專利名稱：一種納米材料電子與光電子器件及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米電子與光電子器件的結(jié)構(gòu)與制備方法，特別是一種基于選擇氧化技術(shù)獲得絕緣介電層制備納米電子與光電子器件及制備的方法。
背景技術(shù)：
納米材料和納米材料的功能化加工是當(dāng)今新材料研究領(lǐng)域最富有活力的研究對(duì)象，也是納米科技最為活躍、最接近應(yīng)用的重要組成部分，對(duì)未來(lái)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展有著十分重要影響。半導(dǎo)體納米材料作為納米功能材料中重要的一部分，有著獨(dú)特的性質(zhì)，在電子、 光電子、能源、生物等方面都有著重要的應(yīng)用。近年來(lái)，納米材料的電子與光電子器件研究取得了引人注目的成就。特別是半導(dǎo)體材料(如硅、砷化鎵、氮化鎵、氧化鋅等)的納米結(jié)構(gòu)(如納米帶、納米線、納米點(diǎn)等)相繼被制備出來(lái)，并被加工成多種器件(如場(chǎng)效應(yīng)晶體管、光電ニ極管等)。納米材料需要在合理的方法和エ藝下制備加工，與電極形成可靠而有效的電學(xué)接觸和完整的器件結(jié)構(gòu)，才能夠?qū)崿F(xiàn)其在電子和光電子方面的功能。由于納米材料尺寸小(范圍從幾納米到幾百納米)，形貌結(jié)構(gòu)多祥，目前加工半導(dǎo)體納米材料往往需要電子束光刻等高精度的微加工エ藝，這些エ 藝成本高，加工方法受限制。納米材料的大規(guī)模器件化加工及應(yīng)用仍然面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是，提出ー種納米材料電子與光電子器件及制備方法，對(duì)納米材料進(jìn)行加工，形成有效的電極接觸，實(shí)現(xiàn)其電子和光電子方面的功能。本發(fā)明方法避免復(fù)雜而昂貴的微加工エ藝，可實(shí)現(xiàn)納米器件低成本、大批量的加工。本發(fā)明技術(shù)方案是ー種納米材料電子與光電子器件，器件的結(jié)構(gòu)特征在干，包括襯底、下電極、納米材料、絕緣介電層和上電極五個(gè)部分，所述的絕緣介電層選擇金屬氧化技術(shù)獲得絕緣介電層，上下電極與納米材料形成良好的電學(xué)接觸，絕緣介電層在上下電極之間防短路，保證電荷通過(guò)上下電極流經(jīng)納米材料，即可實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體納米器件的功能。本發(fā)明納米材料電子與光電子器件的制備方法，步驟如下將納米材料分步排列在清洗干凈的載片上；運(yùn)用真空蒸鍍エ藝在該載片表面沉積金屬薄膜，金屬薄膜包裹納米材料并形成良好的電學(xué)接觸，形成下電極；具有粘性的襯底粘附該薄膜；在粘性的襯底上施加外力并移開(kāi)粘性的襯底，轉(zhuǎn)移金屬薄膜和包裹的納米的薄膜材料，并形成新的薄膜表面和納米材料表面；通過(guò)選擇氧化技術(shù)，僅在金屬薄膜表面生成絕緣介電層，而在納米材料表基本保持原有狀態(tài)。這ー絕緣介電層將有效絕緣隔離上下電極。進(jìn)一歩，在對(duì)絕緣介電層表面鍍金屬層)獲得上電極，構(gòu)成電子或光電子器件。該結(jié)構(gòu)器件對(duì)納米材料的種類、形貌和尺寸具有兼容性。納米材料可以是多種電子材料，如硅、鍺、砷化鎵、氮化鎵、氧化鋅等；納米材料形貌可以是多種低維結(jié)構(gòu)，如納米帯、納米線、納米點(diǎn)等；作為功能材料的納米材料可以進(jìn)行氧化、摻雜等ェ藝，形成核殼結(jié)構(gòu)，也可以選用多種異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體納米材料；納米材料的加工尺寸在幾十納米至幾百納米范圍內(nèi)。襯底是可以是硬質(zhì)的載片(如玻璃、硅片等)，也可以是柔性的膜(如聚合物膜)。作為上電極的薄膜，可以根據(jù)設(shè)計(jì)，選用金屬或半導(dǎo)體薄膜、有機(jī)或無(wú)極薄膜，單層或多層薄膜。作為上電極的薄膜，可以通過(guò)掩膜或光刻エ藝，進(jìn)行圖形化，實(shí)現(xiàn)微小単元的器件。利用真空蒸鍍金屬鋁薄膜與載片粘附カ弱的特性，在襯底上施加外力，轉(zhuǎn)移鋁薄膜和包裹的納米材料。在形成上下電極的エ藝之前，可以對(duì)納米材料表面進(jìn)行其他エ藝處理，如氧化，摻雜，等離子處理，表面分子膜修飾等。絕緣介電層也可以通過(guò)金屬陽(yáng)極氧化的方法獲得。本發(fā)明所述的納米材料電子與光電子器件可以是ニ極管、三極管或光放大管等基本単元。尤通過(guò)選用的納米材料的差異以及一些后續(xù)エ藝，該器件可以作為光探測(cè)器、發(fā)光 ニ極管、太陽(yáng)能電池等，也可以實(shí)現(xiàn)上述結(jié)構(gòu)。本發(fā)明通過(guò)選擇氧化技術(shù)獲得絕緣介電層實(shí)現(xiàn)的納米材料與上下電極的有效接觸，如附圖1所示。該結(jié)構(gòu)包括襯底11、下電極12、納米材料13、絕緣介質(zhì)層14和上電極 15五個(gè)部分。該結(jié)構(gòu)通過(guò)其他方法實(shí)現(xiàn)上電極與外部電路接觸后，即可實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體納米器件的功能。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的加工エ藝按順序，如附圖2所示。半導(dǎo)體納米材料23分步排列在清洗干凈的載片26上；運(yùn)用真空蒸鍍エ藝在該載片表面沉積金屬鋁薄膜22，且連同納米材料一起鍍上了ー層薄膜，該薄膜包裹納米材料并形成良好的電學(xué)接觸，形成下電極；具有粘性的襯底21粘附該薄膜；由于薄膜與載片粘附カ弱，通過(guò)施加外力，轉(zhuǎn)移薄膜和包裹的納米材料，并形成新的鋁薄膜表面和納米材料表面。原先的薄膜仍然存在，只不過(guò)變成了與襯底 21接觸的下表面，而原先與襯底沈接觸的下表面變成了新的表面，這樣原先因?yàn)檎翦兞私饘俦∧ざ徽趽踝〉募{米材料表面又重新漏了出來(lái)，通過(guò)選擇氧化技術(shù)，僅在金屬薄膜表面生成絕緣介電層，而在納米材料表面基本保持原有狀態(tài)。這ー絕緣介電層將有效絕緣隔離上下電極。進(jìn)一歩，在對(duì)表面進(jìn)行處理的基礎(chǔ)上獲得上電極，構(gòu)成電子或光電子器件。本發(fā)明的有益效果是，可以豐富該結(jié)構(gòu)下電子與光電子器件的設(shè)計(jì)，或?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜的器件功能。作為功能材料的納米材料可以進(jìn)行氧化、摻雜等エ藝，形成核殼結(jié)構(gòu)，也可以選用多種異質(zhì)結(jié)納米材料；在形成上下電極的エ藝之前，可以對(duì)納米材料表面進(jìn)行其他 エ藝處理，如氧化，摻雜，等離子處理，表面分子膜修飾等。襯底可以除了選用硬質(zhì)的載片 (如玻璃、硅片等)，也可以是柔性的膜(如聚合物膜)，實(shí)現(xiàn)可以彎折的器件；作為上電極的薄膜，可以根據(jù)設(shè)計(jì)，選用金屬或半導(dǎo)體薄膜、有機(jī)或無(wú)極薄膜，單層或多層薄膜；上電極薄膜可以通過(guò)掩膜或光刻ェ藝，進(jìn)行圖形化，實(shí)現(xiàn)微小単元的器件。本發(fā)明通過(guò)對(duì)納米材料加 ェ，形成有效的電極接觸，實(shí)現(xiàn)其電子和光電子方面的功能。本發(fā)明方法避免復(fù)雜而昂貴的微加工ェ藝，可實(shí)現(xiàn)納米器件低成本、大批量的加工。


圖1是本發(fā)明的底電極結(jié)構(gòu)剖面示意圖2是本發(fā)明的加工エ藝流程剖面示意圖；A-F表示六個(gè)エ藝，見(jiàn)下說(shuō)明。圖3是本發(fā)明的實(shí)例性器件氧化鋅納米線紫外光探測(cè)器的掃描電子顯微鏡(SEM) 照片；
圖4是本發(fā)明的實(shí)例性器件氧化鋅納米線紫外光探測(cè)器的紫外光響應(yīng)電流-時(shí)間曲
線；
圖5是本發(fā)明的實(shí)例性器件氧化鋅納米線紫外光探測(cè)器的光譜響應(yīng)曲線。
具體實(shí)施例方式下面將參照附圖詳細(xì)敘述以半導(dǎo)體納米材料和氧化鋁絕緣節(jié)點(diǎn)薄膜為例的電子與光電子器件結(jié)構(gòu)(該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)多種功能，詳見(jiàn)之前所述)與加工エ藝，并提出本發(fā)明的示例性實(shí)施例。參見(jiàn)圖1，本發(fā)明的納米器件結(jié)構(gòu)包括襯底11、下電極12、半導(dǎo)體納米材料13、絕緣介電層14和上電極15五個(gè)部分。襯底11具有支撐器件和轉(zhuǎn)移功能，在加工制備的具體實(shí)施方式
中用于揭取和支撐鋁薄膜；下電極12是包裹納米材料的鋁薄膜的部分；半導(dǎo)體納米材料13作為器件的功能材料，可以是多種低維形貌的納米材料；絕緣介質(zhì)層14是通過(guò)選擇氧化技術(shù)得到的電學(xué)絕緣層，具有良好的絕緣性，防止上下電極短路；上電極15是通過(guò)薄膜沉積エ藝在13和14上表面沉積的薄膜，可以根據(jù)器件功能選用該薄膜材料和沉積エ 藝。該結(jié)構(gòu)可通過(guò)形成外部電路連接實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體納米器件的功能。本發(fā)明的實(shí)例性器件(實(shí)例性器件為紫外光探測(cè)器)結(jié)構(gòu)中，襯底為涂有高溫膠的硅片，下電極材料為鋁 (Al)，上電極材料為金(Au)，半導(dǎo)體納米材料為氧化鋅納米線(ZnO Nanowire)。參見(jiàn)圖2，圖2的器件可以為光探測(cè)器，本發(fā)明的實(shí)例性加工エ藝包括以下步驟
A)將半導(dǎo)體納米材料23分布排列于清洗干凈的載片表面M；
B)運(yùn)用真空蒸鍍方法，在分布排列著半導(dǎo)體納米材料的載片上無(wú)選擇性地蒸鍍得到鋁薄膜22。蒸鍍過(guò)程載片旋轉(zhuǎn)，鋁薄膜厚度控制在IOOnm以上；但也不大于IOOOnm ；
C)使用高溫膠將襯底21與鋁薄膜粘貼，通過(guò)加熱固化；
D)在襯底上施加外力，揭取轉(zhuǎn)移鋁薄膜和包裹的納米材料，并形成新的鋁薄膜表面和納米材料表面；
Ε)運(yùn)用陽(yáng)極氧化鋁的エ藝，鋁薄膜表面形成氧化鋁薄膜對(duì)。未被氧化的鋁薄膜部分作為下電扱；該電化學(xué)過(guò)程不會(huì)對(duì)半導(dǎo)體納米線的表面形成本質(zhì)的損傷，基本保持原有狀態(tài)；
F)運(yùn)用薄膜沉積エ藝在上表面沉積金薄膜，與半導(dǎo)體納米線接觸，形成上電極25 ； 紫外光光探測(cè)器的典型材料選擇和參數(shù)襯底為涂有高溫膠的硅片，下電極材料為鋁 (Al)，上電極材料為金(Au)，半導(dǎo)體納米材料為氧化鋅納米線(ZnO Nanowire)。鋁薄膜22厚度控制在150nm ；高溫膠(PU膠)將襯底21 (襯底為涂有高溫膠的硅片)與鋁薄膜粘貼，金薄膜，與半導(dǎo)體納米線接觸，形成上電極25。襯底材料也可以采用PS材料片或膜。圖3為經(jīng)由上述加工步驟得到的氧化鋅納米線紫外光探測(cè)器的掃描電子顯微鏡 (SEM)照片。由圖中可以看到該實(shí)例性器件中所使用的納米材料氧化鋅納米線的直徑約150nm，通過(guò)陽(yáng)極氧化得到的氧化鋁絕緣層約35nm，有效地絕緣隔離了上下電極。在該結(jié)構(gòu)中，電荷通過(guò)上電極和下電極流經(jīng)氧化鋅納米線，實(shí)現(xiàn)器件的電子和光電子功能。圖4為氧化鋅納米線紫外光探測(cè)器的紫外光響應(yīng)電流-時(shí)間曲線，該電流在上電極與下電極間外加-IV的外加偏壓測(cè)得，在時(shí)間60s-120s，180s-240s, 300s_360s時(shí)使用紫外光照射，其余時(shí)間為黑暗狀態(tài)。從圖中可以看出在紫外光照射條件下，電流很快増加到約 IO4倍；而在無(wú)光照條件下，電流僅需幾秒即可降低到紫外光照條件下的1/10，由此可以看出該器件可以有效地進(jìn)行紫外光探測(cè)。圖5為氧化鋅納米線紫外光探測(cè)器的光譜響應(yīng)圖，可以看到峰值在380nm左右，對(duì)應(yīng)于氧化鋅材料的禁帶寬度，而在可見(jiàn)光范圍內(nèi)幾乎沒(méi)有響應(yīng)，對(duì)應(yīng)紫外光有著良好的選擇性，可以作為紫外光探測(cè)器使用。
權(quán)利要求
1.ー種納米材料電子與光電子器件，其特征是器件的結(jié)構(gòu)包括襯底、下電極、納米材料、絕緣介電層和上電極五個(gè)部分，所述的絕緣介電層選擇金屬氧化技術(shù)獲得絕緣介電層， 上下電極與納米材料形成良好的電學(xué)接觸，絕緣介電層在上下電極之間，保證電荷通過(guò)上下電極流經(jīng)納米材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米材料電子與光電子器件，其特征是器件為光探測(cè)器或紫外探測(cè)器、發(fā)光二極管、太陽(yáng)能電池。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米材料電子與光電子器件，其特征是襯底為硬質(zhì)的載片或柔性的聚合物膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米材料電子與光電子器件，其特征是作為上電極的薄膜， 選用金屬或半導(dǎo)體薄膜、有機(jī)或無(wú)極薄膜，單層或多層薄膜；上電極的薄膜，通過(guò)掩膜或光刻エ藝，進(jìn)行圖形化，實(shí)現(xiàn)微小単元的器件。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的納米材料電子與光電子器件，其特征是鋁薄膜厚度控制在 150nm;高溫膠將襯底與鋁薄膜粘貼，金薄膜與半導(dǎo)體納米線接觸形成上電極，納米材料為氧化鋅納米線，直徑150nm，通過(guò)陽(yáng)極氧化得到的氧化鋁絕緣層35nm，構(gòu)成紫外探測(cè)器。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的納米材料電子與光電子器件，其特征是納米材料的加工尺寸在幾十納米至幾百納米范圍內(nèi)；納米材料硅、鍺、砷化鎵、氮化鎵或氧化鋅；納米材料形貌是低維結(jié)構(gòu)的納米帶、納米線或納米點(diǎn)。
7.納米材料電子與光電子器件的制備方法，其特征是步驟如下將納米材料分步排列在清洗干凈的載片上；運(yùn)用真空蒸鍍エ藝在該載片表面沉積金屬薄膜lOO-lOOOnm，金屬薄膜包裹納米材料并形成良好的電學(xué)接觸，形成下電極；用具有粘性的襯底粘附該薄膜；在粘性的襯底上施加外力并移開(kāi)粘性的襯底，轉(zhuǎn)移金屬薄膜和包裹的納米材料，并形成新的薄膜表面和納米材料表面；通過(guò)氧化新的薄膜表面，在金屬薄膜表面生成絕緣介電層，而在納米材料表面基本保持原有狀態(tài)；這ー絕緣介電層將有效絕緣隔離上下電極；在對(duì)絕緣介電層表面鍍金屬層獲得上電扱，構(gòu)成電子或光電子器件。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的納米材料電子與光電子器件的制備方法，其特征是利用真空蒸鍍金屬鋁薄膜與載片粘附カ弱的特性，在襯底上施加外力，轉(zhuǎn)移鋁薄膜和包裹的納米材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的納米材料電子與光電子器件的制備方法，其特征是在形成上電極的エ藝之前，對(duì)納米材料表面進(jìn)行其他エ藝處理，如氧化，摻雜，等離子處理，表面分子膜修飾；絕緣介電層通過(guò)金屬陽(yáng)極氧化的方法獲得。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的納米材料電子與光電子器件的制備方法，其特征是鋁薄膜厚度控制在150nm ；高溫膠將襯底與鋁薄膜粘貼，金薄膜與半導(dǎo)體納米線接觸形成上電極， 納米材料為氧化鋅納米線，直徑150nm，通過(guò)陽(yáng)極氧化得到的氧化鋁絕緣層35nm，構(gòu)成紫外探測(cè)器。
全文摘要
一種納米材料電子與光電子器件，器件的結(jié)構(gòu)包括襯底、下電極、納米材料、絕緣介電層和上電極五個(gè)部分，所述的絕緣介電層選擇金屬氧化技術(shù)獲得絕緣介電層，上下電極與納米材料形成良好的電學(xué)接觸，絕緣介電層在上下電極之間，保證電荷通過(guò)上下電極流經(jīng)納米材料。本發(fā)明通過(guò)對(duì)納米材料加工，形成有效的電極接觸，實(shí)現(xiàn)其電子和光電子方面的功能。本發(fā)明方法避免復(fù)雜而昂貴的微加工工藝，可實(shí)現(xiàn)納米器件低成本、大批量的加工。
文檔編號(hào)H01L31/09GK102544136SQ20121000855
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月12日
發(fā)明者孫華斌, 張 榮, 施毅, 潘力佳, 濮林, 王軍轉(zhuǎn), 王劍宇, 王欣然, 盛贇, 鄭有炓 申請(qǐng)人:南京大學(xué)