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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