一種一步法合成Si/IIB-VIB族半導體納米p-n結的方法
2023-05-26 18:34:06 1
專利名稱：一種一步法合成Si/IIB-VIB族半導體納米p-n結的方法
技術領域：
本發明涉及一種製備Si/IIB-VIB族半導體納米P-n結的方法，具體地說是一種一步法合成Si/IIB-VIB族半導體納米p-n結的方法。
背景技術：
納米p-n結是納米光電子器件重要的材料基礎。IIB-VIB族準一維半導體，包括 ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe和CdS納米線/帶等，具有高晶體質量、良好輸運性質，以及高發光效率等優異性能，是新一代納米光電子器件重要的材料基礎。P-n結是最基本的器件結構之一，IIB-VIB族納米結構在發光、光電探測、光伏器件等納米電子、光電子領域的應用都離不開納米p-n結的構建與應用。目前常用的製備納米p-n結的方式包括兩種一種是通過多步交替生長n、P型部分得到，另一種方法是通過交叉排布n、P型納米線實現。但普遍存在的問題是工藝複雜，重複性低，可控性差。
發明內容
本發明針對上述現有技術的不足之處，旨在提供一種一步法合成Si/IIB-VIB族半導體納米異質結P-n結的方法。所要解決的技術問題是利用化學氣相沉積法一步合成 Si/IIB-VIB族半導體納米p-n結。本發明的理論基礎是由於Si (矽)與IIB-VIB族材料在摻雜元素的選擇方面正好互補，Si是IV族元素，其P-型摻雜元素是B (硼)、Al (鋁)、Ga (鎵)等III-族元素， η-型摻雜是P (磷)、As (砷)、Sb (銻)等V族元素，正好與IIB-VIB族材料形成互補(III 族為η型摻雜，V族為ρ-型摻雜)。利用化學氣相法，通過在生長IIB-VIB族納米結構的同時引入Si源(如SiH4)和III族或V族摻雜元素，由於矽與IIB-VIB族材料互溶性小， 其通常生長在IIB-VIB族納米結構的表面，在合成IIB-VIB(核)-Si (殼)結構，完成對 IIB-VIB(核)-Si (殼)的互補摻雜，即可一步法實現Si/IIB-VIB納米p-n結的生長。該方法簡單有效。本發明的技術方法是在水平管式爐中進行氣相化學沉積，包括混合、蒸發和冷卻， 首先將IIB-VIB族材料同III族摻雜元素或者IIB-VIB族材料同V族元素按1_50%的原子比研磨混合均勻後置於水平管式爐的中部，金膜厚度為I-IOOnm的蒸金矽片置於水平管式爐的後部，在壓力400-1.6父104 ￡1、氬氫氣流保護下於560-6401以1-100SCCM流量引入矽烷氣體，繼續升溫至1000-1100°C蒸發1.5-2. 5小時，保溫蒸髮結束後用高純氬氣清洗管路，待爐體自然冷卻至室溫，可在矽基底上見到棕黃色絨狀產物，即為一步法合成的 IIB-VIB(核)-Si (殼)結構的Si/IIB-VIB族半導體納米p-n結。如果使用氣態的摻雜元素如氮氣、硼烷或磷烷等，則在引入矽烷氣體的同時引入摻雜氣源，摻雜氣源用氫氣稀釋至體積百分濃度1_50%，流量1-100SCCM，繼續升溫至 1000-1100°C蒸發1. 5-2. 5小時，矽烷和摻雜氣體流量可控，摻雜濃度亦可控。所述的IIB-VIB 族材料選自 CdS、CdSe、ZnSe、ZnS 或 SiiTe 等。
所述的III族摻雜元素選自B、Al、h或( 等，V族摻雜元素選自N、P、As或Sb等。兩種技術方案的操作步驟如下1、摻雜物為固態粉末的情況a、將( 或者Sb(純度高於99. 9% )粉末同IIB-VIB族半導體粉末(純度高於 99.9% )，按照原子比為1-50%進行混合，放到瑪瑙缽中進行充分研磨。b、稱量0. 5-lg適量原料放入Al2O3小瓷舟(純度高於99. 9% )中，將小瓷舟放入水平管式爐中心位置。在載氣下遊距小瓷舟10-15cm處放置蒸金矽片。蒸金矽片上的金膜厚度約為l-100nm。c、採用機械泵和分子泵將水平管式爐中的本底真空抽至10_3Pa，通入高純氬氫氣， 保持爐內氣壓為400-1. 6 X lOVi，氬氫氣流量保持為100-200SCCM。d、經過40分鐘爐子程序控制升溫至560-640°C，通入高純矽烷，矽烷氣流量保持在5-100SCCM，同時將氬氫氣氣流流量降低為100SCCM-150SCCM，氣壓保持不變在 400-1. 6XlOVo繼續升溫至1000-1100°C，保溫2個小時。e、保溫結束後，用高純氬氣清洗管路，待爐體自然冷卻至室溫，可在矽基底上見到棕黃色絨狀產物，即為一步法合成的Si/IIB-VIB族半導體納米p-n結。2、摻雜元素為氣體的情況a、稱量0. 5-lg IIB-VIB族半導體材料粉末(純度高於99. 9% )放入Al2O3小瓷舟 (純度高於99. 9% )中，將小瓷舟放入水平管式爐中心位置。在載氣下遊距小瓷舟10-15cm 處放置蒸金矽片。蒸金矽片上的金膜厚度約為1-lOOnm。b、採用機械泵和分子泵將水平管式爐中的本底真空抽至10_3Pa，通入高純氬氫氣， 保持爐內氣壓為400-1. 6 X IO4Pa,氬氫氣流量保持為100-200SCCM。C、經過40分鐘爐子程序控制升溫至560-640°C，通入純度高於99. 9%矽烷和硼烷 (或磷烷、氮氣)，矽烷氣流量保持在5-100SCCM，硼烷用氫氣稀釋，保證硼烷體積百分濃度在1-50%範圍內，流量保持在5-100SCCM，氣壓保持不變在400-1.6X 104Pa。繼續升溫30 分鐘至1000-1100°C，保溫2個小時。本發明有益效果體現在1、本發明採用一步生長實現Si/IIB-VIB族納米p-n結的方法，工藝簡單，適合大規模製備，很好地解決了上述IIB-VIB族納米p-n結中存在的問題；2、本發明中由於矽與IIB-VIB族材料互溶性小，其通常生長在IIB-VIB 族納米結構的表面，另外由於矽與IIB-VIB族材料晶格常數相近，較易形成外延 IIB-VIB(核)-Si (殼)結構。而摻雜元素的引入使得Si (殼)與IIB-VIB(核)具有互補的摻雜類型，構成高質量納米P-n結；3、由於Si作為外包裹材料的徑向生長限制作用，內核IIB-VIB納米線的直徑可以限制在10納米以內，所以本發明方法也可作為生長具有量子效應的小尺寸IIB-VIB納米結構的方法。本產物特徵為通過控制矽烷的流量數值大小，即可調控核殼結構Si/IIB-VIB族異質結中的IIB-VIB族內核以及外圍包裹的Si殼層厚度。如果矽烷的流量大於50SCCM， IIB-VIB族內核直徑被限制小於20nm下，外圍包裹的Si殼層厚度為20-50nm ；如果矽烷的流量小於50SCCM，IIB-VIB族內核直徑大於20nm，外圍包裹的Si殼層厚度為10_20nm。引入III族元素IIB-VIB族內核載流子濃度可達到1019cm_3，外面包裹的Si殼層載流子濃度為1019cm_3，引入V族元素IIB-VIB族內核載流子濃度可達到1017cm_3，外面包裹的Si殼層載流子濃度為1019cm_3。為了檢測Si/IIB-VIB族半導體納米p-n結的材料結構和電學型能，分別採用透射電鏡、X射線衍射對Si/IIB-VIB族半導體納米p-n結的微結構進行了表徵(見圖1、圖2)， 另外將Si/IIB-VIB族半導體納米p-n結分散在氧化矽厚度為300納米的重摻雜Si片上，利用光刻、刻蝕、電子束鍍膜等手段，分別在IIB-VIB族內核和外層包裹Si殼層上製備電極， 製備了基於Si/IIB-VIB族半導體納米p-n結的納米器件，測試Si/IIB-VIB族半導體納米 P-n結的電學性能(結果見圖3)。
四
圖1為本發明製備所得Si/a^e納米p-n結X射線衍射譜；圖2為Si/a^e納米p_n結透射電鏡照片，右下角插圖為選區電子衍射。圖3a)為基於Si/a^e納米p_n結製備的納米器件掃描電鏡照片，在內核上和外面包裹的Si殼層上分別加上電極；b)基於納米器件測試得到的SiAMe納米P-n結的電學曲線。
五具體實施例方式實施例1 1、將高純Sb粉末(99. 99% )同IIB-VIB族半導體S^e粉末(99. 99% ),按照原子比為8%進行混合，放到瑪瑙缽中進行充分研磨。2、稱量0. 5g混合好的和Sb粉放入小瓷舟中，將小瓷舟放入水平管式爐中心位置。在載氣下遊距小瓷舟12cm處放置蒸金矽片。蒸金矽片上的金膜厚度約為lOnm。3、採用機械泵和分子泵將水平管式爐中的本底真空抽至10_3Pa，通入高純氬氫氣， 保持爐內氣壓為1.6X IO4Pa,氬氫氣流量保持為150SCCM。4、經過40分鐘爐子程序升溫至580°C，通入高純矽烷，將氬氫氣氣流流量降低為 50SCCM，矽烷氣流量保持在50SCCM，氣壓保持不變。溫度繼續升溫30分鐘至1049°C，保溫 2個小時。5、保溫結束，清洗管路，待爐體冷卻至室溫，可在矽基底上見到棕黃色絨狀產物， 即為一步法合成的Si/a^e族半導體納米P-n結。實施例2 將高純( 粉末(99. 99% )同IIB-VIB族半導體CcKe粉末(99. 99% )按原子比 6%於瑪瑙缽研磨混合均勻，以後的操作同實施例1。得到Si/Cdk族半導體納米p-n結。實施例3 1、稱量IgIIB-VIB族半導體粉末放入小瓷舟中，將小瓷舟放入水平管式爐中心位置。在載氣下遊距小瓷舟12cm處放置蒸金矽片。蒸金矽片上的金膜厚度約為lOnm。2、採用機械泵和分子泵將水平管式爐中的本底真空抽至10_3Pa，通入高純氬氫氣， 保持爐內氣壓為6X IO3Pa,氬氫氣流量保持為150SCCM。
3、經40分鐘爐子程序升溫至600°C，通入高純矽烷和磷烷(氫氣稀釋至10% )，矽烷氣流流量保持在50SCCM，磷烷氣流流量為50SCCM。氣壓保持不變。30分鐘後溫度繼續升高至1040°C，保溫2個小時。4、保溫結束，清洗管路，待爐體冷卻至室溫，可在矽基底上見到棕黃色絨狀產物， 即為一步法合成的Si/a^e族半導體納米p-n結。實施例4 以硼烷(氫氣稀釋至10% )替代實施例3中的磷烷，其他操作同實施例3。
權利要求
1.一種一步法合成Si/IIB-VIB族半導體納米p-n結的方法，是在水平管式爐中進行氣相化學沉積，包括混合、蒸發和冷卻，其特徵在於首先將純度高於99. 9%的IIB-VIB族材料同純度高於99. 9%的III族摻雜元素或者純度高於99. 9%的V族摻雜元素按1-50%的原子比研磨混合均勻後置於水平管式爐的中部，金膜厚度為I-IOOnm的蒸金矽片置於水平管式爐的後部，在壓力400-1. 6 X 104! 和氬氫氣流保護下於560-640°C以1-100SCCM的流量引入矽烷氣體，繼續升溫至1000-1100°C保溫1. 5-2. 5小時。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於當III族或V族摻雜元素為氣態時， 則在引入矽烷的同時引入摻雜氣源，摻雜氣源用氫氣稀釋至體積百分濃度1_50%，流量 1-100SCCM，繼續升溫至 1000-1100°C保溫 1. 5-2. 5 小時。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於所述的IIB-VIB族材料選自CdS、 CdSe、ZnSe、ZnS 或 ZnTe0
4.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於所述的III族摻雜元素選自B、In、 Al 或 Ga。
5.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於所述的V族摻雜元素選自P、N、As或Sb。
全文摘要
一種一步法合成Si/IIB-VIB族半導體納米p-n結的方法，是在水平管式爐中進行化學氣相沉積方法，在1000-1100℃蒸發IIB-VIB族材料，在保溫過程中引入矽烷，或同時引入III族或V族氣態摻雜元素，由於矽與IIB-VIB族材料互溶性小，其通常生長在IIB-VIB族納米結構的表面，形成IIB-VIB(核)-Si(殼)結構。而摻雜元素的引入使得Si(殼)與IIB-VIB(核)具有互補的摻雜類型，構成高質量納米p-n結，即可一步法實現Si/IIB-VIB納米p-n結的生長。另一方面，由於Si作為外包裹材料的徑向生長限制作用，內核IIB-VIB納米線的直徑可以限制在10納米以內，所以這種方法也可作為生長具有量子效應的小尺寸IIB-VIB納米結構的方法。
文檔編號C23C16/44GK102176410SQ20111004850
公開日2011年9月7日 申請日期2011年3月1日 優先權日2011年3月1日
發明者於永強, 任勇斌, 盧敏, 吳春豔, 彭強, 揭建勝, 王莉 申請人:合肥工業大學