CN104085914B - 通过外加纵向电场控制ZnO生长形貌的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
一种通过外加纵向电场控制ZnO生长形貌的方法：取纯度大于99.9%的锌源，称重后将锌源放入石英舟内，在锌源的下游方向0.5-4cm处设置上金属片和下金属片，外加电压为5-50V，将清洗干净的衬底放置到下金属片上，向石英舟所在的石英管中通入载气氩气和反应气体氧气，石英管内的压力控制在10万Pa以下，氩气流量控制在10-1000ml/min，氧气流量控制在1-500ml/min，生长温度控制在400-1000℃，生长时间为10-60min，生长完成后，关闭氧气，保持10-1000ml/min的流量继续通入氩气，当石英管内的温度降到室温后，取出生长出ZnO材料的衬底。这是一种能够对ZnO的生长形貌进行控制，以获得高效、稳定紫外发光器件的方法，以及该种方法所应用的装置。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料制备领域，特别是一种通过外加纵向电场控制ZnO生长形貌的方法及其装置。
背景技术
氧化锌（ZnO）作为一种重要的宽禁带半导体材料，其在室温下的禁带宽度为3.37eV，具有相对较高的激子束缚能60meV，这使得ZnO材料成为下一代短波长光电器件的最理想候选材料之一，尤其是在蓝紫光发光二极管（LEDs）和激光器（LDs）等领域中有很好的应用前景和开发价值。由于ZnO材料在制备过程中会产生很多结构缺陷和表面缺陷，影响了材料的光电性能，因此，探索ZnO的缺陷及由缺陷引起的可见区发光机制，以获得高效稳定紫外发光器件也就成为研究学者面临的重要任务。
发明内容
本发明是为了解决现有技术所存在的上述不足，提出一种能够对ZnO的生长形貌进行控制，以获得高效、稳定紫外发光器件的方法，以及该种方法所应用的装置。
本发明的技术解决方案是：一种通过外加纵向电场控制ZnO生长形貌的方法，其特征在于：所述的方法按照以下步骤进行：
取纯度大于99.9%的锌源，称重后将锌源放入石英舟内，在锌源的下游方向0.5-4cm处设置分别与电源的正负极相连的上金属片和下金属片，外加电压为5-50V，将清洗干净的衬底放置到下金属片上，而衬底距离上金属片为0.1-5cm，
向石英舟所在的石英管中通入载气氩气和反应气体氧气，石英管内的压力控制在10万Pa以下，氩气流量控制在10-1000ml/min，氧气流量控制在1-500ml/min，生长温度控制在400-1000℃，生长时间为10-60min，
生长完成后，关闭氧气，保持10-1000ml/min的流量继续通入氩气，当石英管内的温度降到室温后，取出生长出ZnO材料的衬底样品。
所述的金属片可以是纯度大于99.9%的银片、纯度大于99.9%的金片或纯度大于99.9%的铂片。
所述的锌源可以是单质锌或锌的固态化合物。
所述的衬底可以是导电的氧化镓、碳化硅、硅、砷化镓、磷化铟或金属衬底。
将所述的生长出ZnO材料的衬底样品在氧气气氛下进行退火处理，退火温度范围是700-850℃，退火处理时间为0.5-1.5h。
一种如上所述的通过外加纵向电场控制ZnO生长形貌的方法所使用的装置，其特征在于：所述的装置包括加热炉腔体1，在加热炉腔体1内设置有石英管2，石英管2上开设有进气口3和出气口4，在石英管2内设置有石英舟5，石英舟5上设置有纵向分布的上金属片6和下金属片7，在下金属片7上端放置有衬底8，并且衬底8和上金属片6之间的距离为0.1-5cm，在上金属片6和下金属片7的上游方向0.5-4cm处标记有锌源放置位置9，并且上金属片6和下金属片7分别与直流电源10的正极和负极相连。
本发明同现有技术相比，具有如下优点：
在进行ZnO这一半导体材料的制备时，由于现有制备工艺上的缺陷，在制备过程往往会产生很多结构缺陷和表面缺陷，从而影响了材料的光电性能，针对上述问题，本发明公开了一种能够对ZnO的制备过程进行主动控制的方法，该方法能够获得高效、稳定的紫外发光器件；这种方法所需使用的原料成本低，生长工艺简单，可重复性好。因此可以说它具备了多种优点，特别适合于在本领域中推广应用，其市场前景广阔，科研意义重大。
附图说明
图1为本发明实施例的装置的结构示意图。
图2是在不同外加纵向电场下，生长不同形貌ZnO结构的场发射扫描电子显微镜照片。
图3是外加电压为50V下制备的ZnO薄膜样品，在不同退火温度下的光致发光图。
具体实施方式
下面将结合附图说明本发明的具体实施方式。如图1、图2、图3所示：一种通过外加纵向电场控制ZnO生长形貌的方法，按照以下步骤进行：
首先取纯度大于99.9%的锌源，称重后将锌源放入石英舟内，在锌源的下游方向0.5-4cm处设置两个纵向分布上金属片和下金属片，并且下金属片和上金属片分别与电源的正负极相连，产生外加电压的范围是5-50V，将清洗干净的衬底放置到下金属片上方，保持衬底与上金属片之间的距离为0.1-5cm；
然后向石英舟所在的石英管中通入作为载气的氩气和作为反应气体的氧气，将石英管内的压力控制在10万Pa以下，氩气的流量控制在10-1000ml/min，氧气的流量控制在1-500ml/min，生长过程中的温度范围是400-1000℃，生长时间为10-60min；
在上述环境条件下，衬底表面会生长出ZnO纳米结构和薄膜材料，待生长完毕后，停止向石英管中通入氧气，仍保持10-1000ml/min的流量通入氩气，待石英管内的温度降到室温后，将生长出ZnO材料的衬底样品取出，为了进一步提高ZnO样品的质量，可以将该样品在氧气气氛下进行退火处理，退火温度范围是700-850℃，退火处理时间为0.5-1.5h。
上述步骤中所用的金属片可以是纯度大于99.9%的银片、纯度大于99.9%的金片或纯度大于99.9%的铂片；所用的锌源可以是单质锌或锌的固态化合物；所用的衬底可以是导电的氧化镓、碳化硅、硅、砷化镓、磷化铟或金属衬底。
在利用上述方法进行ZnO的生长形貌控制的时候，需要使用如下所述的装置：该装置包括加热炉腔体1，在加热炉腔体1内设置有石英管2，石英管2的两端分别开设有进气口3和出气口4，在石英管2的内腔中设置有石英舟5，石英舟5上设置有纵向分布的上金属片6和下金属片7，二者相互平行，在下金属片7的上端放置有衬底8，并且衬底8和上金属片6之间的距离为0.1-5cm，在上金属片6和下金属片7的上游方向上标记有锌源放置位置9，并且锌源放置位置9和下金属片6之间的距离为0.5-4cm，同时上金属片6和下金属片7分别与直流电源10的正极和负极相连。
实施例
在不同外加纵向电场下，生长不同形貌的ZnO材料。
利用如上所述的装置进行操作，在上金属片6和下金属片7之间电压分别为0V、10V、40V、46V、48V和50V时，在低阻Si（111）衬底上生长了不同形貌的ZnO结构。高纯Zn粉（99.999%）和氧气分别作为锌源和氧源，以氩气作为载气，两片高纯银金属片（99.999%）放置在锌粉下游1.5cm处，将经过丙酮、乙醇、HF酸处理过的硅片与下银片接触，衬底与上银片的距离为2cm，两个银金属片与直流电源连接，上金属银片接电源正极，下银片接负极。管式炉内的压力在10Pa左右，氩气作为载气，流量控制在300ml/min，氧气作为反应气体，流量控制在10ml/min，生长温度为650℃，生长时间为30min，生长完后在氩气的保护下降至室温，取出样品。
利用本发明研究了不同外加电场强度对ZnO表面形貌和光学特性的影响，研究表明随着外加电压的增加，样品的表面形貌由取向较差的纳米棒到取向较好的纳米棒，再到薄膜的转变，其场发射扫描电子显微镜照片如图2所示。
此外，发现在外加电压为40V时制备的纳米棒其晶体质量和表面形貌为最好。
对外加纵向电场下生长ZnO样品发光机理的研究。
对实施例1中外加电压为50V下制备的ZnO薄膜样品，在氧气气氛下分别在700℃、750℃、800℃和850℃进行了退火处理，退火时间均为1小时。样品在不同退火温度下的光致发光图如图3所示。
利用本发明研究了ZnO样品的发光机理，研究表明对于未退火的发光光谱图中没有明显的紫外发光峰，而可见峰很强，随着退火温度的不断升高，紫外峰与可见发光峰的强度比变大。此外，发现当退火温度为800℃时，紫外与可见发光峰的强度比最大，说明800℃为最佳退火温度。
Claims (5)
1.一种通过外加纵向电场控制ZnO生长形貌的方法，其特征在于：所述的方法按照以下步骤进行：
取纯度大于99.9%的锌源，称重后将锌源放入石英舟内，在锌源的下游方向0.5-4cm处设置分别与电源的正负极相连的上金属片和下金属片，外加电压为5-50V，将清洗干净的衬底放置到下金属片上，而衬底距离上金属片为0.1-5cm，
向石英舟所在的石英管中通入载气氩气和反应气体氧气，石英管内的压力控制在10万Pa以下，氩气流量控制在10-1000ml/min，氧气流量控制在1-500ml/min，生长温度控制在400-1000℃，生长时间为10-60min，
生长完成后，关闭氧气，保持10-1000ml/min的流量继续通入氩气，当石英管内的温度降到室温后，取出生长出ZnO材料的衬底样品；
所述的衬底是导电的氧化镓、碳化硅、硅、砷化镓、磷化铟或金属衬底。
2.根据权利要求1所述的通过外加纵向电场控制ZnO生长形貌的方法，其特征在于：所述的金属片是纯度大于99.9%的银片、纯度大于99.9%的金片或纯度大于99.9%的铂片。
3.根据权利要求1所述的通过外加纵向电场控制ZnO生长形貌的方法，其特征在于：所述的锌源是单质锌或锌的固态化合物。
4.根据权利要求1所述的通过外加纵向电场控制ZnO生长形貌的方法，其特征在于：将所述的生长出ZnO材料的衬底样品在氧气气氛下进行退火处理，退火温度范围是700-850℃，退火处理时间为0.5-1.5h。
5.一种如权利要求1所述的通过外加纵向电场控制ZnO生长形貌的方法所使用的装置，其特征在于：所述的装置包括加热炉腔体（1），在加热炉腔体（1）内设置有石英管（2），石英管（2）上开设有进气口（3）和出气口（4），在石英管（2）内设置有石英舟（5），石英舟（5）上设置有纵向分布的上金属片（6）和下金属片（7），在下金属片（7）上端放置有导电的衬底（8），并且导电的衬底（8）和上金属片（6）之间的距离为0.1-5cm，在上金属片（6）和下金属片（7）的上游方向0.5-4cm处标记有锌源放置位置（9），并且上金属片（6）和下金属片（7）分别与直流电源（10）的正极和负极相连。
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