CN106206868A - 一种高效率发光的纳米ZnO/AlN异质结的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效率发光的纳米ZnO/AlN异质结的制备方法，其步骤如下：一、将衬底浸入浓硫酸和双氧水混合溶液中，在80～100℃保温5～15min，去除表面氧化物，然后分别在丙酮、去离子水以及乙醇溶液中各超声清洗5～15min，浸泡在乙醇中待用；二、通过磁控溅射技术在衬底上制备氧化锌种子层；三、通过化学溶液法在溅射有氧化锌种子层的衬底上生长氧化锌纳米阵列；四、通过磁控溅射技术在氧化锌纳米阵列上溅射氮化铝薄膜，形成ZnO/AlN异质结。本发明获得了低成本高效发光的ZnO/AlN异质结，其光致发光性能十分显著，可为ZnO低维结构材料在高量子效率光电器件方面，特别是高效蓝光LED的应用方面提供有效的技术支撑。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料制备技术领域，涉及一种高效率发光的纳米ZnO/AlN异质结的制备方法。
背景技术
氧化锌（ZnO）是一种多功能直接宽带隙（3.37eV）半导体材料，其室温激子束缚能高达60meV，高于室温能量（25meV），具有近紫外的发射波长。纳米阵列结构的氧化锌与体单晶或薄膜材料相比具有更大的比表面积和大的长度与直径比，所以其光电器件具有高的灵敏性和快的响应速度。此外由于纳米材料中存在的小尺寸量子限域效应，使纳米ZnO具有更高的光电量子效率，这可应用于蓝紫光激光器或发光二极管、太阳能电池等领域，从而提高器件的性能。氮化铝（AlN）是所有Ⅲ-Ⅴ族半导体材料中禁带宽度最大的直接带隙半导体材料（Eg=6.2eV），带间跃迁发射波长可进入深紫外波段，氮化铝和氧化锌具有相同的纤锌矿晶体结构，晶格参数匹配较好，同时带隙接近ZnO的两倍，为利用异质结超注入比特性来提高发光效率，提供了物理基础。
氧化锌和氮化铝的制备成本低廉，氧化锌与氮化镓相比，其禁带宽度接近，氧化锌的激子束缚能远高于氮化镓，有报道称氧化锌材料的量子效率约是氮化镓的3倍，在光电器件尤其是短波长蓝光LED方面，被认为是GaN基蓝光LED的理想替代者。因此高效低成本纳米ZnO/AlN异质结的制备对其在半导体器件及半导体照明产业的应用方面具有重要的意义。
目前，ZnO低维结构材料的制备及其器件研究受到越来越多研究者的关注，出现许多关于氧化锌低维结构材料及氧化锌基半导体器件光学和电学性能的报道，但是尚未有关于高效发光纳米ZnO/AlN异质的详细报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型高效率发光的纳米ZnO/AlN异质结的制备方法，采用磁控溅射和化学溶液法相结合的方式，获得了低成本高效发光的ZnO/AlN异质结，其光致发光性能十分显著，可为ZnO低维结构材料在高量子效率光电器件方面，特别是高效蓝光LED的应用方面提供有效的技术支撑。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种高效率发光的纳米ZnO/AlN异质结的制备方法，包括如下步骤：
一、将衬底浸入浓硫酸和双氧水混合溶液中，在80～100℃保温5～15min，去除表面氧化物，然后分别在丙酮、去离子水以及乙醇溶液中各超声清洗5～15min，浸泡在乙醇中待用。
本步骤中，所述浓硫酸和双氧水混合溶液中，浓硫酸与双氧水的体积比为3:7。
二、通过磁控溅射技术在衬底上制备氧化锌种子层。
本步骤中，所述氧化锌种子层的厚度约为40nm。
三、通过化学溶液法在溅射有氧化锌种子层的衬底上生长氧化锌纳米阵列。
本步骤中，所述氧化锌纳米阵列的厚度约为1.8μm。
四、通过磁控溅射技术在氧化锌纳米阵列上溅射氮化铝薄膜，形成ZnO/AlN异质结。
本步骤中，所述氮化铝薄膜的厚度约为400nm。
上述方法中，磁控溅射所采用的靶材为氧化锌、氮化铝（或铝）靶，衬底为硅（或其它材料衬底），溅射气氛为Ar+O2 或Ar+N2，原理是：磁控溅射的过程中等离子体从目标靶材被溅射（如用Al靶，则存在Al与N2反应生成AlN的过程）沉积到衬底上。
上述方法中，化学溶液法采用的前驱体有乙酸锌、六亚甲基四胺，制备氧化锌纳米阵列的基本过程如式所示:
Zn2+ + 2OH- ↔ Zn(OH)2；
Zn(OH)2 → ZnO + H2O。
相比于现有技术，本发明的优点在于：
1、磁控溅射和化学溶液法具有设备简单、操作方便、灵活性强等优势。
2、采用氧化锌纳米阵列结构进行异质结制备，具有异质结比表面积更大，光电器件具有更高的光电量子效率。
3、工艺简单，且通过改变工艺参数，可以控制纳米氧化锌的尺寸和氮化铝对氧化锌纳米阵列的填充程度，由此来获得不同结合程度的异质结，拓宽氧化锌基蓝光LED的研究思路。
附图说明
图1为ZnO阵列的SEM照片；
图2为ZnO/AlN异质结的SEM截面照片；
图3为ZnO/AlN异质结的I-V特性曲线；
图4为ZnO/AlN异质结的PL谱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：本实施方式提供了一种高效率发光的纳米ZnO/AlN异质结的制备方法，首先通过磁控溅射技术在衬底上制备氧化锌纳米种子层，其次通过化学溶液法在溅射的氧化锌种子层上制备出高质量ZnO低维纳米阵列；最后通过溅射的方法在低维阵列间隙填充AlN，最终形成ZnO/AlN异质结。具体实施步骤如下：
第一步：将硅片切割为1.0cm×1.5cm大小（或根据需要切割成其它尺寸）。
第二步：将1.0cm×1.5cm单晶硅片浸入浓硫酸和双氧水混合溶液中90℃保温10min，去除表面氧化物，然后分别在丙酮、去离子水以及乙醇溶液中各超声清洗10min，浸泡在乙醇中待用。
第三步：通过磁控溅射制备氧化锌种子层，其中：磁控溅射所采用的靶材为氧化锌，溅射气氛为Ar+O2。
第四步：以乙酸锌和六亚甲基四胺为前驱体，通过化学溶液法在在沉积有氧化锌种子层的硅片衬底上生长氧化锌纳米阵列，控制反应温度为90℃，时间为90min，结束后将样品用去离子水清洗并用氮气吹干。
第五步：利用磁控溅射技术，在温度为300℃的样品上于N2和Ar混合气氛中溅射1h氮化铝薄膜，其中：磁控溅射所采用的靶材为氮化铝（或铝），溅射气氛为Ar+N2，溅射功率、衬底温度、溅射气压及溅射时间可根据需要加以调控。
第六步：待系统自然冷却后将样品取出，制备出的样品即纳米ZnO/AlN异质结。
样品形貌如图1和2所示，I-V特性曲线如图3，光学性能如图4所示。通过图1可以明显看出：ZnO纳米阵列生长规整，纳米棒呈六棱柱形状；通过图2可看出：AlN对ZnO纳米阵列成功包覆及填充；通过图3可看出：ZnO与AlN形成较好的异质结；通过图4可看出：纳米ZnO/AlN异质结的PL发光峰远高于ZnO纳米阵列的发光峰，这表明纳米ZnO/AlN异质结对提高ZnO的发光效率起着重要作用。
具体实施方式二：本实施方式按照以下步骤制备纳米ZnO/AlN异质结：
第一步：将石英玻璃片切割为1.0cm×1.5cm大小（或根据需要切割成其它尺寸）。
第二步：将1.0cm×1.5cm石英玻璃分别浸入丙酮、去离子水以及乙醇溶液中各超声清洗10min，浸泡在乙醇中待用。
第三步：通过磁控溅射制备氧化锌种子层，其中：磁控溅射所采用的靶材为氧化锌，溅射气氛为Ar+O2。
第四步：以乙酸锌和六亚甲基四胺为前驱体，通过化学溶液法在在沉积有氧化锌种子层的硅片衬底上生长氧化锌纳米阵列，控制反应温度为90℃，时间为90min，结束后将样品用去离子水清洗并用氮气吹干。
第五步：利用磁控溅射技术，在温度为300℃的样品上于N2和Ar混合气氛中溅射1h氮化铝薄膜，其中：磁控溅射所采用的靶材为氮化铝（或铝），溅射气氛为Ar+N2，溅射功率、衬底温度、溅射气压及溅射时间可根据需要加以调控。
第六步：待系统自然冷却后将样品取出，制备出的样品即纳米ZnO/AlN异质结。
Claims (9)
1.一种高效率发光的纳米ZnO/AlN异质结的制备方法，其特征在于所述方法步骤如下：
一、将衬底浸入浓硫酸和双氧水混合溶液中，在80～100℃保温5～15min，去除表面氧化物，然后分别在丙酮、去离子水以及乙醇溶液中各超声清洗5～15min，浸泡在乙醇中待用；
二、通过磁控溅射技术在衬底上制备氧化锌种子层；
三、通过化学溶液法在溅射有氧化锌种子层的衬底上生长氧化锌纳米阵列；
四、通过磁控溅射技术在氧化锌纳米阵列上溅射氮化铝薄膜，形成ZnO/AlN异质结。
2.根据权利要求1所述的高效率发光的纳米ZnO/AlN异质结的制备方法，其特征在于所述浓硫酸和双氧水混合溶液中，浓硫酸与双氧水的体积比为3:7。
3.根据权利要求1所述的高效率发光的纳米ZnO/AlN异质结的制备方法，其特征在于所述氧化锌种子层的厚度为40nm。
4.根据权利要求1所述的高效率发光的纳米ZnO/AlN异质结的制备方法，其特征在于所述氧化锌纳米阵列的厚度为1.8μm。
5.根据权利要求1所述的高效率发光的纳米ZnO/AlN异质结的制备方法，其特征在于所述氮化铝薄膜的厚度为400nm。
6.根据权利要求1所述的高效率发光的纳米ZnO/AlN异质结的制备方法，其特征在于所述磁控溅射所采用的靶材为氧化锌、氮化铝或铝靶。
7.根据权利要求1所述的高效率发光的纳米ZnO/AlN异质结的制备方法，其特征在于所述磁控溅射所采用的衬底为硅或其它材料衬底。
8.根据权利要求1所述的高效率发光的纳米ZnO/AlN异质结的制备方法，其特征在于所述磁控溅射所采用的溅射气氛为Ar+O2 或Ar+N2。
9.根据权利要求1所述的高效率发光的纳米ZnO/AlN异质结的制备方法，其特征在于所述化学溶液法采用的前驱体为乙酸锌和六亚甲基四胺。
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