[发明专利]在基底上形成纳米结构的方法及其用途

说明书

技术领域

本发明涉及在包含硅的基底上制备纳米结构的方法及其用途。

背景

具有多种结构形态和晶体取向的硅(Si)广泛用于光电子装置和太阳能电池应用。然而，平面硅具有天然的高反射率以及强光谱依赖性。因此，已经研究宽光谱范围内有效的反射抑制并且以前已经提议克服该技术问题的许多方案。

在一个已知的方法中，提议了深表面纹理以试图降低硅基底的表面反射率。例如，可使光滑硅基底表面进行蚀刻以获得粗糙Si表面(即“纹理”)。这样的纹理可导致粗糙的Si表面显示出降低的反射率。然而，这样的“纹理”方法的一个局限性在于其仅能用于具有特定类型的表面取向的硅，即硅<100>。此外，还发现已经经历深表面纹理的Si基底倾向于显示出随着入射光角度的快速增加的反射率。

因此，在另一已知的方法中，在硅基底表面上提供抗反射涂层，例如，SiO_x涂层、Si₃N₄涂层和TiO_x涂层。这样的方法的一个局限性在于各个类型的抗反射涂层通常仅用于降低有限光谱范围内的反射率并且仅用于特定的入射角。因此，当使Si基底进行宽光谱辐射，例如跨越大范围波长的太阳辐射时，使用抗反射涂层不适于降低反射率。

为克服该缺陷，提议提供两层抗反射涂层。尽管通过这样的双层涂层能改善反射率的降低，但这些涂层难于制造，应用昂贵并且已知当用于光伏模块时缺乏效率。

解决上述技术问题的另一方法是催化蚀刻。然而，该技术具有下列缺点。首先，催化蚀刻不适于在硅基底上产生复杂的三维(3D)纳米结构。此外，使用该技术，难于提供具有不同程度的复杂性的高长宽比的结构，特别是当结构变得更小成为纳米尺寸范围时。

另一提议的技术包括在卤素气体的存在下通过激光脉冲照射Si基底。在该技术中，尖峰信号形成强烈依赖激光脉冲的特性。激光脉冲必须超快并且非常强烈并且照射必须在卤素，例如SF₆的存在下进行。然而，该技术的缺点在于其对Si基底的蚀刻深度和蚀刻均匀性的弱的控制，导致通过Si晶片的蚀刻深度的明显变化。

因此，亟需提供克服或至少改善了上述技术问题的用于制备表现出降低的反射率的硅基底的方法。

概述

在一个方面中，提供了在包含硅的基底上提供纳米结构的方法，所述方法包括步骤：(a)在所述基底的表面上沉积过渡金属层；(b)退火所述过渡金属层以形成图形化过渡金属层；以及(c)蚀刻所述基底以在所述基底表面上形成纳米结构。

有利地，本公开提供了用于制备具有低反射率的硅基底的简单和有效的方法，其中所述图形化硅基底适于制备光伏装置、适于用作阳极并且甚至充当用于制备光电子装置的起始模板。特别地，本方法能够提供表现出跨越宽辐射光谱(“黑硅”)的低反射率并且不需要应用一层或多层抗反射涂层的硅基底。

进一步有利地，本方法对于制备降低的反射率，任何表面取向(例如，<100>、<111>、<010>、<001>、<110>、<011>、<101>)的图形化硅基底是有效的。

进一步有利地，惊人地发现根据上述方法制备的图形化硅基底可用于生长具有显著降低的表面缺陷密度(例如裂纹和蚀刻坑)的宽带隙半导体材料层，例如氮化镓(GaN)。有利地，这允许通过上述方法制备的表面改性的硅基底充当光电子装置的起始模板。

在另一方面中，提供了包含在通过上述方法制备的暴露表面上的纳米结构的图形化硅基底。

在另一方面中，提供了上述定义的图形化硅基底在所述图形化硅基底上沉积和生长氮化镓(GaN)层中的用途。

在另一方面中，提供了上述定义的图形化硅基底在制造光伏(PV)装置中的用途。

在另一方面中，提供了上述定义的图形化硅基底作为阳极的用途。

在另一方面中，提供了在具有图形化表面的硅基底上沉积氮化铝(AlN)层的方法，所述方法包括步骤：(a)提供上述定义的图形化硅基底；(b)在所述图形化表面上传送三甲基铝(TMA)以在所述图形化表面上沉积Al层；(c)以确定的V/III比和温度在所述图形化表面上传送TMA和氨(NH₃)以导致在所述图形化表面上沉积AlN；以及(d)调整步骤(c)中的所述温度和V/III比以导致二维AlN生长。

在一个实施方案中，调整步骤包括在步骤(b)中初步降低温度和V/III比。