JP2011224749A - ナノ構造体およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板の上にこの基板と垂直にコア・シェル型の半導体ナノワイヤを形成し、この半導体ナノワイヤを絶縁体で覆うと共に、この絶縁体をエッチングにより除去して半導体ナノワイヤの上部を露出させたナノ構造体を製造する。このナノ構造体を用いれば、半導体ナノワイヤの露出した上部にトンネル接合部を形成し、このトンネル接合部に新たな半導体ナノワイヤを積層することによりショートすることを抑制した高効率のデバイスを製造することができる。
【選択図】図8
Description
また、半導体ナノワイヤはその軸方向に積層されるので、たとえ積層する半導体の格子定数に差があるときでも、その界面は高々半導体ナノワイヤの径によって規定される面積となる。したがって、半導体結晶内に生じるひずみを抑えて良好に接続することができる。
さらに、複数の半導体ナノワイヤを積層して、多段構造を有する太陽電池や発光ダイオードなどのデバイスを製造した場合には、絶縁膜によってリーク電流の発生が抑えられるので、複数の波長の光を電気に変換できる太陽電池や、複数の波長の光を放射することのできる発光ダイオードなど高機能のデバイスが得られる。
以下、本発明の実施の形態1,2として、ナノ構造体をそれぞれ太陽電池および発光素子にそれぞれ用いた場合を例に、図面を参照しながら詳細に説明する。
まず、本発明の実施の形態1に係る太陽電池は、基板上にコア・シェル型の半導体ナノワイヤをその軸線方向に積層した構造を有する。図1は、太陽電池の半導体ナノワイヤの軸線方向の沿った断面図である。
本実施の形態に係る太陽電池は、図1に示すように、基板110と、基板110の上に形成された第1の半導体ナノワイヤ120と、このトンネル接合膜130を介して第1の半導体ナノワイヤに接続された、第2の半導体ナノワイヤ140と、これらを覆うシリコン樹脂膜114(絶縁体に相当)と、透明電極150と,電極160と、外部負荷170とを備えている。
このうち、第1の半導体ナノワイヤ120および第2の半導体ナノワイヤ140は、後述するように、いずれもコア・シェル型の半導体ナノワイヤであり、それぞれ第1ダイオード120および第2ダイオード140を形成している。
なお、第2の半導体ナノワイヤ140の上部には、Au微粒子112が配置されている。このAu微粒子112は、Auからなる直径約20nm程度の微粒子であり、VLS法によって半導体ナノワイヤ120,140およびトンネル接合膜130を形成した際に用いられたものである。
第1の半導体ナノワイヤ(第1ダイオード)120は、コア・シェル型のナノワイヤであり、その中心から外側に向かって順に、p−InP層120a,i−InAsP層120b,n−InP層120cを有する、pin構造のダイオードである。
第2の半導体ナノワイヤ(第2ダイオード)140も、同様に、コア・シェル型のナノワイヤであり、その中心から外側に向かって順に、p−GaP層140a,i−GaAsP層140b,n−GaP層140cを有する、pin構造をもつダイオードである。
トンネル接合膜130は、比較的不純物の濃度の高いn+−InP層130aおよびp+−GaP層130bから構成されており、第1ダイオード120のn−InP層120cと第2ダイオード140のp−GaP層140aとを電気的に接続する役割を果たしている。
シリコン樹脂膜114は、シリコン樹脂からなり、その絶縁作用により、各構成部品、例えば、トンネル接合膜130が基板110等と導通することを抑えている。また、シリコン樹脂膜114は、光学的に透明であることから、外部から到達した光は、シリコン樹脂膜114によって遮断されることなく、第1ダイオード120および第2ダイオード140に到達することができる。
透明電極150は、ITO(酸化インジウム・スズ)膜からなり、太陽電池の陰極として、外部負荷170と接続される。
電極160は、基板110とオーミック接続する金属からなり、太陽電池の陽極として、外部負荷170と接続される。
具体的には、基板110を、再びMOVPE装置内に設置し、温度を430℃に設定し、TMInを1×10-5mol/min、PH3を5×10-4mol/min、AsH3を1×10-4mol/minの割合で導入したまま5分待つことによってi−InAsP層120bを形成することができる。その後、TMInを1×10-5mol/min、PH3を6×10-4mol/min、Si2H6(ジシラン)を1×10-6mol/minの割合で導入したまま5分待つことによってn−InP層120cを動径方向に成長させることができる。
図8は、このようにして形成した第1ダイオード120のSEM写真である。図8から、第1ダイオード120が基板110に対して垂直に形成される様子がみてとれる。
なお、以上のようにして形成されたpin型の第1ダイオード120においては、p−InP層120aは、基板110と接続されている一方、i−InAsP層120bおよびn−InP層120cは、シリコン樹脂膜114aによって、基板110から絶縁されている。
このようにして形成されたトンネル接合膜130は、シリコン樹脂膜114a,114bによって基板110から絶縁されている。
具体的には、基板110を再びMOVPE装置内に設置し、温度を530度に設定して、TMGaを1×10-5mol/min、PH3を5×10-4mol/min、AsH3を1×10-4mol/minの割合でを導入して5分待つことによってi−GaAsP層140bを形成することができる。その後、TMGaを1×10-5mol/min、PH3を6×10-4mol/min、Si2H6を1×10-6mol/minを導入して5分待つことによってn−GaP層140cを動径方向に成長させることができる。
図9は、このようにして形成した第1ダイオード120および第2ダイオード140のSEM写真である。図9から、第1ダイオード120および第2ダイオード140が積層されて形成される様子がみてとれる。
なお、以上のようにして形成されたpin型の第2ダイオード140においては、p−GaP層140aはトンネル接合膜130と接続されている一方、i−GaAsP層140bおよびn−GaP層140cは、シリコン樹脂膜114a、114b、114cによって、基板110、第1ダイオード120、トンネル接合膜130から絶縁されている。
また、シリコン樹脂膜114a、114b、114cは、2.0より小さい屈折率を有することにより、光はダイオードを形成する半導体ナノワイヤまで到達することができる。
次に、本発明の実施の形態2に係る発光ダイオードについて説明する。
本実施の形態に係る発光ダイオードは、コア・シェル型の半導体ナノワイヤからなるダイオードを備えている。図10は、本実施の形態に係る発光ダイオードの半導体ナノワイヤの軸線方向に沿った断面図である。本実施の形態に係る発光ダイオードは、図10に示すように、コア・シェル型の第1の半導体ナノワイヤ(第1ダイオード)220,第2の半導体ナノワイヤ(第2ダイオード)240,および第3の半導体ナノワイヤ(第3ダイオード)260を積層した3接合型の構造となっており、これら3つのダイオードがトンネル接合膜230,250により接合されている。実施の形態1に係る太陽電池では外部負荷170が接続されていたのに対し、本実施の形態に係る発光ダイオードでは電源290が接続されている点が大きく異なっている。
第1ダイオード220,第2ダイオード240,および第3ダイオード260の組成を違えることにより、電源290から電流を供給したときに、これら三つのダイオードから互いに波長の異なる光を発光させることができる。
まず、p−InP(111)Bの基板210上にAu微粒子212を塗布し、その後基板210をMOVPE装置内に設置し、380℃でTMInを1×10-5mol/min、PH3を6×10-4mol/min、DEZnを1×10-6mol/minの割合で導入してp−InP層220aを5分間成長させる。
この第1ダイオード220においては、p−InP層220aは基板210と接続されている一方、i−InAsP層220bおよびn−InP層220cは基板210からシリコン酸化膜214aにより絶縁されている。
Claims (10)
- 基板と、
前記基板の上にこの基板と垂直に形成された半導体ナノワイヤと、
この半導体ナノワイヤの一部を覆う絶縁体と
を備え、
前記半導体ナノワイヤの頭頂部は、前記絶縁体に覆われていない
ことを特徴とするナノ構造体。 - 請求項1に記載されたナノ構造体において、
前記半導体ナノワイヤは、コア・シェル型の半導体ナノワイヤである
ことを特徴とするナノ構造体。 - 請求項2に記載されたナノ構造体において、
前記半導体ナノワイヤは、ダイオードを構成する
ことを特徴とするナノ構造体。 - 請求項1乃至3のいずれかに記載されたナノ構造体において、
前記半導体ナノワイヤは、トンネル接合膜を介して直列に接続された複数のダイオードを含む
ことを特徴とするナノ構造体。 - 請求項4に記載されたナノ構造体において、
前記複数のダイオードは、互いにバンドギャップの異なる材料からなること
を特徴とするナノ構造体。 - 請求項1乃至5のいずれかに記載されたナノ構造体において、
前記絶縁体は、抵抗率が1.0×108[Ω・m]以上、かつ、屈折率が2.0以下である
ことを特徴とする請求項1に記載のナノ構造体。 - 請求項1乃至6のいずれかに記載されたナノ構造体において、
前記絶縁体は、シリコン、チタンの酸化物もしくは窒化物の少なくともいずれか1つからなる
ことを特徴とする請求項1または2に記載のナノ構造体。 - VLS法によって基板の上にこの基板と垂直に半導体ナノワイヤを形成する第1工程と、
前記半導体ナノワイヤの頭頂部を除いてその半導体ナノワイヤを絶縁体で覆う第2工程と、
を備えることを特徴とするナノ構造体の製造方法。 - 請求項8に記載されたナノ構造体の製造方法において、
前記第1工程を前記第2工程とを交互に行うこと
を特徴とするナノ構造体の製造方法。 - 請求項8または9に記載されたナノ構造体の製造方法において、
前記第2工程は、
前記半導体ナノワイヤを絶縁体で覆う工程と、
前記絶縁体の一部を除去して前記半導体の一部を露出させる工程と
を有することを特徴とするナノ構造体の製造方法。
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