專利名稱：一種硅襯底納米氧化鋅及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米半導(dǎo)體材料及其制備方法和應(yīng)用，特別是涉及一種硅襯底納米氧化鋅及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
目前，具有寬禁帶(直接帶隙為3.4eV)的纖鋅礦氧化鋅晶體，由于其良好的化學(xué)穩(wěn)定性，較低的電子親和勢(shì)(electron affinity)和極高的激子束縛能(60meV)使其在真空微電子器件(Vacuum Microelectronic)和藍(lán)光LED&LD等方面具有潛在的商業(yè)價(jià)值。近年來，準(zhǔn)一維納米半導(dǎo)體材料以其獨(dú)特的光電特性引起學(xué)術(shù)界和企業(yè)界廣泛的關(guān)注?；诩{米半導(dǎo)體的光電器件的研制必將給半導(dǎo)體工業(yè)帶來革命性的變革。制作基于納米半導(dǎo)體的器件首先要解決的問題是用一種合理的方法將納米單元(納米線或納米顆粒)組織成某種有序的組織結(jié)構(gòu)(例如，納米線的取向陣列)，特別是在光電器件的應(yīng)用方面，要求襯底是一種導(dǎo)電材料。由于基于硅的微加工工藝已經(jīng)極其成熟，如果將氧化鋅納米線集成到硅襯底上，將使納米氧化鋅的器件開發(fā)大大簡(jiǎn)化，成本降低。
但是，由于硅與氧化鋅具有較大的晶格失配和化學(xué)差異性，使得在硅襯底上獲得定向生長的氧化鋅納米線陣列，在技術(shù)上具有很大的難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種硅襯底納米氧化鋅。
本發(fā)明所提供的硅襯底納米氧化鋅，由硅襯底及均勻定向生長在硅襯底上的納米氧化鋅組成，所述納米氧化鋅具有六方相的晶相，所述納米線的直徑為80-120納米，長度為1-100微米。
優(yōu)選的情況下，所述氧化鋅納米線可垂直生長于硅襯底上。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供制備上述硅襯底納米氧化鋅的方法。
本發(fā)明所提供的制備硅襯底納米氧化鋅的方法，包括如下步驟1)利用電子束蒸發(fā)或磁控濺射的方法先在硅襯底上蒸鍍金催化劑，采用純金屬鋅為蒸發(fā)源，放入反應(yīng)腔。
2)經(jīng)抽真空洗氣后，在惰性氣體保護(hù)下，將反應(yīng)腔的溫度升至450-550℃，然后引入惰性氣體與O2的混合氣體，反應(yīng)10-30分鐘。
反應(yīng)結(jié)束后反應(yīng)腔還需在惰性氣體保護(hù)下冷卻到室溫，所用到的惰性氣體通常為高純Ar氣。
步驟1)所述的硅襯底為n型硅襯底，優(yōu)選為高摻的n型硅襯底；硅襯底與蒸發(fā)源為垂直取向，距離控制在4-6mm；步驟2)所述的升溫速率為10-20℃/min。
本發(fā)明利用低溫(450-550℃)化學(xué)氣相沉積方法，成功地在摻雜的n型硅襯底上制備出垂直定向生長的氧化鋅納米線陣列。由于氧化鋅具有較低的電子親和勢(shì)(electron affinity)、固有的n摻雜特性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性及抗濺射本領(lǐng)，而且采用本發(fā)明的方法制備的這種氧化鋅納米線陣列具有納米量級(jí)的端頭，垂直的取向，是一種理想的場(chǎng)發(fā)射冷陰極結(jié)構(gòu)材料。由于量子束縛效應(yīng)使得納米氧化鋅的激子能級(jí)密度得到增強(qiáng)，從而大大的提高了其室溫發(fā)光效率，利用這種納米氧化鋅陣列可以用于制作紫外及藍(lán)光發(fā)光納米二極管(LED)或納米激光二極管(LD)。另外，由于納米線良好的單晶性，使得電子在晶格中的輸運(yùn)效率與傳統(tǒng)的多晶薄膜相比得到提高，通過適當(dāng)?shù)娜玖闲揎椏梢岳眠@種陣列制作太陽能轉(zhuǎn)化器件。


圖1為本發(fā)明硅襯底上定向生長的氧化鋅納米線掃描電鏡照片圖2為與傳統(tǒng)微加工刻蝕技術(shù)結(jié)合在硅片上獲得的選擇生長的氧化鋅納米線圖案圖3為本發(fā)明氧化鋅納米線的室溫光致發(fā)光譜具體實(shí)施方式
實(shí)施例1、硅襯底氧化鋅納米線的制備氧化鋅納米線的制備采用化學(xué)氣相沉積(CVD)的方法，在普通的水平管式爐中進(jìn)行首先利用電子束蒸發(fā)的方法在高摻的n型硅(電阻率＜0.01歐姆/厘米)襯底上蒸鍍厚度為5納米的單質(zhì)金(Au)薄膜。然后以高純金屬鋅為蒸發(fā)源，襯底和蒸發(fā)源采用垂直取向，兩者距離控制在5mm左右。經(jīng)抽真空洗氣后，以200sccm的流量通入高純Ar，然后以20℃/min速率，將反應(yīng)腔的溫度升至500℃。保持高純Ar的流量(200sccm)，同時(shí)引入Ar與O2的混合氣體(O2/Ar5％，流量為1sccm)，反應(yīng)30分鐘。反應(yīng)結(jié)束后反應(yīng)腔在Ar氣保護(hù)下自然冷卻至室溫，即得產(chǎn)品。
實(shí)施例2、硅襯底納米氧化鋅及其光致發(fā)光譜X射線衍射表明，納米氧化鋅晶體的晶相為六方相。如圖1的掃描電鏡照片所示，在硅襯底上均勻地定向生長出ZnO納米線陣列。納米線直徑為80-120納米，沿c軸方向生長，垂直于硅襯底。該氧化鋅納米線呈現(xiàn)出穩(wěn)定、高效的場(chǎng)發(fā)射效率。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)應(yīng)于電流密度為0.1μA/cm2的開啟外加電場(chǎng)強(qiáng)度為6.0V/μm，對(duì)應(yīng)于電流密度為1mA/cm2的閾值電場(chǎng)強(qiáng)度為11V/μm，足以滿足平板顯示的要求。
由于氧化鋅納米線的生長具有對(duì)金催化劑的選擇性的特點(diǎn)，如圖2所示，與傳統(tǒng)微加工刻蝕技術(shù)結(jié)合可以在硅片上獲得選擇生長的氧化鋅納米線陣列，將本發(fā)明與傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體工藝和成熟的光刻技術(shù)結(jié)合使得Spindt型冷陰極制作變得簡(jiǎn)單易行。
從圖3所示的氧化鋅納米線陣列的室溫光致發(fā)光譜可以看出，由于量子束縛效應(yīng)使得納米氧化鋅的激子能級(jí)密度得到增強(qiáng)，從而大大的提高了其室溫發(fā)光效率，使得氧化鋅納米線陣列成為一種良好納米紫外和藍(lán)光光源結(jié)構(gòu)材料。
權(quán)利要求
1.一種硅襯底納米氧化鋅，它由硅襯底及均勻定向生長在硅襯底上的納米氧化鋅組成，所述納米氧化鋅具有六方相的晶相，所述納米線的直徑為80-120納米，長度為1-100微米。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅襯底納米氧化鋅，其特征在于所述氧化鋅納米線垂直于硅襯底。
3.一種制備硅襯底納米氧化鋅的方法，包括如下步驟1)利用電子束蒸發(fā)或磁控濺射的方法在硅襯底上蒸鍍金催化劑，采用純金屬鋅為蒸發(fā)源；2)經(jīng)抽真空洗氣后，在惰性氣體保護(hù)下，將反應(yīng)腔的溫度升至450-550℃，然后引入惰性氣體與O2的混合氣體，反應(yīng)10-30分鐘。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述反應(yīng)結(jié)束后還需在惰性氣體保護(hù)下冷卻到室溫。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述惰性氣體為純Ar氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于步驟1)所述的硅襯底為n型硅襯底。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述n型硅襯底為高摻的n型硅襯底。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于步驟1)所述的硅襯底與蒸發(fā)源為垂直取向，距離控制在4-6mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于步驟2)所述的升溫速率為10-20℃/min。
10.權(quán)利要求1所述的硅襯底納米氧化鋅在制備Spindt型冷陰極或納米紫外和藍(lán)光光源結(jié)構(gòu)材料中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種硅襯底納米氧化鋅及其制備方法和應(yīng)用，本發(fā)明提供的硅襯底納米氧化鋅，由硅襯底及均勻定向生長在硅襯底上的納米氧化鋅組成，所述納米氧化鋅具有六方相的晶相，所述納米線的直徑為80－120納米，長度為1－100微米。本發(fā)明提供的制備硅襯底納米氧化鋅的方法，包括如下步驟1)利用電子束蒸發(fā)或磁控濺射的方法在硅襯底上蒸鍍金催化劑，采用純金屬鋅為蒸發(fā)源；2)經(jīng)抽真空洗氣后，在惰性氣體保護(hù)下，將反應(yīng)腔的溫度升至450－550℃，然后引入惰性氣體與O
文檔編號(hào)C23C14/24GK1674230SQ20041002990
公開日2005年9月28日 申請(qǐng)日期2004年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月26日
發(fā)明者俞大鵬, 張曄, 賈宏博 申請(qǐng)人:北京大學(xué)