一種納米ZnO半導體結陣列及其製備方法
2023-09-23 08:12:25
專利名稱：一種納米ZnO半導體結陣列及其製備方法
技術領域：
本發明屬於低維納米材料和納米技術領域，特別涉及一種納米ZnO半導體結陣 列及其製備方法。
背景技術：
ZnO—維納米結構具有獨特的光電性能，在雷射、場發射、光電子器件等領域有 新的潛在應用前景，因而得到了廣泛而深入的研究。在基底上高度有序生長的ZnO 納米材料可製作短波長雷射器(Huang M H， Mao S, Feick H， et al. Science, 2001, 292: 1897-1899.)和太陽能電池(Jason B. Baxter, Eray S. Aydil， Applied Physics Letters, 2005, 86,053114.)。目前，製備ZnO納米陣列的方法很多，有化學氣相沉積法(CVD)、電 化學沉積法、溼化學法、模板法等。其中液相法製備ZnO陣列具有低溫、廉價、反 應條件易控等優點。
半導體結是半導體器件的基礎。己報導的一維納米ZnO半導體結陣列多為等徑 納米柱陣列(S. R Yu, Clement Yuen, S. P. Lau, Applied Physics Letters, 2004, 84, 3241-3243.和Y. Yang, X. W. Sun, B. K. Tay， G. F. You, S. T. Tan, and K. L. Teo， Applied Physics Letters, 2008， 93,253107.)，在ZnO微米陣列上生長ZnO納米柱陣列，並對上、 下兩層ZnO柱陣列進行不同元素或不同程度的摻雜，構成半導體結尚沒有報導。
發明內容
本發明的目的是提供一種納米ZnO半導體結陣列及其製備方法。首先採用CVD 方法在Si襯底上製備出ZnO籽晶，然後將籽晶放置在溶液中繼續生長；將溶液法生 長後的產物進行熱處理，冷卻後再進行一次溶液法生長即可獲得所需要的產物。在兩 次溶液法生長過程中可以對ZnO進行摻雜，實現在ZnO微納米陣列之上生長ZnO納 米陣列的半導體結結構。
本發明的納米ZnO半導體結陣列是以ZnO為基，由下層ZnO微納米柱陣列和上 層ZnO納米柱陣列構成，單根微納米Zn0柱之上生長納米Zn0柱陣列，同時下層微 納米ZnO柱也構成陣列，且上、下兩層為不同元素摻雜或不同程度摻雜的ZnO柱陣列。
如圖1所示，其中1為下層的微納米ZnO柱陣列，2為上層的納米ZnO柱陣列。
本發明提供了一種在Si襯底上生長納米ZnO半導體結陣列的方法，具體步驟如
下1、 採用化學氣相沉積方法在Si襯底上沉積ZnO薄膜。
1) 按10: 1 12: 1的質量比稱取Zn粉和C粉，均勻混合後作為混合源。
2) 將混合源放入氧化鋁小舟中，並將洗淨乾燥後的Si片置於其正上方，Si片與 混合源的垂直距離為4 6mm。
3) 將裝有混合源和Si片的氧化鋁小舟推入水平管式爐中進行化學氣相沉積，將 管式爐以12 18。C/min的速度升至750 80(TC，保溫2 10min，等爐溫降至室溫後 取出Si片。此時Si片朝下的一面沉積一層溶液法所需的籽晶層。
2、 採用溶液法在CVD製備的ZnO籽晶層上生長ZnO微米柱陣列。
1) 將等體積的45 150mM的硝酸鋅[Zn(N03)2'6H20]和45 100mM的六亞甲基 四胺[QHuN4]配成溶液。向溶液中加入摩爾量為溶液中Zr^+離子摩爾量0 20%的摻 雜離子。
2) 將所配溶液在電磁攪拌爐上邊加熱邊攪拌至80 95°C，並使其保持在該溫度， 將採用CVD法製備的Si片上有ZnO籽晶層的一面朝下懸浮於液面上或懸掛於液體 中，並用薄片蓋住容器，以避免溶液過分蒸發。
3) 在該溫度保溫2 5h後從溶液中取出Si片，在去離子水和無水乙醇中漂洗， 以去除Si片上容易脫落的沉積物。空氣中晾乾後備用。
3、 對步驟2中Si片上所得ZnO產物進行熱處理。
將步驟2中所得生長有ZnO的Si片放入水平管式爐中，將管式爐爐溫以12 18°C/min的速度升至300 800°C，保溫l 6h。保溫過程結束後Si片可以隨爐冷卻 至室溫後取出，也可以在降溫過程中任何時刻取出空氣中冷卻至室溫。
4、 對步驟3所得Si片重複步驟2過程，得到納米ZnO半導體結陣列。 所述摻雜離子為In3+、 Ga3+、 Mg^等，且步驟2、 4所加摻雜離子的量不能同
時為O。
本發明的優點在於
1、 能夠實現ZnO半導體結的陣列化，且能實現在單個ZnO微米柱上生長納米 ZnO陣列。
2、 能夠實現ZnO同質結陣列的生長，也可以用來生長ZnO異質結陣列。ZnO 同質結結構晶格匹配性好，有利於提高器件的性能。
3、 提供的製備方法生長溫度低，設備簡單，成本低。
圖1納米ZnO半導體結陣列示意圖，其中1和2表示不同摻雜的下層陣列和上 層陣列。
圖2納米ZnO半導體結陣列掃描電鏡形貌，插圖為單根微米柱的高倍形貌。
具體實施例方式
實施例1:
1) 首先採用CVD方法製備ZnO籽晶層將600mgZn粉與60mgC粉均勻混合 (混合源)，放入氧化鋁小舟中，並將洗淨乾燥後的Si片置於其正上方，Si片與混合
源的垂直距離為4mm。將裝有混合源的氧化鋁小舟推入水平管式爐中，將管式爐以 15°C/min的速度升至760°C,保溫10min，等爐溫降至室溫後取出Si片。此時Si片 朝下的一面已沉積一層溶液法所需的籽晶層。
2) 然後採用溶液法在CVD製備的ZnO籽晶層上生長陣列或準陣列ZnO微納米 柱。將等體積的50mM的硝酸鋅[Zn(N03)r6H20]和50mM的六亞甲基四胺[(:611121^] 配成80ml溶液。將所配溶液在電磁攪拌爐上加熱至95'C，並使其保持在該溫度。加 熱過程中邊加熱邊攪拌。待溶液溫度升高至95'C後，停止攪拌。將採用CVD法製備 的Si片上有ZnO籽晶層的一面朝下懸浮於液面上，並用薄片蓋住容器，以避免溶液 過分蒸發。在該溫度保溫3h後從溶液中取出Si片，在去離子水和無水乙醇中漂洗， 以去除Si片上容易脫落的沉積物。空氣中晾乾後備用。
3) 對溶液法所得生長有ZnO的Si片進行熱處理。將溶液法所得生長有ZnO的 Si片放入水平管式爐中，將管式爐爐溫以18tVmin的速度升至50(TC,保溫2h後隨 爐冷卻180'C後取出，空氣中冷卻至室溫。
4) 再次採用溶液法在熱處理後的ZnO籽晶層上生長陣列或準陣列ZnO微納米柱。 將等體積的150mM的硝酸鋅[Zn(N03)r6H20]和50mM的六亞甲基四胺[C6HuN4]配成 80ml溶液。向溶液中加入0.6mmol的硝酸鎂[Mg(NO3)2'6H20]。將所配溶液在電磁攪 拌爐上加熱至85'C，並使其保持在該溫度。加熱過程中邊加熱邊攪拌。待溶液溫度升 高至85'C後，停止攪拌。將熱處理後的Si片上有ZnO層的一面朝下懸浮於液面上， 並用薄片蓋住容器，以避免溶液過分蒸發。在該溫度保溫3h後從溶液中取出Si片， 在去離子水和無水乙醇中漂洗，即得納米ZnO半導體結陣列，如圖2所示。
實施例2:1) 首先採用CVD方法製備ZnO籽晶層將600mgZn粉與50mgC粉均勻混合 (混合源)，放入氧化鋁小舟中，並將洗淨乾燥後的Si片置於其正上方，Si片與混合
源的垂直距離為4mm。將裝有混合源的氧化鋁小舟推入水平管式爐中，將管式爐以 15。C/min的速度升至75(TC，保溫5min，等爐溫降至室溫後取出Si片。此時Si片朝 下的一面已沉積一層溶液法所需的籽晶層。
2) 然後採用溶液法在CVD製備的ZnO籽晶層上生長陣列或準陣列ZnO微納米 柱。將等體積的50mM的硝酸鋅[Zn(N03)2'6H20]和50mM的六亞甲基四胺[C6HuN4〗 配成80ml溶液。向溶液中加入0.2mmo1的111203粉末。將所配溶液在電磁攪拌爐上 加熱至95'C，並使其保持在該溫度。加熱過程中邊加熱邊攪拌。待溶液溫度升高至 95t:後，停止攪拌。將採用CVD法製備的Si片上有ZnO籽晶層的一面朝下懸浮於 液面上，並用薄片蓋住容器，以避免溶液過分蒸發。在該溫度保溫3h後從溶液中取 出Si片，在去離子水和無水乙醇中漂洗，以去除Si片上容易脫落的沉積物。空氣中 晾乾後備用。
3) 對溶液法所得生長有ZnO的Si片進行熱處理。將溶液法所得生長有ZnO的 Si片放入水平管式爐中，將管式爐爐溫以18"C/min的速度升至30(TC，保溫2h後隨 爐冷卻150'C後取出，空氣中冷卻至室溫。
4) 再次採用溶液法在熱處理後的ZnO籽晶層上生長陣列或準陣列ZnO微納米柱。 將等體積的50mM的硝酸鋅[Zn(N03)2'6H20]和50mM的六亞甲基四胺[(:61112&]配成 溶液。將所配溶液在電磁攪拌爐上加熱至9(TC，並使其保持在該溫度。加熱過程中邊 加熱邊攪拌。待溶液溫度升高至9(TC後，停止攪拌。將熱處理後的Si片上有ZnO層 的一面朝下懸浮於液面上，並用薄片蓋住容器，以避免溶液過分蒸發。在該溫度保溫 4h後從溶液中取出Si片，在去離子水和無水乙醇中漂洗，即得納米ZnO半導體結陣 列。
權利要求
1、一種納米ZnO半導體結陣列，其特徵在於，以ZnO為基，由下層ZnO微納米柱陣列和上層ZnO納米柱陣列構成，單根微納米ZnO柱之上生長納米ZnO柱陣列，同時下層微納米ZnO柱也構成陣列，且上、下兩層為不同元素摻雜或不同程度摻雜的ZnO柱陣列。
2、 一種納米ZnO半導體結陣列的製備方法，其特徵在於，具體步驟如下1) 採用化學氣相沉積方法在Si襯底上沉積ZnO薄膜，按10: 1 12: l的質量 比稱取Zn粉和C粉，均勻混合後作為混合源放入氧化鋁小舟中，並將洗淨千燥後的 Si片置於其正上方，Si片與混合源的垂直距離為4 6mm，再將裝有混合源和Si片 的氧化鋁小舟推入水平管式爐中進行化學氣相沉積，將管式爐以12 18。C/min的速 度升至750 80(TC，保溫2 10min，等爐溫降至室溫後取出Si片，Si片朝下一面沉 積一層籽晶層；2) 採用溶液法在CVD製備的ZnO籽晶層上生長ZnO微米柱陣列，將等體積的 45 150mM的硝酸鋅[Zn(N03)r6H20]和45 100mM的六亞甲基四胺[(:61112>}4]配成 溶液，向溶液中加入摩爾量為溶液中Zr^+離子摩爾量0 20%的摻雜離子，邊加熱邊 攪拌至80 95'C,將Si片上有ZnO籽晶層的一面朝下懸浮於液面上或懸掛於液體中， 在該溫度保溫2 5h後，從溶液中取出Si片，漂洗，晾乾；3) 對步驟2)中Si片上所得ZnO產物進行熱處理，將Si片放入水平管式爐中， 將管式爐爐溫以12 18°C/min的速度升至300 800'C，保溫1 6h;4) 對步驟3)所得Si片重複步驟2)過程，得到納米ZnO半導體結陣列。
3、 如權利要求3所述的製備方法，其特徵在於，所述摻雜離子為1113+、 Ga3+、 Mg2+，且步驟2)、 4)所加摻雜離子的量不能同時為0。
全文摘要
一種納米ZnO半導體結陣列及其製備方法，屬於低維納米材料和納米技術領域。本方法採用CVD方法在Si襯底上製備出ZnO籽晶，然後將籽晶放置在溶液中繼續生長；將溶液法生長後的產物進行熱處理，冷卻後再進行一次溶液法生長即可獲得所需要的產物。在兩次溶液法生長過程中可以對ZnO進行摻雜，實現ZnO半導體結的陣列化，且能實現在單個ZnO微米柱上生長納米ZnO陣列。本方法不僅能夠實現ZnO同質結陣列的生長，也可用來生長ZnO異質結陣列，且生長溫度低，設備簡單，成本低。
文檔編號B82B3/00GK101538062SQ20091008212
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月14日 優先權日2009年4月14日
發明者崔興達, 常永勤, 林 楊, 陸映東 申請人:北京科技大學