliten des nicht-einkristallinen Materials eine Einheit bildet.
  • Bezüglich der verschiedenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung liefert das nicht-einkristalline Material, das eine atomare Nahordnung aufweist, eine Schablone für eine Keimbildung und ein Wachstum einer einkristallinen Halbleiterstruktur im Nanometermaßstab (d. h. „Nanostruktur”). Insbesondere liefert ein Kristallit der Schicht aus nicht- einkristallinem Material eine Keimbildungsstelle für ein Wachstum einer Nanostruktur. Die Keimbildungsstelle umfasst in ihrem Umfang ein Wachsenlassen einer oder mehrerer Nanostrukturen entweder aus einem einzelnen Kristalliten oder aus einem Aggregat oder Cluster von Kristalliten, je nach der Größe der Kristalliten. Falls beispielsweise die Größe eines einzelnen Kristalliten im Vergleich zu der Größe einer Nanostruktur „groß” ist, kann aus dem einzelnen Kristalliten mehr als eine Nanostruktur wachsen. Falls dagegen die Größe eines einzelnen Kristalliten im Vergleich zu der Größe der Nanostruktur „klein” ist, aber viele derartiger Kristallite sich anhäufen, um einen großen Kristallitenbereich zu bilden, dann kann bzw. können aus einer derartigen Gruppe von Kristalliten eine einzelne Nanostruktur oder sogar mehrere Nanostrukturen wachsen. Gemäß der Verwendung hierin bedeutet der Begriff „Kristallit” für die Zwecke der verschiedenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eine Bandbreite von Kristalliten von einem einzelnen Kristallit bis zu einer Gruppe von Kristalliten, die sich angehäuft haben. Die gewachsene Nanostruktur bildet dort, wo die Nanostruktur entsprechend mit dem Kristalliten verbunden ist, eine Grenzfläche mit dem Kristalliten. Als solches spricht man davon, dass die Nanostruktur mit einem Kristalliten des nicht-einkristallinen Materials eine Einheit bildet.
  • Bei manchen Ausführungsbeispielen sind die Halbleiternanostrukturen Nanodrähte. Ein Nanodraht ist eine einzelne, quasi eindimensionale einkristalline Struktur im Nanomaßstab, die üblicherweise so charakterisiert ist, dass sie zwei räumliche Abmessungen oder Richtungen aufweist, die viel geringer sind als eine dritte räumliche Abmessung oder Richtung. Das Vorhandensein der dritten, größeren Abmessung in Nanodrähten ermöglicht Elektronenwellenfunktionen entlang dieser Abmessung, während in den anderen beiden räumlichen Abmessungen Leitung quantisiert wird. Ein Nanodraht kann als Nanowhisker oder Nanonadel bezeichnet werden. Gemäß der Verwendung hierin ist der Begriff Nanodraht als einkristalline Halbleiterstruktur im Nanomaßstab definiert, wie oben beschrieben ist, die eine axiale Länge (als Haupt- oder dritte räumliche Abmessung), gegenüberliegende Enden und einen massiven Kern aufweist. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist die Nanostruktur eine Nanoröhre, die so charakterisiert ist, dass sie zwei räumliche Abmessungen oder Richtungen aufweist, die viel geringer sind als eine dritte räumliche Abmessung oder Richtung. Eine Nanoröhre ist als eine einkristalline Halbleiterstruktur im Nanomaßstab definiert, die eine axiale Länge (als Haupt- oder dritte räumliche Abmessung), gegenüberliegende Enden und, im Gegensatz zu einem Nanodraht, einen hohlen Kern aufweist. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist die Nanostruktur ein Nanopunkt (d. h. ein Quantenpunkt (QD – quantum dot)). Ein Nanopunkt ist eine einkristalline, quasi null-dimensionale Halbleiternanostruktur, die in allen drei räumlichen Abmessungen oder Richtungen im Nanometermaßstab (d. h. Nanomaßstab) vorliegt, und Elektronenwellenfunktionen in dem Nanopunkt sind in allen drei räumlichen Abmessungen quantisiert.
  • Jede der oben erwähnten Nanostrukturen kann gemäß den verschiedenen Ausführungsbeispielen hierin aus nicht-einkristallinen Materialien, die eine atomare Nahordnung aufweisen, d. h. der Schicht aus nicht-einkristallinem Material, einer Keimbildung unterzogen und wachsen gelassen werden. Als solches sind eine große Vielzahl an Materialien verfügbar, um die Ausführungsbeispiele des heterokristallinen Halbleiterbauelements der vorliegenden Erfindung herzustellen. Die große Vielzahl an verfügbaren nicht-einkristallinen Materialien kann eine Überfülle an potentiellen Bauelementanwendungen liefern. Beispielsweise umfasst das heterokristalline Halbleiterbauelement gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen hierin eine Solarzelle, einen Laser, einen Photodetektor, eine Licht emittierende Diode (LED – light emitting diode), einen Transistor und eine Diode, ist aber nicht hierauf beschränkt.
  • Zusätzlich kann eine Verwendung einer großen Vielzahl an nicht-einkristallinen Halbleitermaterialien dem heterokristallinen Halbleiterbauelement gemäß manchen Ausführungsbeispielen Kosten- und Herstellungsvorteile sowie Leistungsfähigkeitsvorteile bescheren. Beispielsweise kann gemäß manchen Ausführungsbeispielen ein Solarzellenbauelement, das unter Verwendung von nicht-einkristallinen Halbleitermaterialien hergestellt werden kann, einfach auf Grund der Tatsache, dass teure Einkristall-Substrate nicht notwendig sind, und auf Grund einer größeren Bandbreite an Materialien, die für Solarzellenstrukturen zur Verfügung stehen, im Vergleich zu herkömmlichen, auf einkristallinem Silizium beruhenden Solarzellen entweder kosteneffektiver in der Herstellung sein und/oder effizienter sein. Material- und relevante Herstellungskosten für nicht-einkristalline Halbleitermaterialien sind allgemein niedriger als für einkristalline Halbleitermaterialien. Überdies kann die größere Vielfalt dieser verfügbaren Materialien eine Energieumwandlung von mehr als dem Sonnenspektrum als bisher verfügbar war liefern, was gemäß manchen Ausführungsbeispielen die Solarzelleneffizienz verbessern kann. Außerdem sehen manche der Ausführungsbeispiele heterokristalliner Halbleiterbauelemente der vorliegenden Erfindung einen kleineren oder kompakteren Aufbau vor.
  • Für die Zwecke der verschiedenen Ausführungsbeispiele hierin soll der Artikel „ein”, „eine” oder „einer” seine auf dem Gebiet der Patente übliche Bedeutung haben, nämlich „ein(e, er) oder mehrere”. Beispielsweise bedeutet „eine Nanostruktur” „eine oder mehrere Nanostrukturen”, und als solches bedeutet „die Nanostruktur” hierin „die Nanostruktur(en)”. Überdies bedeutet „ein Kristallit” „ein oder mehrere Kristallite” und umfasst in seinem Schutzumfang „eine Gruppe von Kristalliten”, wie oben definiert wurde. Es ist irrelevant, ob eine bestimmte Schicht hierin als auf einer oberen oder Oberseite, einer unteren oder Unterseite oder auf einer linken Seite oder einer rechten Seite anderer Schichten des heterokristallinen Halbleiterbauelements befindlich beschrieben ist. Deshalb soll jegliche Bezugnahme hierin auf „oben”, „unten”, „obere”, „untere”, „links” oder rechts” bezüglich der Schichten hierin keine Einschränkung darstellen. Hierin beschriebene Beispiele sind lediglich zu Veranschaulichungszwecken und nicht im Sinne einer Einschränkung angegeben.
  • Bei manchen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist ein heterokristallines Halbleiterbauelement vorgesehen. 1A und 1B veranschaulichen Seitenansichten eines heterokristallinen Halbleiterbauelements 100 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Das heterokristalline Halbleiterbauelement 100 umfasst eine erste Schicht 110, die ein erstes nicht-einkristallines Halbleitermaterial ist. Das erste nicht-einkristalline Halbleitermaterial der ersten Schicht 110 umfasst Kristallite 112. Bei manchen Ausführungsbeispielen liegen die verschiedenen Kristallite 112 größenmäßig zwischen 1 nm und etwa 100 Mikrons. Benachbarte Kristallite 112 in der ersten Schicht 110 weisen gemäß manchen Ausführungsbeispielen jeweilige Gitter auf, die in Bezug aufeinander im Wesentlichen willkürlich orientiert sind. Ferner sind zu einer Oberfläche 114 der ersten Schicht 110 benachbarte Kristallite 112 im Wesentlichen willkürlich über die Oberfläche 114 hinweg angeordnet.
  • Das heterokristalline Halbleiterbauelement 100 umfasst ferner eine Nanostrukturschicht 120. Die Nanostrukturschicht 120 umfasst eine Nanostruktur 122, 124. Die Nanostruktur 122, 124 der Nanostrukturschicht 120 ist ein einkristallines Halbleitermaterial. Bei den 1A–1B ist beispielhaft eine Mehrzahl der Nanostrukturen veranschaulicht. Wie in 1A veranschaulicht ist, sind die Nanostrukturen außerdem entweder Nanodrähte oder Nanoröhren 122 oder beides. Hiernach können die Nanostrukturen 122 in 1A der Einfachheit der Erörterung halber und nicht im Sinne einer Einschränkung als lediglich „Nanodrähte 122” bezeichnet werden. Bei 1B sind die Nanostrukturen als Nanopunkte 124 veranschaulicht.
  • Die Nanostruktur 122, 124 bildet bei dem ersten nicht-einkristallinen Halbleitermaterial der ersten Schicht 110 eine Einheit mit einem Kristallit 112. Wie oben erörtert wurde, ist mit „bildet eine Einheit mit” gemeint, dass der Kristallit 112 der ersten Schicht 110 und die einkristalline Nanostruktur 122, 124 dort, wo das Gitter der Nanostruktur 112, 124 mit dem Gitter des Kristalliten kohärent ist, eine Grenzfläche bilden. Der Kristallit 112 liefert eine Keimbildungsstelle für das epitaxiale Wachstum der einkristallinen Nanostruktur 122, 124 während der Herstellung des heterokristallinen Halbleiterbauelements 100. Als solches ist die Nanostruktur 122, 124 zumindest physisch mit dem Kristallit 112 der ersten Schicht 110 verankert. 1A veranschaulicht, wie die Nanodrähte 122 an einem ersten Ende des Nanodrahtes 122 mit den jeweiligen Kristalliten 112 verankert sind, während ein zweites Ende des Nanodrahtes 122, das dem ersten Ende gegenüberliegt, frei ist.
  • Da die Kristallite 112 des nicht-einkristallinen Materials in benachbarten Kristalliten 112 willkürlich orientierte Kristallgitter aufweisen, ist außerdem die Richtung des Nanostrukturwachstums im Wesentlichen willkürlich. 1A veranschaulicht ferner beispielhaft die willkürlichen Richtungen der Nanostrukturen 122. Ferner sind die Kristallite 112 in der Oberfläche 114 der ersten Schicht 110 willkürlich angeordnet, und nicht alle Kristallite 112 in der Oberfläche 114 führen zu einem Keimbildungswachstum einer Nanostruktur 122, 124. Als solches ist ein Wachstum der Nanostruktur 122, 124 an irgendeiner bestimmten Stelle auf der Oberfläche 114 der ersten Schicht 110 ebenfalls im Wesentlichen willkürlich. 1A und 1B veranschaulichen ferner beispielhaft die willkürlichen Positionen der auf der Oberfläche 114 der ersten Schicht 110 gewachsenen Nanostrukturen 122, 124.
  • Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst das heterokristalline Halbleiterbauelement 100 ferner ein Substrat 130, wie in 1B veranschaulicht ist. Das Substrat 130 ist in 1B zu der ersten Schicht 110 benachbart und bietet der ersten Schicht 110 einen mechanischen Halt. Bei manchen Ausführungsbeispielen besteht die Funktion des Substrats 130 darin, der ersten Schicht 110 einen mechanischen Halt zu bieten. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann das Substrat 130 eine zusätzliche Funktionalität liefern, einschließlich, aber nicht ausschließlich, einer elektrischen Grenzfläche zu dem heterokristallinen Halbleiterbauelement 100. Allgemein sind als Substrat 130 für das heterokristalline Halbleiterbauelement 100 der verschiedenen Ausführungsbeispiele hierin eine große Bandbreite an Materialien sinnvoll.
  • Beispielsweise umfasst das Material des Substrats 130, ist jedoch nicht beschränkt auf, ein Glas, eine Keramik, Metall, einen Kunststoff, ein Polymer, ein Dielektrikum und einen Halbleiter. Ein Halbleitersubstratmaterial umfasst Materialien, die entweder keine kristallographische Struktur (z. B. amorph), eine nicht-einkristalline Struktur (d. h. Kristallite aufweisend) oder eine einkristalline Struktur aufweisen. Bei manchen Ausführungsbeispielen wird das Substratmaterial zumindest auf Grund seiner Fähigkeit, Herstellungstemperaturen von oder oberhalb etwa 100 Grad Celsius (°C) standzuhalten, ausgewählt. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen kann das Substrat 130 je nach spezifischen Anwendungen des heterokristallinen Halbleiterbauelements 100 starr, halbstarr oder elastisch sein. Überdies kann das Substrat 130 je nach verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung für elektromagnetische Strahlung im sichtbaren, ultravioletten (UV-) und/oder Infrarot-(IR-)Spektrum undurchlässig, transparent und halbtransparent sein.
  • Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst das heterokristalline Halbleiterbauelement 100 ferner eine zweite Schicht 140, die ein zweites nicht-einkristallines Halbleitermaterial ist. 2A–2B veranschaulichen ein heterokristallines Halbleiterbauelement 100 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen ist die zweite Schicht 140 derart angeordnet, dass die Nanostrukturschicht 120 zwischen der ersten Schicht 110 und der zweiten Schicht 140 angeordnet ist.
  • Wie in 2A veranschaulicht ist, ist die zweite Schicht 140 in einer vertikal gestapelten Beziehung zu der Nanostrukturschicht 120 und der ersten Schicht 110 angeordnet. In 2B wechselt sich die zweite Schicht 140 mit der ersten Schicht 110 als gesonderte Segmente auf dem Substrat 130 ab. Das Substrat 130 bietet der zweiten Schicht 140 bei diesem Ausführungsbeispiel ferner zumindest einen mechanischen Halt. Die Nanostrukturschicht 120 umfasst die Nanostrukturen 122, die sich lateral zwischen vertikalen Seitenwänden benachbarter gesonderter Segmente der ersten Schicht 110 und der zweiten Schicht 140 erstrecken. Beispielsweise bilden die ersten Enden der Nanostrukturen 122 eine Einheit mit jeweiligen Kristalliten 112 an der vertikalen Seitenwandoberfläche des Segments der ersten Schicht 110. Die zweiten Enden der Nanostrukturen 122 stehen in Kontakt mit dem benachbarten Segment der zweiten Schicht 140. Zusätzlich oder alternativ dazu bilden die ersten Enden mancher Nanostrukturen 122 eine Einheit mit jeweiligen Kristalliten 112 an der vertikalen Seitenwandoberfläche des Segments der zweiten Schicht 140. Die zweiten Enden dieser Nanostrukturen 122 stehen in Kontakt mit dem Segment der ersten Schicht 110.
  • Ein nicht-einkristallines Material umfasst, ist aber nicht beschränkt auf, einen Isolator, einen Halbleiter, ein Metall und eine Metalllegierung. Für die Zwecke der verschiedenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ist das hierin verwendete nicht-einkristalline Material ein Halbleitermaterial. Bei manchen Ausführungsbeispielen können ein Metallmaterial und/oder ein Metalllegierungsmaterial auf Grund ihres nicht-isolierenden Charakters (d. h. ein inhärenter Nicht-Isolator oder inhärent elektrisch leitfähig) bei der vorliegenden Erfindung als nicht-einkristalline Schicht verwendet werden, je nach der Bauelementanwendung.
  • Die nicht-einkristallinen Halbleitermaterialien der ersten Schicht 110 und der zweiten Schicht 140 umfassen unabhängig voneinander, sind aber nicht beschränkt auf, Halbleiter der Gruppe IV, Verbindungshalbleiter aus der Gruppe III-V sowie Verbindungshalbleiter aus der Gruppe II-VI. Als solches kann das Halbleitermaterial der ersten Schicht 110 das selbe sein wie das Halbleitermaterial der zweiten Schicht 140 oder sich von demselben unterscheiden. Überdies kann die kristalline Struktur der Kristallite in dem Halbleitermaterial der ersten Schicht 110 unabhängig dieselbe sein wie die kristalline Struktur der Kristallite des Halbleitermaterials der zweiten Schicht 140 oder sich von derselben unterscheiden. Beispielsweise kann die erste Schicht 110 Silizium (Si) in einem nicht-einkristallinen Film umfassen, während die zweite Schicht 140 Germanium (Ge) oder Galliumarsenid (GaAs) in einem nicht-einkristallinen Film umfassen kann. Bei einem anderen Beispiel kann die erste Schicht 110 einen nicht-einkristallinen Film aus wasserstoffhaltigem Silizium (Si:H) umfassen, während die zweite Schicht 140 nicht-einkristallines Silizium (Si) umfasst.
  • Die einkristallinen Halbleitermaterialien der Nanostrukturschicht 120 umfassen ebenfalls unabhängig voneinander, sind aber nicht beschränkt auf, Halbleiter der Gruppe IV, Verbindungshalbleiter aus der Gruppe III-V und Verbindungshalbleiter aus der Gruppe II-VI. Deshalb kann das Halbleitermaterial der Nanostrukturen in der Nanostrukturschicht 120 dasselbe sein wie das Halbleitermaterial entweder der ersten Schicht 110 und/oder der zweiten Schicht 140 oder kann sich von demselben unterscheiden. Jedoch sind die Halbleiternanostrukturen einkristallin, während die erste Schicht 110 des Halbleiters und die zweite Schicht 140 des Halbleiters unabhängig voneinander beide nicht-einkristalline Schichten sind. Beispielsweise kann das Halbleitermaterial der ersten Schicht 110, der Nanostrukturen 122 und, falls vorhanden, der zweiten Schicht 140 jeweils Silizium sein. Bei einem anderen Beispiel kann das Halbleitermaterial der ersten Schicht 110 Si:H sein, das Halbleitermaterial der Nanostrukturen 122 kann Indiumphosphid (InP) sein, und das Halbleitermaterial der zweiten Schicht, falls vorhanden, kann Si sein.
  • Einhergehend mit einer Wahl der unabhängig voneinander in der ersten Schicht 110 verwendeten Halbleitermaterialien sind die Nanostrukturschicht 120 und die zweite Schicht 140 ein jeweiliger Energiebandabstand der jeweiligen Schichten 110, 120, 140. Bei manchen Ausführungsbeispielen des heterokristallinen Halbleiterbauelements 100 unterscheidet sich der Energiebandabstand der Nanostrukturschicht 120 von dem Energiebandabstand der ersten Schicht 110 und/oder der zweiten Schicht 140. Bei manchen Ausführungsbeispielen unterscheidet sich der Energiebandabstand der ersten Schicht 110 von dem Energiebandabstand der zweiten Schicht 140. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist der Energiebandabstand der ersten Schicht 110 und der zweiten Schicht 140 identisch. Durch eine Verwendung von Materialien mit verschiedenen Energiebandabständen wird das heterokristalline Halbleiterbauelement 100 zu einem Heterostrukturbauelement.
  • Bei manchen Ausführungsbeispielen des heterokristallinen Halbleiterbauelements 100 gemäß der Veranschaulichung in den 1A und 1B ist der Energiebandabstand der Na nostrukturschicht 120 geringer als der Energiebandabstand der ersten Schicht 110. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist der Energiebandabstand der Nanostrukturschicht 120 größer als der Energiebandabstand der ersten Schicht 110. Bei manchen Ausführungsbeispielen des heterokristallinen Halbleiterbauelements 100 gemäß der Veranschaulichung in den 2A–2B ist der Energiebandabstand der Nanostrukturschicht 120 geringer als der Energiebandabstand der ersten Schicht 110 und/oder der zweiten Schicht 140. Bei anderen Ausführungsbeispielen des heterokristallinen Halbleiterbauelements 100, wie es in den 2A–2B veranschaulicht ist, ist der Energiebandabstand der Nanostrukturschicht 120 größer ist als der Energiebandabstand der ersten Schicht 110 und/oder der zweiten Schicht 140.
  • Beispielsweise kann der Energiebandabstand der Nanostrukturschicht 120 bei einer Solarzellenanwendung, LED-Anwendung, Laseranwendung und/oder Photodetektoranwendung geringer sein als der Energiebandabstand sowohl der ersten als auch der zweiten Schicht 110, 140 (d. h. eine „Hoch-Niedrig-Hoch”-Bandabstand-Heterostruktur) des heterokristallinen Halbleiterbauelements 100. Bei Solarzellenanwendungen beispielsweise kann eine derartige Hoch-Niedrig-Hoch-Heterostruktur die Leistungsfähigkeit des Bauelements verbessern, indem sie eine spektrale Empfindlichkeit der Solarzelle verbessert. Bei einem anderen Beispiel kann eine Niedrig-Hoch-Niedrig-Bandabstand-Heterostruktur für Resonanztunnel-Dioden-Anwendungen verwendet werden. Insbesondere kann der Energiebandabstand der Nanostrukturschicht 120 bei derartigen Anwendungen größer sein als der Energiebandabstand sowohl der ersten Schicht 110 als auch der zweiten Schicht 140 (d. h. die „Niedrig-Hoch-Niedrig”-Bandabstand-Heterostruktur).
  • Bei manchen (nicht veranschaulichten) Ausführungsbeispielen kann das heterokristalline Halbleiterbauelement 100 ferner eine andere Nanostrukturschicht auf der zweiten Schicht 140 des Bauelements in 2A umfassen, wobei die Nanostrukturen der Nanostrukturschicht 120 mit Kristalliten in der zweiten Schicht 140 auf sehr ähnliche Weise eine Einheit bilden, wie dies oben für die Nanostrukturen 122, 124 und die erste Schicht 110 beschrieben wurde. Als solches fällt eine Mehrschicht-Bauelementstruktur, die mehrere abwechselnde Schichten aus nicht-einkristallinen Materialien und einkristallinen Halbleiternanostrukturen, wie oben für das heterokristalline Halbleiterbauelement 100 in 2A beschrieben wurde, beispielsweise in einer vertikal gestapelten Beziehung umfasst, in den Schutzumfang der verschiedenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Für ein Bauelement mit mehreren lateral benachbarten Schichten sei beispielsweise auf das heterokristalline Halbleiterbauelement 100 der 2B verwiesen.
  • Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Nanostrukturschicht 120 ferner ein Kapselungsmaterial, in dem die Nanostrukturen 122, 124 eingebettet sind. 3 veranschaulicht eine Seitenansicht des heterokristallinen Halbleiterbauelements 100, das ferner ein Kapselungsmaterial 126 umfasst, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die zweiten Enden der Nanostrukturen 122 in dem Kapselungsmaterial 126 freiliegend, um zu ermöglichen, das die Nanostrukturen 122 mit der zweiten Schicht 140 Kontakt treten. In 3 ist die zweite Schicht 140 derart auf der Nanostrukturschicht 120 angeordnet, dass die zweiten Enden der Nanostrukturen 122 selbst mit dem zweiten nicht-einkristallinen Halbleitermaterial der zweiten Schicht 140 in Kontakt treten.
  • Bei manchen Ausführungsbeispielen ist das Kapselungsmaterial 126 ein Isolatormaterial, einschließlich, aber nicht ausschließlich, eines Oxids, eines Nitrids und/oder eines Carbids eines beliebigen der oben aufgeführten Halbleitermaterialien. Beispielsweise kann das Kapselungsmaterial 126 Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und/oder Siliziumcarbid sein. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann das Kapselungsmaterial 126 ein Oxid, ein Nitrid und/oder ein Carbid eines Metalls, beispielsweise von Titan oder Gallium, sein. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist das Kapselungsmaterial 126 ein Isolatormaterial, das ein Polymer umfasst, das Bauelementverarbeitungstemperaturen von mehr als 100°C standhalten kann, ist aber nicht hierauf beschränkt. Beispielsweise kann das Polymerisolatormaterial Polyimid sein. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist das Kapselungsmaterial 126 für elektromagnetische Strahlung im sichtbaren, UV- und/oder IR-Spektrum transparent oder semitransparent. Obwohl dies nicht in 2B veranschaulicht ist, kann das in 2B veranschaulichte Ausführungsbeispiel des heterokristallinen Bauelements 100 ferner ein derartiges Kapselungsmaterial umfassen, das die sich seitlich erstreckenden Nanostrukturen 122 einbettet.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen werden die erste Schicht 110, die zweite Schicht 140 und die Nanostrukturen 122, 124 der Nanostrukturschicht 120 des heterokristallinen Halbleiterbauelements 100 mit einem Dotierungsmaterial dotiert, um den jeweiligen Schichten oder Strukturen ein gewisses Maß an elektrischer Leitfähigkeit zu verleihen. Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst das heterokristalline Halbleiterbauelement 100 ferner einen pn-Übergang. Beispielsweise umfasst das heterokristalline Halbleiterbauelement 100 bei einer Solarzellen-, einer LED-, einer Laser- und/oder einer Photodetektoranwendung einen pn-Übergang. Bei anderen Beispielen umfasst das heterokristalline Halbleiterbauelement 100 statt. des pn-Übergangs oder zusätzlich zu demselben einen Schottky-Übergang.
  • Die 4A–4B veranschaulichen vergrößerte Ansichten exemplarischer pn-Übergänge 150 bei dem heterokristallinen Halbleiterbauelement 100 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. 4A veranschaulicht einen pn-Übergang 150 bei dem heterokristallinen Halbleiterbauelement 100, der zwischen der Nanostruktur 122 und der ersten Schicht 110 gebildet ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst die erste Schicht beispielsweise ein Dotierungsmaterial vom p-Typ, und die Nanostruktur 122 umfasst ein Dotierungsmaterial vom n-Typ. 4B veranschaulicht einen in der Nanostruktur 122 gebildeten pn-Übergang 150. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst die erste Schicht 110 ein Dotierungsmaterial vom p-Typ, und die Nanostruktur 122 umfasst sowohl ein Dotierungsmaterial vom p-Typ als auch ein Dotierungsmaterial vom n-Typ in separaten Regionen entlang der axialen Länge der Nanostruktur 122. Eine zu dem ersten Ende benachbarte erste Region der Nanostruktur 122 umfasst ein Dotierungsmaterial vom p-Typ. Eine zu dem zweiten Ende benachbarte zweite Region der Nanostruktur 122 umfasst ein Dotierungsmaterial vom n-Typ.
  • Überdies kann der Dotierungspegel in jeder Schicht identisch oder unterschiedlich sein. Beispielsweise kann bei dem in 4B veranschaulichten Ausführungsbeispiel die erste Schicht 110 eine erste Quantität des Dotierungsmaterials vom p-Typ umfassen, während die erste Region der Nanostruktur 122 eine zweite Quantität des Dotierungsmittels vom p-Typ umfassen kann, die geringer ist als die erste Quantität, mit derselben identisch ist oder größer ist als dieselbe. Die Variation des Dotierungsmittelpegels kann beispielsweise einen Dotierungsmittelgradienten ergeben. Bei einem anderen Beispiel einer unterschiedlichen Dotierung kann die erste Schicht 110 stark dotiert sein, um eine p+-Region zu ergeben, die in der ersten Schicht 110 einen niedrigen spezifischen Widerstand liefert, während die p-dotierte Region der Nanostruktur 122 weniger stark p-dotiert sein kann, um eine p-Region zu ergeben. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist in dem Übergang 150 zwischen der p- und der n-Dotierungsmittelregion des heterokristallinen Halbleiterbauelements 100 eine intrinsische (d. h. „i”-)Region gebildet. 4B veranschaulicht ferner beispielhaft eine intrinsische Region i in der Nanostruktur 122.
  • Bei manchen Ausführungsbeispielen ist der pn-Übergang 150 zwischen der ersten Schicht 110 und der zweiten Schicht 140 des heterokristallinen Halbleiterbauelements 100 angeordnet. 4C–4G veranschaulichen vergrößerte Ansichten eines Teils des in 2B veranschaulichten heterokristallinen Halbleiterbauelements 100, bei dem der pn-Übergang 150 in verschiedenen Regionen zwischen der ersten Schicht 110 und der zweiten Schicht 140 angeordnet ist, gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfin dung. In jeder der 4C–4G umfasst beispielsweise die erste Schicht 110 ein p-Dotierungsmittel, und die zweite Schicht 140 umfasst das n-Dotierungsmittel.
  • Bei dem in 4C veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist die Nanostruktur 122 der pn-Übergang 150 und umfasst die intrinsische Region i. Bei dem in 4D veranschaulichten Ausführungsbeispiel umfasst eine zu der ersten Schicht 110 benachbarte erste Region der Nanostruktur 122 ein Dotierungsmittel vom p-Typ, während eine zu der zweiten Schicht 140 benachbarte zweite Region der Nanostruktur 122 ein Dotierungsmittel vom n-Typ umfasst. Der pn-Übergang 150 ist in der intrinsischen Region i zwischen der p-dotierten Region und der n-dotierten Region der Nanostruktur 122 gebildet. Bei dem in 4E veranschaulichten Ausführungsbeispiel umfasst die zweite Region der Nanostruktur 122, die zu der zweiten Schicht 140 benachbart ist, ein Dotierungsmittel vom n-Typ, während die zu der ersten Schicht 110 benachbarte erste Region die intrinsische Region i des pin-Übergangs 150 ist. 4F veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel, bei dem die erste Region der Nanostruktur 122, die zu der ersten Schicht 110 benachbart ist, ein Dotierungsmittel vom p-Typ umfasst, während die zu der zweiten Schicht 140 benachbarte zweite Region die intrinsische Region i des pin-Übergangs 150 ist. Bei den 4E und 4F kann zwischen der jeweiligen dotierten Region der Nanostruktur 122 und der jeweiligen benachbarten Schicht 110, 140 ein Dotierungsmittelgradient gebildet sein, ähnlich dem oben beispielsweise für das in 4B veranschaulichte Ausführungsbeispiel beschriebenen Beispiel eines p-Dotierungsmittelgradienten. 4G veranschaulicht den pn-Übergang 150 in der Nanostruktur 122. Andere Variationen bezüglich der Position und Dotierung des heterokristallinen Halbleiterbauelements 100 existieren und fallen in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise kann die Nanostruktur 122, 124 mehr als einen pn-Übergang und/oder mehr als einen pin-Übergang beinhalten.
  • Beispielsweise umfasst das heterokristalline Halbleiterbauelement 100 bei manchen Ausführungsbeispielen einer Solarzellenanwendung (nicht veranschaulicht) eine Mehrzahl verschiedener Schichten aus einkristallinem Halbleitermaterial und eine Mehrzahl verschiedener Schichten aus nicht-einkristallinem Halbleitermaterial, die gemäß einem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele des heterokristallinen Halbleiterbauelements 100 in einer Mehrschichtbauelementstruktur angeordnet sind; und eine Mehrzahl von pn-Übergängen, die gemäß einem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele eines pn-Übergangs angeordnet sind. Eine räumliche Anordnung der Mehrzahl von pn-Übergängen deckt eine große effektive Fläche ab, auf der Sonnenlicht seitens des heterokristallinen Halbleiterbauelements 100 empfangen wird. Ferner wandeln die verschiedenen Materialschichten der Mehrschichtbauelementstruktur eine große Bandbreite des Sonnenspektrums um. Ein derartiges heterokristallines Solarzellen-Halbleiterbauelement 100 aus mehreren Schichten und mit mehreren Übergängen weist eine erhöhte Effizienz und Leistungsfähigkeit auf, die der erhöhten Anzahl verschiedener Schichten und pn-Übergänge entsprechen.
  • Für LED-, Laser- und Photodetektoranwendungen ist jede Nanostruktur 122, 124 des heterokristallinen Halbleiterbauelements 100 oder ist das heterokristalline Bauelement 100 selbst zumindest einem pn-Übergang zugeordnet, gemäß der vorliegenden Erfindung. Jegliche der in 4A–4G veranschaulichten pn-Übergänge des heterokristallinen Halbleiterbauelements 100 können ein Baustein verschiedener elektronischer und optoelektronischer Bauelemente sein, beispielsweise Resonanztunnel-Dioden, Transistoren, Laser, LEDs, Photodetektoren und Solarzellen, gemäß manchen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Außerdem können die Halbleitermaterialien der ersten und der zweiten Schicht 110, 120 identisch oder unterschiedlich sein. Bei manchen Ausführungsbeispielen der Erfindung umfasst die dritte Halbleiterschicht 120 des Resonanztunnel-Dioden-Bauelements 100 eine Nanostruktur 122, 124, die ein einkristallines Halbleitermaterial ist; und die erste Halbleiterschicht 110 und/oder die zweite Halbleiterschicht 140 ist bzw. sind ein nicht-einkristallines Halbleitermaterial.
  • Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst das heterokristalline Halbleiterbauelement 100 ferner eine elektrische Verbindung, um auf die erste Schicht 110 und/oder die Nanostruktur 122, 124 elektrisch zuzugreifen. 5A–5C veranschaulichen Seitenansichten des heterokristallinen Halbleiterbauelements 100, das elektrische Kontakte 160a, 160b aufweist, gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. 5A veranschaulicht eine Seitenansicht des heterokristallinen Halbleiterbauelements 100 der 1A, bei dem ein erster elektrischer Kontakt 160a zu der ersten Schicht 110 benachbart ist und ein zweiter elektrischer Kontakt 160b zu der Nanostrukturschicht 120 benachbart ist. Der zweite elektrische Kontakt 160b ist mit den zweiten Enden der Nanostrukturen 122 verbunden, die in dem Kapselungsmaterial 126 freilagen. 5B veranschaulicht eine Seitenansicht des heterokristallinen Halbleiterbauelements 100 der 2A, wobei der erste elektrische Kontakt 160a zu der ersten Schicht 110 benachbart ist und der zweite elektrische Kontakt 160b zu der zweiten Schicht 140 benachbart ist. Die Nanostrukturen 122 sind in Verbindung mit der ersten und der zweiten Schicht 110, 140 seitens des ersten und des zweiten elektrischen Kontakts 160a bzw. 160b elektrisch zugänglich. 5C veranschaulicht eine Seitenansicht eines heterokristallinen Halbleiterbauelements 100 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das heterokristalline Halbleiterbauelement 100 umfasst ferner den ersten elektrischen Kontakt 160a auf dem Substrat 130 neben der ersten Schicht 110 und den zweiten elektrischen Kontakt 160b auf dem Substrat 130 neben der zweiten Schicht 140. Das in 5C veranschaulichte heterokristalline Halbleiterbauelement 100 ist bei manchen Ausführungsbeispielen ähnlich einem Teil des in 2B veranschaulichten heterokristallinen Halbleiterbauelements 100. Die Nanostrukturen 122 sind bei diesem Ausführungsbeispiel in Verbindung mit der ersten und der zweiten Schicht 110, 140 seitens des ersten und des zweiten Kontakts 160a, 160b elektrisch zugänglich.
  • Die elektrischen Kontakte 160a, 160b sind aus einem Material hergestellt, das ein leitfähiges Metall und ein Halbleitermaterial, das dotiert ist, um die elektrische Leitfähigkeit für die Anwendung des Bauelements 100 vorzusehen, umfasst, sind jedoch nicht hierauf beschränkt. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist das Material der elektrischen Kontakte 160a, 160b für elektromagnetische Strahlung im sichtbaren, UV- und/oder IR-Spektrum entweder transparent oder semitransparent.
  • Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines heterokristallinen Halbleiterbauelements vorgesehen. Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst das durch das Verfahren vorgesehene heterokristalline Halbleiterbauelement eine Heterostruktur oder einen Heteroübergang. 6 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines Verfahrens 200 zum Herstellen eines heterokristallinen Halbleiterbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 200 zum Herstellen des heterokristallinen Halbleiterbauelements umfasst ein Bilden 210 einer ersten Schicht eines nicht-einkristallinen Halbleitermaterials auf einer Oberfläche eines Substrats. Das Verfahren 200 zum Herstellen umfasst ferner ein Wachsenlassen 220 einer Nanostruktur eines einkristallinen Halbleitermaterials aus einem Kristallit in der ersten Schicht derart, dass die Nanostruktur mit dem Kristallit eine Einheit bildet. Die nicht-einkristalline erste Schicht und die einkristalline Nanostruktur liefern die heterokristalline Struktur des Halbleiterbauelements. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist das heterokristalline Halbleiterbauelement ähnlich dem heterokristallinen Halbleiterbauelement 100 und seinen oben beschriebenen Anwendungen.
  • Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst das Bilden 210 einer ersten Schicht ein Aufbringen eines Halbleiterfilms auf der Oberfläche des Substrats in einer nicht-einkristallinen Form. Bei manchen Ausführungsbeispielen wird ein nicht-einkristalliner Film eines Halbleitermaterials unter Verwendung eines chemischen Aufdampfvorgangs (eines CVD-Vorgangs, CVD = chemical vapor deposition), z. B. eines plasmaverstärkten CVD (PECVD – plasma enhanced chemical vapor deposition) und eines Halbleiterquellengases oder -gasgemischs aufgebracht. Beispielsweise kann ein nicht-einkristalliner Siliziumfilm unter Verwendung eines PECVD bei einer Temperatur zwischen etwa 100°C und etwa 300°C und eines Quellengasgemisches aus Silan und Wasserstoff auf eine Siliziumdioxidoberfläche eines Substrats aufgebracht werden. Bei diesem Beispiel ist die erste Schicht ein Film aus nicht-einkristallinem wasserstoffhaltigem Silizium. Andere Verfahren der Aufbringung von nicht-einkristallinen Filmen gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, physikalische Aufdampfung, beispielsweise Sputtern oder Vakuumaufdampfung. Die erste Schicht wird mit mehreren Kristalliten verschiedener Größen gebildet, wie oben für die nicht-einkristalline Halbleiterstruktur oder -schicht definiert ist. Ein Kristallit in der Nähe der Oberfläche in der ersten Schicht liefert eine Schablone zur Keimbildung mit einer Nanostruktur.
  • Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst das Wachsenlassen 220 einer Nanostruktur auf der ersten Schicht einen Prozess eines epitaxialen Wachstums, um eine einkristalline Halbleiternanostruktur zu erzielen. Nanostrukturen, beispielsweise Nanodrähte und Nanoröhren, lässt man unter Verwendung einer Vielzahl von Techniken epitaxial wachsen, einschließlich, aber nicht ausschließlich, eines katalytischen Wachstums unter Verwendung eines Dampf-Flüssigkeit-Feststoff-Wachstums (VLS-Wachstums, VLS = vapor-liquid-solid), eines katalytischen Wachstums unter Verwendung eines Lösung-Flüssigkeit-Feststoff-Wachstums (SLS-Wachstums, SLS = solution-liquid-solid) und eines nicht-katalytischen Wachstums unter Verwendung einer Dampfphasenepitaxie. Katalytisches Wachstum ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass es entweder metallkatalysiert oder nicht-metallkatalysiert ist. Das Wachstum wird in einer kontrollierten Umgebung in einer Chemisches-Aufdampfen-Kammer (CVD-Kammer) unter Verwendung eines Gasgemisches, das Nanodraht-Ausgangsmaterialien umfasst, durchgeführt. Während eines katalytischen Wachstums wachsen Nanodrähte in einer vorwiegend senkrechten Richtung aus <111> Kristallgitterebenen jeweiliger Kristallite in der ersten Schicht. Da die nicht-einkristalline Struktur der ersten Schicht Kristallite mit willkürlichen Kristallorientierungen umfasst, wachsen 220 die Nanodrähte in willkürlichen Richtungen aus manchen Kristalliten an der Oberfläche der ersten Schicht. Für Nanopunkte wird das Wachstum bei manchen Ausführungsbeispielen fast unmittelbar nachdem es begonnen wurde, angehalten. Anhand eines so genannten selbst organisierten Wachstums, das durch eine Beanspruchung vorangetrieben wird, die mit der Differenz bei Gitterkonstanten zwischen den Nanopunkten und den Kristalliten in der ersten Schicht zusammenhängt, bilden sich die Nanopunkte bei anderen Ausführungsbeispielen auf spontane Weise auf der ersten Schicht.
  • Typische Katalysatormaterialien sind Metalle und Nichtmetalle. Metall-Katalysatormaterialien umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Titan (Ti), Platin (Pt), Nickel (Ni), Gold (Au), Gallium (Ga) und Legierungen derselben. Nichtmetall-Katalysatormaterialien umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Siliziumoxid (SiOx), wobei x beispielsweise zwischen etwa 1 und weniger als 2 liegt. Typische Nanopartikel- Katalysatoren, die beispielsweise Ti- und Au-Katalysatormaterialien entsprechen, sind eine Titansilizid(TiSi2)- bzw. Gold-Silizium(Au-Si)-Legierung.
  • Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst das Wachsenlassen 220 einer Nanostruktur eine Verwendung eines katalytischen Wachstumsprozesses. Bei manchen dieser Ausführungsbeispiele umfasst der katalytische Wachstumsprozess ein Verwenden eines Dampf-Flüssigkeit-Feststoff-Wachstums (VLS-Wachstums) und eines Metall-Nanopartikelkatalysators. Nanopartikelkatalysatoren werden unter Verwendung eines beliebigen einer Vielzahl von Aufbringungsprozessen auf einer Oberfläche der ersten Schicht gebildet. Bei manchen Ausführungsbeispielen wird eine Keimbildungsschicht eines Katalysatormaterials anhand einer Elektronenstrahlverdampfung auf der Oberfläche aufgebracht. Die Keimbildungsschicht wird beispielsweise zu aktivierten Nanopartikelkatalysatoren auf der Oberfläche der ersten Schicht getempert. Bei anderen Ausführungsbeispielen wird ein Metall-Katalysatormaterial unter Verwendung einer elektrochemischen Aufbringung unter Verwendung einer Aufbringungslösung, die ein Salz des Metall-Katalysatormaterials umfasst, aufgebracht. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann das Katalysatormaterial mittels Tempern beispielsweise von der Oberfläche der ersten Schicht entfernt werden.
  • Bei anderen Ausführungsbeispielen werden die Katalysatorpartikel in einer Lösung suspendiert und als Tröpfchen auf der Oberfläche der ersten Schicht aufgebracht. Beispielsweise können in Toluen dispergierte Goldkolloidteilchen unter Verwendung einer Pipette oder eines Tintenstrahldruckkopfes in mehreren Tröpfchen auf die Oberfläche der ersten Schicht befördert werden. Das Toluen kann in Vakuum abgepumpt werden, wobei die Goldnanoteilchen auf der Oberfläche zurückbleiben, um als Katalysatoren für das VLS-Wachstum der Nanodrähte zu dienen. Bei diesem Beispiel weisen die Goldkolloidpartikel einen Durchmesser von etwa 10 nm und eine nominale Konzentration von etwa 5 × 1015 ml–1 auf.
  • Das Nanodraht-Wachstum 220 wird in einer CVD-Reaktionskammer unter Verwendung eines Gasgemisches eines Nanodraht-Ausgangsmaterials, das bei einer Wachstumstemperatur in die Kammer eingebracht wird, und unter Verwendung von Nanopartikel-Katalysatoren, die an den Kristalliten an der Oberfläche der ersten Schicht angeordnet sind, eingeleitet. Der aktivierte oder Keim bildende Nanopartikelkatalysator beschleunigt eine Zersetzung des Nanodraht-Ausgangsmaterials in dem Gasgemisch, so dass ad-Atome, die sich aus der Zersetzung des Nanodraht-Ausgangsmaterials ergeben, durch und um den Nanopartikelkatalysator herum diffundieren und die ad-Atome auf der Oberfläche der ersten Schicht ausfallen. Insbesondere fallen die ad-Atome des Nanodrahtmaterialniederschlags zwischen dem Nanopartikelkatalysator und der Oberfläche der ersten Schicht an den jeweiligen Kristalliten aus, um das Nanodraht-Wachstum einzuleiten. Überdies wird ein katalysiertes Wachstum des Nanodrahts mit einer fortgesetzten Ausfällung an der Grenzfläche zwischen Nanopartikel und Nanodraht fortgesetzt. Eine derartige fortgesetzte Ausfällung bewirkt, dass der Nanopartikelkatalysator an der Spitze des freien Endes des wachsenden 220 Nanodrahtes verbleibt.
  • Beispielsweise können Indiumphosphid(InP)-Nanodrähte auf dem nicht-einkristallinen wasserstoffhaltigen Siliziumfilm anhand eines metallorganischen CVD (MOCVD – metal-organic CVD) unter Verwendung von Trimethyilindium und Phosphin in einem Wasserstoff-Trägergas bei einem Wachstumsdruck von etwa 76 Torr und einer Temperatur von etwa 430°C gewachsen werden. Die InP-Nanodrähte sind mit den Kristalliten in dem nicht-einkristallinen Siliziumfilm verankert.
  • Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst das Verfahren 200 zum Herstellen ferner ein Dotieren der ersten Schicht und/oder der Nanostruktur. Bei manchen Ausführungsbeispielen werden die erste Schicht und die Nanostrukturen derart dotiert, dass ein pn-Übergang gebildet wird. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist der pn-Übergang ein beliebiger der pn-Übergänge 150 (einschließlich pin-Übergängen), die oben für das heterokristalline Halbleiterbauelement 100 beschrieben wurden. Die verwendeten Dotierungsmaterialien und die erzielten Dotierungspegel hängen von der Anwendung des heterokristallinen Halbleiterbauelements ab und werden hierin nicht als Einschränkung betrachtet. Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst das Verfahren 200 zum Herstellen ferner ein Einbetten der Nanostruktur in einem Kapselungsmaterial, Bei diesem Ausführungsbeispiel liegt ein freies Ende der Nanostruktur an einer Oberfläche des Kapselungsmittels frei. Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst das Verfahren 200 zum Herstellen ferner ein Bilden einer elektrischen Verbindung, um auf die erste Schicht und/oder die Nanostruktur elektrisch zuzugreifen. Die elektrische Verbindung wird unter Verwendung eines Aufbringungsverfahrens und entweder eines leitfähigen Metallmaterials oder eines entsprechend dotierten Halbleitermaterials gebildet. Beispielsweise können Aufbringungsverfahren, einschließlich, aber nicht ausschließlich, eines Sputterns und einer Verdampfung, verwendet werden. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist die elektrische Verbindung ähnlich einem der elektrischen Kontakte 160a, 160b, die oben für das heterokristalline Halbleiterbauelement 100 beschrieben wurden.
  • Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst das Verfahren 200 zum Herstellen ferner ein Bilden einer zweiten Schicht eines zweiten Halbleitermaterials, das eine zweite nicht-einkristalline Struktur aufweist, so dass die Nanostruktur zwischen der gebildeten 210 ers ten Schicht und der zweiten Schicht angeordnet ist. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist die zweite Schicht ähnlich der oben für das heterokristalline Halbleiterbauelement 100 beschriebenen zweiten Schicht 140. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann die zweite Schicht auf der Nanostruktur oder einer Schicht, die die Nanostruktur in einer vertikal gestapelten Beziehung umfasst, wie die in 2A veranschaulichte, gebildet sein. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die zweite Schicht als gesondertes Segment auf dem Substrat gebildet sein, das von der ersten Schicht getrennt ist, die ebenfalls als gesondertes Segment gebildet ist. Die Nanostruktur kann aus einer vertikalen Seitenwandoberfläche der ersten Schicht gewachsen gelassen 220 werden, um eine vertikale Seitenwandoberfläche der zweiten Schicht zu berühren.
  • Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst das Verfahren 200 zum Herstellen ferner ein Wachsenlassen einer zweiten Nanostruktur auf der zweiten Schicht auf sehr ähnliche Weise wie dies oben in Bezug auf das Wachsenlassen 220 der zuerst erwähnten Nanostruktur auf der ersten Schicht beschrieben wurde. Bei manchen dieser Ausführungsbeispiele können die zweite Schicht und die zweite Nanostruktur auch dotiert sein, und pn-Übergänge können gebildet sein, wie oben für die erste Schicht und die zuerst erwähnte Nanostruktur beschrieben wurde. Bei derartigen Ausführungsbeispielen umfasst das heterokristalline Halbleiterbauelement mehrere nicht-einkristalline Halbleiterschichten und mehrere einkristalline Halbleiterschichten, wobei die Halbleitermaterialien jeder Schicht identisch oder unterschiedlich sein können. Als solches weist das anhand des Verfahrens 200 hergestellte heterokristalline Halbleiterbauelement verschiedene Energiebandabstände in den verschiedenen Schichten auf, die zahlreiche Bauelementanwendungen vorsehen, wie oben für das heterokristalline Halbleiterbauelement 100 beschrieben wurde.
  • Somit wurden verschiedene Ausführungsbeispiele eines heterokristallinen Halbleiterbauelements und eines Verfahrens zum Herstellen eines heterokristallinen Halbleiterbauelements beschrieben. Man sollte sich darüber im Klaren sein, dass die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich eine Veranschaulichung mancher der vielen spezifischen Ausführungsbeispiele sind, die die Prinzipien der vorliegenden Erfindung darstellen. Selbstverständlich können Fachleute ohne weiteres zahlreiche andere Anordnungen ersinnen, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, wie er durch die folgenden Patentansprüche definiert ist, abzuweichen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
  • Ein heterokristallines Halbleiterbauelement 100 und ein Verfahren 200 zum Herstellen desselben umfassen eine nicht-einkristalline Halbleiterschicht 110, 140 und eine Nanostrukturschicht 120, die eine einkristalline Halbleiternanostruktur 122, 124 umfasst, die mit einem Kristalliten 112 der nicht-einkristallinen Halbleiterschicht 110, 140 eine Einheit bildet.

Claims (10)

  1. Ein heterokristallines Halbleiterbauelement 100 mit: einer ersten Schicht 110 eines ersten nicht-einkristallinen Halbleitermaterials, das einen ersten Energiebandabstand aufweist; einer zweiten Schicht 140 eines zweiten nicht-einkristallinen Halbleitermaterials, das einen zweiten Energiebandabstand aufweist; einer Nanostrukturschicht 120, die Nanostrukturen 122, 124 eines einkristallinen Halbleitermaterials, das einen dritten Energiebandabstand aufweist, eine Nanostruktur 122, 124 der Nanostrukturschicht 120, die eine Einheit mit einem Kristalliten 112 entweder in der ersten Schicht 110 oder in der zweiten Schicht 140 bildet, umfasst, wobei die Nanostrukturschicht 120 zwischen der ersten Schicht 120 und der zweiten Schicht 140 angeordnet ist; und separaten elektrischen Kontakten 160a, 160b mit der ersten Schicht 110 und der zweiten Schicht 140, wobei die Nanostrukturen 122, 124 seitens der separaten elektrischen Kontakte 160a, 160b elektrisch zugänglich sind.
  2. Das heterokristalline Halbleiterbauelement 100 gemäß Anspruch 1, bei dem sich der dritte Energiebandabstand des einkristallinen Halbleitermaterials von dem ersten Energiebandabstand des ersten nicht-einkristallinen Halbleitermaterials und/oder dem zweiten Energiebandabstand des zweiten nicht-einkristallinen Halbleitermaterials unterscheidet.
  3. Das heterokristalline Halbleiterbauelement 100 gemäß einem der Ansprüche 1–2, bei dem die Nanostrukturschicht 120 ferner ein Material 126 umfasst, in das die Nanostrukturen 122, 124 eingebettet sind, wobei die Nanostrukturen 122, 124 Nanodrähte 122 oder Nanopunkte 124 sind.
  4. Das heterokristalline Halbleiterbauelement 100 gemäß einem der Ansprüche 1–3, das ferner einen pn-Übergang 150 umfasst, der in den Nanostrukturen 122, zwischen der ersten Schicht 110 und den Nanostrukturen 122, 124, zwischen der zweiten Schicht 140 und den Nanostrukturen 122, 124 und/oder zwischen der ersten Schicht 110 und der zweiten Schicht 140 angeordnet ist.
  5. Das heterokristalline Halbleiterbauelement 100 gemäß einem der Ansprüche 1–4, bei dem die erste Schicht 110 auf einer Oberfläche eines Substrats 130 angeordnet ist, wobei die zweite Schicht 140 durch die Nanostrukturschicht 120 von der ersten Schicht 110 vertikal beabstandet ist.
  6. Das heterokristalline Halbleiterbauelement 100 gemäß einem der Ansprüche 1–5, bei dem sich die erste Schicht 110 und die zweite Schicht 140 über eine Oberfläche eines Substrats 130 als gesonderte Segmente, die vertikale Seitenwände aufweisen, abwechseln, wobei sich die Nanostrukturen 122 lateral zwischen vertikalen Seitenwänden der abwechselnden gesonderten Segmente 110, 140 erstrecken.
  7. Das heterokristalline Halbleiterbauelement 100 gemäß einem der Ansprüche 1–6, das ferner ein Substrat 130 neben der ersten Schicht 110 umfasst, das zumindest die erste Schicht 110 hält, wobei ein Material des Substrats aus einem Glas, einer Keramik, einem Metall, einem Kunststoff, einem Polymer, einem Dielektrikum und einem Halbleiter ausgewählt ist.
  8. Das heterokristalline Halbleiterbauelement 100 gemäß einem der Ansprüche 1–7, bei dem die Nanostruktur ein oder mehrere Nanodrähte 122 ist.
  9. Das heterokristalline Halbleiterbauelement 100 gemäß einem der Ansprüche 1–8, bei dem das erste Halbleitermaterial und das zweite Halbleitermaterial dasselbe Halbleitermaterial sind.
  10. Das heterokristalline Halbleiterbauelement 100 gemäß einem der Ansprüche 1–9, bei dem die Nanostruktur 122, 124 unter Verwendung eines katalytischen epitaxialen Wachstums als Einheit mit dem Kristalliten 112 in der ersten Schicht 110 wachsen gelassen 220 wird.
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