JP2012524402A - Semiconductor nanowire array for photovoltaic device application and method for manufacturing the same - Google Patents

Semiconductor nanowire array for photovoltaic device application and method for manufacturing the same Download PDF

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ハビブ、ユーセフ
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イルミネックス コーポレイション
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy

Abstract

【課題】光起電力(PV)電力のワット当たりの費用を下げる。
【解決手段】本発明は、電気・電子的用途のためのナノワイヤの作製に関する。アルミナを形成するアルミニウムが、VLS(CVD)プロセスにおいてシリコンナノワイヤを成長させるための触媒としても、半導体ドーパントとしても用いられるような、アルミナテンプレートを用いてシリコンナノワイヤを成長させる方法が開示されている。さらに、デバイス層間の電気的遮蔽を維持するためにアルミニウム及びアルミナの一部のマスキングを除去する様々な技術が開示されている。
【選択図】図1
The cost per watt of photovoltaic (PV) power is reduced.
The present invention relates to the fabrication of nanowires for electrical and electronic applications. Disclosed is a method of growing silicon nanowires using an alumina template such that the aluminum forming the alumina is used as a catalyst for growing silicon nanowires in a VLS (CVD) process as well as as a semiconductor dopant. In addition, various techniques have been disclosed for removing masking of portions of aluminum and alumina to maintain electrical shielding between device layers.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、光起電力デバイスを含む電気回路を製造するための、基材上でのナノワイヤの成長及び使用に関する。   The present invention relates to the growth and use of nanowires on a substrate for the production of electrical circuits including photovoltaic devices.

政府使用権   Government use rights

米国政府は、本発明の一括払いライセンス及び米国エネルギー省によって与えられた契約番号DOE-DE-FG02-07ER86313に定めるところにより、限定的な状況において、特許所有者に妥当な条件で他者への許諾を要求する権利を有する。   The U.S. Government grants licenses to others under reasonable conditions to the patent owner in limited circumstances as provided in the lump sum license for the present invention and the contract number DOE-DE-FG02-07ER86313 awarded by the U.S. Department of Energy. Have the right to claim

優先権の主張   Priority claim

この特許出願は、米国特許出願第12/185,773号(特許文献1)の一部継続出願として、並びに米国特許出願第61/169,279号(特許文献2)、米国特許出願第61/177,265号(特許文献3)、米国特許出願第61/242,212号(特許文献4)及び米国特許出願第12/759,537号(特許文献5)の継続出願として、優先権を主張する。これらの米国特許出願は全て、引用を以て本明細書の一部と成す。   This patent application is a continuation-in-part of US patent application Ser. No. 12 / 185,773 (Patent Document 1), as well as US Patent Application No. 61 / 169,279 (Patent Document 2), US Pat. Claimed priority as a continuation of 177,265 (patent document 3), US patent application 61 / 242,212 (patent document 4) and US patent application 12 / 759,537 (patent document 5) To do. All of these US patent applications are hereby incorporated by reference.

単結晶または多結晶シリコン太陽電池は、現在、主要な商業用の光起電力(PV)技術であり、商業市場の90%以上を占めている。デバイス設計の進歩により、結晶シリコン太陽電池は既に16〜20%のモジュール効率に達している。太陽電池効率を単一バンドギャップシリコン太陽光変換デバイスの31%の理論的限界に近付けるための努力が続けられているが、このクリーンな代替発電方法は、主として光起電力モジュールを製造するために用いるシリコンウェーハの製造コストのせいでモジュールコストが高いことが妨げとなって、市場に受け入れられていない。現在、太陽光発電は米国のエネルギー供給源の0.1%未満に過ぎない。   Single crystal or polycrystalline silicon solar cells are currently the leading commercial photovoltaic (PV) technology, accounting for over 90% of the commercial market. With advances in device design, crystalline silicon solar cells have already reached a module efficiency of 16-20%. While efforts are being made to bring solar cell efficiency closer to the 31% theoretical limit of single band gap silicon solar conversion devices, this clean alternative power generation method is primarily used to produce photovoltaic modules. The high module cost is hindered by the manufacturing cost of the silicon wafer used, which is not accepted by the market. Currently, solar power is less than 0.1% of the US energy supply.

米国特許出願第12/185,773号明細書US patent application Ser. No. 12 / 185,773 米国特許出願第61/169,279号明細書US Patent Application No. 61 / 169,279 米国特許出願第61/177,265号明細書US Patent Application No. 61 / 177,265 米国特許出願第61/242,212号明細書US patent application 61 / 242,212 米国特許出願第12/759,537号明細書US patent application Ser. No. 12 / 759,537

このクリーンで豊富な電力源の潜在能力を実現するためには、PV電力のワット当たりの費用を下げると同時にPV電力をより容易に消費者が利用できるようにする新たな技術が必要である。   In order to realize the potential of this clean and abundant power source, new technologies are needed that lower the cost per watt of PV power and at the same time make PV power more easily available to consumers.

本明細書に開示されているPVデバイス工学への独自のアプローチは、動径方向にpn接合を有するナノワイヤ(NW)アレイ配列を利用することによって、高純度シリコンウェーハの必要性を回避している。ナノワイヤ・アプローチは、シリコンの使用量を、アクティブ光変換ナノ構造部品を構成するために必要な不可欠量にまで減らす。動径方向のpn接合は、NWの小さな直径を利用してキャリア収集効率を向上させるとともに、ナノ構造の高アスペクト比を利用して光吸収を強化する。動径方向のpn接合では、光吸収の方向とキャリア収集の方向とは、これら2つの関連性のある次元を直交させることによって切り離されている。NWは、長手方向軸線に沿って光学的に厚いので光吸収を最大にするが、動径方向には薄いので光発生キャリア抽出距離を短くする。これらの幾何学的属性は、平面構造に比べてデバイス効率を増大させる。NWは、典型的にはn型シェルで被覆されたp型結晶シリコンコアを有し、必要に応じてNWをpn接合またはpin接合として作製することができる。ここで、iは真性シリコンである。   The unique approach to PV device engineering disclosed herein avoids the need for high purity silicon wafers by utilizing nanowire (NW) array arrays with pn junctions in the radial direction. . The nanowire approach reduces the amount of silicon used to the indispensable amount needed to construct active light converting nanostructured components. The radial pn junction improves carrier collection efficiency using the small diameter of the NW and enhances light absorption using the high aspect ratio of the nanostructure. In a radial pn junction, the direction of light absorption and the direction of carrier collection are separated by making these two relevant dimensions orthogonal. The NW is optically thick along the longitudinal axis and thus maximizes light absorption, but it is thin in the radial direction and thus shortens the light-generated carrier extraction distance. These geometric attributes increase device efficiency compared to planar structures. The NW typically has a p-type crystalline silicon core covered with an n-type shell, and the NW can be made as a pn junction or a pin junction as required. Here, i is intrinsic silicon.

単結晶半導体ナノワイヤアレイのボトムアップ的な作製手法は、結晶Si太陽電池を製造するための低コスト製法を可能にする。シリコンナノワイヤ(SiNW)成長プロセスは、気相−液相−固相(VLS)成長として知られており、金属ナノ粒子を触媒として用いて気相大気からSiNWを成長させるステップを含む。PVデバイスまたは他のデバイス用途に対して、同様のVLS法を用いて、シリコン、ゲルマニウム(Ge)、アンチモン化ガリウム(GaSb)、窒化ガリウム(GaN)または他の半導体NWを成長させることもできる。VLSプロセスによって作製されるNWアレイを太陽電池に応用することの興味深い側面は、ガラスや金属箔などの低コストの非結晶基材(基板)上で、高成長率(1〜10ミクロン/分)及び低温(400〜600℃)で、成長後処理が最小限ないし全くなしで、単結晶半導体NWを得ることができることである。このことは、シリコンウェーハベースのアプローチに比べて、製造時の著しいエネルギー及び材料を節約し、製造費用の低下をもたらす可能性を提供する。   The bottom-up fabrication technique for single crystal semiconductor nanowire arrays enables a low cost fabrication process for producing crystalline Si solar cells. The silicon nanowire (SiNW) growth process is known as vapor-liquid-solid (VLS) growth and includes growing SiNW from the vapor atmosphere using metal nanoparticles as a catalyst. For PV devices or other device applications, similar VLS methods can be used to grow silicon, germanium (Ge), gallium antimonide (GaSb), gallium nitride (GaN) or other semiconductor NWs. An interesting aspect of applying NW arrays produced by the VLS process to solar cells is the high growth rate (1-10 microns / min) on low-cost amorphous substrates (substrates) such as glass and metal foil. In addition, a single crystal semiconductor NW can be obtained at a low temperature (400 to 600 ° C.) with minimal or no post-growth treatment. This offers the potential to save significant energy and material during manufacturing and reduce manufacturing costs compared to silicon wafer based approaches.

シリコンナノワイヤのVLS成長のために、典型的には金(Au)シードが用いられるが、それは主として低いAl−Si共晶温度(363℃)及び好ましい濡れ性に因るものであり、それがナノワイヤの先端での安定した液体合金相の形成をもたらしている。しかし、Auは、5×1017〜1.5×1018cm−3という高濃度でVLS成長中にSiNWの格子に取り込まれ、Siのバンドギャップ内に深い準位の電子状態を形成し、再結合のための中心として働くことにより電荷キャリアの寿命を低下させる。しかし、その代わりに、VLSプロセスにおける触媒としてアルミニウム(Al)を用いることができる。 For the VLS growth of silicon nanowires, typically a gold (Au) seed is used, mainly due to the low Al-Si eutectic temperature (363 ° C) and favorable wettability, which is the nanowire. This leads to the formation of a stable liquid alloy phase at the tip of the steel. However, Au is taken into the lattice of SiNW during VLS growth at a high concentration of 5 × 10 17 to 1.5 × 10 18 cm −3 , and forms a deep level electronic state in the Si band gap, By acting as a center for recombination, the lifetime of the charge carriers is reduced. However, aluminum (Al) can be used instead as a catalyst in the VLS process.

アルミニウムは、Si処理ラインにおいて日常的に使用されるので、SiNWを触媒するための非常に魅力的な材料になる。AlをSi格子に加えるとSi価電子帯に近い状態が作り出されるので、Alは、PVデバイスなどの半導体用途に適切なp型ドーパントである。Al−Si相図は、Au−Si相図と類似しており、かなり低温の共晶(577℃)を形成し、PVデバイスに利用する場合にはAlがSiNWのVLS成長のための適切な触媒になる。さらに、気相Si前駆体を用いて500℃より低い温度でSiNWを作製するために気相−固相−固相を同様に用いることができる。触媒シーディングプロセスを省き、低コストの材料で働き、最小の処理ステップしか必要としない処理技術は、NWデバイスの費用効果の高い製造及び関連する利益の全てを実現するために取るべき道である。   Aluminum is a very attractive material for catalyzing SiNW because it is routinely used in Si processing lines. Adding Al to the Si lattice creates a state close to the Si valence band, so Al is a p-type dopant suitable for semiconductor applications such as PV devices. The Al-Si phase diagram is similar to the Au-Si phase diagram and forms a fairly low temperature eutectic (577 ° C), which is suitable for VLS growth of SiNW when used in PV devices. Become a catalyst. Furthermore, a vapor phase-solid phase-solid phase can be used in the same manner to produce SiNW at a temperature lower than 500 ° C. using a vapor phase Si precursor. Processing technology that eliminates the catalyst seeding process, works with low-cost materials, and requires minimal processing steps is the path to be taken to realize all cost-effective manufacturing of NW devices and all associated benefits .

本発明の一実施形態には、Al金属表面上またはアルミニウムで被覆された他の導電性基材上にナノ多孔質陽極酸化アルミニウム(AAO)層を形成するためにAl金属の層を部分的に陽極酸化するステップと、その後にVLS技術を用いてAl金属を触媒として用いることによってシラン(SiH)または他のSi含有(Si、SiClなど)ガスを含む気相大気から高アスペクト比のSiNWの軸方向成長を触媒するステップとを含む。Al金属基材を出発物質として用いることができ、あるいは別の基材材料にAlを被覆膜または層として成膜することができる。このプロセスによって成長させられるSiNWは、ナノ細孔の底部でのAl−Si共晶相の形成を経てAl/AAO界面で核形成し、AAOの細孔の中から外へ上に向かって成長し、自由空間へ延出する。SiNWは、効果的なp型ドーパントとして働く体積濃度1018/cmないし1020/cmのAl原子を含むので、SiNW成長中にさらなるドーパントガスソースを追加する必要がない。適切に構築されたAAO/Al基材が用いられるとき、NWは、PVデバイスの陽極であるAl金属とオーム接触している。続いて、コンフォーマルなn型Si層が好適にはエピタキシャルにその場堆積され、数多くのpnダイオード接合を作り出す。好適実施形態では、反応器からデバイスを取り出すことなしに、n型層が堆積される。接合領域を最大にし、ダイオード領域に電気的導通を提供するために、n型被覆膜より前に、AAO表面全体を覆う薄いp型層を形成することができる。この追加層は、何らかの理由によりシリコンナノワイヤで塞がれていないAAOの細孔を埋めることによって、基材からN層を絶縁することもできる。必要に応じて、pinダイオードを形成するために、または離散的なp(n)型ナノワイヤとそれに続く連続的なn(p)型被覆膜との間の連続的な層として、真性材料層をp層とn層の間に加えることができる。多孔質AAO層は、SiNWの直径及び間隔を制御するテンプレート(鋳型)としても、n型層をAl基材から絶縁する絶縁体としても働くので、多機能である。n型Si層上に透明導電膜が堆積され、陰極を形成する。それゆえ、1つの材料Alが、SiNW成長のための触媒と、PV電極(陽極)と、p型SiNWドーパントソースと、絶縁層(多孔質AAOの形で)と、NWテンプレート(AAO)と、デバイスの機械的支持構造とを提供する。 In one embodiment of the invention, a layer of Al metal is partially applied to form a nanoporous anodized aluminum (AAO) layer on an Al metal surface or other conductive substrate coated with aluminum. Anodizing and then using high-aspect from a gas phase atmosphere containing silane (SiH 4 ) or other Si-containing (Si 2 H 6 , SiCl 4, etc.) gas by using Al metal as a catalyst using VLS technology Catalyzing the axial growth of the ratio SiNW. An Al metal substrate can be used as a starting material, or Al can be deposited as a coating or layer on another substrate material. The SiNW grown by this process nucleates at the Al / AAO interface through the formation of an Al-Si eutectic phase at the bottom of the nanopore, and grows from inside the AAO pores outward. , Extend to free space. Since SiNW contains Al atoms with a volume concentration of 10 18 / cm 3 to 10 20 / cm 3 that serve as effective p-type dopants, no additional dopant gas source needs to be added during SiNW growth. When a properly constructed AAO / Al substrate is used, the NW is in ohmic contact with the Al metal that is the anode of the PV device. Subsequently, a conformal n-type Si layer is preferably epitaxially deposited in situ to create a number of pn diode junctions. In a preferred embodiment, the n-type layer is deposited without removing the device from the reactor. In order to maximize the junction region and provide electrical conduction to the diode region, a thin p-type layer covering the entire AAO surface can be formed prior to the n-type coating. This additional layer can also insulate the N layer from the substrate by filling the pores of AAO that are not blocked by silicon nanowires for any reason. If necessary, an intrinsic material layer to form a pin diode, or as a continuous layer between discrete p (n) -type nanowires and subsequent continuous n (p) -type coatings Can be added between the p and n layers. The porous AAO layer is multifunctional because it functions both as a template for controlling the diameter and spacing of the SiNW and as an insulator for insulating the n-type layer from the Al substrate. A transparent conductive film is deposited on the n-type Si layer to form a cathode. Therefore, one material Al consists of a catalyst for SiNW growth, a PV electrode (anode), a p-type SiNW dopant source, an insulating layer (in the form of porous AAO), an NW template (AAO), And a mechanical support structure of the device.

用途の広いSiNW作製のためのこのプロセスにより、軽量、多用途、低コストかつ新規な設計属性を持つ太陽電気デバイスを新たに作り出すことができる。確立された優位なSiウェーハベースのPVデバイス市場と互角に戦うために、電気自動車のボディー上のPV被覆のためのコンフォーマルなAl箔仕上げまたは塗布されたAl層、PV繊維製品に応用するためにAl糸上にSiNWを設けて巻き取ったもの、または単にガラスパネルまたは他の絶縁基材上に堆積されたAlを含む、容易に作製される多様な実現形態を用いて、ナノPV発電を実現することができる。   This process for versatile SiNW fabrication can create new solar electrical devices with light weight, versatility, low cost and new design attributes. To conform to the established superior Si wafer-based PV device market, conformal Al foil finish or applied Al layer for PV coating on the body of electric vehicles, to apply to PV fiber products Nano PV power generation using a variety of easily fabricated implementations, including SiNW wound on Al yarns or simply Al deposited on glass panels or other insulating substrates Can be realized.

Alコアと、Alに結合されかつ絶縁AAO被覆を貫通して成長しているp型SiNWと、それを被覆している連続的なN型Si層とを示すSiNW PVデバイスの概念図。n型層は、Alコア電極(陽極)と対極の外側導電性電極(陰極)で被覆されている。AAOは、陽極と陰極間の電気絶縁を提供する。FIG. 2 is a conceptual diagram of a SiNW PV device showing an Al core, a p-type SiNW bonded to Al and growing through an insulating AAO coating, and a continuous N-type Si layer covering it. The n-type layer is covered with an Al core electrode (anode) and a counter electrode outer conductive electrode (cathode). AAO provides electrical insulation between the anode and the cathode. この図は、Al金属上の多孔質陽極酸化アルミニウム皮膜の断面図を示す。This figure shows a cross-sectional view of a porous anodized aluminum coating on Al metal. Alワイヤの表面上に作製された多孔質AAO層を倍率レベルを上げて示すSEM写真。The SEM photograph which shows the porous AAO layer produced on the surface of Al wire, raising the magnification level. 陽極酸化プロセスの略図,(a)高電圧で陽極酸化された、形成されたAAOナノ細孔としてのAn、(b)より低い電圧での連続降圧陽極酸化が、チャネル底部においてナノフィンガー(nanofinger)を作り出す、(c)リン酸エッチング溶液が、細孔の底部で陽極酸化層を薄くすると同時に細孔を所望の直径まで広げる。Schematic diagram of anodization process, (a) An as a formed AAO nanopore, anodized at high voltage, (b) Continuous step-down anodization at lower voltage, nanofinger at channel bottom (C) a phosphoric acid etching solution thins the anodized layer at the bottom of the pores and simultaneously enlarges the pores to the desired diameter. SiNW成長のための低コストで効果的な基材を示すSEM写真。SEM photograph showing a low cost and effective substrate for SiNW growth. ガラス/Al/AAO及びSiNW構造全体を示すガラス基材上の部分的に陽極酸化されたAl上で成長させたSiNW(左,30分,成長)、ガラス/Al/AAO/SiNW界面の詳細を示す界面の中間倍率画像(中央,5分,成長)及び高倍率画像(右,5分)。Details of SiNW grown on partially anodized Al on glass substrate showing glass / Al / AAO and SiNW structure overall (left, 30 min, growth), glass / Al / AAO / SiNW interface Intermediate magnification image (center, 5 minutes, growth) and high magnification image (right, 5 minutes) of the interface shown. 多目的SiNW PVデバイスアーキテクチャであって、硬質平面デバイスのためのガラス上にあるもの(左)及びコンフォーマル構造のためのアルミニウムのバルク上にあるもの(右)。Multipurpose SiNW PV device architectures on glass for rigid planar devices (left) and on bulk aluminum for conformal structures (right). バリア層を示すAl金属上のAAOのSEM画像。SEM image of AAO on Al metal showing the barrier layer. シュウ酸、マロン酸及び酒石酸中で陽極酸化されたアルミニウム(左または右)。Aluminum anodized in oxalic acid, malonic acid and tartaric acid (left or right). 糸の周囲付近に多孔質アルミナテンプレートを成長させるために用いられる陽極酸化セルの図。右側の図は、均一な多孔質層成長を保証することになる均一な電界パターンを示す。FIG. 3 is a diagram of an anodization cell used to grow a porous alumina template near the periphery of a yarn. The figure on the right shows a uniform electric field pattern that will ensure uniform porous layer growth. ナノワイヤの先端であって、該先端上に明らかな残存Al触媒物質があるもの(左)及びないもの(右)を示す高倍率SEM画像(10万倍)。High-magnification SEM image (100,000 times) showing the tip of the nanowire with and without apparent residual Al catalyst material on the tip (left) and without (right). 降圧及び細孔拡張の前(左)及び後(右)のAl金属上のAAO。AAO on Al metal before (left) and after (right) pressure reduction and pore expansion. (a)ナノワイヤ軸線に沿って均一な被覆厚さを示す動径方向pn Siナノワイヤの低倍率TEM画像、(b)結晶p−Siコア及び多結晶n−Siシェル層を示す動径方向pn Siナノワイヤの高倍率TEM画像。(A) Low magnification TEM image of radial pn Si nanowire showing uniform coating thickness along nanowire axis, (b) Radial direction pn Si showing crystalline p-Si core and polycrystalline n-Si shell layer High magnification TEM image of nanowires. Al基材(またはAl被覆された他の基材)の領域であってナノワイヤ成長が望ましくない該領域に作製することができる無孔性酸化アルミニウムのSEM写真。ナノワイヤは、無孔性酸化物を通って核形成しない。SEM picture of non-porous aluminum oxide that can be made in regions of Al substrates (or other substrates coated with Al) where nanowire growth is undesirable. Nanowires do not nucleate through nonporous oxides. PV糸製造のためのプロセス図。Process diagram for PV yarn production. 「降圧」陽極酸化プロセスに用いられる電流−電圧スケジュール。Current-voltage schedule used for the “step-down” anodization process. 図18の陽極酸化工程を用いた後の、細孔拡張の前(左)及び後(右)のAl糸上の多孔質AAO。Porous AAO on Al yarn before (left) and after (right) pore expansion after using the anodization step of FIG. 代替的な「降圧」陽極酸化手順及びAl糸の表面上に結果的に得られたAAOを示す。An alternative “step-down” anodization procedure and the resulting AAO on the surface of the Al yarn are shown. 作製方法の複数のステップを図示する。The steps of the fabrication method are illustrated.

本発明は、PVデバイスを構成する部品を含むSiNWアレイベースのPVデバイスの設計と、PVまたは他のデバイス用途のためのシリコンナノワイヤアレイ(SiNW)の段階的作製の基本プロセスとを含む。構築されたSiNWアレイをPVデバイス設計に組み入れる技術に加えて、他の材料構造に結合された部分的に陽極酸化されたAlまたはAl層上にSiNWアレイを作製する方法が示されている。本明細書に記載の方法及び設計が、Al以外の出発物質、Si以外の材料から作られるアクティブ光電子ナノ構造、及び光起電力(太陽光発電)以外の作製及び機能のための金属及び半導体のナノスケール構造を用いるデバイスにまで拡張されることができるものであることは、当業者には容易に分かるであろう。本願では、ナノ(ナノワイヤ、ナノスケール、ナノ細孔など)なる語は、1若しくは複数の関連空間次元(方向)において、形態または機能のいずれかにおいて、1〜1000nmの特徴的な長さスケールを、有するか、利用するか、組み入れるか、または別な方法で顕在化する材料構造を指す。   The present invention includes the design of SiNW array-based PV devices, including the components that make up the PV device, and the basic process of phased fabrication of silicon nanowire arrays (SiNW) for PV or other device applications. In addition to techniques for incorporating constructed SiNW arrays into PV device designs, methods for making SiNW arrays on partially anodized Al or Al layers bonded to other material structures are shown. The methods and designs described herein are based on starting materials other than Al, active optoelectronic nanostructures made from materials other than Si, and metals and semiconductors for fabrication and function other than photovoltaic (solar power). One skilled in the art will readily appreciate that it can be extended to devices using nanoscale structures. In this application, the term nano (nanowire, nanoscale, nanopore, etc.) refers to a characteristic length scale of 1-1000 nm, either in form or function, in one or more related spatial dimensions (directions). , Has, utilizes, incorporates, or otherwise manifests a material structure.

1つの好適実施形態では、本発明は、能動部品(アクティブ部品)として動作する光電子デバイスを、半導体ナノワイヤアレイを利用して作製する方法を特徴とする。   In one preferred embodiment, the invention features a method of making an optoelectronic device operating as an active component (active component) utilizing a semiconductor nanowire array.

基材の作製−アルミニウムの陽極酸化   Substrate preparation-aluminum anodization

アルミニウム(純度99.8%以上)部品(箔、シート、糸、被覆基材、または他の形状)を先ず、エチルアルコール(95%)と過塩素酸(ACS,60〜62%)が4:1の溶液中で、5℃より低い温度で電解研磨し、輝く滑らかなAl表面が得られるように2アンペアの電流に制限して、10ボルトで3分間、Alに陽極バイアスを印加する。電解研磨においても、陽極酸化ステップにおいても、均一な表面を達成するために陽極と対称な陰極(対電極)形状を有することが不可欠である。対称性は、陽極酸化されている構造の表面全体にわたって均一な電界構成を確実にする。それゆえ、Al糸の場合であれば、陰極は糸陽極を中心に有する円筒形になるし、平面基材(基板)の場合であれば、陰極も平面対称性を有することになる。対称性は、陽極表面上での均一な電界分布と、従って均一な電解研磨(または陽極酸化)とを保証する。ここで用いられる陰極は、典型的にはステンレス鋼メッシュである。電解研磨の後、Al(基材)を脱イオン水ですすぎ、その後、酸性電解液(硫酸、シュウ酸、グリコール酸、リン酸、マロン酸、酒石酸、リンゴ酸、クエン酸、またはその他)中で陽極に陽極酸化する。陽極酸化(及び電解研磨)の前に、Al部品の電解液と空気との界面を、界面での電気化学的絶縁破壊防止のために、ポリマー(ゼネラル・ケミカル社(General Chemical)製のCoscoatTM)でマスキングする。電解液の種類及び濃度、浴温、並びに陽極酸化電圧を変化させることによって、ピッチ35〜980nmで細孔径が2〜900nmであるナノ多孔質Alを形成することができる。好適実施形態では、直径1mmのAl(99.999%)糸が、3Mマロン酸溶液中で、5℃、130ボルトで陽極酸化される。陽極酸化は、コンピュータ制御されたバイポーラ電源を用いて行われる。陽極酸化は先ず電流を監視しながら一定電圧(CV)モードで行われる。電流は、低い電流から開始され、酸化が発生しかつアルミニウム表面全体でアルミナ細孔が核形成するにつれて上昇し始める。多孔質AAOの島が、Al表面付近でランダムに核形成し始め、表面全体がこの多孔質ネットワークによって覆われるまで、長さに沿って横方向に浸透する。電流は一定電圧(CV)でゆっくりと上昇するが、これは島状成長の進行を示すものである。電流のプラトー(水平状態)が始まったら、これは、下地金属を覆う多孔質AAO層へのAl金属表面の完全転換すなわち定常状態を示している。この時点で、細孔の直径及び間隔は既に設定されているので、電流の印加を続けるとAAO厚さ(細孔深さ)が増加する定電流(CC)領域(プラトーレベルで)への制御された移行が行われる。そして、細孔が所望の深さ(1〜100μm)に到達するまで陽極酸化を続ける。その後、陽極酸化をCVモードに戻し、引き続いて、より小さなナノフィンガー突起部分が細孔の底部から酸化バリア層内へ延在するように1〜5分間隔で1〜10ボルトずつ逐次的に電圧を下げる。この「降圧」陽極酸化法は、一連の各ステップでの電流低下−上昇−プラトーの順序によって特徴付けられ、これにより陽極酸化フロントで成長するAAOバリア層が薄くなる。残りのAAOバリア層の完全性を崩壊させ、後に続く細孔拡張プロセスがバリアを完全に除去するのにより効果的であるようにするために、降圧プロセス後に、1分間のさらなる電圧ブラスト(元の陽極酸化電圧(本明細書においてはマロン酸に対して130ボルト)まで増加する)が用いられることもある。5wt%のリン酸溶液(37℃)中でのAAOのエッチングは、細孔の直径を広げる(増大させる)のみならず、NW作製プロセスの次のステップのためにAl/AAO界面のAlに到達することができるように細孔を底部で全開にする。バリア層は除去されることができるが、空気に曝されると、Al表面上に薄い(4nm)自然酸化物層が100psで形成される。バリア層を薄くするための別の技術には、陽極酸化浴及び電圧を、成長フロントでずっと小さな細孔を作り出すスケジュールに切り替えるステップが含まれ(上記のマロン酸(2M,130V)に対しては、20〜40Vの電圧で1〜10分間、0.3重量%のシュウ酸に切り替えられる)、さらに、リン酸細孔拡張/バリア除去ステップが続く。この時点で、残存プロセス薬品を除去するためにAl/AAO糸基材を脱イオン水で十分にすすぎ、その後、SiNW成長が可能な状態になるように空気中で乾燥させる。 An aluminum (purity 99.8% or higher) part (foil, sheet, thread, coated substrate, or other shape) is first composed of ethyl alcohol (95%) and perchloric acid (ACS, 60-62%) 4: Electrolytically polish at a temperature below 5 ° C. in solution 1 and limit the current to 2 amperes to obtain a bright and smooth Al surface, and apply an anodic bias to Al at 10 volts for 3 minutes. In both electropolishing and anodic oxidation steps, it is essential to have a cathode (counter electrode) shape that is symmetrical to the anode in order to achieve a uniform surface. Symmetry ensures a uniform field configuration across the surface of the anodized structure. Therefore, in the case of Al yarn, the cathode has a cylindrical shape centered on the yarn anode, and in the case of a flat substrate (substrate), the cathode also has plane symmetry. The symmetry ensures a uniform electric field distribution on the anode surface and thus a uniform electropolishing (or anodization). The cathode used here is typically a stainless steel mesh. After electropolishing, rinse Al (substrate) with deionized water, then in acidic electrolyte (sulfuric acid, oxalic acid, glycolic acid, phosphoric acid, malonic acid, tartaric acid, malic acid, citric acid, or others) Anodize the anode. Before anodic oxidation (and electropolishing), the interface between the electrolyte and air of the Al part is coated with a polymer (General Chemical Coscoat ) to prevent electrochemical breakdown at the interface. ) To mask. By changing the kind and concentration of the electrolytic solution, the bath temperature, and the anodic oxidation voltage, nanoporous Al 2 O 3 having a pitch of 35 to 980 nm and a pore diameter of 2 to 900 nm can be formed. In a preferred embodiment, 1 mm diameter Al (99.999%) yarn is anodized in 3 M malonic acid solution at 5 ° C. and 130 volts. Anodization is performed using a computer controlled bipolar power supply. Anodization is first performed in a constant voltage (CV) mode while monitoring the current. The current starts at a low current and begins to rise as oxidation occurs and alumina pores nucleate across the aluminum surface. Porous AAO islands begin to nucleate randomly near the Al surface and penetrate laterally along the length until the entire surface is covered by this porous network. The current rises slowly at a constant voltage (CV), indicating the progress of island growth. When the current plateau (horizontal state) begins, this indicates a complete conversion or steady state of the Al metal surface to the porous AAO layer covering the underlying metal. At this point, the diameter and spacing of the pores are already set, so control to the constant current (CC) region (at the plateau level) where the AAO thickness (pore depth) increases with continued application of current. Made transitions are made. Then, anodic oxidation is continued until the pores reach a desired depth (1 to 100 μm). Thereafter, the anodization is returned to the CV mode, and subsequently, the voltage is successively applied by 1 to 10 volts at intervals of 1 to 5 minutes so that the smaller nanofinger protrusions extend from the bottom of the pores into the oxidation barrier layer. Lower. This “step-down” anodization method is characterized by a current drop-rise-plateau sequence in each series of steps, which results in a thin AAO barrier layer grown on the anodization front. In order to disrupt the integrity of the remaining AAO barrier layer and make the subsequent pore expansion process more effective in removing the barrier completely, an additional voltage blast (original An anodizing voltage (which increases to 130 volts for malonic acid in this specification) may be used. Etching AAO in 5 wt% phosphoric acid solution (37 ° C.) not only widens (increases) the pore diameter, but also reaches Al at the Al / AAO interface for the next step in the NW fabrication process Fully open the pores at the bottom so that it can. The barrier layer can be removed, but when exposed to air, a thin (4 nm) native oxide layer is formed at 100 ps on the Al surface. Another technique for thinning the barrier layer involves switching the anodizing bath and voltage to a schedule that creates much smaller pores at the growth front (for malonic acid (2M, 130V) above) Followed by a phosphoric acid pore expansion / barrier removal step followed by switching to 0.3 wt% oxalic acid at a voltage of 20-40 V for 1-10 minutes). At this point, the Al / AAO yarn substrate is rinsed thoroughly with deionized water to remove residual process chemicals and then dried in air to allow SiNW growth.

別の実施形態では、陽極酸化プロセスでは、プロセスが約80Vに到達するまで6−6Vステップで、その後プロセスが約60Vに到達するまで6−3Vステップで、5℃の温度で3Mマロン酸を用いた。プロセスを49分35秒間実行した。その後サンプルを37℃の温度で23分間、HPO溶液中で細孔拡張した。 In another embodiment, the anodization process uses 3M malonic acid at a temperature of 5 ° C. with a 6-6V step until the process reaches about 80V and then a 6-3V step until the process reaches about 60V. It was. The process was run for 49 minutes and 35 seconds. The sample was then pore expanded in a H 3 PO 4 solution at a temperature of 37 ° C. for 23 minutes.

ナノワイヤ成長   Nanowire growth

アルマイト上でSiNWを成長させるために、化学蒸着(CVD)反応器を用いる。VLS SiNW成長は通常、シリコン原料としてSiH(10% in H2)を用いて、550〜650℃で、低圧力(〜10−500Torr)の等温石英管反応器内で行なう。好適実施形態では、反応器圧力38Torr、温度600℃で、CVD反応器内の流量が100sccm、シランが90sccm(10% SiH4 in H2)である。これらの条件下で成長させたNWは、大部分は、AAOの細孔内のSiのランダムな核形成に因り<110>、<111>または<112>の成長方向を有する単結晶である。適切な圧力及び適切な温度で、SiHは細孔の中に拡散し、好適には細孔の表面または壁ではなく細孔の底部において触媒表面上で分解する。成長温度を高くしたり反応器ガス混合物中の水素割合を低くしたりすることで、VLS成長と比べてシリコン薄膜堆積速度の増大がもたらされる。温度、圧力、流量及び関連ガス濃度のパラメータ空間は、基材、触媒の性質及び所望の結果に応じて、多数の許容できる結果を生じさせることができる多くの可能な状況をカバーしている。この実施形態のために説明されているパラメータは、前節で述べたAl/AAOの糸または平面基材(基板)に適している。Siがシラン分子から分解されるにつれて安定した液体合金相(Si/Al共晶)が生じ、融液中のSi濃度が臨界値に達したときにSiNW結晶相が生じる。唯一の制約のない空間方向は、細孔の底部を起点として基材の表面へ垂直に上がるベクトルであるので、Al/AAO界面で結晶が生じ、プロセスが進むにつれて共晶がNWの先端で生じ、最終的にはAAOの細孔の外面開口部から現れる。この相は、〜577℃で生じるAl−Si共晶相である。SiNWは、AAOの細孔の底部で核形成し、次に細孔境界を越えて現れ、適切な条件下で、AAO細孔径を維持しながら、自由空間で成長し続ける。Al−Si融液は、成長フロントでナノワイヤの先端に存在し、気相から融液内にSiが絶えず補充される限り連続的な成長のための手段を提供する。Alの一部がシリコン格子に取り込まれているので、成長が続けば、最終的にはAlは使い果たされることになり、ひいてはNW成長プロセスが終わる。底部におけるAAOバリア層の厚さまたは存在に加えて、AAO細孔の直径及び深さを調節することによって、共晶相系を質量(サイズ)調整し、SiNW成長プロセスに用いられるCVDパラメータ設定の系統的な制御を同様に用いてNW成長フロントにおけるSi−Al共晶相のサイズを調節することによって、細孔から現れるAlの量を制御することができる。一実施形態では、たとえAAOの細孔の底部にかなりの量の(厚さ10〜200nm)バリア層が存在していても、SiNWは核形成することができる。このCVD(VLS)プロセスは、(オーム接触している)Al金属から現れるSiNWを生じさせ、SiNWは、AAOの細孔を通って上に向かって成長し、細孔径(100〜250nm)を維持しながら、1〜500μm(好適には10〜30)の長さで自由空間へ延出する。上記したようなAl触媒を用いたSiNWの成長により、〜1−5×1019/cmのAl濃度でSiNWが作製される。比較的高濃度のドーパントは、直列抵抗を減らすために高濃度にドープされたワイヤコアが必要な、動径方向にpn接合を有するSiNWデバイスの作製に有利である。高濃度ドーピングはまた、少数キャリア拡散長さを減少させ、そのことは100μmの固有キャリア抽出距離を有するウェーハPVシステムなどのデバイスにとって問題であるが、ここで示されている動径方向配列の場合、動径方向キャリア抽出距離は数桁小さいので、このシステムの固有距離(100nm)にわたって尚も高キャリア抽出率を有すると同時に高濃度ドーピングプロファイルを可能にさせる。 A chemical vapor deposition (CVD) reactor is used to grow SiNW on alumite. VLS SiNW growth is typically performed in a isothermal quartz tube reactor at 550-650 ° C. and low pressure (-10-500 Torr) using SiH 4 (10% in H 2 ) as the silicon source. In a preferred embodiment, the reactor pressure is 38 Torr, the temperature is 600 ° C., the flow rate in the CVD reactor is 100 sccm, and the silane is 90 sccm (10% SiH 4 in H 2 ). NWs grown under these conditions are mostly single crystals with <110>, <111> or <112> growth directions due to random nucleation of Si within the pores of AAO. At a suitable pressure and a suitable temperature, SiH 4 diffuses into the pores and preferably decomposes on the catalyst surface at the bottom of the pores rather than the pore surface or walls. Increasing the growth temperature or lowering the proportion of hydrogen in the reactor gas mixture results in an increased silicon film deposition rate compared to VLS growth. The parameter space of temperature, pressure, flow rate and associated gas concentration covers many possible situations that can produce a number of acceptable results, depending on the substrate, the nature of the catalyst and the desired result. The parameters described for this embodiment are suitable for the Al / AAO yarn or planar substrate (substrate) described in the previous section. As Si is decomposed from the silane molecules, a stable liquid alloy phase (Si / Al eutectic) is generated, and a SiNW crystal phase is generated when the Si concentration in the melt reaches a critical value. The only unconstrained spatial direction is a vector that starts perpendicularly to the surface of the substrate starting from the bottom of the pores, so that crystals form at the Al / AAO interface and eutectics form at the NW tips as the process proceeds. Finally, it appears from the opening on the outer surface of the AAO pore. This phase is an Al—Si eutectic phase occurring at ˜577 ° C. SiNW nucleates at the bottom of the AAO pores and then emerges beyond the pore boundary and continues to grow in free space under appropriate conditions while maintaining the AAO pore size. The Al-Si melt is present at the tip of the nanowire at the growth front and provides a means for continuous growth as long as Si is constantly replenished from the gas phase into the melt. Since a part of Al is taken into the silicon lattice, if the growth continues, the Al will eventually be used up, and the NW growth process ends. In addition to the thickness or presence of the AAO barrier layer at the bottom, by adjusting the diameter and depth of the AAO pores, the eutectic phase system can be mass sized and used to set the CVD parameters used in the SiNW growth process. The amount of Al emerging from the pores can be controlled by adjusting the size of the Si—Al eutectic phase at the NW growth front using systematic control as well. In one embodiment, the SiNW can nucleate even if there is a significant amount (10-200 nm thick) barrier layer at the bottom of the AAO pores. This CVD (VLS) process produces SiNW that emerges from Al metal (in ohmic contact), which grows upward through the pores of AAO and maintains the pore size (100-250 nm) However, it extends to free space with a length of 1 to 500 μm (preferably 10 to 30). SiNW is produced at an Al concentration of ˜1-5 × 10 19 / cm 3 by the growth of SiNW using the Al catalyst as described above. A relatively high concentration of dopant is advantageous for making SiNW devices with pn junctions in the radial direction that require a highly doped wire core to reduce series resistance. High doping also reduces the minority carrier diffusion length, which is problematic for devices such as wafer PV systems with an intrinsic carrier extraction distance of 100 μm, but for the radial array shown here Since the radial carrier extraction distance is several orders of magnitude smaller, it still has a high carrier extraction rate over the inherent distance (100 nm) of this system, while allowing a high concentration doping profile.

上記したNW成長プロセスは、シリコンナノワイヤが1つの細孔から出てくるように、理想的にはNWと細孔とが1対1対応になるように、アレイ状に複数の離散的なSiNWを生じさせることができる。この場合、これらのNWは、Al金属を介して並列回路で電気的に接続され、Al金属からNWが核形成される。一定の表面積割合のAAO外周面の上には直接p型シリコンが形成されないが、NWのアスペクト比が大きいので、NWの有効表面積は尚もAAOの「フットプリント」表面積より2〜1000倍大きい。さらに、NWは完全に真っ直ぐではなく、この非線形性が、入射放射線の100%が(たとえnまたはi−n型被覆の前であっても)AAO表面の前にSiに当たることを効果的に保証する。   In the above-described NW growth process, a plurality of discrete SiNWs are formed in an array so that the NW and the pores ideally have a one-to-one correspondence so that the silicon nanowires emerge from one pore. Can be generated. In this case, these NWs are electrically connected in a parallel circuit via Al metal, and NW is nucleated from the Al metal. Although p-type silicon is not directly formed on the AAO outer peripheral surface with a certain surface area ratio, the effective surface area of NW is still 2 to 1000 times larger than the “footprint” surface area of AAO because of the large aspect ratio of NW. Furthermore, the NW is not perfectly straight and this non-linearity effectively guarantees that 100% of the incident radiation hits the Si before the AAO surface (even before n or in-type coating). To do.

また、別の実施形態では、p型皮膜(原料ガス中にホウ素などのドーパントの投入を必要とすることになるであろう)を意図的に堆積することで、AAOの如何なる表面にも確実にp型被覆膜が施されるようにすることができる。p型被覆膜は、構造(皮膜に結合されたナノワイヤ)の外面に電気的導通をさらに追加することになるであろう。   In another embodiment, a p-type coating (which would require the introduction of a dopant such as boron into the source gas) is intentionally deposited to ensure that any surface of AAO is deposited. A p-type coating film can be applied. A p-type coating will add additional electrical continuity to the outer surface of the structure (nanowire bonded to the coating).

別の実施形態では、(離散的なNW配置または連続的な皮膜に結合された状況のいずれかで)p型上に真性シリコン層を成膜して基礎を形成し、さらにn型層が成膜された時点で数多くのpin接合が作られるようにする。   In another embodiment, an intrinsic silicon layer is deposited on a p-type (either in a discrete NW configuration or a situation coupled to a continuous film) to form a foundation, and an n-type layer is further formed. Many pin junctions are made at the time of film formation.

pn接合の形成   Formation of pn junction

p型NWのVLS成長後にコンフォーマルなN型シリコン皮膜が堆積され、それによって糸または平面基材の外周上にpn(またはpin)ダイオード接合(任意選択で、ナノワイヤ成長後に真性シリコン層を堆積することもできる)の完全な機能アレイが構築される。n型シリコン層は、VLS成長の直後に、材料を空気に曝すことなく、反応器内(その場)でp型NWの外面上にCVDによって堆積されることが好ましい。n型層の前に真性層または追加のp型被覆膜が成膜される場合には、CVDシステムの封止状態(真空)を破ることなくこれらの手順を実行することも好ましい。   A conformal N-type silicon film is deposited after VLS growth of the p-type NW, thereby depositing a pn (or pin) diode junction (optionally, after the nanowire growth, an intrinsic silicon layer on the periphery of the yarn or planar substrate A complete functional array can also be constructed. The n-type silicon layer is preferably deposited by CVD on the outer surface of the p-type NW in the reactor (in situ) without exposing the material to air immediately after the VLS growth. When an intrinsic layer or an additional p-type coating film is formed before the n-type layer, it is also preferable to execute these procedures without breaking the sealing state (vacuum) of the CVD system.

これは、SiNW表面の酸化を回避するために望ましい。というのも、p層とn層の間に存在するNW表面上に酸化物層があれば、キャリア再結合をもたらしかねないような界面状態を作り出すことによって、デバイス性能を低下させることになるであろう。酸化物層を形成後に取り除くには、n−(i−n−)型被覆の前に、化学エッチング(BOE)、プラズマ除去、または他の酸化物除去法のいずれかによる酸化物除去ステップが必要になるであろう。その上、その場処理を用いて、または適切な条件下でBOE中での酸化膜エッチングによって、NW表面上のSi原子ダングリングボンド(表面状態)を水素で不動態化することができる。これは、大気(酸素/酸化)暴露前に行われれば、表面をしばらくの間保護することができる。   This is desirable to avoid oxidation of the SiNW surface. This is because if there is an oxide layer on the NW surface that exists between the p layer and the n layer, the device performance will be reduced by creating an interface state that may cause carrier recombination. I will. Removal of the oxide layer after formation requires an oxide removal step by either chemical etching (BOE), plasma removal, or other oxide removal methods prior to n- (i-n-) type coating It will be. In addition, Si atom dangling bonds (surface states) on the NW surface can be passivated with hydrogen using in situ processing or by oxide film etching in BOE under appropriate conditions. If this is done prior to atmospheric (oxygen / oxidation) exposure, the surface can be protected for some time.

n型膜のその場堆積は、p型SiNWのVLS成長後に短い休止期間を導入することによって達成されるが、当該休止期間中には、窒素(または他の不活性ガス)パージを用いてSiHが反応器から切り替えられ、その後、所望のドーピングを達成するために系統的に決定された(10−3ないし10−4)PH/SiHドーパントレベルを用いてn型シリコン薄膜が成長させられることになる。このステップでは、反応器温度は600℃ないし650℃に設定される。その結果、成長条件を調節することによって、NW成長が優勢である領域と薄膜堆積が優勢である領域を切り替えることが可能である。n型Siシェルは、これらの堆積温度において多結晶であるが、ナノワイヤの長さに沿って均一な厚さを呈する。しかし、別の実施形態では、ジシラン(Si)は、より低温でエピタキシャルn型皮膜を生じさせることができるシランの代用品である。n型薄膜被覆プロセス中に、Siは実質的にCVD反応器内の全表面を被覆するので、堆積後に、後で光起電力デバイスなどのデバイスで用いられることになる表面の特定の被選択領域、とりわけ基材上の特定の電気接触部分を保護するかあるいはその反対で露光する(または後でn型被覆膜を選択的に除去する)ために適切な手段が講じられなければならないことに留意されたい。表面のCVD前の形態、構造及び物理的性質を保持するために、マスキング剤を用いて表面の保護/清掃を促進することができる。好適実施形態では、NW成長プロセスにおいて(ナノワイヤの先端上で)過剰な全Alが消費されるが、NWの先端または他の部分から過剰Alを除去する必要がある場合には、エッチングのパージ工程中にHCLガス混合物を導入してAlをエッチングすることによって、除去をその場で達成することも可能である。反応器温度を上昇させてNWの先端から過剰なAlを蒸発させることもできる。 In-situ deposition of the n-type film is achieved by introducing a short rest period after the VLS growth of the p-type SiNW, during which the SiH is purged using a nitrogen (or other inert gas) purge. 4 is switched from the reactor and then an n-type silicon thin film is grown using systematically determined (10 −3 to 10 −4 ) PH 3 / SiH 4 dopant levels to achieve the desired doping. Will be. In this step, the reactor temperature is set to 600 ° C to 650 ° C. As a result, by adjusting the growth conditions, it is possible to switch between a region where NW growth is dominant and a region where thin film deposition is dominant. The n-type Si shell is polycrystalline at these deposition temperatures, but exhibits a uniform thickness along the length of the nanowire. However, in another embodiment, disilane (Si 2 H 6 ) is a substitute for silane that can produce an epitaxial n-type film at lower temperatures. During the n-type thin film coating process, Si covers substantially the entire surface within the CVD reactor, so that after deposition, certain selected areas of the surface that will later be used in devices such as photovoltaic devices. In particular, appropriate measures must be taken to protect certain electrical contact portions on the substrate or vice versa (or to selectively remove the n-type coating later) Please keep in mind. In order to preserve the pre-CVD morphology, structure and physical properties of the surface, masking agents can be used to facilitate surface protection / cleaning. In a preferred embodiment, an excess of Al is consumed (on the tip of the nanowire) in the NW growth process, but if the excess Al needs to be removed from the NW tip or other parts, an etching purge step It is also possible to achieve the removal in situ by introducing an HCL gas mixture into it and etching the Al. It is also possible to evaporate excess Al from the tip of the NW by raising the reactor temperature.

光起電力デバイスを作製するための様々な被覆技術、とりわけCVDを使用するには、様々な電気的に異なる層同士が何かの事情でくっついて短絡することがないことが条件である。この場合には、適切な電気的遮蔽を維持するために、被覆を施すことを制限するマスキング技術が考案される。しかし、当業者は、離散的な導通を必要とするデバイスの任意の他の部品及び被覆膜から電気的に絶縁されている電気接触を維持するために、エッチング技術を用いて不要な被覆膜を除去し得ることが分かるであろう。   The use of various coating techniques for making photovoltaic devices, especially CVD, requires that the various electrically different layers do not stick together and are short-circuited for some reason. In this case, a masking technique is devised that limits the application of the coating to maintain proper electrical shielding. However, those skilled in the art will use etching techniques to remove unwanted coatings in order to maintain electrical contact that is electrically isolated from any other component of the device that requires discrete conduction and the coating film. It will be appreciated that the membrane can be removed.

n型被覆膜が不要である基材上の表面領域からn型被覆膜を制限する技術には、化学エッチングを用いた処理後の除去、機械的除去(研磨、アブレーション、反応性イオンエッチング)、マスキング、または、適切な位置にある意図的な犠牲辺縁部(最終的なCVD被覆が完了した後に、剥離、切除、エッチング、または別な方法で除去される)を有するように適切なサイズの基材を作製することが含まれる。別の実施形態では、デバイスが形成された後に平面基材(基板)の検査を行い、SiNWで完全に覆われた部分を特定し、次にこれらの部分を切り離し、そして完全なPVデバイスに仕上げる。   The technology for limiting the n-type coating film from the surface region on the substrate where no n-type coating film is required includes post-treatment removal using chemical etching, mechanical removal (polishing, ablation, reactive ion etching) ), Masking or suitable to have an intentional sacrificial edge in place (removed, ablated, etched, or otherwise removed after the final CVD coating is complete) Making a sized substrate is included. In another embodiment, after the device is formed, the planar substrate (substrate) is inspected to identify those parts that are completely covered with SiNW, and then these parts are separated and finished into a complete PV device. .

別の実施形態では、p型ナノワイヤ上にp型シリコン層が被覆される。SiNWによって塞がれていないAAOの細孔や、基材に短絡をもたらすであろう他の欠陥がある場合、p型層は、細孔及び/または欠陥を被覆し、最上部に被覆されるn型層から底面の基材を絶縁する。別の実施形態では、デバイス上に絶縁層を被覆し、その後、絶縁層をAAO層のピンホールがない領域から選択的にエッチングすることができる。SiNWの欠落があることが典型的であるような基材の領域を、陽極酸化プロセスによって細孔が生じないようにマスキングすることができる。これらは、基材の縁部に沿ったものであり得る。さらに別の実施形態では、完成した基材を検査して、欠陥またはSiNWの欠落と、従って短絡とがある領域を検出する。この実施形態では、光電子検出器を用いてナノワイヤの有無を検出するために、ナノワイヤの吸収特性が用いられ得る。   In another embodiment, a p-type silicon layer is coated on the p-type nanowire. If there are AAO pores that are not occluded by the SiNW or other defects that would cause a short circuit in the substrate, the p-type layer covers the pores and / or defects and is coated on top. Insulate the bottom substrate from the n-type layer. In another embodiment, an insulating layer can be coated over the device, and then the insulating layer can be selectively etched from areas of the AAO layer that are free of pinholes. Regions of the substrate that are typically lacking SiNW can be masked so that no pores are created by the anodization process. These can be along the edges of the substrate. In yet another embodiment, the completed substrate is inspected to detect areas with defects or missing SiNWs and thus shorts. In this embodiment, the absorption characteristics of nanowires can be used to detect the presence or absence of nanowires using a photoelectron detector.

SiNW成長または被覆プロセスに対して、低温及び他の関連パラメータでプラズマ促進CVD(PE−CVD)技術を用い、同様の結果を達成することもできる。   Similar results can be achieved using plasma enhanced CVD (PE-CVD) techniques at low temperatures and other relevant parameters for SiNW growth or coating processes.

PVデバイスの完成   Completion of PV device

PVデバイス(この実施形態ではPV糸)の形成を完了するために、n型層上に外側導電性被覆膜(陰極)を成膜しなければならない。理想的な陰極は、(金属の電気伝導率のような)高い電気伝導率を提供しつつ、入射光の100%を透過させるものであろう。それゆえ、透明導電体に対する様々な選択肢がある。エイチ・シー・スタルク社(H. C. Stark)は、液体のPEDOT懸濁液であるクレヴォイス(Clevios)1000(登録商標)という製品を製造しているが、これは、吹付け塗布または浸漬塗布可能であり、太陽光の波長帯において最大90%の透過率を有し、シート抵抗が〜100Ω/sqである。同様に、エイコス社(Eikos)は、カーボンナノチューブ懸濁液であるインビジコン(Invisicon)(登録商標)という製品を提供しているが、これも、吹付け塗装または浸漬塗装によって塗布することができるものである。吹付け塗装または浸漬塗装技術は、コスト及び塗布の容易さの見地から魅力的であるが、被覆の均一性と、SiNWとSiNWの間の全てのナノメータスケールの引っ込んだ場所及び割れ目が材料で完全に電気的に被覆されるようにするように塗布する能力とに限界がある。均一な被覆がかなり期待できる陰極を成膜する別の方法は、GVD社(GVD Inc.)によって開発されたPEDOT被覆などのCVDの適用である。どのように成膜されるにせよ、被覆膜は、PVデバイスの機能を最大にするために十分な伝導率及び透明度を与えるものでなければならない。電気伝導率の不足は、周期的に透明陰極と交差するような陰極母線を用いてAl金属陽極構造の有効伝導率に近い「有効伝導率」を提供することによって、埋め合わせることができる。このPV糸の実施形態では、らせん巻きの純度の高い銅またはアルミニウムワイヤが用いられる。平面実施形態は、透明導電体の上でアルミニウムをメッシュその他のパターンで蒸発させることができる。透明導電膜を成膜した後に、表面に透明な環境に配慮した保護層を成膜すると、デバイスが完成する。この材料は、シリコンベースの樹脂、テフロン(登録商標)、パリレン、ポリイミド、または柔軟かつ環境的(UV)劣化への回復力に富むような他のロバストで透明な不活性非導電層であり得る。   In order to complete the formation of the PV device (PV yarn in this embodiment), an outer conductive coating (cathode) must be deposited on the n-type layer. An ideal cathode would be one that transmits 100% of incident light while providing high electrical conductivity (such as that of metal). Therefore, there are various options for transparent conductors. HC Stark produces a product called Clevios 1000®, a liquid PEDOT suspension, which can be sprayed or dip coated. Yes, it has a maximum transmittance of 90% in the wavelength band of sunlight, and the sheet resistance is ˜100Ω / sq. Similarly, Eikos offers a product called Invisicon®, which is a carbon nanotube suspension, which can also be applied by spray or dip coating. Is. Spray or dip coating techniques are attractive from a cost and ease of application standpoint, but the coating uniformity and all nanometer-scale recesses and cracks between the SiNW and SiNW are complete with the material. There is a limit to the ability to be applied so as to be electrically coated. Another method of depositing cathodes where a uniform coating is highly promising is the application of CVD such as PEDOT coating developed by GVD Inc. Regardless of how it is deposited, the coating must provide sufficient conductivity and transparency to maximize the function of the PV device. The lack of electrical conductivity can be compensated by providing an “effective conductivity” that approximates the effective conductivity of the Al metal anode structure using a cathode bus that periodically intersects the transparent cathode. In this PV yarn embodiment, spiral wound high purity copper or aluminum wire is used. The planar embodiment can evaporate aluminum in a mesh or other pattern on the transparent conductor. After forming the transparent conductive film, a transparent protective layer in consideration of the environment is formed on the surface to complete the device. This material can be a silicon-based resin, Teflon, Parylene, polyimide, or other robust, transparent, inert, non-conductive layer that is flexible and resilient to environmental (UV) degradation. .

好適実施形態では、Al金属糸を巻き取ったものを、陽極酸化し、細孔拡張し、リールツーリールプロセスを用いてCVD反応器内に入れ、ナノワイヤを作製してNWに逆伝導型のドーピングの被覆を施し(1ステップで)、除去し、おそらくはCVDプロセスを用いて電極(陰極)で被覆し、続いて保護ポリマーで被覆することになる。リールツーリールプロセスでは、リールツーリールプロセスに固有の温度及び加工歪みにさらされたときに材料の歪み及び変形を最小限にするために、糸は、反応器を通過する際に垂直に向けられ得る。   In a preferred embodiment, a roll of Al metal yarn is anodized, pore expanded, and placed in a CVD reactor using a reel-to-reel process to create nanowires and reverse conductivity doping into NW Coating (in one step), removed, and possibly coated with an electrode (cathode) using a CVD process followed by a protective polymer. In the reel-to-reel process, the yarn is oriented vertically as it passes through the reactor to minimize material distortion and deformation when exposed to the temperature and processing strain inherent in the reel-to-reel process. obtain.

上記実施形態では部分的に陽極酸化されたAl糸上にSiNWアレイを作製する方法について述べたが、当業者は、同じ基本手順を、Al金属の別の幾何学的形態、すなわち、AAOの細孔の底部に十分なAl金属が存在する状態でAl金属上にAAO層を形成するのに十分な厚さ(1〜2ミクロン)のAl金属の層に適用し、それによってSiNWを適切に核形成しかつ尚も十分な導電性Al金属層を光電子デバイスの陽極として用いるために残せることを理解するであろう。一実施形態では、ホウケイ酸スライドグラスであって、Alで被覆され、部分的に陽極酸化された後、電気接触に十分な残存Al層によりSiナノワイヤを成長させたものが用いられる。この実施形態では、ナノワイヤは5分間成長され得る。反応器パラメータは、温度600℃、圧力38Torrの反応器内で、シラン流量50sccmであり得る。   Although the above embodiment has described a method of making a SiNW array on partially anodized Al yarn, those skilled in the art have performed the same basic procedure on another geometry of Al metal, namely, AAO fine details. Apply to a layer of Al metal that is thick enough (1-2 microns) to form an AAO layer on the Al metal with sufficient Al metal at the bottom of the hole, thereby allowing the SiNW to properly nucleate It will be appreciated that a formed and still sufficient conductive Al metal layer can be left for use as an anode in an optoelectronic device. In one embodiment, a borosilicate slide glass is used that is coated with Al, partially anodized, and then grown with Si nanowires with a remaining Al layer sufficient for electrical contact. In this embodiment, the nanowire can be grown for 5 minutes. The reactor parameters can be a silane flow rate of 50 sccm in a reactor at a temperature of 600 ° C. and a pressure of 38 Torr.

ガラス基材の実施形態では、Alの層(厚さ1〜20ミクロン)が、電子ビーム蒸着法、熱蒸着法、またはスパッタ蒸着法、電気めっき、物理的被覆または他の技術によって、表面上に堆積される。ガラスは、さらなる導電度または他の電気的機能を提供するために、Al被覆の前にガラス表面上に別の導電層(ITO、金属など)を有することができる。その後、Alは、上記で既に説明したAAO作製技術を用いて部分的に陽極酸化され、その際、多孔質AAO層が、VLS技術を用いて、Al金属上に、AAOの下に十分な量のAl金属が保持された状態で、導電体としてもSiNW成長のための触媒としても機能するように、作製されるようにする。多孔質AAO層形成及びSiNW成長のための基本プロセスは、上記したのと同じ基本概要に従う。所望の細孔径及び中心間距離に応じて、適切な電解液の種類、濃度及び陽極酸化電圧が用いられる。細孔の底部に生じるAAOバリア層の完全性を降圧または電解変質技術を用いて崩壊させ、それにより、リン酸(または他の酸)エッチング法を用いてバリア層を部分的または完全に除去することができる。その後、同様のCVDプロセスを使用して、VLSプロセスのためにAlを触媒として用いてNWを成長させる。   In a glass substrate embodiment, a layer of Al (1-20 microns thick) is deposited on the surface by electron beam evaporation, thermal evaporation, or sputter deposition, electroplating, physical coating or other techniques. Is deposited. The glass can have another conductive layer (ITO, metal, etc.) on the glass surface prior to Al coating to provide additional conductivity or other electrical functions. Thereafter, the Al is partially anodized using the AAO fabrication technique already described above, with a sufficient amount of porous AAO layer on the Al metal and below the AAO using the VLS technique. In the state in which the Al metal is held, it is prepared so as to function as a conductor and as a catalyst for SiNW growth. The basic process for porous AAO layer formation and SiNW growth follows the same basic outline as described above. Depending on the desired pore size and center-to-center distance, the appropriate electrolyte type, concentration and anodizing voltage are used. The integrity of the AAO barrier layer that forms at the bottom of the pores is disrupted using a step-down or electrolytic modification technique, thereby partially or completely removing the barrier layer using a phosphoric acid (or other acid) etching method be able to. A similar CVD process is then used to grow NW using Al as a catalyst for the VLS process.

上記したように、Si皮膜または被覆膜を堆積するとき、材料は反応器の表面の大部分を被覆することになる。このことは、後で導電面に到達し、デバイスの陽極または陰極として導電面と接触できるように、基材の特定の領域のマスキングを除去する必要性を生じさせる場合がある。さらに、層状配列(例えばAl/AAO/ガラス)では、導電性(ドープされた)Si被覆膜が、Al層と電気接触をなしてデバイスの陽極及び陰極を短絡させることがある。それゆえ、完全な電気接触が形成された後に除去される犠牲縁部を用いてもよいし、あるいはマスキング技術を利用することができる。金属の糸すなわちワイヤ配列上で成長させたSiNWアレイにおいては、犠牲縁部がなく、電気的短絡は、ワイヤ原料を反応室内に連続的に供給することによって回避することができる。この実施形態では、糸の端部は反応器の外に置かれるので、n型堆積に関連する「完全被覆」問題の一部または全部が解決される。あるいは、糸を完全に被覆し、電気接触のために陽極(陰極)を露出させるべく端部を機械的または化学的にトリミングすることができる。箔でも同様の技術が用いられる。SiNW核形成を防止し、導電性材料の露出した縁部がないようにするために、箔の縁部の周りに無孔性酸化アルミニウム層を作ることによって、箔の縁部を絶縁することができる。箔の例における別の選択肢は、完全な陽極、SiNW、ダイオード接合の形成及び最終的な電極の堆積の後に、縁部をトリミングして、起こり得る短絡を排除することである。   As noted above, when depositing a Si film or coating, the material will coat most of the reactor surface. This may create a need to remove masking of certain areas of the substrate so that it can later reach the conductive surface and contact the conductive surface as the anode or cathode of the device. Further, in a layered arrangement (eg, Al / AAO / glass), a conductive (doped) Si coating may make electrical contact with the Al layer and short circuit the anode and cathode of the device. Therefore, sacrificial edges that are removed after full electrical contact has been made may be used, or masking techniques may be utilized. In SiNW arrays grown on metal threads or wire arrays, there are no sacrificial edges and electrical shorts can be avoided by continuously feeding the wire source into the reaction chamber. In this embodiment, the yarn ends are placed outside the reactor, thus solving some or all of the “full coverage” problems associated with n-type deposition. Alternatively, the ends can be mechanically or chemically trimmed to fully cover the yarn and expose the anode (cathode) for electrical contact. A similar technique is used for the foil. Insulating the edge of the foil by creating a non-porous aluminum oxide layer around the edge of the foil to prevent SiNW nucleation and free of exposed edges of conductive material it can. Another option in the foil example is to trim the edge after complete anode, SiNW, diode junction formation and final electrode deposition to eliminate possible shorts.

別の実施形態では、ナノワイヤは、細孔拡張エッチングなしでもAlから離れて核形成することになる。すなわち、AAOバリア層はまだ細孔の底部にあるが、それにもかかわらずナノワイヤは成長するのである。さらに、反応器内に水素を導入してAAOをAl金属に分解し、AAOを減らすことによってバリア層を幾分か薄くすることができる。   In another embodiment, the nanowires will nucleate away from Al without pore expansion etching. That is, the AAO barrier layer is still at the bottom of the pores, but the nanowires nevertheless grow. Furthermore, the barrier layer can be made somewhat thinner by introducing hydrogen into the reactor to decompose AAO into Al metal and reduce AAO.

別の実施形態では、n型材料の堆積中の反応器の温度は、アルミニウムの融点をはるかに下回る温度にまで低下させられる。例えば、アルミニウムの融点は660℃である。従って、CVD温度を約650℃まで低下させ、それにより、シラン、水素及びホスフィンをドーパントとして用いてn型層でデバイス(SiNW)を被覆することができる。SiNWを作製するために、より低い約550℃の温度を用いることもできる。シリコン堆積によく用いられるジシランや四塩化ケイ素などの他のガスを用いて、コンフォーマルなn型層を、エピタキシャルに、またはAlの融点を下回る温度で多結晶構造で、得ることができることも分かる。   In another embodiment, the temperature of the reactor during the deposition of the n-type material is reduced to a temperature well below the melting point of aluminum. For example, the melting point of aluminum is 660 ° C. Thus, the CVD temperature can be reduced to about 650 ° C., thereby coating the device (SiNW) with an n-type layer using silane, hydrogen and phosphine as dopants. A lower temperature of about 550 ° C. can also be used to make SiNW. It can also be seen that conformal n-type layers can be obtained epitaxially or in a polycrystalline structure at temperatures below the melting point of Al using other gases such as disilane and silicon tetrachloride commonly used for silicon deposition. .

別の実施形態では、SiNWは、VLS技術とは対照的に、共晶温度より低い温度で、気相−固相−固相(VSS)成長メカニズムによって作製される。   In another embodiment, the SiNW is made by a vapor-solid-solid (VSS) growth mechanism at a temperature below the eutectic temperature, as opposed to VLS technology.

別の実施形態では、SiNWは、プラズマ促進化学蒸着(PECVD)プロセスを用いて、さらに低い温度で作製される。   In another embodiment, the SiNW is made at a lower temperature using a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) process.

本明細書に開示されている製造方法は、テンプレートによりSiNWを成長させる多くのVLS法、すなわち、典型的には金触媒シード(種)を電気化学的に堆積して市販のAAO膜にするアプローチとは異なる。本発明では、AAOの下にあるAl金属が触媒として用いられる。それゆえ、どの細孔も触媒を有し、SiNWは夥しく成長する。このプロセスによって成長するSiNWは、Al−Si共晶相の形成によりAl/AAO界面で核形成し、直径を維持しながらAAOの細孔の中から外へ上に向かって成長する。SiNWは、p型ドーパントソースとして1018/cmないし1020/cmのAlを含むのでAl触媒はさらなるドーパントガスソースの追加を必要とせずにNWを自己ドープし、かつSiNWは、Al金属とオーム接触している。残存Al層は、PVデバイスの陽極として用いられる。SiNW成長の最終段階で、AAO表面を覆いかつNW同士を接続する薄膜層を作製するように反応器条件を調節する。薄膜は、光活性表面積を最大にし、製造の冗長性のレベルを高くする。すなわち、短絡防止のために、n型被覆の前に、AAO層の意図的でないピンホールを埋める。p−シリコンなどの材料を用いることができる。 The manufacturing methods disclosed herein are many VLS methods for growing SiNW by template, typically an electrochemical deposition of gold catalyst seeds into commercially available AAO films. Is different. In the present invention, Al metal under AAO is used as a catalyst. Therefore, every pore has a catalyst and SiNW grows vigorously. The SiNW grown by this process nucleates at the Al / AAO interface due to the formation of an Al—Si eutectic phase, and grows up and out of the AAO pores while maintaining the diameter. Since SiNW contains 10 18 / cm 3 to 10 20 / cm 3 Al as a p-type dopant source, the Al catalyst self-doped NW without the need for additional dopant gas source, and SiNW is an Al metal And ohmic contact. The remaining Al layer is used as the anode of the PV device. At the final stage of SiNW growth, the reactor conditions are adjusted to produce a thin film layer that covers the AAO surface and connects the NWs together. The thin film maximizes the photoactive surface area and increases the level of manufacturing redundancy. That is, in order to prevent a short circuit, an unintentional pinhole in the AAO layer is filled before the n-type coating. A material such as p-silicon can be used.

最適化された基材及び適切なCVD反応器条件(作業計画に詳述されている)を用いて、SiNW成長フロントで共晶相のAAOの細孔から現れるAlは、SiNW成長プロセス中にドーパントとして使い果たされる。それゆえ、コンフォーマルなn型シリコン皮膜は、p型NWのVLS成長の直後にその場堆積されることになる。これは、p型SiNWのVLS成長後に短い成長休止期間を導入することによって達成されることになるが、当該休止期間中には、SiHが反応器から切り替えられ、反応器温度が増加することになる。成長温度の上昇は、シリコン薄膜堆積速度が増加につながる。その結果、成長条件を調節することによって、NW成長が優勢である領域と薄膜堆積が優勢である領域を切り替えることが可能である。n型Siシェルは、これらの堆積温度において多結晶であるが、ワイヤの長さに沿って均一な厚さを呈する。 Using an optimized substrate and appropriate CVD reactor conditions (detailed in the work plan), Al emerging from the eutectic phase AAO pores at the SiNW growth front becomes a dopant during the SiNW growth process. As used up. Therefore, a conformal n-type silicon film will be deposited in situ immediately after the VLS growth of the p-type NW. This will be achieved by introducing a short growth pause after the VLS growth of the p-type SiNW, during which the SiH 4 is switched from the reactor and the reactor temperature increases. become. An increase in the growth temperature leads to an increase in the silicon thin film deposition rate. As a result, by adjusting the growth conditions, it is possible to switch between a region where NW growth is dominant and a region where thin film deposition is dominant. The n-type Si shell is polycrystalline at these deposition temperatures, but exhibits a uniform thickness along the length of the wire.

最後に、機能的なナノ材料の製造を完了するために、陰極として作用するようにn型層上にコンフォーマルな透明導電膜(TCC)を成膜しなければならない。TCCには数多くの選択肢があるが、最初の方法は、GVD社(GVD Corporation)の酸化的化学蒸着(oCVD)技術を用いて塗布される柔軟な導電性PEDOT(ポリエチレン−3,4−ジオキシチオフェン)を用いるものである。oCVDプロセスは、幅広い基材上に真性導電性ポリマー被覆膜を形成するための斬新で全乾式の低温法である。oCVDは、ナノワイヤのような表面積の広い基材を、コンフォーマルかつ高透過率の導電性ポリマー被覆膜で「収縮包装」する。被覆膜は、化学的に純粋で、機械的に柔軟かつ真性導電性である。図は、全てのボイドをナノワイヤの高さまで完全に埋めるTCCを示していることに留意されたい。より現実的な状況はSEM写真に示されており、PEDOT被覆(凸凹のテクスチャー)は連続的かつNWの外面に対してコンフォーマルであることが分かる。最終的なデバイスはまた、透明な環境に配慮した保護層をTCC上に有することになる。このように、TCCは、効果的な陽極であるようにコンフォーマルかつ連続的であることが必要であるが、残された間隙はいずれも、環境に配慮した被覆膜によって埋められるかまたは覆われることになり、デバイス性能に影響しないはずである。   Finally, to complete the production of functional nanomaterials, a conformal transparent conductive film (TCC) must be deposited on the n-type layer to act as the cathode. Although there are many options for TCC, the first method is flexible conductive PEDOT (polyethylene-3,4-dioxy) which is applied using GVD Corporation's oxidative chemical vapor deposition (oCVD) technology. Thiophene) is used. The oCVD process is a novel, all-dry low temperature method for forming an intrinsically conductive polymer coating on a wide range of substrates. oCVD “shrink-wraps” a high surface area substrate such as nanowires with a conformal and highly permeable conductive polymer coating. The coating is chemically pure, mechanically flexible and intrinsically conductive. Note that the figure shows a TCC that completely fills all voids to the height of the nanowire. A more realistic situation is shown in the SEM picture and it can be seen that the PEDOT coating (concave texture) is continuous and conformal to the outer surface of the NW. The final device will also have a transparent environmentally friendly protective layer on the TCC. Thus, TCC needs to be conformal and continuous to be an effective anode, but any remaining gaps are filled or covered with an environmentally friendly coating. Will not affect device performance.

記載されている本発明の実施形態は例示的なものでしかなく、当業者にとって数多くの変形形態及び変更形態が明らかであろう。そのような変形形態及び変更形態は全て、添付の請求項によって画定される本発明の範囲内にあるものと考えられる。本発明について詳細に説明及び図示してきたが、それらは説明及び例示のつもりでしかなく、限定的な意味に受け取られるべきではないことは、明確に理解されるべきである。明確にするために別々の実施形態に照らして説明されている本発明の様々な特徴を、1つの実施形態において組み合わせて提供することができることを理解されたい。逆に言えば、簡略にするために1つの実施形態に照らして説明されている本発明の様々な特徴を、別々に、または任意の適切な組合せで、提供することもできる。本明細書または図面に記載の特定の実施形態は、本発明の非常に詳細な開示を提供することのみを目的としており、何ら制限を加える意図はないことを理解されたい。本発明の趣旨及び範囲は、添付の請求項によってのみ制限されるものとする。   The described embodiments of the invention are exemplary only, and many variations and modifications will be apparent to those skilled in the art. All such variations and modifications are considered to be within the scope of the present invention as defined by the appended claims. Although the invention has been described and illustrated in detail, it should be clearly understood that they are intended to be illustrative and exemplary only and should not be taken in a limiting sense. It should be understood that the various features of the invention described in the context of separate embodiments for clarity can be provided in combination in one embodiment. Conversely, the various features of the invention described in the context of one embodiment for the sake of brevity may also be provided separately or in any appropriate combination. It should be understood that the specific embodiments described herein or the drawings are only intended to provide a very detailed disclosure of the present invention and are not intended to be limiting in any way. The spirit and scope of the present invention shall be limited only by the appended claims.

Claims (20)

シリコンナノワイヤデバイスであって、
表面を有する基材と、
前記表面に隣接して設けられ、前記表面の反対側に外表面を有する陽極酸化金属層と、
前記基材に結合されている第1端部及び少なくとも前記陽極酸化層の前記外表面まで延在している第2端部を有する第1電荷キャリア型の複数のシリコンナノワイヤと、
前記複数のナノワイヤの第2端部を覆う第2電荷キャリア型のシリコン層とを含み、それによって該シリコン層が前記基材に直接電気接続しないようにしたことを特徴とするデバイス。
A silicon nanowire device,
A substrate having a surface;
An anodized metal layer provided adjacent to the surface and having an outer surface opposite the surface;
A plurality of silicon nanowires of a first charge carrier type having a first end bonded to the substrate and a second end extending at least to the outer surface of the anodized layer;
A device comprising: a second charge carrier type silicon layer covering a second end of the plurality of nanowires, whereby the silicon layer is not directly electrically connected to the substrate.
前記シリコンナノワイヤがアルミニウムでドープされていることを特徴とする請求項1に記載のデバイス。   The device of claim 1, wherein the silicon nanowires are doped with aluminum. 前記陽極酸化層がアルマイトであることを特徴とする請求項1に記載のデバイス。   The device of claim 1, wherein the anodized layer is anodized. 前記基材がアルミニウムであることを特徴とする請求項1に記載のデバイス。   The device of claim 1, wherein the substrate is aluminum. 前記シリコンナノワイヤがアルミニウムでドープされており、前記陽極酸化層がアルマイトであり、前記基材がアルミニウムであることを特徴とする請求項1に記載のデバイス。   The device of claim 1, wherein the silicon nanowires are doped with aluminum, the anodized layer is anodized, and the substrate is aluminum. 前記シリコンナノワイヤが、前記陽極酸化層の前記外表面を越えて突出していることを特徴とする請求項1に記載のデバイス。   The device of claim 1, wherein the silicon nanowires protrude beyond the outer surface of the anodized layer. 複数のシリコンナノワイヤの形成方法であって、
アルミニウム層に隣接するアルマイト層の複数の細孔を通じて、該アルマイト細孔の底部にあるアルミニウムを触媒として、VLSプロセスを用いてシリコンナノワイヤを成長させるステップと、
前記シリコンナノワイヤをN型半導体で被覆するステップとを含むことを特徴とする方法。
A method of forming a plurality of silicon nanowires,
Growing silicon nanowires through a plurality of pores in the anodized layer adjacent to the aluminum layer using the VLS process with aluminum at the bottom of the anodized pores as a catalyst;
Coating the silicon nanowires with an N-type semiconductor.
複数の細孔を形成する前に前記基材の前記表面に到達しないようにアルミニウム層を陽極酸化するステップをさらに含むことを特徴とする請求項7に記載の方法。   8. The method of claim 7, further comprising anodizing the aluminum layer so as not to reach the surface of the substrate prior to forming a plurality of pores. 前記アルミニウム層の所定領域において細孔を有しないアルミナ層を形成することによって、該所定領域のマスキングを除去するステップをさらに含むことを特徴とする請求項7に記載の方法。   8. The method of claim 7, further comprising removing the masking of the predetermined region by forming an alumina layer having no pores in the predetermined region of the aluminum layer. 前記n型層と前記基材との電気接触を防止するステップをさらに含むことを特徴とする請求項7に記載の方法。   The method of claim 7, further comprising preventing electrical contact between the n-type layer and the substrate. 前記触媒を構成する前記アルミニウムが前記シリコンナノワイヤの前記ドーパントとして使い果たされるまで、前記VLSプロセスを継続するステップをさらに含むことを特徴とする請求項7に記載の方法。   8. The method of claim 7, further comprising continuing the VLS process until the aluminum comprising the catalyst is used up as the dopant of the silicon nanowires. シリコンナノワイヤデバイスの形成方法であって、
アルミニウム層を陽極酸化し、陽極酸化層の外表面から該陽極酸化層の底面における界面領域内の或る場所まで延在する複数の細孔を、該複数の細孔の底部にアルミニウムの一部が残るようにして作製するステップと、
前記複数の細孔の前記底部に残っている前記アルミニウムが共晶先端における触媒としても前記シリコンナノワイヤの前記ドーパントとしても用いられるように、VLSプロセスを用いて、シリコンナノワイヤを成長させるステップとを含むことを特徴とする方法。
A method for forming a silicon nanowire device, comprising:
Anodizing the aluminum layer, and forming a plurality of pores extending from the outer surface of the anodized layer to a location in the interface region at the bottom surface of the anodized layer, and a part of the aluminum at the bottom of the plurality of pores The step of making the
Growing silicon nanowires using a VLS process such that the aluminum remaining at the bottom of the plurality of pores is used both as a catalyst at the eutectic tip and as the dopant of the silicon nanowires. A method characterized by that.
前記共晶先端における前記アルミニウム触媒が前記シリコンナノワイヤのドーパントとして消費されるまで、前記シリコンナノワイヤの成長を継続するステップをさらに含むことを特徴とする請求項12に記載の方法。   13. The method of claim 12, further comprising continuing the growth of the silicon nanowire until the aluminum catalyst at the eutectic tip is consumed as a dopant for the silicon nanowire. 前記残っている触媒を除去するために、前記複数のシリコンナノワイヤの前記共晶先端を除去するステップをさらに含むことを特徴とする請求項12に記載の方法。   The method of claim 12, further comprising removing the eutectic tips of the plurality of silicon nanowires to remove the remaining catalyst. シリコンナノワイヤを成長させていない細孔を通して前記N型層と前記基材とが短絡しないようにするために、前記デバイスを保護膜で被覆するステップをさらに含むことを特徴とする請求項10に記載の方法。   The method of claim 10, further comprising coating the device with a protective film to prevent the N-type layer and the substrate from being short-circuited through pores in which silicon nanowires are not grown. the method of. 前記ナノワイヤを、前記N型シリコン層で被覆する前に真性シリコン層で被覆するステップをさらに含むことを特徴とする請求項7に記載の方法。   The method of claim 7, further comprising the step of coating the nanowire with an intrinsic silicon layer before coating with the N-type silicon layer. 前記ナノワイヤを、前記N型シリコン層で被覆する前にP型シリコン層で被覆するステップをさらに含むことを特徴とする請求項7に記載の方法。   The method of claim 7, further comprising the step of coating the nanowire with a P-type silicon layer before coating with the N-type silicon layer. 前記N型シリコン層を前記アルマイト表面の所定領域からエッチングするステップをさらに含むことを特徴とする請求項7に記載の方法。   8. The method of claim 7, further comprising etching the N-type silicon layer from a predetermined region of the anodized surface. 前記N型シリコン層と機能的に接触する透明導電体の層をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のデバイス。   The device of claim 1, further comprising a layer of transparent conductor in functional contact with the N-type silicon layer. 前記透明導電体層と機能的に接触する金属製導電ワイヤをさらに含むことを特徴とする請求項19に記載のデバイス。   20. The device of claim 19, further comprising a metallic conductive wire in functional contact with the transparent conductor layer.
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