CN102544136B - 一种纳米材料电子与光电子器件及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种纳米材料电子与光电子器件，器件的结构包括衬底、下电极、纳米材料、绝缘介电层和上电极五个部分，所述的绝缘介电层选择金属氧化技术获得绝缘介电层，上下电极与纳米材料形成良好的电学接触，绝缘介电层在上下电极之间，保证电荷通过上下电极流经纳米材料。本发明通过对纳米材料加工，形成有效的电极接触，实现其电子和光电子方面的功能。本发明方法避免复杂而昂贵的微加工工艺，可实现纳米器件低成本、大批量的加工。
Description
技术领域
本发明涉及纳米电子与光电子器件的结构与制备方法，特别是一种基于选择氧化技术获得绝缘介电层制备纳米电子与光电子器件及制备的方法。
背景技术
纳米材料和纳米材料的功能化加工是当今新材料研究领域最富有活力的研究对象，也是纳米科技最为活跃、最接近应用的重要组成部分，对未来经济和社会发展有着十分重要影响。半导体纳米材料作为纳米功能材料中重要的一部分，有着独特的性质，在电子、光电子、能源、生物等方面都有着重要的应用。
近年来，纳米材料的电子与光电子器件研究取得了引人注目的成就。特别是半导体材料（如硅、砷化镓、氮化镓、氧化锌等）的纳米结构（如纳米带、纳米线、纳米点等）相继被制备出来，并被加工成多种器件（如场效应晶体管、光电二极管等）。纳米材料需要在合理的方法和工艺下制备加工，与电极形成可靠而有效的电学接触和完整的器件结构，才能够实现其在电子和光电子方面的功能。由于纳米材料尺寸小（范围从几纳米到几百纳米），形貌结构多样，目前加工半导体纳米材料往往需要电子束光刻等高精度的微加工工艺，这些工艺成本高，加工方法受限制。纳米材料的大规模器件化加工及应用仍然面临着严峻的挑战。
发明内容
本发明目的是，提出一种纳米材料电子与光电子器件及制备方法，对纳米材料进行加工，形成有效的电极接触，实现其电子和光电子方面的功能。本发明方法避免复杂而昂贵的微加工工艺，可实现纳米器件低成本、大批量的加工。
本发明技术方案是：一种纳米材料电子与光电子器件，器件的结构特征在于，包括衬底、下电极、纳米材料、绝缘介电层和上电极五个部分，所述的绝缘介电层选择金属氧化技术获得绝缘介电层，上下电极与纳米材料形成良好的电学接触，绝缘介电层在上下电极之间防短路，保证电荷通过上下电极流经纳米材料，即可实现所设计的半导体纳米器件的功能。
本发明纳米材料电子与光电子器件的制备方法，步骤如下：将纳米材料分步排列在清洗干净的载片上；运用真空蒸镀工艺在该载片表面沉积金属薄膜，金属薄膜包裹纳米材料并形成良好的电学接触，形成下电极；具有粘性的衬底粘附该薄膜；在粘性的衬底上施加外力并移开粘性的衬底，转移金属薄膜和包裹的纳米的薄膜材料，并形成新的薄膜表面和纳米材料表面；通过选择氧化技术，仅在金属薄膜表面生成绝缘介电层，而在纳米材料表基本保持原有状态。这一绝缘介电层将有效绝缘隔离上下电极。进一步，在对绝缘介电层表面镀金属层）获得上电极，构成电子或光电子器件。
该结构器件对纳米材料的种类、形貌和尺寸具有兼容性。纳米材料可以是多种电子材料，如硅、锗、砷化镓、氮化镓、氧化锌等；纳米材料形貌可以是多种低维结构，如纳米带、纳米线、纳米点等；作为功能材料的纳米材料可以进行氧化、掺杂等工艺，形成核壳结构，也可以选用多种异质结半导体纳米材料；纳米材料的加工尺寸在几十纳米至几百纳米范围内。
衬底是可以是硬质的载片（如玻璃、硅片等），也可以是柔性的膜（如聚合物膜）。
作为上电极的薄膜，可以根据设计，选用金属或半导体薄膜、有机或无极薄膜，单层或多层薄膜。
作为上电极的薄膜，可以通过掩膜或光刻工艺，进行图形化，实现微小单元的器件。
利用真空蒸镀金属铝薄膜与载片粘附力弱的特性，在衬底上施加外力，转移铝薄膜和包裹的纳米材料。
在形成上下电极的工艺之前，可以对纳米材料表面进行其他工艺处理，如氧化，掺杂，等离子处理，表面分子膜修饰等。
绝缘介电层也可以通过金属阳极氧化的方法获得。
本发明所述的纳米材料电子与光电子器件可以是二极管、三极管或光放大管等基本单元。尤通过选用的纳米材料的差异以及一些后续工艺，该器件可以作为光探测器、发光二极管、太阳能电池等，也可以实现上述结构。
本发明通过选择氧化技术获得绝缘介电层实现的纳米材料与上下电极的有效接触，如附图1所示。该结构包括衬底11、下电极12、纳米材料13、绝缘介质层14和上电极15五个部分。该结构通过其他方法实现上电极与外部电路接触后，即可实现所设计的半导体纳米器件的功能。
本发明实现的加工工艺按顺序，如附图2所示。半导体纳米材料23分步排列在清洗干净的载片26上；运用真空蒸镀工艺在该载片表面沉积金属铝薄膜22，且连同纳米材料一起镀上了一层薄膜，该薄膜包裹纳米材料并形成良好的电学接触，形成下电极；具有粘性的衬底21粘附该薄膜；由于薄膜与载片粘附力弱，通过施加外力，转移薄膜和包裹的纳米材料，并形成新的铝薄膜表面和纳米材料表面。原先的薄膜仍然存在，只不过变成了与衬底21接触的下表面，而原先与衬底26接触的下表面变成了新的表面，这样原先因为蒸镀了金属薄膜而被遮挡住的纳米材料表面又重新漏了出来，通过选择氧化技术，仅在金属薄膜表面生成绝缘介电层，而在纳米材料表面基本保持原有状态。这一绝缘介电层将有效绝缘隔离上下电极。进一步，在对表面进行处理的基础上获得上电极，构成电子或光电子器件。
本发明的有益效果是，可以丰富该结构下电子与光电子器件的设计，或实现更复杂的器件功能。作为功能材料的纳米材料可以进行氧化、掺杂等工艺，形成核壳结构，也可以选用多种异质结纳米材料；在形成上下电极的工艺之前，可以对纳米材料表面进行其他工艺处理，如氧化，掺杂，等离子处理，表面分子膜修饰等。衬底可以除了选用硬质的载片（如玻璃、硅片等），也可以是柔性的膜（如聚合物膜），实现可以弯折的器件；作为上电极的薄膜，可以根据设计，选用金属或半导体薄膜、有机或无极薄膜，单层或多层薄膜；上电极薄膜可以通过掩膜或光刻工艺，进行图形化，实现微小单元的器件。本发明通过对纳米材料加工，形成有效的电极接触，实现其电子和光电子方面的功能。本发明方法避免复杂而昂贵的微加工工艺，可实现纳米器件低成本、大批量的加工。
附图说明
图1是本发明的底电极结构剖面示意图；
图2是本发明的加工工艺流程剖面示意图；A-F表示六个工艺，见下说明。
图3是本发明的实例性器件氧化锌纳米线紫外光探测器的扫描电子显微镜（SEM）照片；
图4是本发明的实例性器件氧化锌纳米线紫外光探测器的紫外光响应电流-时间曲线；
图5是本发明的实例性器件氧化锌纳米线紫外光探测器的光谱响应曲线。
具体实施方式
下面将参照附图详细叙述以半导体纳米材料和氧化铝绝缘节点薄膜为例的电子与光电子器件结构（该结构可实现多种功能，详见之前所述）与加工工艺，并提出本发明的示例性实施例。
参见图1，本发明的纳米器件结构包括衬底11、下电极12、半导体纳米材料13、绝缘介电层14和上电极15五个部分。衬底11具有支撑器件和转移功能，在加工制备的具体实施方式中用于揭取和支撑铝薄膜；下电极12是包裹纳米材料的铝薄膜的部分；半导体纳米材料13作为器件的功能材料，可以是多种低维形貌的纳米材料；绝缘介质层14是通过选择氧化技术得到的电学绝缘层，具有良好的绝缘性，防止上下电极短路；上电极15是通过薄膜沉积工艺在13和14上表面沉积的薄膜，可以根据器件功能选用该薄膜材料和沉积工艺。该结构可通过形成外部电路连接实现所设计的半导体纳米器件的功能。本发明的实例性器件（实例性器件为紫外光探测器）结构中，衬底为涂有高温胶的硅片，下电极材料为铝（Al），上电极材料为金（Au），半导体纳米材料为氧化锌纳米线（ZnO Nanowire）。
参见图2，图2的器件可以为光探测器，本发明的实例性加工工艺包括以下步骤：
A）将半导体纳米材料23分布排列于清洗干净的载片表面24；
B）运用真空蒸镀方法，在分布排列着半导体纳米材料的载片上无选择性地蒸镀得到铝薄膜22。蒸镀过程载片旋转，铝薄膜厚度控制在100nm以上；但也不大于1000nm；
C）使用高温胶将衬底21与铝薄膜粘贴，通过加热固化；
D）在衬底上施加外力，揭取转移铝薄膜和包裹的纳米材料，并形成新的铝薄膜表面和纳米材料表面；
E）运用阳极氧化铝的工艺，铝薄膜表面形成氧化铝薄膜24。未被氧化的铝薄膜部分作为下电极；该电化学过程不会对半导体纳米线的表面形成本质的损伤，基本保持原有状态；
F）运用薄膜沉积工艺在上表面沉积金薄膜，与半导体纳米线接触，形成上电极25；
紫外光光探测器的典型材料选择和参数：衬底为涂有高温胶的硅片，下电极材料为铝（Al），上电极材料为金（Au），半导体纳米材料为氧化锌纳米线（ZnO Nanowire）。
铝薄膜22厚度控制在150nm；高温胶（PU胶）将衬底21（衬底为涂有高温胶的硅片）与铝薄膜粘贴，金薄膜，与半导体纳米线接触，形成上电极25。
衬底材料也可以采用PS材料片或膜。
图3为经由上述加工步骤得到的氧化锌纳米线紫外光探测器的扫描电子显微镜（SEM）照片。由图中可以看到该实例性器件中所使用的纳米材料氧化锌纳米线的直径约150nm，通过阳极氧化得到的氧化铝绝缘层约35nm，有效地绝缘隔离了上下电极。在该结构中，电荷通过上电极和下电极流经氧化锌纳米线，实现器件的电子和光电子功能。
图4为氧化锌纳米线紫外光探测器的紫外光响应电流-时间曲线，该电流在上电极与下电极间外加-1V的外加偏压测得，在时间60s-120s，180s-240s，300s-360s时使用紫外光照射，其余时间为黑暗状态。从图中可以看出在紫外光照射条件下，电流很快增加到约104倍；而在无光照条件下，电流仅需几秒即可降低到紫外光照条件下的1/10，由此可以看出该器件可以有效地进行紫外光探测。
图5为氧化锌纳米线紫外光探测器的光谱响应图，可以看到峰值在380nm左右，对应于氧化锌材料的禁带宽度，而在可见光范围内几乎没有响应，对应紫外光有着良好的选择性，可以作为紫外光探测器使用。
Claims (1)
1.一种纳米材料电子与光电子器件，其特征是器件的结构包括衬底、下电极、纳米材料、绝缘介电层和上电极五个部分，所述的绝缘介电层选择金属氧化技术获得绝缘介电层，上下电极与纳米材料形成良好的电学接触，绝缘介电层在上下电极之间，保证电荷通过上下电极流经纳米材料；所述衬底为硬质的载片或柔性的聚合物膜；作为上电极的薄膜，选用金属薄膜；下电极铝薄膜厚度控制在150nm，高温胶将衬底与铝薄膜粘贴，金薄膜与半导体纳米线接触形成上电极，纳米材料为氧化锌纳米线，直径150nm，绝缘介电层是通过阳极氧化得到的氧化铝绝缘层35nm，构成紫外探测器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |