TW201609551A - 氧化銦奈米柱及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種氧化銦奈米柱的製造方法，其包括以下步驟：提供高溫爐，其中高溫爐分為第一區以及第二區；將至少一銦金屬源放置於第一區，且將基板放置於第二區；將第一區的溫度調變至第一溫度，且將第二區的溫度調變至第二溫度，其中第一溫度高於第二溫度；以及當第一區的溫度達到第一溫度，且第二區的溫度達到第二溫度時，於高溫爐中通入氬氣以及氧氣，其中氬氣與氧氣比落在30：1至70：1的範圍內，以令多個氧化銦奈米柱形成於基板上。另提供一種氧化銦奈米柱。

Description

氧化銦奈米柱及其製造方法
本發明是有關於一種奈米柱及其製造方法，且特別是有關於一種氧化銦奈米柱及其製造方法。
隨著科學技術的突飛猛進，諸如電子、材料、物理、化學、生物等領域皆由微米世紀邁入所謂的奈米世紀。當元件尺寸微縮至奈米等級時，元件的物理、機械及化學等特性便與其為塊材時的特性有了差異。因此，除改變材料的組成以獲得不同材料應用需求上的性質外，也可進一步藉由控制材料的大小與形狀，來操控同一種材料的基本特性，如熔點、顏色、光、電、磁等特性。藉此，許多從前無法達成的高性能產品或技術將有機會在奈米科技的領域中實現。
一般而言，奈米材料的種類相當多，包括金屬、金屬氧化物、半導體、陶瓷、高分子材料等。此外，奈米結構依其形狀、尺寸及分布範圍的不同而主要分為一維、二維、三維等奈米結構。 目前，已知的奈米結構(如奈米柱)的成長機制主要為氣-液-固(Vapor-Liquid-Solid，VLS)成長機制以及氣-固(Vapor-Solid，VS)成長機制。氣-液-固成長機制是利用反應物的氣相態附著在金屬觸媒上，在共熔(eutectic)溫度下形成液態合金。若反應物的材料為半導體材料，當金屬-半導體合金內的半導體材料過飽合，半導體便會自金屬觸媒的底部析出，且析出之半導體材料將金屬觸媒向上推擠，從而形成具有方向性的奈米柱。相較於氣-液-固成長機制，氣-固成長機制不需要金屬觸媒即可成長奈米結構。然而，也因為少了金屬觸媒可以吸收反應物以及作為成核點，因此以氣-固成長機制所成長的奈米結構不具有方向性且其製程時間亦較久(約1小時以上)。是以，如何能在省略金屬觸媒的設置下，有效率地製造出具有方向性的奈米結構，實為目前研發人員研究之重點之一。
本發明提供一種氧化銦奈米柱的製造方法，其可在省略金屬觸媒的設置下，有效率地製造出具有方向性的氧化銦奈米柱。
本發明提供一種氧化銦奈米柱，其具有方向性。
本發明的一種氧化銦奈米柱的製造方法，其包括以下步驟：提供高溫爐，其中高溫爐分為第一區以及第二區；將至少一銦金屬源放置於第一區，且將基板放置於第二區；將第一區的溫度調變至第一溫度，且將第二區的溫度調變至第二溫度，其中第 一溫度高於第二溫度；以及當第一區的溫度達到第一溫度，且第二區的溫度達到第二溫度時，於高溫爐中通入氬氣以及氧氣，其中氬氣與氧氣比落在30：1至70：1的範圍內，以令多個氧化銦奈米柱形成於基板上。
在本發明的一實施例中，上述的第一溫度落在攝氏800度至攝氏1000度的範圍內，且第二溫度落在攝氏300度至攝氏500度的範圍內。
在本發明的一實施例中，上述的氧化銦奈米柱形成於高溫爐通入氬氣以及氧氣的1分鐘後，且各氧化銦奈米柱由基板的表面向外延伸。
在本發明的一實施例中，上述於高溫爐中通入氬氣以及氧氣的30分鐘之內，各氧化銦奈米柱的長度以及平均直徑與通入氬氣以及氧氣的時間呈正相關。
在本發明的一實施例中，上述的各氧化銦奈米柱包括尾部、連接部以及頂部，其中尾部與基板接觸，連接部連接於尾部與頂部之間，且頂部由銦構成，而連接部以及尾部分別由氧化銦構成。
本發明的一種氧化銦奈米柱，其包括尾部、與尾部相對的頂部以及連接於尾部與頂部之間的連接部，其中頂部的平均直徑大於連接部的平均直徑以及尾部的平均直徑。
在本發明的一實施例中，上述的頂部由銦構成，而連接部以及尾部分別由氧化銦構成。
在本發明的一實施例中，上述的連接部的寬度由頂部往尾部的方向逐漸減少。
在本發明的一實施例中，上述的各氧化銦奈米柱的形狀為圖釘狀。
基於上述，本發明上述實施例之氧化銦奈米柱的製造方法透過雙區加熱以及透過控制高溫爐中氬氣與氧氣比，使銦自我成核於基板上，且後形成的氧化銦將銦向上推擠，從而形成具有方向性的氧化銦奈米柱。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
A1‧‧‧第一區
A2‧‧‧第二區
Ar‧‧‧氬氣
BP‧‧‧尾部
CP‧‧‧連接部
DP‧‧‧奈米液滴
E1‧‧‧頂電極
E2‧‧‧背電極
I‧‧‧進氣閥
M‧‧‧銦金屬源
O‧‧‧排氣閥
O2‧‧‧氧氣
R‧‧‧氧化銦奈米柱
SC、SC’‧‧‧太陽能面板
SC1‧‧‧第一型半導體層
SC2‧‧‧第二型半導體層
SUB‧‧‧基板
T1‧‧‧第一溫度
T2‧‧‧第二溫度
TF‧‧‧高溫爐
TP‧‧‧頂部
W‧‧‧寬度
圖1A至圖1D是依照本發明的一實施例的一種氧化銦奈米柱的製造方法的示意圖。
圖2是依照本發明的一實施例的一種氧化銦奈米柱的示意圖。
圖3是應用有本發明實施例的氧化銦奈米柱的一種太陽能面板的剖面示意圖。
圖1A至圖1D是依照本發明的一實施例的一種氧化銦奈 米柱的製造方法的示意圖。圖2是依照本發明的一實施例的一種氧化銦奈米柱的示意圖。請參照圖1A，提供高溫爐TF。高溫爐TF包括多個進氣閥I以及至少一排氣閥O，其中進氣閥I以及排氣閥O分別與高溫爐TF的腔體內部連通，以利後續載流氣體的輸入及輸出。
高溫爐TF分為第一區A1以及第二區A2，其中第一區A1與第二區A2彼此連通，以利載流氣體的流通。在本實施例中，高溫爐TF對應第一區A1以及第二區A2分別設置有未繪示的溫控設備，以獨立控制第一區A1與第二區A2個別的溫度。
將至少一銦金屬源M放置於第一區A1，且將基板SUB放置於第二區A2。銦金屬源M用以製備欲形成之氧化銦奈米柱，其可以是純度99.99%的銦粒，但不限於此。基板SUB用於承載所欲形成之氧化銦奈米柱。舉例，基板SUB可以是藍寶石(sapphire)基板、矽基板、銅基板、碳化矽(silicon carbide，SiC)基板、半導體結構之堆疊層或者其他合適的基板。此外，依據不同的設計需求，基板SUB上可預先形成有元件或膜層。
請參照圖1B，將第一區A1的溫度調變至第一溫度T1，且將第二區A2的溫度調變至第二溫度T2，其中第一溫度T1高於第二溫度T2。舉例，第一溫度T1落在攝氏800度至攝氏1000度的範圍內，且第二溫度T2落在攝氏300度至攝氏500度的範圍內。在調變溫度之前，可先將高溫爐TF抽真空。接著，由進氣閥I通以氬氣Ar使高溫爐TF內的氣體壓力回升至一大氣壓，再開始 將第一區A1的溫度調變至第一溫度T1，且將第二區A2的溫度調變至第二溫度T2。
請參照圖1C及圖1D，當第一區A1的溫度達到第一溫度T1，且第二區A2的溫度達到第二溫度T2時，於高溫爐TF中通入氬氣Ar以及氧氣O2。氬氣Ar以及氧氣O2分別自不同的進氣閥I輸入，且氬氣Ar與氧氣O2比落在30：1至70：1的範圍內，以令多個氧化銦奈米柱R形成於基板SUB上。
由於化學反應會隨溫度呈指數函數變化，因此，藉由將銦金屬源M放置於溫度相對高(如攝氏900度)的第一區A1內，可加速完成氧與銦鍵結之化學反應，而形成銦-氧化銦之奈米液滴(droplets)DP，且奈米液滴DP會因載流氣體於第一區A1與第二區A2之間的濃度差，而以擴散(diffusion)的方式被帶至溫度相對低(如攝氏400度)的第二區A2並被吸附到基板SUB的表面上，形成成核(nucleation)點。由於在第二溫度T2下，銦的氧化速率大於還原速率，因此氧化銦奈米柱R在第二區A2以自我催化(self-catalyzed)的方式形成。特別是，氧化銦會將自我成核的銦向上推擠，從而形成具有方向性的氧化銦奈米柱R。是以，本實施例的氧化銦奈米柱R的製造方法可在省略金屬觸媒的設置下，有效率地製造出具有方向性的氧化銦奈米柱R。並且，由於用以承載氧化銦奈米柱R的基板SUB是設置於溫度相對低的第二區A2中，因此可避免高溫對基板SUB或預先設置於基板SUB上之元件造成損害。
在本實施例中，上述的氧化銦奈米柱R形成於高溫爐TF通入氬氣Ar以及氧氣O2的1分鐘後，且各氧化銦奈米柱R由基板SUB的表面向外延伸。特別是在高溫爐TF中通入氬氣Ar以及氧氣O2的30分鐘之內，各氧化銦奈米柱R的長度以及平均直徑與通入氬氣Ar以及氧氣O2的時間呈正相關。也就是說，氧化銦奈米柱R的長度以及平均直徑隨著製程時間的增加而增加。
請參照圖1D及圖2，各氧化銦奈米柱R包括尾部BP、連接部CP以及頂部TP，其中尾部BP與基板SUB接觸，連接部CP連接於尾部BP與頂部TP之間，其中頂部TP的平均直徑大於連接部CP的平均直徑以及尾部BP的平均直徑，而形成如圖釘狀的結構。此外，連接部CP的寬度W由頂部TP往尾部BP的方向逐漸減少。如圖2所示，連接部CP與尾部BP連接處的寬度小於連接部CP與頂部TP連接處的寬度。根據穿隧式電子顯微鏡的分析結果，頂部TP例如由銦構成，而連接部CP以及尾部BP例如分別由氧化銦構成。
以下以圖3說明上述氧化銦奈米柱R的其中一種應用領域。圖3是應用有本發明實施例的氧化銦奈米柱的一種太陽能面板的剖面示意圖。請參照圖3，太陽能面板SC包括第一型半導體層SC1、第二型半導體層SC2、頂電極E1、背電極E2以及多個氧化銦奈米柱R。
第二型半導體層SC2設置於第一型半導體層SC1上。第一型半導體層SC1與第二型半導體層SC2的其中一者為N型半導 體層，且其中另一者為P型半導體層。舉例，第一型半導體層SC1為P型半導體層，而第二型半導體層SC2為N型半導體層，但不限於此。
頂電極E1設置於第二型半導體層SC2上，其可為導電良好的金屬層，如鈦層、鋁層或兩者的堆疊層。此外，為降低頂電極E1遮蔽外界的環境光，頂電極E1可形成特定的電極圖案。舉例，頂電極E1可由多條匯流電極(busbar)以及多條由匯流電極延伸出的指狀(finger)電極。背電極E2設置於第一型半導體層SC1下，用以提供後表面場(back surface field，BSF)，其可為導電良好的金屬層，如鋁層。氧化銦奈米柱R設置於第二型半導體層SC2上且位於頂電極E1以外的區域。氧化銦奈米柱R可以由上述製造方法製造而成，且在此一架構下，未形成有氧化銦奈米柱R的太陽能面板SC’即前述用以承載氧化銦奈米柱R的基板SUB。
在設置氧化銦奈米柱R之前，由於空氣與第二型半導體層SC2折射係數不匹配，因此大部分照射至太陽能面板SC’的光束，可能在第二型半導體層SC2與空氣之介面被反射回空氣中，而無法有效被太陽能面板SC’吸收，以致發電效率低落。
藉由氧化銦奈米柱R的設置，可改變空氣中介值的疏密比例，而提供一種折射率漸變的效果。因此，可降低光束因折射係數不匹配而無法被吸收的比例。特別是，氧化銦奈米柱R為奈米等級，因此可提供全波段抗反射的效果，且在大角度入射下，依然可維持低的反射率。經由實際測試，在波長為350nm至950nm 的範圍中，設置有氧化銦奈米柱R的太陽能面板SC可將平均反射率由35.73%降至10%以下。換言之，氧化銦奈米柱R的設置可同時滿足寬頻寬(broadband)及全方向性(omni-direction)的效果，使太陽能面板SC能夠充分吸收各個波段及及各個角度入射的光束。
雖然氧化銦奈米柱R的應用舉例如上，但氧化銦奈米柱R的應用領域並不限於此。舉例，氧化銦奈米柱R也可應用於其他半導體元件中。或者，氧化銦奈米柱R可應用於感測裝置(如聲波感測裝置)中，以提升感測表面積，從而提升感測裝置的感測效果。或者，也可利用氧化銦奈米柱R獨特的光激發波段來製作奈米雷射元件或場發射顯示元件等。
綜上所述，本發明上述實施例之氧化銦奈米柱的製造方法透過雙區加熱以及透過控制高溫爐中氬氣與氧氣比，使銦自我成核於基板上，且後形成的氧化銦將銦向上推擠，從而形成具有方向性的氧化銦奈米柱。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
A1‧‧‧第一區
A2‧‧‧第二區
Ar‧‧‧氬氣
DP‧‧‧奈米液滴
I‧‧‧進氣閥
M‧‧‧銦金屬源
O‧‧‧排氣閥
O2‧‧‧氧氣
R‧‧‧氧化銦奈米柱
SUB‧‧‧基板
T1‧‧‧第一溫度
T2‧‧‧第二溫度
TF‧‧‧高溫爐

Claims (9)

  1. 一種氧化銦奈米柱的製造方法，包括：提供一高溫爐，該高溫爐分為一第一區以及一第二區；將至少一銦金屬源放置於該第一區，且將一基板放置於該第二區；將該第一區的溫度調變至一第一溫度，且將該第二區的溫度調變至一第二溫度，其中該第一溫度高於該第二溫度；以及當該第一區的溫度達到該第一溫度，且該第二區的溫度達到該第二溫度時，於該高溫爐中通入氬氣以及氧氣，其中氬氣與氧氣比落在30：1至70：1的範圍內，以令多個氧化銦奈米柱形成於該基板上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的氧化銦奈米柱的製造方法，其中該第一溫度落在攝氏800度至攝氏1000度的範圍內，且該第二溫度落在攝氏300度至攝氏500度的範圍內。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的氧化銦奈米柱的製造方法，其中該些氧化銦奈米柱形成於該高溫爐通入氬氣以及氧氣的1分鐘後，且各該氧化銦奈米柱由該基板的表面向外延伸。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的氧化銦奈米柱的製造方法，其中於該高溫爐中通入氬氣以及氧氣的30分鐘之內，各該氧化銦奈米柱的長度以及平均直徑與通入氬氣以及氧氣的時間呈正相關。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的氧化銦奈米柱的製造方法， 其中各該氧化銦奈米柱包括一尾部、一連接部以及一頂部，該尾部與該基板接觸，該連接部連接於該尾部與該頂部之間，該頂部由銦構成，而該連接部以及該尾部分別由氧化銦構成。
  6. 一種氧化銦奈米柱，包括：一尾部；一頂部，與該尾部相對；以及一連接部，連接於於該尾部與該頂部之間，其中該頂部的平均直徑大於該連接部的平均直徑以及該尾部的平均直徑。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的氧化銦奈米柱，其中該頂部由銦構成，而該連接部以及該尾部分別由氧化銦構成。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的氧化銦奈米柱，其中該連接部的寬度由該頂部往該尾部的方向逐漸減少。
  9. 如申請專利範圍第6項所述的氧化銦奈米柱，其中各該氧化銦奈米柱的形狀為圖釘狀。
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