TWI496301B

TWI496301B - 光子裝置與其製造方法

Info

Publication number: TWI496301B
Application number: TW099109578A
Authority: TW
Inventors: Hans S Cho; Theodore I Kamins; Nathaniel J Quitoriano
Original assignee: Hewlett Packard Development Co
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2015-08-11
Also published as: US8389388B2; US20120032168A1; TW201044610A; WO2010126519A1

Description

光子裝置與其製造方法

本發明係有關於光子裝置與其製造方法。

發明背景

高性能半導體裝置，特別是具有p-n 接面的那些，歷史上利用單晶半導體材料製成。用於半導體裝置的此等單晶材料的使用有效地避免了荷電載子的分散與少數載子的重組當與使用具有顆粒邊界的非單晶半導體材料相比時。荷電載子的分散有害地降低了該等荷電載子的漂移移動率及擴散，導致裝置的性能降級，諸如光子裝置。例如，降級性能由電阻增加及光電轉換效率降低來顯示。甚至當不同的半導體材料在一半導體裝置中一起使用時，諸如在一異質結構或異質接面裝置中，單晶半導體材料一般基於它們各自的晶格結構來選定。這是為了確保所實現的結構作為一個整體是一有效的單晶結構。相似地，包括但不限於奈米線及奈米點的奈米結構通常從單晶基板孕核且生長，在某種程度上充分利用此等基板之晶格的均勻性質，提供針對該等奈米結構的對準所需的結晶資訊。

光伏電池是一種類型的光子裝置，由於高能量成本及美國依賴境外資源的化石燃料使其成為更感興趣的主題。光偵測器是尤其感興趣的另一種類型的光子裝置。光伏電池之效率及品質已在過去的10年中顯著地改進。為了使光伏電池之成本更低所作出的努力已指向替代材料及製造方法。

非晶及其他非單晶半導體材料，諸如，多晶半導體材料，至少在光電伏特應用中的可能的成本節省方面引起關注。儘管具有與該等非單晶半導體材料中的多個顆粒邊界相關聯的較低效率的缺點，此等材料與它們的單晶對應體相比更加便宜地來製造。存在自非單晶材料產生該半導體裝置之較低成本可能超過可能產生的任何性能損失的應用。然而，此折衷絕不是許多光子應用的一選擇。

依據本發明之一實施例，係特地提出一種光子裝置，其包含：一基板上的一多晶過渡層，該多晶過渡層是具有各種顆粒方向的一小顆粒半導體材料；多數個錐形結構，該等錐形結構與各自的該多晶過渡層之對準顆粒相連，該等錐形結構為相對較大的顆粒且主要為單晶；一共形半導體接面，其在該等多數個錐形結構上；一第一電極，其與該多晶過渡層相鄰；及一第二電極，其與該共形半導體接面的一表面層相鄰。

圖式簡單說明

參照以下詳細說明結合所附圖式可更易理解本發明之實施例之各種特徵，其中相同的數字表示相同的結構元件，且其中：第1圖依據本發明的一實施例說明製造一光子製造的一方法的一流程圖。

第2A-2D圖依據本發明的一實施例說明依據第1圖之該方法來製造的一光子裝置的一部分的截面圖。

第2E圖依據本發明的一實施例說明依據第1圖之該方法來製造的該光子裝置的一截面圖。

第3圖依據本發明的另一實施例說明製造一光子裝置的一方法的一流程圖。

第4A-4D圖依據本發明的另一實施例說明依據第3圖之該方法生長的各種錐形線結構的截面圖。

較佳實施例之詳細說明

本發明之實施例使用具有一高結晶度的一吸光半導體材料，其可在用於光子裝置的大區域基板上製成，諸如光偵測器及光伏(即太陽)電池。在某些實施例中，此等光子裝置提供可與單晶半導體裝置相提並論的太陽能轉換效率但成本較低。

本發明之某些實施例提供製造一光子裝置的一方法及一光子裝置，該等實施例使用該光子裝置的一主動區中的一多晶半導體膜之單一顆粒。特別的是，一厚多晶層在一基板上形成，例如，一大區域的非晶基板。該厚多晶層具有與該基板相鄰的一過渡區及該過渡區上的一柱狀區。該過渡區包含多種取向的小顆粒及顆粒邊界。該柱狀區包含由顆粒邊界分開的具有相對較一致的柱狀對準的相對較大的顆粒。此外，該等柱狀顆粒與該過渡區之某些顆粒相連。該方法優先從該厚多晶層的一柱狀區中的顆粒邊界向下蝕刻至該過渡區以形成多數個不同的錐形結構。該等多數個錐形結構具有各種大小且維持相對較一致的對準。此外，該等錐形結構與該多晶層之該過渡區中的各自的顆粒相連。

該等錐形結構大多數主要為單晶(即一單一顆粒)。「主要為單晶」是指一錐形結構大多數可全為一單一顆粒或可進一步包含一較小的或可忽略的顆粒邊界，因為該顆粒邊界對該錐形結構的一主動區有一小的不利影響。該等錐形結構具有寬底及相對較窄的頂端；該寬底提供該光子裝置中的較小接觸阻力。此外，該等錐形結構大多數提供針對一主動區的較大的表面積及可能更大的光捕集能力。

該方法進一步形成一主動區，該主動區包含順應大多數錐形結構的一起伏表面的一半導體接面。較特別地，該半導體接面順應每一錐形結構之表面。一光學透明頂部電極被提供，其與該共形半導體接面的一表面區的電氣接觸。一底部電極與該多晶膜的該過渡區電氣接觸。在某些實施例中，位於該等錐形結構之該表面處的該共形半導體接面可有助於藉由該光子裝置來吸收更多的光。在某些實施例中，該等起伏錐形結構提供該等錐形結構之間的更多光捕集性質。該製造方法尤其適合於在大區域、非單晶基板上製造光子裝置且與當前的半導體製造技術相容。例如，該方法不將金屬雜質(例如，諸如自金屬-催化生長技術所產生的)引入到該等錐形結構之該主動區中。

本發明之其他實施例提供製造一光子裝置的一方法及一光子裝置，該等實施例使用具有一錐形形狀，且在某些實施例中，具有一基板上的一非一致對準的單晶線結構。特別的是，該等單晶線結構使用一金屬-催化生長及非催化生長的一結合從一基板的一非單晶表面生長。在該等線結構生長期間，參數受操縱以實現一錐形形狀，該錐形形狀提供用以減小該光子裝置之接觸阻力的一較寬的底部及一相對較窄的頂部。在某些實施例中，該光子裝置之該非一致對準可將抗反射性質提供給該光子裝置。此外，該等單晶線結構之該錐形形狀提供針對一主動區的較大表面積且還可改進光捕集能力。這是由於該等錐形線結構所形成的且在某些實施例中由於該等錐形線結構之該非一致對準所形成的一總體起伏表面的緣故。使用組合生長技術以形成錐形單晶線結構的此製造方法還特別適合於在包括但不限於玻璃的大區域、非單晶基板上製造光子裝置。

一「錐形結構」定義為一單晶半導體結構或主要為單晶的一半導體結構，如上文所定義的，具有作為一主要維度的一軸長、相對端及一固態核心。該錐形結構之該底端與一多晶半導體層的一過渡區中的一顆粒相連且因此完整地附接或固定於一多晶半導體層的一過渡區中的一顆粒。此外，該錐形結構的軸長可以是幾微米或更多(例如，幾十微米)。在某些實施例中，該錐形結構之斜度沿其軸長是相對均勻的(即具有從底部至頂部的一單一錐角)；該結構底部寬且頂部較窄。在本文之各種實施例中，該錐形結構之斜度(或錐度)大體上可定義為其軸長(高度)與寬度在該段或結構之該長度上的變化的一半之比。該錐形結構之該頂部可包含，例如，一點、曲線、高峰及脊中的一個或一個以上。該錐形結構可以是錐形、一非對稱錐形、角錐、一非對稱角錐形及其他多面體形狀中的一個或一個以上，取決於該實施例。在截面中，該錐形結構是圓形、橢圓形及多角形及此等形狀的組合的其中之一。在某些實施例中，該錐形結構依據上述製造一光子裝置的該方法的某些實施例使用柱狀顆粒邊界之優先蝕刻由一厚多晶層的一柱狀區形成。在本發明之各種實施例中，該等錐形結構大體上具有高度與底部寬度的一大比例，例如2：1或更大。在某些實施例中，高度與底部寬度之比例可以是20：1或更大。

一「線結構」是一個別的準一維單晶半導體結構，其特徵在於具有遠小於一第三空間維度或方向(即長度或高度)的兩個空間維度或方向。該線結構中的較大的該第三維度的存在有助於沿此維度傳導同時傳導可在另外二空間維度中量化。如本文所使用的，用語「錐形線結構」或「錐形線」定義為如上文所描述的具有一軸長(作為一主要或第三空間維度)、相對端、一固態核心的該線結構及沿其軸長底部寬於頂部的一錐形形狀。該錐形形狀沿該線結構之該軸長可以是均勻的或非均勻的。在某些實施例中，該錐形線結構可包含沿其軸長的一個或一個以上錐角。在截面中，該錐形線是圓形、橢圓形及多角形及此等形狀的組合的其中之一。此外，該錐形線結構的軸長可以是幾微米或甚至幾十微米。該錐形線結構使用催化及非催化生長機制的一結合來生長以將固定於其較寬的底部處的該線結構呈現給依據上述製造一光子製造的該方法的其他實施例的一非單晶基板表面。該錐形線結構之該頂部在生長期間包含一奈米粒子催化劑。

用語「錐形結構」及「錐形線」可在本文作為用以描述形成有該光子裝置之該主動區的該結構的「錐形結構」互換使用。應理解的是用語「錐形結構」及「錐形線」，如本文所使用的，對應於依據本發明之製造一光子裝置的該方法的各種實施例的其等形成的不同方法。正因如此，一錐形線始終為單晶而該錐形結構主要為單晶，如上文所定義的。本文製造一光子裝置之該等方法產生多個光子裝置，該等光子裝置具有某些不同特性，包括但不限於非一致對準或一致對準的一主動區。正因如此，由本文所描述的該等方法製成的該等光子裝置具有各種優勢，它們中的至少某些優勢可改進該等光子裝置的效率。

針對該等各種實施例，該基板材料可以是可耐受本文所描述的製造一光子裝置的各自的該等方法的處理溫度及條件的任何材料。在某些實施例中，該基板材料為一玻璃、一金屬、一金屬合金、一陶瓷、一塑膠、一聚合物、一電介質及一半導體的其中之一。在某些實施例中，該基板材料可以是剛性、半剛性或撓性中的任一種。此外，該基板可呈現下列特性中的一種或一種以上特性：導熱、導電、折射、反射、不透明及光學透明，取決於所製成的該光子裝置的該實施例。一「大區域基板」是一非單一結晶基板，其不需昂貴的半導體晶圓製造技術來製造以致於該基板可大於當前圓形晶圓，該等圓形晶圓具有，例如，大約20公分(cm)或甚至大約30cm的一直徑。「非單一結晶」或「非單晶」是指該基板材料可以是非晶、微晶及多晶中的一種或一種以上。例如，玻璃是一種便宜的非晶材料，其還提供用於本發明之某些實施例的光學透明性。在某些實施例中，該大區域基板之大小例如可以大於平面螢幕電視顯示器的大小。此處為簡便起見，一「基板表面」可意指一基板的一表面或該基板的一表面上的一材料的一種晶層，取決於本發明之該實施例。

用語「含雜質半導體」定義為一半導體材料，該半導體材料有意以一p 型摻雜物或一n 型摻雜物摻雜以將與該半導體所固有的導電性相比更高位準的一導電性提供給該半導體材料。用語「含雜質區」是該含雜質半導體的一區域。用語「本質半導體」定義為未摻雜、輕摻雜及非有意以一摻雜物材料摻雜中之一者或多者的一半導體材料。用語「本質區」是該本質半導體的一區域。「輕摻雜」及「非有意摻雜」(或非故意摻雜)是指一相對較少量的摻雜物可併入到該本質半導體中，例如摻雜物之擴散及非故意與一相鄰含雜質半導體摻雜中的一者或此二者皆有的結果。相對於具有例如10¹⁷ 每立方公分的摻雜物或更高濃度的摻雜物的一含雜質的經摻雜半導體而言，相對較少量的摻雜物是濃度很低的摻雜物，例如，接近10¹⁵ 每立方公分或更低的濃度。

依據本文之該等各種實施例，該光子裝置包含一共形半導體接面。用語「半導體接面」意指形成一p-n 接面、一p-i-n 接面及一蕭特基(Schottky)接面以及在彼此頂部堆積成層或堆疊以形成例如一多層半導體或半導體金屬接面的該等接面的任何組合中的一接面的該等材料層的材料或區域的一個或一個以上層體。「共形」是指該接面之各自的該(等)層體沿該錐形結構之該軸長順應該錐形結構的形狀或形貌。在某些實施例中，該共形半導體接面還可以是取決於該錐形結構之該形狀的一同軸半導體接面。在某些實施例中，該共形半導體接面包含一Schottky接面，該Schottky接面可包括與一金屬層相鄰的經輕摻雜的一半導體層。在其他實施例中，該共形半導體接面包含一個或一個以上p-n 接面及p-i-n 接面。該p-n 接面及p-i-n 接面由選擇性摻雜該錐形結構及位於該錐形結構上的一個或一個以上共形半導體接面層來提供。此外，在某些實施例中，該等錐形線可在成長期間選擇性地經摻雜以提供該錐形線內的軸向及共形半導體接面區中的一者或此二者。

例如，一共形p-n 半導體接面可包含一錐形結構，該錐形結構是具有一p 型摻雜物的一含雜質半導體區，該p 型摻雜物是該過渡區的經p 型摻雜的一顆粒不可或缺的部分；及一共形半導體層，其在該錐形結構上且是具有一n 型摻雜物的一含雜質半導體區。在另一範例中，一共形p-i-n 半導體接面可包含上述經p 型摻雜的該錐形結構；一第一共形半導體層，其在該錐形結構上且是一本質半導體區；及一第二共形層，其在該第一共形半導體層上且是具有一n 型摻雜物的一含雜質半導體區。在該共形p-i-n 半導體接面的另一範例中，該半導體接面可包含上述經p 型摻雜的該錐形結構；一第一共形半導體層，其在該錐形結構上且是經重摻雜的一p +型層體；一第二共形半導體層，其是一本質半導體區；及一第三共形半導體層，其在該第二共形半導體層上且是具有一n 型摻雜物的一含雜質半導體區。在另一範例中，一共形Schottky半導體接面可包含一錐形結構，該錐形結構是或包含一本質(即經輕摻雜的)區或具有一p 型摻雜物或n 型摻雜物的適度摻雜區；及一共形傳導金屬層，其在該錐形結構上與該區相鄰。

在某些實施例中，該共形半導體接面包含一額外半導體層，其直接位於該錐形結構上且具有與該錐形結構相同的導電類型。該各自的共形半導體接面之其他層體直接在此額外半導體層上形成。該額外半導體層(具有與錐形結構相同的導電類型)可移動該半導體接面的一空乏區使其遠離該錐形結構及具有該錐形結構的一介面中的一者或此二者，此二者中的任一者可能具有，例如，晶體缺陷。一晶體缺陷可能對該半導體接面產生荷電載子的效率產生不利影響。

此外，每一層或結構中的摻雜之等級可以是相同的或不同的，取決於該實施例。摻雜物等級的變化可產生，例如，一摻雜物梯度。在不同摻雜的一範例中，該錐形結構所固定於的該表面(即非單晶基板表面或該過渡區，取決於該實施例)可經重摻雜以產生相對於該錐形結構之該p 區的一p +區。該較重的摻雜提供該基板表面內的一較低的電阻率。應指出的是該等摻雜物類型可能在本文之該等範例中的任意範例的相反範例中是相反的且仍在該等實施例之範圍內。

依據某些實施例，該光子裝置可包含一異質結構或一異質接面。例如，具有不同能帶間隙的半導體材料可用以分別該錐形結構及該半導體接面之該(等)共形半導體層。包含此等不同材料的該光子裝置命名為一異質結構光子裝置。而且，依據某些實施例，該光子裝置可以是一異質結晶光子裝置。用語「異質結晶」在本文定義為包含至少至少兩種不同類型的結構相的一結構。例如，依據某些實施例，包含一微晶基板表面及一單晶線結構的一光子裝置是一異質結晶光子裝置。

依據某些實施例，用於該光子裝置之該等結構及層體的該等半導體材料，從一半導體或由第Ⅳ族元素(例如，Si、Ge、SiGe)組成的一合成半導體、由來自第Ⅲ及V族的元素(例如，GaAs、AlAs、AlGaAs)組成的一合成半導體及由來自第Ⅱ及Ⅵ族的元素(例如，ZnO、CdS、CdSe)組成的一合成半導體中獨立選定。因此，該錐形結構可以是與該共形半導體接面相同或不同的半導體材料。此外，該錐形線可以是與該共形半導體接面或該基板表面相同或不同的半導體材料，取決於該實施例。例如，該基板可以是玻璃，該基板表面可以是一微晶矽(「mc-Si」)或一非晶矽(「a-Si」)種晶層，該錐形線可以是砷化鎵(GaAs)且該共形半導體接面層可包含一單晶鋁砷化鋁鎵(AlGaAs)。在另一範例中，該多晶層可以是矽且因而該等錐形結構可以是矽，而該共形半導體接面可包含鍺(Ge)。

在某些實施例中，伴隨在該光子裝置中獨立使用的該等半導體材料的一選擇的是該等各自的材料的一各自的能帶間隙。在某些實施例中，該錐形結構之該能帶間隙可能與該半導體接面(一異質接面)之該共形半導體層之該能帶間隙不同。此外，具有不同的能帶間隙的一種或一種以上不同的半導體材料可用於該共形半導體接面的各種含雜質及本質區。在某些實施例中，該半導體基板表面之該能帶間隙可能與該錐形奈米線(一異質結構)之該能帶間隙不同。在其他實施例中，該等各自的半導體材料中的兩種或兩種以上半導體材料之該等能帶間隙可能是相同的。

該等第一及第二電極之電極材料是從經高摻雜的一半導體、一金屬、一金屬合金、一金氧化物中選定的一導電材料。在某些實施例中，該電極材料還是光學透明的或在維持用於該光子裝置的正常操作的高效的導電性的同時具有效的光學透明性的這樣的一厚層中形成。在某些實施例中，該電極材料可以是一金屬，包括但不限於金、銀、鉑、鈀、錫、鋁及銅。在某些實施例中，該電極材料是一傳導氧化物，其可能也是一半導體或可能不是一半導體；該傳導氧化物包括但不限於氧化銦錫(ITO)及氧化鋅(ZnO)，二者皆為光學透明的。在其他實施例中，該電極材料是一矽化物或一鍺化物，包括但不限於矽化鉑(PtSi)或鍺化鉑(PtGe)。

在一Schottky接面中，該金屬半導體接面之該金屬材料具有適合於用作例如一個二極體的精餾性質。此外，該金屬材料具有與該金屬半導體接面處的該半導體材料相容的電荷轉移相容性。在某些實施例中，該Schottky接面之該金屬材料包括但不限於金、鉑、鈀及鋁中的一種或一種以上。除此之外，金屬材料，諸如，銀、錫及銅中的一種或一種以上可被使用，取決於該Schottky接面之該半導體材料。

用語「光學透明」在本文定義為在可見UV及IR光譜(例如，用語包括此等光譜中的一個或一個以上光譜內的一頻帶)中的一個或一個以上可見UV及IR光譜中對電磁輻射完全透明或半透明。而且，如本文所使用的，冠詞「一」旨在具有專利技術中的普遍意義，即「一個或一個以上」。例如，「一錐形結構」一般意指一個或一個以上錐形結構且像這樣，「該錐形結構」意指本文之「該(等)錐形結構」。此外，本文之「頂部」、「底部」、「較高」「較低」、「上」、「下」、「左」或「右」之任何參考不企圖為本文中的一限制。此外，本文之範例旨在僅為說明性的且出於討論的目的而呈現且並非限制。

本文之方括弧「[ ]」結合如「111」及「110」這樣的數字的使用涉及一結晶格的一方向或指向且此處為簡便起見旨在將一組等效方向「< >」包括在其範圍內。本文之圓括弧「( )」針對如「111」及「110」這樣的數字的使用涉及一結晶格的一平面或一平表面且此處為簡便起見旨在將等效對稱「{ }」的多個平面包括在其範圍內。此等使用旨在遵循該技藝中所習知的共用結晶命名法。

在本發明之某些實施例中，提供了製造一光子裝置的一方法及一光子裝置。第1圖依據本發明的一實施例說明製造一光子裝置的一方法100的一流程圖。第2A-2D圖依據本發明的一實施例說明在依據製造一光子裝置的該方法100的製造期間的一光子裝置的放大截面圖。第2E圖依據某些實施例說明依據製造一光子裝置的該方法100及第2A-2D圖所製造的一光子裝置200的一放大截面圖。製造一光子裝置的該方法100包含使一半導體材料的一多晶層在一基板上生長(步驟110)；該多晶層足夠厚以提供小顆粒的一過渡區及相對較大顆粒的一柱狀區。該基板可以是上文所定義的一大區域基板，意指該基板大小及材料不受晶圓製造技術的限制，晶圓製造技術具有昂貴及大小限制中的一者或此二者皆是的特徵。

第2A圖說明一基板201上的一多晶層210的一截面圖。該多晶層210包含一過渡區212，該過渡區212具有具有各種方向的多數個小顆粒及顆粒邊界211。該過渡區121與該基板201相鄰。該多晶層210進一步包含多數個相對較大顆粒的一柱狀區214，其類似於與該過渡區212相鄰的相鄰柱(即「柱狀顆粒」)。從該過渡區212相對垂直延伸的顆粒邊界215(即「柱狀顆粒邊界」)作為該等柱狀顆粒的輪廓線。該較大顆粒柱狀區214通常遠厚於該小顆粒的過渡區212。例如，該柱狀區214可能是該過渡區至少兩倍的厚度。

在某些實施例中，使一多晶層生長(步驟110)包含使用一化學氣相沈積技術，例如，熱活化化學氣相沈積(CVD)或電漿體增強化學氣相沈積(PECVD)。在生長期間，該多晶材料之該等顆粒在該基板表面上垂直及橫向地生長且競爭空間。正因如此，該過渡區具有許多顆粒方向、大小及邊界。當生長進行時，某些顆粒將比其他顆粒更快地生長。在該垂直方向上生長較快的該等顆粒形成該柱狀區，且較慢生長的顆粒被堵住且防止其進一步生長。正因如此，該柱狀區具有類似於具有相對於該過渡區垂直延伸的顆粒邊界的柱(即柱狀)的顆粒。該柱狀區之該等顆粒起源於該過渡區中的某些顆粒且與之相連。

在某些實施例中，該柱狀多晶區可由首先沈積一非晶或多晶厚前驅膜來形成(步驟110)，接著藉由例如脈衝雷射退火、連續波雷射退火、快速熱退火及爐管退火中的一種或一種以上將該前驅膜退火。在某些實施例中，該厚前驅膜可包含該半導體材料及有在顆粒生長或退火期間分離出來的趨勢的一雜質的一合金。此產生富含雜質的柱狀顆粒邊界區，其可能更易受一後續步驟中的選擇性化學或電漿蝕刻影響，如下所述。

在某些實施例中，該多晶層生長至大於1微米厚的一厚度。在某些實施例中，該多晶層之該厚度大於大約10微米厚，例如，幾十微米(例如，20微米至80微米)。在某些實施例中，該多晶層實際上是一多晶晶圓，其具有與一傳統單晶半導體晶圓之厚度類似的一厚度，例如，200-800微米厚。在某些實施例中，該多晶層之該柱狀區具有從幾微米變化到幾十微米的一厚度，取決於該多晶層之該厚度。

製造一光子裝置的該方法100進一步包含先前蝕刻該等柱狀顆粒邊界(步驟120)以提供該半導體材料之多數個錐形結構。第2B圖藉由舉例的方式說明蝕刻期間(步驟120)的該柱狀區214的一截面圖；且第2C圖說明蝕刻該等柱狀顆粒邊界215(步驟120)之後的多數個錐形結構220的一截面圖。在某些情況下，該優先蝕刻步驟120可跟隨一柱狀顆粒邊界215進入到該過渡區212中(參見藉由舉例方式的第2C圖中的參考數字216)。出於便於說明的目的，假定一水準虛線203作為第2A-2E圖中的該等區域212、214的輪廓線。每一錐形結構220與該過渡區212的某一顆粒213相連，該顆粒213與該錐形結構220的一顆粒217對準。在某些實施例中，該錐形結構220之該顆粒217是一單一顆粒或該錐形結構是一單晶。在某些實施例中，該等錐形結構主要為單晶，如上文所定義的。在某些實施例中，相鄰錐形結構之顆粒方向可能是不同的。在某些實施例中，一錐形結構與該過渡區212的一對準顆粒213相連。在某些實施例中，一錐形結構可與該過渡區212的至少一對準顆粒213相連。在此等實施例之某些實施例中，該錐形結構包含一較小的顆粒邊界。「較小的顆粒邊界」是指該顆粒邊界對隨後在該錐形結構上或中形成的一主動區產生一小影響。

在某些實施例中，優先蝕刻該等柱狀顆粒邊界(步驟120)包含濕式化學蝕刻、化學氣相蝕刻及使用一反應物質(例如，一反應性離子)優先攻擊顆粒邊界的電漿蝕刻中的一種或一種以上技術。例如，該等顆粒邊界與該等柱狀顆粒的一內部相比可能更易受蝕刻的影響因為該等顆粒邊界具有未實現的晶體結合。正因如此，與在大量該等顆粒中相比，該優先蝕刻步驟120較快地蝕刻該顆粒邊界之鄰近處。與遠離該等顆粒邊界之材料相比，物理轟擊(即離子銑削或濺射)還可用以更快地移除鄰近顆粒邊界的材料。該優先蝕刻步驟120產生多個錐形結構，該等錐形結構在與該過渡區相鄰的一第一或底端處寬於與該第一端相對的一第二或頂端。這是因為該頂端暴露於蝕刻的過程比該底端長。正因如此，該等多數個錐形結構具有各種大小及相對較一致的垂直對準。第2C圖藉由舉例的方式說明蝕刻步驟120之後的該等錐形結構220的各種高度及寬度。此外，第2C圖僅藉由舉例的方式說明該等錐形結構220具有相對指向的第二端。在某些實施例中，該等第二端可以是彎曲的、平的或包括，例如，一脊。在某些實施例中，該等錐形結構的一高度可從大約1微米變化至大約幾微米；在其他實施例中，該等錐形結構例如可從幾微米變化至10微米，或甚至幾十微米。在某些實施例中，該等錐形結構之該第一端(即該底部)的一寬度例如可從大約0.5微米變化至大約1.5微米或更多。

在其他實施例中，多數個錐形結構可由將具有一類點圖案的一罩施加於該多晶層而產生且接著各向異性地蝕刻該多晶層以形成該多晶層內的多個介層孔。所產生的經蝕刻的結構將包含多數個錐形結構，該等錐形結構與上述藉由優先蝕刻步驟120所獲得的該等多數個錐形結構類似。例如，該等點之該圖案可使用聚苯乙烯珠來形成；該等珠小於一顆粒大小。

製造一光子裝置的該方法100進一步包含在該等多數個錐形結構上形成一共形半導體接面(步驟140)。步驟140中所形成的該共形半導體接面順應該等多數個錐形結構的一形貌且覆蓋上文所定義的該等錐形結構之該軸長。在某些實施例中，步驟140中所形成的該共形半導體接面還與該等錐形結構同軸。形成該共形半導體接面(步驟140)包含在該等多數個錐形結構上沈積一接面材料的一層體以順應錐形結構的一表面。在某些實施例中，該接面材料層是一金屬，其用以形成具有該等錐形結構的一Schottky接面；在某些實施例中，該接面材料層可進一步包含位於該錐形結構與該金屬層之間的一半導體層。在其他實施例中，該接面材料層是一半導體層，其在該等錐形結構上沈積以形成具有該等錐形結構的一共形p-n 接面。在其他實施例中，多於一個半導體層在該等錐形結構上順序沈積以形成具有該等錐形結構的一共形p-i-n 接面。在某些實施例中，用於該接面之各自的共形半導體層的該等摻雜物在該等共形層之沈積或生長期間加入。在某些實施例中，用於該共形半導體接面的該等摻雜物藉由從與該等錐形結構及該各自的共形半導體層中的一者或此二者接觸的一固態、液態或氣相源擴散來注入。在某些實施例中，用於該共形半導體接面的該等摻雜物由該等錐形結構及各自的共形半導體層中的一者或此二者的離子植入摻雜來注入。

在某些實施例中，該半導體接面的一空乏區離開該錐形結構及具有該錐形結構的一介面中的一者或此二者假如該錐形結構及該介面中的一者或此二者有缺陷。在某些實施例中，該空乏區首先藉由在該錐形結構上沈積一初始半導體共形層來移動，其中該初始半導體共形層可具有與該錐形結構相同的導電類型。接著，例如，包含一相反導電類型的另一半導體層或一金屬層在該初始半導體層上沈積以分別形成p-n 接面或一Schottky接面，該接面與該錐形結構或該介面相鄰但不在其中。就該Schottky接面而言，例如，至少該初始半導體共形層經輕摻雜(例如，一本質區)或至多經適度摻雜。在另一範例中，在具有與該等錐形結構相同的導電類型的該初始半導體層在該錐形結構上沈積之後，接著一本質半導體層(i 區)及經n 型摻雜的一半導體層中的每一者在該初始半導體層上生長以形成一p-i-n 接面，該p-i-n 接面與該錐形及該介面相鄰但不在其中。

在某些實施例中，該等錐形結構包含一第一導電類型或一第一摻雜物類型的一含雜質第一半導體材料。此外，該多晶膜之該過渡區包含與該等錐形結構相同的摻雜物類型的該含雜質第一半導體材料。在某些實施例中，該過渡區與該等錐形結構相比，可經更高度的摻雜。在某些實施例中，沈積一接面材料(即一半導體或一金屬)的一共形層包含使用一化學氣相沈積技術，例如，氣相磊晶(VPE)、分子束磊晶(MBE)或電漿體增強化學氣相沈積(PECVD)，使該層體在該等錐形結構之該表面上生長，以致於具有該錐形結構的一磊晶連接形成。在某些實施例中，該半導體材料層包含具有與該第一導電類型相對或相反的一第二導電類型(或一第二摻雜物類型)的一含雜質的第二半導體材料。例如，該等錐形結構可包含一p 型摻雜物；該過渡區可以是p+型摻雜物，而該共形半導體接面之經沈積的接面層包含摻雜以一n 型摻雜物以形成一p-n 接面的一半導體層。

在某些實施例中，該第一半導體材料(即該等錐形結構及過渡區之該第一半導體材料)及該第二半導體材料(即經沈積的該接面層之該第二半導體材料)可以是相同的，而結晶程度可以是相同的或不同的。例如，該等錐形結構可能主要是由一多晶矽層形成的單一顆粒，而該共形半導體接面之經沈積的半導體層可延伸該下方矽顆粒之該晶體結構。在另一範例中，該第一半導體材料(即該等錐形結構及過渡區之該第一半導體材料)及該第二半導體材料(即經摻雜的該接面層之該第二半導體材料)可以是相同的，而該第一半導體材料是單晶或多晶體(例如，多晶矽)且該第二半導體材料是非晶體(例如，非晶矽)。在此範例中，該非晶材料(即該非晶矽)具有與多晶材料(即該多晶矽)不同的一能帶間隙。在另一範例中，該等半導體材料其中之一可以是鍺而另一半導體材料是矽。

該等含雜質半導體層之各自的摻雜物可在該多晶層之形成及該共形半導體接面之該半導體層之沈積期間被引入到該等層體中。可選擇地，該等各自的摻雜物可在該多晶層及該共形半導體接面層中的每一者形成之後被引入，例如，使用擴散或離子植入。應指出的是用語「含雜質的半導體材料」之使用不金圖在一摻雜物被引入到各自的該半導體材料中時為一限制。

在某些實施例中，使一接面材料的一共形層生長以形成該共形半導體接面(步驟140)包含使一本質半導體材料層在該等錐形結構之該表面上磊晶生長且進一步使一個第二含雜質半導體材料層在該本質半導體層上磊晶生長以形成具有該等錐形結構的一p-i-n 接面。在其他實施例中，該(等)共形層可初始地作為一非晶相來沈積，且接著由一爐管或一雷射束來退火以分別感生由該單晶錐形結構所得的固態相或熔融相結晶。在上述該等實施例中的某些實施例中，該退火方法不將該基板之溫度升高至其損壞臨界值(例如，對玻璃來說為450℃)以上，允許此等結構整合於對熱暴露容忍度相對較低的基板上，該溫度可定義為熔融溫度、翹曲溫度或玻璃轉變溫度。第2D圖說明順應依據本發明的一實施例的該等多數個錐形結構220的該形貌的一共形p-i-n 半導體接面240的一截面圖。第2D圖中所說明的該p-i-n 半導體接面240僅藉由舉例方式來說明。可選擇地，該半導體接面240可以是上文所討論的一p-n 接面或一Schottky接面。

製造一光子裝置的該方法100進一步包含提供一第一電極及一第二電極(步驟160)。該第一電極定義為從該等錐形結構之該等第一端(即該底部)電氣接取該等多數個錐形結構的一電極。該第一電極與該過渡區及該基板相鄰。僅出於簡化討論的目的，該第一電極還可稱為本文的一「底部電極」、「底面電極」或一「基板電極」。該第二電極定義為從該等多數個錐形結構之該第二端電氣接取該等多數個錐形結構的一電極。該第二電極可與該共形半導體接面之該表面層相鄰。僅出於簡化討論的目的，該第二電極可稱為本文的一「頂部電極」或「共形電極」。在包含一Schottky接面的該光子裝置的某些實施例中，該Schottky接面之該金屬層還作為該第二電極來起作用。在某些實施例中，該第一電極及該第二電極中的一者或此二者是上文所定義的光學透明的。

在某些實施例中，該第一電極在形成一多晶層(步驟110)之前在該基板上被提供(步驟160)。在其他實施例中，該第一電極在該多晶層形成(步驟110)之後在該基板上被提供(步驟160)。該第一電極可以是一連續層或可以是多數個間隔的第一電極跡線(即導電路徑)，該等跡線最終可連接至一共用匯流排，取決於該實施例。在某些實施例中，使用，例如，濺射、蒸發、化學氣相沈積、電極沈積、無電沈積及印刷中的任一種或一種以上在該基板表面上提供該第一電極(步驟160)。在其他實施例中，該第一電極嵌入到該基板表面中，諸如藉由使用離子植入以在該表面中產生經較重摻雜的傳導區。第2A-2D圖依據本發明的一實施例藉由舉例方式說明，多數個第一電極262跡線的一截面圖，該等多數個第一電極262跡線在與該過渡區212相鄰的該基板201 的一表面上間隔分佈。在某些實施例中，該第一電極262跡線電氣連接至與該等第一電極262跡線的一端相鄰的一第一共用匯流排(未說明)。在其他實施例中，該基板201本身也是該第一電極262(未說明)且因此用於一第一電極的一額外電極材料層是不必要的。

於步驟160中，該第一電極可夾在該基板表面與該多晶層之該過渡區之間且因此在該多晶層生長(步驟110)之前被提供。在其他實施例中(未說明)，該第一電極可以其他方式直接與該過渡區的一邊緣或一側相鄰(即物理及電氣式與之接觸)，且因此在該多晶層生長(步驟110)之前或之後被提供(步驟160)。該第一電極可以是上述該等電極材料中的任何材料。在某些實施例中，該第一電極具有非常低的電阻率以有助於從該光子裝置中擷取載子。在此等實施例中，該第一電極從上文針對該等電極材料而提供的該等傳導金屬中選定。在某些實施例中，提供該第一電極(步驟160)進一步包含提供電氣連接至該第一電極且可從該光子裝置之該主動區的外部存取的該第一共用匯流排。該第一共用匯流排可以是一導電金屬，該導電金屬也是從上文提供的該等電極金屬材料中選定的。

步驟160中，該第二電極在步驟140中於該等多數個錐形結構上所形成的該共形半導體接面之該表面層上被提供。在某些實施例中，提供該第二電極(步驟160)包含在該半導體接面之該表面層上沈積一第二電極材料的一共形層。第2E圖依據本發明的一實施例說明包括與該共形半導體接面240相鄰的一第二電極260的該光子裝置220的一放大截面圖。在第2E圖中所說明的該實施例中，該第二電極260包含該第二電極材料的一共形層264，該共形層264直接在該半導體接面240之該含雜質半導體層243之該表面上。該含雜質半導體層243直接在第2E圖中的該p-i-n 半導體接面240之該本質半導體層241上。該共形第二電極層264可將共形半導體接面240的一起伏表面維持在該等多數個錐形結構220上。在其他實施例中(未說明)，該第二電極可由沈積部分順應該起伏表面的一第二電極材料層代替一共形層來提供，以致於該起伏表面不突出。該共形電極層264之該第二電極材料導電且可提供光學透明性。上文所提供的該等電極材料中的任何材料可用於該共形第二電極層264。該第二電極260可使用上文所提到的與本文所描述的該光子裝置之製造相容的該等沈積方法中的一種或一種以上方法來提供(步驟160)。

在某些實施例中，提供該第二電極(步驟160)進一步包含在該共形第二電極層上提供多數個間隔的第二電極跡線(傳導路徑)且與之電氣連接。第2E圖藉由舉例的方式進一步說明該共形第二電極層264上的大多數間隔第二電極跡線266中的二間隔第二電極跡線266。該等第二電極跡線266是高度傳導電極路徑，其等在該光子裝置上延伸以有助於從該共形第二電極層264中將載子擷取至該光子裝置之外。在某些實施例中，該等第二電極跡線266寬度窄以減少該光子裝置200之該光學路徑(如第2E圖中大箭頭所說明的) 中的障礙。在某些實施例中，該等第二電極跡線266比該共形第二電極層264厚(高度更高)以有助於減小該第二電極260的阻力。

一共形第二電極層264及多數個間隔的第二電極跡線266的一組合最終提供用以從該光子裝置200之該半導體接面240中擷取載子的較低阻力路徑。上文針對該等電極材料所提供的該等材料中的任何材料可用於該等多數個第二電極跡線266。在某些實施例中，該等第二電極跡線266是一導電金屬(即金屬片)或經高摻雜的一半導體材料。在某些實施例中，該等第二電極跡線還是光學透明的。例如，在某些實施例中，該第二電極之該共形層264是一固有的光學透明材料(即ITO)且該等多數個間隔的第二電極跡線266可以是，例如，該等電極材料中的任何材料。

該第二電極260電氣連接至一第二共用匯流排(未說明)，其在該光子裝置之該光學路徑之外。在某些實施例中，提供該第二電極(步驟160)進一步包含提供在該光學路徑之外且電氣連接至該第二電極的該第二共用匯流排。該第二共用匯流排可從上文所提供的該等電極材料中選定。例如，該第二共用匯流排可以是該等導電金屬中的任何金屬。

在某些實施例中，製造一光子裝置的該方法100進一步包含施加一鈍化層以覆蓋該第二電極且從而保護該等多數個錐形結構及該共形半導體接面。該鈍化層保護該下方主動區免受，例如，塵土、碎屑、濕氣以及其他裝置化學降解物(例如，氧)的侵害。在某些實施例中，該鈍化層提供一密封性以防止該光子裝置受潮。第2E圖進一步說明一鈍化層280，其與該光子裝置200之該第二電極260相鄰。依據本發明的一實施例，該鈍化層280將該光子裝置200之該等表面封閉在內。在某些實施例中，該鈍化層進一步覆蓋該第二共用匯流排(未說明)。該鈍化層包含一電氣絕緣光學透明材料，包括但不限於氮化矽、氧化矽及摻雜氧化矽。在某些實施例中，該鈍化層可進一步包含抗反射特性。

在某些實施例中，製造一光子裝置的該方法100進一步包含在優先蝕刻該等柱狀顆粒邊界(步驟120)之後且在形成一共形半導體接面(步驟140)之前清理該等多數個錐形結構之該等表面。清理該等表面包含一化學清理技術及一電漿清理技術中的一者或此二者以移除由該優先蝕刻步驟120所產生的任何殘留物及任何表面損壞。化學清理取決於需清理的該等材料。例如，針對矽之化學清理，可使用氫氧化銨：過氧化氫(NH₄ OH：H₂ O₂ )的一解決方案、硫酸：過氧化氫(H₂ SO₄ ：H₂ O₂ )的一解決方案及鹽酸：過氧化氫(HCL：H₂ O₂ )的一解決方案中的一種或一種以上解決方案。在某些實施例中，化學清理可進一步包括，例如，原生氧化物的一氟氫酸(HF)蝕刻。在某些實施例中，電漿清理包含使用，例如，氧電漿或氫電漿。

第2E圖中所說明的該光子裝置200可以是一光偵測器或一光伏(太陽)電池，取決於該實施例。多數個該等光子裝置200可以串聯及並聯中的一種或兩種形式連接以形成，例如，一太陽能電池陣列。該光偵測器可作為一光學感測器來使用。依據某些實施例，在一大區域基板上製造的該光子裝置提供具有至少類似於某些較高成本的單晶光子裝置的能量轉換效率的一較低成本的裝置。正因如此，本發明之該等光子裝置實施例中的某些實施例可在先前由於成本而未被考慮的應用中使用。

在某些實施例中(未說明)，上述該光子裝置可作為用於製造堆疊於該光子裝置之頂部上的一個或一個以上其他裝置層的一支撐物或「第一裝置層」。該等其他裝置層均包含上文針對製造一光子裝置的該方法100所製成的該光子裝置所述的多數個錐形結構及一共形半導體接面。該(等)其他裝置層之該等錐形結構及該共形半導體接面中的一者或此二者包含與該第一裝置層不同的半導體材料。

特別的是，在一鈍化層280被施加於上述該光子裝置200之前，一傳導柱狀多晶層可使用一非晶前驅材料之沈積或結晶在該第二電極層260上形成。該傳導柱狀多晶層之該材料與該等錐形結構之材料不同因為其對可被吸收到該等錐形結構之該下方第一裝置層中的至少某些波長的光是光學透明的。在某些實施例中，該傳導柱狀多晶層具有與該等錐形結構之該第一裝置層相比更大的一能帶間隙。接著新形成的柱狀多晶層被加工成錐形結構且一共形半導體接面(即一p-n 接面、一p-i-n 接面及一Schottky接面中的一個或一個以上)在該等錐形結構上形成，此二者均與上文針對製造一光子裝置的該方法100所描述的類似。使用製造一光子裝置的該方法100的此「裝置層」製程可重複若干次，以產生均包含不同的材料及一共形半導體接面的錐形結構的多個堆疊層。包含本文所描述的多個錐形結構之裝置層的一裝置是一多層異質接面光子裝置(例如，一多層異質接面光伏裝置)的一實施例，其經設計以從太陽光譜的一較大區域發電。在另一實施例中，該(等)其他裝置層之該等錐形結構可包含錐形線結構，諸如由催化生長獲得的那些，如在下文之後續段落中所描述的。

在本發明之另一實施例中，提供了製造一光子裝置的一方法及一光子裝置。第3圖說明依據本發明的一實施例製造一光子裝置的一方法300的一流程圖。該光子裝置由多數個錐形線製成，該等錐形線與由上文所描述的製造一光子裝置的該方法100的各種實施例而形成的該等錐形結構相反。製造一光子裝置的該方法300包含將一非單晶表面提供給一基板(步驟310)。在某些實施例中，提供一非單晶表面(步驟310)包含使用一基板材料，該基板材料為非單晶。在其他實施例中，提供一非單晶表面(步驟310)包含在一基板上沈積一非單晶種晶層。

如本文所使用，一「一基板之非單晶表面」可以是一非晶半導體基板、一微晶半導體基板及一多晶半導體基板中的任一種的一半導體基板的該表面。在其他實施例中，一「該基板之非單晶表面」可以是沈積於一基板上的一種晶層，其中該種晶層是一非晶半導體種晶層、一微晶半導體種晶層及一多晶半導體種晶層中的任一種且該基板是可耐受本文所描述的製造一光子裝置的該組合生長方法的處理溫度及條件的任何基板材料，諸如，一玻璃、一金屬、一金屬合金、一陶瓷、一塑膠、一聚合物、一電介質及一半導體。

例如，矽可在一玻璃基板上沈積為一多晶矽種晶層、一微晶矽種晶層或一非晶矽種晶層，取決於該等沈積條件。根據定義，單晶顆粒可由在這樣的「多晶」半導體材料、「微晶」半導體材料及「非晶」半導體材料中的每一者上同質或異質成核來孕核。在某些實施例中，一半導體種晶層之該等顆粒(或結晶)可能開始不存在，但是經由在牽涉有該錐形線生長的熱處理期間隨機成核而發展。此次為簡便起見，一「半導體基板」可意指一基板的一表面或該基板的一表面上的一材料的一種晶層，取決於本發明之該實施例。

此處，一「種晶層」定義為具有與一單晶不同的原子序的一微結構的一非單晶半導體材料。一「單晶」材料具有一結晶格微結構，其具有至少微米標度上相連的遠程原子序。在某些實施例中，該種晶層之該原子序可將其本身顯示為在該種晶層內且基本上遍及該種晶層而分散(例如，「短程原子序」)的結晶材料或「微晶」的多個小顆粒或區域。該等顆粒或微晶提供用於一單晶線結構的可能的成核及生長的一範本。該等微晶區可從填充有微晶的大區域變化至個別微晶之叢集或變化至離散的個別微晶。在某些實施例中，該種晶層包含通常埋置於一非晶矩陣中的多個微晶。在其他實施例中，該種晶層由多個相鄰微晶(例如，一多晶材料)組成。該種晶層內的相鄰微晶具有相對彼此非一致取向的各自的晶格。如本文所使用的，用語「微晶」意指從一單晶至為執行某些實施例聚集在一起的一組微晶的一系列微晶。

如上文所提到的，在本發明之某些實施例中，該基板之該非單晶表面的一微晶可提供用於一單晶線結構的可能的成核及磊晶生長的一範本。正因如此，該等線結構還可實體地固定於該非單晶基板之該表面中的該等微晶。該等生長的線結構形成具有該微晶的一介面(例如，一同質接面或一異質接面)，其中該線結構連接至相稱的該微晶。正因如此，該線結構被視為作為該線生長的核心的該表面的一微晶「不可或缺的部分」。在某些實施例中，該單晶線結構之該結晶格及該非單晶基板表面之該微晶之該結晶格是連貫的。該非單晶基板表面與該單晶線結構之該等連貫晶格有助於荷電載子透過，例如，該介面來傳送。位於該非單晶基板表面與該單晶線結構之間的該介面處的該不可或缺的晶體結構連接有助於在半導體接面相關光子裝置應用中使用該介面。此外，在某些實施例中，該非單晶基板表面中的該等微晶的非一致方向意指在該等線結構相對彼此未在該非單晶基板表面上一致對準的同時固定的方向。

在上述使用一多晶膜210來形成錐形結構220以製造一光子裝置實施例的該方法100中，該多晶膜210之該過渡區212可被視為一種類型的「種晶層」因為該過渡區212包含多數個非一致定向的小顆粒(即種子)，在該多晶層生長期間，僅該等顆粒213中的某些顆粒繼續長大以形成更大的一致取向的顆粒217的該柱狀區214。

製造一光子裝置的該方法300進一步包含使單晶錐形線在步驟310中所提供的該非單晶基板表面上生長(步驟320)。使錐形線生長(步驟320)包含金屬催化生長及非催化生長的一組合。例如，金屬催化生長包括但不限於使用一氣-液-固(VLS)技術及一氣-固-固(VSS)技術中的一種技術且一奈米粒子催化劑包含一金屬。非催化生長包括但不限於選擇性區域氣相磊晶。在某些實施例中，奈米粒子催化劑使用一種或一種以上技術，包括但不限於濺射、電子束蒸發、熱蒸發、電化學沈積、預先形成的奈米粒子之沈積及使催化劑材料在該表面上沈積的化學氣相沈積，在該基板之該非單晶表面上形成。在某些實施例中，選擇性地形成一奈米粒子催化劑進一步包括將所沈積的該催化材料退火。

典型金屬催化材料包括但不限於，金(Au)、銻(Ti)、鉑(Pt)、鎳(Ni)、鋁(Al)、鎢(W)、鎵(Ga)及它們的合金。與與一非單晶矽表面一起使用的Ti及Au催化材料相對應的典型奈米粒子催化劑分別為TiSi₂ 及Au-Si合金。在某些實施例中，該奈米粒子催化劑隨機地定位於該基板之該非單晶表面上。

單晶線生長(步驟320)從該非單晶表面上的一位置開始，其中該奈米粒子催化劑在該非單晶表面上形成或沈積。正因如此，線開始生長的該位置可非一致地跨該基板之該非單晶基板來定位。於步驟320中，該單晶線將從該奈米粒子催化劑之該位置開始在固定於該非單晶表面中的一微晶(當呈現時)的合適的位置生長且可在由該微晶之方向所指定的一方向上生長。在某些生長機制中，該奈米粒子催化劑在生長期間及生長(步驟320)之後維持在該線的自由端上。例如，該等奈米粒子催化劑在其表面上的該基板被置於具有可控環境的一化學氣相沈積(CVD)室中。各種參數中的一個或一個以上參數在生長期間(步驟320)在該CVD室之該受控環境中受操控且將各種錐形形狀提供給該線結構。參數包括但不限於，溫度、壓力、氣體流動率、前驅氣體之分壓、氣體之混合物，且此等參數之任何組合可受操控以改變該生長線之形狀。

在一第一溫度範圍內，線生長可能主要為與該奈米粒子催化劑(即新生長)相鄰的一軸向上的催化生長。在高於該第一溫度範圍的一第二溫度範圍內，非催化磊晶生長開始且此非催化生長方向從已生長的該線的一部分(即現存線結構)呈徑向(或橫向)而新線生長(催化)繼續與該奈米粒子催化劑相鄰。正因如此，在該現存線結構上的該徑向生長提供了與該線之頂端相比更寬的一底端。該催化生長率及該非催化生長率均受溫度的影響；例如，在較高的該第二溫度下，催化生長與非催化生長之比可能小於在該第一溫度下之比。在與該第二溫度相比更高的一第三溫度範圍內，由於一更低的催化生長與非催化生長之比，該線之該底部變得更寬，且取決於該溫度，催化生長與非催化生長之該比例如可相同。

實際上，與該奈米粒子催化劑相鄰的該初始生長線之該第二或相對端相比，與該基板表面相鄰的該初始生長線的一第一端(即該底端)在線生長期間隨著時間產生更多的線材料，因為該線之該第一端在氣體混合物中暴露於該線前驅材料的時間比非催化生長期間的該第二端的時間長。因此，具有一錐形形狀的一線結構產生。在某些實施例中，線生長(步驟320)可使用例如一中間溫度或溫度範圍採一比例催化及非催化，來提供從該線之底部至頂部的一恆定錐角。對該中間溫度在該範圍內隨著時間向上或向下的輕微調整將相應地影響該線之形狀。例如，錐角的變化可使用在生長(步驟320)期間對該中間溫度長時間輕微調整來實現。

第4A-4D圖依據本發明的一實施例說明可依據第3圖中所說明的製造一光子製造的該方法300來生長錐形線(步驟320)的截面圖。參照第4A圖，該錐形線之形狀表示一第一溫度範圍內的催化生長與非催化生長的一高比例。換言之，縱向或軸向催化生長在該第一溫度範圍內占主導；例如，對鍺線來說為大約320℃與大約360℃之間的溫度範圍。此外，影響該奈米線之該形狀的其他參數同樣包括但不限於化學(使用氣體的)、壓力及流動率，如上文所提到的。然而，此處出於簡化討論的目的，溫度藉由舉例的方式被強調。第4B圖說明一錐形線(例如，一錐形體)的一範例，其表示一中間溫度範圍下的一略低的催化生長與非催化生長之比率，其中該中間溫度範圍高於第4A圖中的該第一溫度範圍。換言之，該軸向催化生長與均勻的橫向磊晶(非催化)生長在該中間溫度範圍下競爭，例如，對鍺線來說為大約360℃與大約400℃之間的溫度範圍。

第4C圖說明一錐形線的一範例，其表示催化生長與非催化生長之比在相對較高的一第三溫度下接近相同。換言之，該軸向(催化生長)及橫向(非催化生長)上的生長以一相同比率發生，產生具有一小縱橫比的一錐形線；且在某些情況下，觀測到磊晶生長之生長角特性。這是因為均勻橫向磊晶(非催化)生長在此等較高的溫度下為主導，例如，對鍺線來說大於400℃。

第4D圖說明從較高的一溫度開始且逐漸降低該溫度生長的錐形線的一範例，例如，對鍺線來說，降低至大約370℃的一初始溫度大約400℃。該溫度以一連續方式降低以獲得錐角的一恆定降低率(即一連續變化的錐角)或長時間遞減以獲得一系列不同的錐角。相比之下，一恆定溫度用以獲得一單一錐角。開始時，催化生長與非催化生長之該比不足因為橫向磊晶生長(非催化沈積)占主導；且在該生長過程之較低溫度部分期間，催化生長與非催化生長之該比增大因為該橫向非催化生長率與該軸向催化生長率相比更快地降低。第4D圖中的該錐形線是溫度遞減以產生沿著該錐形線之該軸長的一個或一個以上錐角的一範例。用於其他半導體材料的該等生長溫度可能與上文針對鍺線所描述的那些以及上文未描述的其他參數，諸如，舉例來說，不同的前驅氣體、不同的壓力及氣體流動率不同。

在另一範例中，引入至該CVD反應室中的該氣體混合物可受操控以將各種錐形形狀提供給該線結構。例如，用以調節該氣體混合物中的氣體的前驅氣體的一比可在步驟320之線生長期間改變。此等變化可改變一錐度，例如，以致於該線結構可具有，例如，沿其軸長的一可變錐角。該調節氣體調節關於該生長線結構之該生長部分的該線材料之該非催化沈積率。在某些實施例中，該調節氣體藉由降低該非催化沈積率來減小該錐角同時該軸向生長率(即催化生長)可明顯降低。正因如此，本發明之範圍內具有這樣的實施例，其中溫度及該氣體混合物中的氣體之比中的一者或此二者在線生長期間受操控以實現具有除了一恆定錐角之外的一線形狀。

依據某些實施例，在步驟320之生長過程完成之後，多個錐形線固定於該非單晶基板表面呈一失序陣列。例如，該等錐形線非一致地定位於該基板表面上且由於該基板之該非單晶表面的緣故，該等錐形線在該基板表面上相對彼此非一致地對準。

製造一光子製造的該方法300進一步包含在該等錐形線上形成一共形半導體接面(步驟340)。形成一共形半導體接面(步驟340)包含在該錐形線上沈積一接面材料層以徹底地(即順應地)覆蓋該錐形線。在某些實施例中，一接面材料的該共形層可以是該奈米線半導體材料的一磊晶層。在其他實施例中，該接面材料共形層可以是另一半導體材料或一金屬的一磊晶層。在某些實施例中，該接面材料共形層可使用一CVD室來非催化沈積而成，例如，使用與用於使該錐形線生長(步驟320)之CVD室相同的CVD室。該共形層可使用不同的沈積條件來生長，例如，該共形層可在與用於使該錐形線生長(步驟320)的溫度相比更高的一溫度下生長。

取決於該實施例，該奈米粒子催化劑可在該共形半導體接面形成之前或之後留在該等錐形線之該頂部上或從該等錐形線中移除。在某些實施例中，步驟340之形成一共形半導體接面與依據上文用以製造一光子裝置的該方法100來描述的該等實施例中的任何實施例來形成一共形半導體接面(步驟140)類似。正因如此，該共形半導體接面可以是一p-n 接面、一p-i-n 接面及一Schottky接面中的一個或一個以上接面。此外，上文針對該半導體接面來描述的該等半導體材料中的任何材料，以及上文針對一Schottky接面來描述的該等金屬中的任何金屬，可用以依據製造一光子裝置的該方法300來形成一共形半導體接面(步驟340)。

製造一光子裝置的該方法300進一步包含提供一第一電極及一第二電極(步驟360)。該第一電極與該非單晶基板表面電氣接觸且因而與該等錐形線之該底端電氣接觸。該第一電極有助於從該底端將載體擷取出該光子裝置。於步驟360中，該第一電極可在步驟320之錐形線生長之前或之後被提供且與該單一導體基板表面相鄰，取決於該實施例。

該第二電極與該半導體接面之該表面物理接觸且因而與該等錐形線之該頂端接觸。該第二電極有助於從該頂端將載體擷取出該光子裝置。於步驟360中，該第二電極作為一電極材料層被提供於該等多數個錐形線上。在某些實施例中，該第二電極層是相對較薄但相連的一層體，其在失序的該等多數個錐形線上努力與盡可能多的該等錐形線物理接觸。在某些實施例中，該第二電極進一步包含與該第二電極層物理及電氣接觸的多數個間隔的第二電極跡線。在某些實施例中，所使用的該等第一及第二電極及該等電極材料與上文用以於製造一光子裝置200的該方法100中之步驟160提供該第一電極262及該第二電極260所描述的該等實施例中的任何實施例類似。

在某些實施例中，製造一光子裝置的該方法300進一步包含施加一鈍化層以覆蓋該第二電極且進而保護具有其等共形半導體接面的該等多數個錐形線。例如，該鈍化層除保護該下方主動區免受塵土及碎屑及化學降解物(例如，氧)的侵害之外也免其受潮。在某些實施例中，該鈍化層提供一密封性以防止該光子裝置受潮。在某些實施例中，所使用的該鈍化層及材料與上文針對製造一光子裝置的該方法100中的該鈍化層所描述的該等實施例中的任何實施例類似。由製造一光子裝置的該方法300而製成的一光子裝置未在本文加以說明。

因此，已描述的是製造一光子裝置的一方法及一光子裝置的多個實施例，該等實施例使用具有一高結晶度的一吸光半導體材料且可在大區域基板上製造。應理解的是上述該等實施例僅為說明表示本發明之原理的許多特定實施例中的某些實施例。清楚的是，熟於此技者可輕鬆地設計許多其他安排而不背離由以下申請專利範圍所定義的本發明之該範圍。

100、300‧‧‧方法

110~160、310~360‧‧‧步驟

200‧‧‧光子裝置

201‧‧‧基板

203‧‧‧水準虛線

210‧‧‧多晶層

211‧‧‧顆粒邊界

212‧‧‧過渡區

213‧‧‧顆粒/對準顆粒

214‧‧‧柱狀區

215‧‧‧柱狀顆粒邊界

216‧‧‧參考數字

217‧‧‧顆粒

220‧‧‧錐形結構

240‧‧‧p-i-n 半導體接面半導體接面

241‧‧‧本質半導體層

243‧‧‧含雜質半導體層

260‧‧‧第二電極/第二電極層

262‧‧‧第一電極

264‧‧‧共形層/共形第二電極層/共形電極層

266‧‧‧第二電極跡線

280‧‧‧鈍化層

第1圖依據本發明的一實施例說明製造一光子製造的一方法的一流程圖。