Doping of Semiconductor Nanowires

Abstract

In this thesis, in situ doping during growth of III-V semiconductor nanowires, primarily for photovoltaic applications, is investigated. The nanowires were grown by metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE), with gold seed particles. After growth the nanowires were characterized using various techniques, including photoluminescence, transmission electron microscopy and electrical measurements

of contacted nanowires. Different III-V materials were studed, both binary materials such as InP and GaAs, and ternary materials such as GaxIn1-xP. To achieve p- and n-doping, different precursors were employed.

The results show that successful p- and n-doping can be achieved in many materials. The in situ doping is shown to affect the nanowire growth strongly, but differently depending on the combination of material and dopant. The main effects are related to the growth rate and the crystal structure. It is shown that the n-dopant

H2S increases the growth rate and induces wurtzite crystal structure in InP nanowires, while the p-dopant DEZn gives an unchanged growth rate with zinc blende crystal structure.

High doping and sharp doping profiles are demonstrated with interband tunneling in Esaki tunnel diodes. Finally, in situ doping is used to create p-i-n doped InP nanowire arrays which are processed into solar cells with 13.8% efficiency.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Vi människor konsumerar en ständigt ökande mängd elektrisk energi, som till största delen produceras av ändligt tillgängliga material som kol, gas, olja och uran. Elproduktionen har många skadliga bieffekter, som till exempel utsläpp av växthusgasen koldioxid vid förbränning av kol, gas och olja. Solceller omvandlar istället solens ljus direkt till elektricitet. Processen sker helt utan utsläpp och har inga rörliga mekaniska delar som kan slitas. Råvaran, solljus, finns relativt jämnt fördelad över hela jorden och behöver inte transporteras. Tack vare dessa fördelar blir elproduktion med solceller allt populärare, och är globalt sett ungefär lika betydelsefull som vindkraft.

I den här avhandlingen har dopning av III-V nanotrådar undersökts, med syftet att göra nanotrådsbaserade solceller. Olika sorters III-V material och dopämnen har undersökts. Resultaten visar att det är möjligt att dopa flertalet av de undersökta materialen. Med hjälp av dopningen har nanotrådsbaserade solceller med en verkningsgrad på 13.8% tillverkats. Det är den högsta rapporterade verkningsgraden för nanostrukturerade solceller, och bara lite sämre än den genomsnittliga verkningsgraden på 15% för kommersiella kiselsolceller. Eftersom nanotrådssolcellerna bara har utvecklats under några år, jämfört med flera decennier för kiselsolcellerna, så är detta ett lovande resultat.

En solcells förmåga att omvandla solljus till elektricitet kallas för verkningsgrad. Idag baseras de flesta solceller på grundämnet kisel, vilket är samma material som är basen för elektroniken i alla datorer. Detta material ger en medelmåttig verkningsgrad för ett medelmåttigt pris. För att göra solceller ännu mer användningsbara utvecklar många forskare och företag nya sorters solceller, som är billigare eller bättre än kiselceller. De mest effektiva solcellerna görs av så kallade III-V (”tre-fem”) material, som kan ge ungefär dubbelt så mycket eleffekt som kiselceller. Tyvärr är III-V material dyra, vilket gör dessa solceller olönsamma för de flesta tillämpningar.

Ett möjligt sätt att sänka kostnaderna är att göra III-V materialet i form av små, avlånga kristaller som kallas nanotrådar. Dessa nanotrådar är ungefär en tusendel så tjocka som ett hårstrå, vilket betyder att deras diameter är ungefär samma som ljusets våglängd. Mängden III-V material som används kan då minskas på två sätt. Dels kan man använda ett annat, billigare material som bärande substrat, dels behöver man bara täcka ungefär en tiondel av ytan. Nanotrådarna fungerar som små antenner som effektivt fångar in solljuset.

I en solcell absorberas ljusenergin av elektroner, som tvingas i en bestämd riktning vilket skapar en elektrisk ström. För att göra detta används så kallad dopning, vilket innebär att man stoppar in kontrollerade mängder av speciella föroreningar i den annars mycket rena kristallen. Med n-dopning skapar man ett överskott av elektroner, och med p-dopning skapar man ett underskott. Kombinerar man ett p-dopat och ett n-dopat område får man en p-n övergång, som också kallas en diod. Det är i övergången mellan p-dopning och n-dopning som elektronerna tvingas i en speciell riktning, nämligen mot den n-dopade sidan. För att nanotrådarna ska fungera som solceller måste därför dessa kunna både n-dopas och p-dopas, vilket är temat för denna avhandling.

Forskningen som beskrivs i avhandlingen visar att dopning påverkar kristallväxten på flera sätt. Vissa dopämnen ökar växthastigheten, medan vissa ändrar kristallens struktur. I de flesta fall är dock dopningen framgångsrik, på så sätt att det går att få avsedd p- eller n-dopning. Genom att kombinera p- och n-dopning i samma nanotråd skapas en p-n övergång, det vill säga en diod. När denna ansluts till en elektrisk krets med hjälp av ledande kontakter så skapas en solcell.

• author: Wallentin, Jesper
• supervisor: Magnus Borgström
• opponent: Cui, Yi, Stanford University, USA
• organization: Solid State Physics; NanoLund: Centre for Nanoscience
• publishing date: 2012
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Condensed Matter Physics
• keywords: metal-organic vapour phase epitaxy, III-V semiconductor materials, nanowires, doping, solar cells, F:2013:Wallentin
• pages: 183 pages
• defense location: Rydbergsalen (Lecture hall B), Department of Physics, Professorsgatan 1, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2013-01-18 10:15:00
• ISBN: 978-91-7473-439-3
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 7a3704f6-c027-4b88-8e9b-70e4b903132b (old id 3327382)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:09:33
• date last changed: 2023-04-18 18:18:54