CN1674230A - 一种硅衬底纳米氧化锌及其制备方法和应用 - Google Patents

一种硅衬底纳米氧化锌及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硅衬底纳米氧化锌及其制备方法和应用，本发明提供的硅衬底纳米氧化锌，由硅衬底及均匀定向生长在硅衬底上的纳米氧化锌组成，所述纳米氧化锌具有六方相的晶相，所述纳米线的直径为80－120纳米，长度为1－100微米。本发明提供的制备硅衬底纳米氧化锌的方法，包括如下步骤：1)利用电子束蒸发或磁控溅射的方法在硅衬底上蒸镀金催化剂，采用纯金属锌为蒸发源；2)经抽真空洗气后，在惰性气体保护下，将反应腔的温度升至450－550℃，然后引入惰性气体与O2的混合气体，反应10－30分钟。本发明的硅衬底纳米氧化锌在制备Spindt型冷阴极或纳米紫外和蓝光光源结构材料中将得到广泛应用。

Description

一种硅衬底纳米氧化锌及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及纳米半导体材料及其制备方法和应用，特别是涉及一种硅衬底纳米氧化锌及其制备方法和应用。
背景技术
目前，具有宽禁带(直接带隙为3.4eV)的纤锌矿氧化锌晶体，由于其良好的化学稳定性，较低的电子亲和势(electron affinity)和极高的激子束缚能(60meV)使其在真空微电子器件(Vacuum Microelectronic)和蓝光LED&LD等方面具有潜在的商业价值。近年来，准一维纳米半导体材料以其独特的光电特性引起学术界和企业界广泛的关注。基于纳米半导体的光电器件的研制必将给半导体工业带来革命性的变革。制作基于纳米半导体的器件首先要解决的问题是用一种合理的方法将纳米单元(纳米线或纳米颗粒)组织成某种有序的组织结构(例如，纳米线的取向阵列)，特别是在光电器件的应用方面，要求衬底是一种导电材料。由于基于硅的微加工工艺已经极其成熟，如果将氧化锌纳米线集成到硅衬底上，将使纳米氧化锌的器件开发大大简化，成本降低。
但是，由于硅与氧化锌具有较大的晶格失配和化学差异性，使得在硅衬底上获得定向生长的氧化锌纳米线阵列，在技术上具有很大的难度。
发明内容
本发明的目的是提供一种硅衬底纳米氧化锌。
本发明所提供的硅衬底纳米氧化锌，由硅衬底及均匀定向生长在硅衬底上的纳米氧化锌组成，所述纳米氧化锌具有六方相的晶相，所述纳米线的直径为80-120纳米，长度为1-100微米。
优选的情况下，所述氧化锌纳米线可垂直生长于硅衬底上。
本发明的另一个目的是提供制备上述硅衬底纳米氧化锌的方法。
本发明所提供的制备硅衬底纳米氧化锌的方法，包括如下步骤：
1)利用电子束蒸发或磁控溅射的方法先在硅衬底上蒸镀金催化剂，采用纯金属锌为蒸发源，放入反应腔。
2)经抽真空洗气后，在惰性气体保护下，将反应腔的温度升至450-550℃，然后引入惰性气体与O2的混合气体，反应10-30分钟。
反应结束后反应腔还需在惰性气体保护下冷却到室温，所用到的惰性气体通常为高纯Ar气。
步骤1)所述的硅衬底为n型硅衬底，优选为高掺的n型硅衬底；硅衬底与蒸发源为垂直取向，距离控制在4-6mm；步骤2)所述的升温速率为10-20℃/min。
本发明利用低温(450-550℃)化学气相沉积方法，成功地在掺杂的n型硅衬底上制备出垂直定向生长的氧化锌纳米线阵列。由于氧化锌具有较低的电子亲和势(electron affinity)、固有的n掺杂特性、良好的化学稳定性及抗溅射本领，而且采用本发明的方法制备的这种氧化锌纳米线阵列具有纳米量级的端头，垂直的取向，是一种理想的场发射冷阴极结构材料。由于量子束缚效应使得纳米氧化锌的激子能级密度得到增强，从而大大的提高了其室温发光效率，利用这种纳米氧化锌阵列可以用于制作紫外及蓝光发光纳米二极管(LED)或纳米激光二极管(LD)。另外，由于纳米线良好的单晶性，使得电子在晶格中的输运效率与传统的多晶薄膜相比得到提高，通过适当的染料修饰可以利用这种阵列制作太阳能转化器件。
附图说明
图1为本发明硅衬底上定向生长的氧化锌纳米线扫描电镜照片
图2为与传统微加工刻蚀技术结合在硅片上获得的选择生长的氧化锌纳米线图案
图3为本发明氧化锌纳米线的室温光致发光谱
具体实施方式
实施例1、硅衬底氧化锌纳米线的制备
氧化锌纳米线的制备采用化学气相沉积(CVD)的方法，在普通的水平管式炉中进行：首先利用电子束蒸发的方法在高掺的n型硅(电阻率＜0.01欧姆/厘米)衬底上蒸镀厚度为5纳米的单质金(Au)薄膜。然后以高纯金属锌为蒸发源，衬底和蒸发源采用垂直取向，两者距离控制在5mm左右。经抽真空洗气后，以200sccm的流量通入高纯Ar，然后以20℃/min速率，将反应腔的温度升至500℃。保持高纯Ar的流量(200sccm)，同时引入Ar与O2的混合气体(O2/Ar：5％，流量为1sccm)，反应30分钟。反应结束后反应腔在Ar气保护下自然冷却至室温，即得产品。
实施例2、硅衬底纳米氧化锌及其光致发光谱
X射线衍射表明，纳米氧化锌晶体的晶相为六方相。如图1的扫描电镜照片所示，在硅衬底上均匀地定向生长出ZnO纳米线阵列。纳米线直径为80-120纳米，沿c轴方向生长，垂直于硅衬底。该氧化锌纳米线呈现出稳定、高效的场发射效率。经实验测试，对应于电流密度为0.1μA/cm2的开启外加电场强度为6.0V/μm，对应于电流密度为1mA/cm2的阈值电场强度为11V/μm，足以满足平板显示的要求。
由于氧化锌纳米线的生长具有对金催化剂的选择性的特点，如图2所示，与传统微加工刻蚀技术结合可以在硅片上获得选择生长的氧化锌纳米线阵列，将本发明与传统的硅半导体工艺和成熟的光刻技术结合使得Spindt型冷阴极制作变得简单易行。
从图3所示的氧化锌纳米线阵列的室温光致发光谱可以看出，由于量子束缚效应使得纳米氧化锌的激子能级密度得到增强，从而大大的提高了其室温发光效率，使得氧化锌纳米线阵列成为一种良好纳米紫外和蓝光光源结构材料。

Claims (10)

1、一种硅衬底纳米氧化锌，它由硅衬底及均匀定向生长在硅衬底上的纳米氧化锌组成，所述纳米氧化锌具有六方相的晶相，所述纳米线的直径为80-120纳米，长度为1-100微米。
2、根据权利要求1所述的硅衬底纳米氧化锌，其特征在于：所述氧化锌纳米线垂直于硅衬底。
3、一种制备硅衬底纳米氧化锌的方法，包括如下步骤：
1)利用电子束蒸发或磁控溅射的方法在硅衬底上蒸镀金催化剂，采用纯金属锌为蒸发源；
2)经抽真空洗气后，在惰性气体保护下，将反应腔的温度升至450-550℃，然后引入惰性气体与O2的混合气体，反应10-30分钟。
4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述反应结束后还需在惰性气体保护下冷却到室温。
5、根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述惰性气体为纯Ar气。
6、根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤1)所述的硅衬底为n型硅衬底。
7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述n型硅衬底为高掺的n型硅衬底。
8、根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤1)所述的硅衬底与蒸发源为垂直取向，距离控制在4-6mm。
9、根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤2)所述的升温速率为10-20℃/min。
10、权利要求1所述的硅衬底纳米氧化锌在制备Spindt型冷阴极或纳米紫外和蓝光光源结构材料中的应用。
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