[发明专利]超多晶面六角锥图形化GaAs衬底上纳米柱及制备方法

说明书

本发明公开了一种超多晶面六角锥图形化GaAs衬底上纳米柱及制备方法，所述超多晶面六角锥图形化GaAs衬底的每个六角锥图形表面具有6~10个高指数晶面，所述纳米柱的直径为10‑50nm，其制备方法包括如下步骤：（1）超多晶面六角锥图形化GaAs衬底的制备；（2）超多晶面六角锥图形化GaAs衬底的清洗；（3）分子束外延方法生长GaAs纳米柱。解决了分子束外延在无金属催化剂、无掩膜的GaAs衬底表面难以制备高度有序、高密度的GaAs和InGaAs纳米柱和高性能纳米柱结构太阳电池器件的问题。制备超多晶面图形化GaAs衬底采用的湿法蚀刻设备简单，操作方便；生长纳米柱的MBE工艺简单、过程安全、无污染。

技术领域

本发明涉及GaAs和InGaAs纳米柱生长领域，特别涉及超多晶面六角锥图形化GaAs衬底上纳米柱及制备方法。

背景技术

GaAs基III-V族高效多结太阳能电池与目前广泛使用的硅太阳能电池相比，具有更高的光电转换效率，更强的抗辐照能力和更好的耐高温性能使其在空间太阳能电池领域逐步取代Si系列太阳能电池。目前，尽管单结太阳能电池的实验室光电转换效率已经接近其理论极限值，但从太阳光谱的利用率来看，GaAs基太阳能电池还有很大的提升空间。如何提高太阳光在GaAs基太阳能电池的利用率已经成为当下研究的热点。

图形化衬底技术在提高GaAs基太阳能电池的光利用率方面显示了很好的优势，该技术得到高度关注。图形化衬底是指表面具有周期性图形阵列的衬底。相较于平片衬底，一方面图形化衬底表面图形阵列诱发外延薄膜侧向生长，从而改善外延晶体质量；另一方面图形阵列促使光线散射或折射，抑制内部全反射，从而提升太阳光利用效率。相较于平面薄膜结构电池器件，图形化衬底上制备的纳米柱结构太阳能电池在性能提升方面具有极大优势。首先图形化衬底具有超大表面积，提高了GaAs及InGaAs纳米柱形核位点数量与密度；纳米柱具有超高的表面积/体积比，并且可抑制内部全反射，大幅提升太阳能电池吸光效率。此外，通过精细调控纳米柱尺寸，可实现吸收太阳光波长的可控，实现低成本高性能太阳能电池的制备。

目前，高度有序GaAs和InGaAs纳米柱的生长方法主要有催化剂法和选区生长法。催化剂法以Au、Pt、Ni等纳米粒子为催化剂诱导VLS（Vapor liquid solid）生长机制，使气体反应物溶入纳米催化金属液滴中，在过饱和条件下生成一维纳米柱。然而催化剂法具有以下缺点：1）工艺复杂，需经沉积、退火等工艺制备金属催化剂颗粒；2）有序排列的金属催化剂颗粒制备困难；3）金属催化剂颗粒在外延过程中作为杂质掺入外延材料中，降低器件电学及光学性能。选区生长法需利用纳米压印、聚焦离子束切割、光刻工艺、干法蚀刻工艺等制备周期性掩膜，提供分布均匀的形核位置，从而制备尺寸可控、均匀分布的纳米柱。其缺点为工艺复杂、价格昂贵、去除掩膜工艺困难等。

结构优化的图形化衬底可实现GaAs和InGaAs纳米柱的有序可控生长，且无需引入金属催化剂杂质以及使用昂贵、复杂的聚焦离子束/纳米压印等工艺。因此，建立图形化衬底微结构与纳米柱形核、有序性、质量关系的有效连接，对生长高度有序、高密度的GaAs、InGaAs纳米柱以及制备高性能纳米柱结构太阳能电池器件具有重大意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决在无催化剂、无掩膜的衬底上，分子束外延（MBE）方法难以生长高度有序、高密度的GaAs和InGaAs纳米柱的问题，提供了一种在超多晶面图形化GaAs衬底上MBE生长GaAs和InGaAs纳米柱的制备方法，所制备的纳米柱阵列高度有序、密度高。

为了实现上述目的，本发明提供如下的技术方案。

本发明提供了一种超多晶面六角锥图形化GaAs衬底上纳米柱，所述超多晶面六角锥图形化GaAs衬底是指在平片GaAs晶圆的表面蚀刻出凸起和凹坑图形阵列，所述凸起和凹坑构成六角锥；在六角锥图形表面生长有纳米柱。

优选地，所述六角锥图形表面具有6~10个高指数晶面，平片GaAs晶圆的厚度为900~1100 μm，纳米柱的直径为10~50 nm。