本發(fā)明屬于納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高效率發(fā)光的納米ZnO/AlN異質(zhì)結(jié)的制備方法。

背景技術(shù)：

氧化鋅（ZnO）是一種多功能直接寬帶隙（3.37eV）半導(dǎo)體材料，其室溫激子束縛能高達(dá)60meV，高于室溫能量（25meV），具有近紫外的發(fā)射波長(zhǎng)。納米陣列結(jié)構(gòu)的氧化鋅與體單晶或薄膜材料相比具有更大的比表面積和大的長(zhǎng)度與直徑比，所以其光電器件具有高的靈敏性和快的響應(yīng)速度。此外由于納米材料中存在的小尺寸量子限域效應(yīng)，使納米ZnO具有更高的光電量子效率，這可應(yīng)用于藍(lán)紫光激光器或發(fā)光二極管、太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域，從而提高器件的性能。氮化鋁（AlN）是所有Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料中禁帶寬度最大的直接帶隙半導(dǎo)體材料（Eg=6.2eV），帶間躍遷發(fā)射波長(zhǎng)可進(jìn)入深紫外波段，氮化鋁和氧化鋅具有相同的纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，晶格參數(shù)匹配較好，同時(shí)帶隙接近ZnO的兩倍，為利用異質(zhì)結(jié)超注入比特性來(lái)提高發(fā)光效率，提供了物理基礎(chǔ)。

氧化鋅和氮化鋁的制備成本低廉，氧化鋅與氮化鎵相比，其禁帶寬度接近，氧化鋅的激子束縛能遠(yuǎn)高于氮化鎵，有報(bào)道稱氧化鋅材料的量子效率約是氮化鎵的3倍，在光電器件尤其是短波長(zhǎng)藍(lán)光LED方面，被認(rèn)為是GaN基藍(lán)光LED的理想替代者。因此高效低成本納米ZnO/AlN異質(zhì)結(jié)的制備對(duì)其在半導(dǎo)體器件及半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用方面具有重要的意義。

目前，ZnO低維結(jié)構(gòu)材料的制備及其器件研究受到越來(lái)越多研究者的關(guān)注，出現(xiàn)許多關(guān)于氧化鋅低維結(jié)構(gòu)材料及氧化鋅基半導(dǎo)體器件光學(xué)和電學(xué)性能的報(bào)道，但是尚未有關(guān)于高效發(fā)光納米ZnO/AlN異質(zhì)的詳細(xì)報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種新型高效率發(fā)光的納米ZnO/AlN異質(zhì)結(jié)的制備方法，采用磁控濺射和化學(xué)溶液法相結(jié)合的方式，獲得了低成本高效發(fā)光的ZnO/AlN異質(zhì)結(jié)，其光致發(fā)光性能十分顯著，可為ZnO低維結(jié)構(gòu)材料在高量子效率光電器件方面，特別是高效藍(lán)光LED的應(yīng)用方面提供有效的技術(shù)支撐。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種高效率發(fā)光的納米ZnO/AlN異質(zhì)結(jié)的制備方法，包括如下步驟：

一、將襯底浸入濃硫酸和雙氧水混合溶液中，在80～100℃保溫5～15min，去除表面氧化物，然后分別在丙酮、去離子水以及乙醇溶液中各超聲清洗5～15min，浸泡在乙醇中待用。

本步驟中，所述濃硫酸和雙氧水混合溶液中，濃硫酸與雙氧水的體積比為3:7。

二、通過(guò)磁控濺射技術(shù)在襯底上制備氧化鋅種子層。

本步驟中，所述氧化鋅種子層的厚度約為40nm。

三、通過(guò)化學(xué)溶液法在濺射有氧化鋅種子層的襯底上生長(zhǎng)氧化鋅納米陣列。

本步驟中，所述氧化鋅納米陣列的厚度約為1.8μm。

四、通過(guò)磁控濺射技術(shù)在氧化鋅納米陣列上濺射氮化鋁薄膜，形成ZnO/AlN異質(zhì)結(jié)。

本步驟中，所述氮化鋁薄膜的厚度約為400nm。

上述方法中，磁控濺射所采用的靶材為氧化鋅、氮化鋁（或鋁）靶，襯底為硅（或其它材料襯底），濺射氣氛為Ar+O₂ 或Ar+N₂，原理是：磁控濺射的過(guò)程中等離子體從目標(biāo)靶材被濺射（如用Al靶，則存在Al與N₂反應(yīng)生成AlN的過(guò)程）沉積到襯底上。

上述方法中，化學(xué)溶液法采用的前驅(qū)體有乙酸鋅、六亞甲基四胺，制備氧化鋅納米陣列的基本過(guò)程如式所示:

Zn²⁺ + 2OH^- ? Zn(OH)₂；

Zn(OH)₂ → ZnO + H₂O。

相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、磁控濺射和化學(xué)溶液法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、靈活性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。

2、采用氧化鋅納米陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)行異質(zhì)結(jié)制備，具有異質(zhì)結(jié)比表面積更大，光電器件具有更高的光電量子效率。

3、工藝簡(jiǎn)單，且通過(guò)改變工藝參數(shù)，可以控制納米氧化鋅的尺寸和氮化鋁對(duì)氧化鋅納米陣列的填充程度，由此來(lái)獲得不同結(jié)合程度的異質(zhì)結(jié)，拓寬氧化鋅基藍(lán)光LED的研究思路。

附圖說(shuō)明

圖1為ZnO陣列的SEM照片；

圖2為ZnO/AlN異質(zhì)結(jié)的SEM截面照片；

圖3為ZnO/AlN異質(zhì)結(jié)的I-V特性曲線；

圖4為ZnO/AlN異質(zhì)結(jié)的PL譜。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說(shuō)明，但并不局限于此，凡是對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。

具體實(shí)施方式一：本實(shí)施方式提供了一種高效率發(fā)光的納米ZnO/AlN異質(zhì)結(jié)的制備方法，首先通過(guò)磁控濺射技術(shù)在襯底上制備氧化鋅納米種子層，其次通過(guò)化學(xué)溶液法在濺射的氧化鋅種子層上制備出高質(zhì)量ZnO低維納米陣列；最后通過(guò)濺射的方法在低維陣列間隙填充AlN，最終形成ZnO/AlN異質(zhì)結(jié)。具體實(shí)施步驟如下：

第一步：將硅片切割為1.0cm×1.5cm大?。ɑ蚋鶕?jù)需要切割成其它尺寸）。

第二步：將1.0cm×1.5cm單晶硅片浸入濃硫酸和雙氧水混合溶液中90℃保溫10min，去除表面氧化物，然后分別在丙酮、去離子水以及乙醇溶液中各超聲清洗10min，浸泡在乙醇中待用。

第三步：通過(guò)磁控濺射制備氧化鋅種子層，其中：磁控濺射所采用的靶材為氧化鋅，濺射氣氛為Ar+O₂。

第四步：以乙酸鋅和六亞甲基四胺為前驅(qū)體，通過(guò)化學(xué)溶液法在在沉積有氧化鋅種子層的硅片襯底上生長(zhǎng)氧化鋅納米陣列，控制反應(yīng)溫度為90℃，時(shí)間為90min，結(jié)束后將樣品用去離子水清洗并用氮?dú)獯蹈伞?/p>

第五步：利用磁控濺射技術(shù)，在溫度為300℃的樣品上于N₂和Ar混合氣氛中濺射1h氮化鋁薄膜，其中：磁控濺射所采用的靶材為氮化鋁（或鋁），濺射氣氛為Ar+N₂，濺射功率、襯底溫度、濺射氣壓及濺射時(shí)間可根據(jù)需要加以調(diào)控。

第六步：待系統(tǒng)自然冷卻后將樣品取出，制備出的樣品即納米ZnO/AlN異質(zhì)結(jié)。

樣品形貌如圖1和2所示，I-V特性曲線如圖3，光學(xué)性能如圖4所示。通過(guò)圖1可以明顯看出：ZnO納米陣列生長(zhǎng)規(guī)整，納米棒呈六棱柱形狀；通過(guò)圖2可看出：AlN對(duì)ZnO納米陣列成功包覆及填充；通過(guò)圖3可看出：ZnO與AlN形成較好的異質(zhì)結(jié)；通過(guò)圖4可看出：納米ZnO/AlN異質(zhì)結(jié)的PL發(fā)光峰遠(yuǎn)高于ZnO納米陣列的發(fā)光峰，這表明納米ZnO/AlN異質(zhì)結(jié)對(duì)提高ZnO的發(fā)光效率起著重要作用。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式按照以下步驟制備納米ZnO/AlN異質(zhì)結(jié)：

第一步：將石英玻璃片切割為1.0cm×1.5cm大小（或根據(jù)需要切割成其它尺寸）。

第二步：將1.0cm×1.5cm石英玻璃分別浸入丙酮、去離子水以及乙醇溶液中各超聲清洗10min，浸泡在乙醇中待用。

第三步：通過(guò)磁控濺射制備氧化鋅種子層，其中：磁控濺射所采用的靶材為氧化鋅，濺射氣氛為Ar+O₂。

第四步：以乙酸鋅和六亞甲基四胺為前驅(qū)體，通過(guò)化學(xué)溶液法在在沉積有氧化鋅種子層的硅片襯底上生長(zhǎng)氧化鋅納米陣列，控制反應(yīng)溫度為90℃，時(shí)間為90min，結(jié)束后將樣品用去離子水清洗并用氮?dú)獯蹈伞?/p>

第五步：利用磁控濺射技術(shù)，在溫度為300℃的樣品上于N₂和Ar混合氣氛中濺射1h氮化鋁薄膜，其中：磁控濺射所采用的靶材為氮化鋁（或鋁），濺射氣氛為Ar+N₂，濺射功率、襯底溫度、濺射氣壓及濺射時(shí)間可根據(jù)需要加以調(diào)控。

第六步：待系統(tǒng)自然冷卻后將樣品取出，制備出的樣品即納米ZnO/AlN異質(zhì)結(jié)。