CN101497425B - 一种氧化锌径向同质结及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种氧化锌径向同质结及其制备方法，属于纳米材料和纳米技术领域，特别涉及一种氧化锌径向同质结及其制备方法。本发明采用化学气相沉积(CVD)方法在硅衬底上沉积氧化锌掺杂薄膜，以镓或氧化铟作为氧化锌中掺杂元素的蒸发源，将锌粉、镓或氧化铟与石墨粉以1∶7～1∶3的摩尔比混合后形成的混合源，放入石英舟中；将等体积的45～150mM的硝酸锌[Zn(NO3)2·6H2O]和45～100mM的六亚甲基四胺[C6H12N4]配成溶液，采用溶液法在CVD制备的产物上沿径向生长氧化锌包覆层，能够实现通过在掺杂氧化锌径向方向包覆一层未掺杂氧化锌，形成径向同质结，并且工艺简单，可以大量制备。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料和纳米技术领域，特别涉及一种氧化锌径向同质结及其氧化锌的制备方法。
背景技术
氧化锌是一种直接宽禁带半导体材料，室温下的禁带宽度约为3.37eV，激子束缚能约为60meV。氧化锌具有良好的发射蓝光和紫外光的性能，有望替代氮化镓开发出紫外、绿光、蓝光等多种发光器件，因此成为人们关注的研究热点之一。
半导体结结构是许多半导体器件的基础。已报道的纳米颗粒膜、纳米线同质结结构多为轴向外延结构(Jieying Kong，Sheng Chu，Mario Olmedo，Lin Li，Zheng Yang，and Jianlin Liu，Applied Physics Letters，2008，93，132113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)，而径向结结构一般多为异质结结构(Jih-Jen Wu，Sai-Chang Liu，Chien-Ting Wu，Kuei-Hsien Chen，Li-Chyong Chen，AppliedPhysics Letters，2002，81，1312-14和A.Vomiero，M.Ferroni，E.Comini，G.Faglia，and G.Sberveglieri，Nano Lett.，2007，7(12)，3553-3558)，径向同质结鲜有报道。
溶液法是生长氧化锌纳米结构较常用的方法，利用溶液法生长氧化锌纳米结构一般需要氧化锌籽晶层。氧化锌籽晶层可以用溶胶凝胶(Jing-Shun Huang，Ching-Fuh Lin，JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 2008，103，014304)，脉冲激光溅射沉积(Chang Hyun Bae，Seung Min Park，Seung-Eon Ahn，Dong-Jin Oh，Gyu Tae Kim，Jeong Sook Ha，Applied SurfaceScience 2006，253 1758-1761)，电子束蒸发(Yanhong Tong，Yichun Liu，Lin Dong，DongxuZhao，Jiying Zhang，Youming Lu，Dezhen Shen，and Xiwu F，J.Phys.Chem.B，2006，110(41)，20263-20267)等方法制备。其它可以用来生长氧化锌薄膜的方法如热蒸发，化学气相沉积，磁控溅射等也可以用来生长溶液法用的氧化锌籽晶层。还没有报道采用上述方法可以生长出氧化锌的径向同质结结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种氧化锌径向同质结及其制备方法，采用化学气相沉积在硅衬底上沉积氧化锌掺杂薄膜和溶液法在CVD制备的产物上沿径向生长氧化锌包覆层的两步法，实现在掺杂氧化锌六棱短柱径向方向包覆一层未掺杂氧化锌，形成径向同质结，并且工艺简单，可以大量制备。
本发明的氧化锌径向同质结是以氧化锌为基，在掺杂氧化锌六棱短柱外包覆一层未掺杂氧化锌，构成径向同质结。
本发明提供了一种两步法大量制备氧化锌径向同质结的方法，具体步骤如下：
1、采用化学气相沉积(CVD)方法在硅衬底上沉积氧化锌掺杂薄膜。
1)采用镓或氧化铟作为氧化锌中掺杂元素的蒸发源，采用锌粉做锌源。
2)按10∶1～20∶1的摩尔比称取锌粉和镓或按40∶1～80∶1的摩尔比称取锌粉和氧化铟，将锌粉放入石英舟中；将镓或氧化铟与石墨粉以1∶7～1∶3的摩尔比混合后形成混合源，放入石英舟中；其中锌粉放在氩气气流的入口方向，混合源相对于锌粉放在气流下游位置，取干净的硅片置于混合源的正上方或气流下游位置。
3)将装有蒸发源和硅片的石英舟推入水平管式炉中进行化学气相沉积，将管式炉以12～18℃/min的速度升至880～920℃，保温20～30min，等炉温降至室温后取出硅片。
所述化学气相沉积过程始终通入流量为80～120sccm的氩气作为保护气体和载气。
所述混合源和锌源之间的距离为0～5mm。
所述硅片置于距混合源0～2cm处。
2、采用溶液法在CVD制备的产物上沿径向生长氧化锌包覆层。
1)将等体积的45～150mM的硝酸锌[Zn(NO3)2·6H2O]和45～100mM的六亚甲基四胺[C6H12N4]配成溶液，用电磁搅拌炉加热到80～95℃。
2)待溶液温度升高到80～95℃后，将采用CVD法制备的硅片上有沉积物的一面朝下，使其悬浮于液面上或悬挂于液体中。
3)2～4小时后从溶液中取出硅片，在去离子水或无水乙醇中漂洗，以去除硅片上容易脱落的沉积物，晾干后在扫描电镜下观察，即可看到在掺杂氧化锌六棱短柱上包覆了一层未掺杂的氧化锌，形成径向同质结。
硅片悬浮于液面上或悬挂于液体中时用薄片盖住容器，以避免所配液体过分蒸发。
本发明的优点：
1、该发明能够实现通过在掺杂氧化锌径向方向包覆一层未掺杂氧化锌，形成径向同质结。
2、该发明提供的制备方法工艺简单，成本低。
附图说明
图1为镓掺杂氧化锌外包覆结构的扫描电镜图片，中间为镓掺杂氧化锌，外围为未掺杂氧化锌形成的径向同质结，其中镓掺杂氧化锌柱的直径为0.25～0.7μm；外面的氧化锌包覆层厚度为50～270nm。
图2为铟掺杂氧化锌外包覆结构的扫描电镜图片，中间为铟掺杂氧化锌，外围为未掺杂氧化锌形成的径向同质结，其中铟掺杂氧化锌的直径为0.16～1.0μm；外面的氧化锌包覆层厚度为65～400nm。
具体实施方式
实施例1：
首先采用CVD方法制备镓掺杂氧化锌：称取500mg锌粉，30mg镓，20mg石墨粉；将其分放入石英舟中两堆，其中镓滴(分为数小滴)与石墨粉混合为一堆，锌粉一堆。锌粉位于氩气入口一侧，石墨粉与镓滴的混合物紧挨着锌粉堆，置于氩气出口一侧。然后将硅片置于镓滴与石墨粉上方。将装有源的小舟推入管式炉的石英管中，以150sccm的气流量预通氩气5min。然后将氩气流量改为80sccm，将炉温以15℃/min的速度升至900℃，保温30min后停止加热。待炉温自然冷却至室温后，关闭氩气，取出硅片。
然后用溶液法对掺镓氧化锌柱进行包覆：将2mmol的硝酸锌和2mmol的六次甲基亚胺放入同一个烧杯，加入80ml去离子水。然后将烧杯在电磁搅拌炉上边加热边搅伴。待溶液温度升至90℃后停止搅拌，将上面CVD法所得硅片有沉积物的一面朝下，浮于溶液之上，用薄片盖住容器，以避免所配液体过分蒸发，并使溶液温度保持在90℃，4小时后取出硅片，在无水乙醇中漂洗1min，晾干。此时硅片上所沉积之物即为包覆状掺镓氧化锌，如图1所示，包覆状结构里面小短柱为镓掺杂氧化锌，外面包覆层为未掺杂氧化锌，构成氧化锌径向同质结。
实施例2：
首先用CVD法制掺杂膜：称取500mg锌粉，32mg氧化铟粉，8mg石墨粉；将其分放入石英舟中两堆，其中氧化铟与石墨混合为一堆，锌粉一堆。锌粉堆置于氩气入气口一侧，氧化铟与石墨混合物紧挨锌粉堆置于氩气出口一侧。然后将硅片置于氩气流下游距离氧化铟与石墨混合物1cm的地方。将装有源的小舟推入管式炉的石英管中，以150sccm的气流量预通氩气5min。然后将氩气流量改为120sccm，将炉温以18℃/min的速度升至920℃，保温30min后停止加热。待炉温自然冷却至室温后，关闭氩气，取出硅片。
然后用溶液法对掺铟氧化锌进行包覆：将2mmol的硝酸锌和2mmol的六次甲基亚胺放入同一个烧杯，加入80ml去离子水。然后将烧杯在电磁搅拌炉上边加热边搅伴。待溶液温度升至90℃后停止搅拌，将上面CVD法所得硅片，有沉积物的一面朝下，浮于溶液之上，用薄片盖住容器，以避免所配液体过分蒸发，并使溶液温度保持在90℃，3小时后取出硅片，在无水乙醇中漂洗1min，晾干。此时硅片上所沉积之物即为包覆状掺杂氧化锌，如图2所示，包覆状结构里面氧化锌柱为铟掺杂氧化锌，外面包覆层为未掺杂氧化锌，构成氧化锌径向同质结。
实施例3：
首先用CVD法制掺杂膜：称取400mg锌粉，32mg氧化铟粉，8mg石墨粉；将其分放入石英舟中两堆，其中氧化铟与石墨混合为一堆，锌粉一堆。锌粉堆置于氩气入气口一侧，氧化铟与石墨混合物置于氩气出口一侧距锌粉堆5mm处。然后将硅片置于氩气流下游距离氧化铟与石墨混合物1cm的地方。将装有源的小舟推入管式炉的石英管中，以150sccm的气流量预通氩气5min。然后将氩气流量改为120sccm，将炉温以18℃/min的速度升至920℃，保温20min后停止加热。待炉温自然冷却至室温后，关闭氩气，取出硅片。
然后用溶液法对掺铟氧化锌进行包覆：将2mmol的硝酸锌和2mmol的六次甲基亚胺放入同一个烧杯，加入80ml去离子水。然后将烧杯在电磁搅拌炉上边加热边搅伴。待溶液温度升至80℃后停止搅拌，将上面CVD法所得硅片，有沉积物的一面朝下，浮于溶液之上，用薄片盖住容器，以避免所配液体过分蒸发，并使溶液温度保持在80℃，2小时后取出硅片，在无水乙醇中漂洗1min，晾干。此时硅片上所沉积之物即为包覆状掺铟氧化锌。
Claims (5)
1.一种氧化锌径向同质结，其特征在于，以氧化锌为基，在掺杂氧化锌六棱短柱外包覆一层未掺杂氧化锌，掺杂元素为镓或者铟。
2.一种氧化锌径向同质结的制备方法，其特征在于，
步骤一：采用镓或氧化铟作为氧化锌中掺杂元素的蒸发源，采用锌粉做锌源，按10∶1～20∶1的摩尔比称取锌粉和镓或按40∶1～80∶1的摩尔比称取锌粉和氧化铟，将锌粉放入石英舟中，将镓或氧化铟与石墨粉以1∶7～1∶3的摩尔比混合后形成混合源，放入石英舟中，其中锌粉放在氩气气流的入口方向，混合源相对于锌粉放在气流下游位置，取干净的硅片置于混合源的正上方或气流下游位置，将装有蒸发源和硅片的石英舟推入水平管式炉中进行化学气相沉积，将管式炉以12～18℃/min的速度升至880～920℃，保温20～30min，等炉温降至室温后取出硅片；
步骤二：将摩尔比为1∶1的硝酸锌Zn(NO3)2·6H2O和六亚甲基四胺C6H12N4配成溶液，硝酸锌和六亚甲基四胺溶液的浓度为22.5～75mM，再用电磁搅拌炉加热到80～95℃，然后将步骤一制备的硅片上有沉积物的一面朝下，使其悬浮于液面上或悬挂于液体中，2～4小时后从溶液中取出硅片，在去离子水或无水乙醇中漂洗，晾干后得到具有径向同质结结构的氧化锌。
3.如权利要求2所述的氧化锌径向同质结的制备方法，其特征在于，步骤一中所述化学气相沉积过程始终通入流量为80～120sccm的氩气作为保护气体和载气。
4.如权利要求2所述的氧化锌径向同质结的制备方法，其特征在于，步骤一中所述混合源和锌源之间的距离为0～5mm。
5.如权利要求2所述的氧化锌径向同质结的制备方法，其特征在于，步骤一中所述硅片置于距混合源0～2cm处。
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