[发明专利]一种p型ZnO纳米线的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及p型ZnO纳米线的制备技术，砷掺杂制备p型ZnO纳米线的方法，属于半导体材料领域，特别涉及一种采用化学气相沉积方法利用砷的化合物做为掺杂源，进行p型ZnO纳米线的制备方法。

背景技术

ZnO是继GaN之后又一新型的宽带隙半导体材料，具有较GaN材料更高的激子束缚能，可以在室温甚至于更高温度下实现高效的与激子相关的发射。与体材料或薄膜材料相比，ZnO纳米线由于其在维度上受限，使激子束缚能进一步增加，使其具有更高效的激子发射性能。为了实现其光电器件的应用，p型ZnO纳米线的掺杂成为目前最重要的问题，同时也成为ZnO材料研究的前沿方向。

P型ZnO的掺杂杂质通常为V族元素，如氮、磷、砷等。一般认为氮在ZnO中是一个浅受主能级，但是，由于ZnO纳米线最常采用的制备方法是化学气相沉积方法，这种方法是在高温的条件下制备ZnO纳米线，氮的溶解度在高温下很低，难以实现氮的掺入。采用砷、磷等材料扩散的方法可以实现砷的掺入，但是由于这种方法很难控制且通常是在生长以后进行的，砷、磷扩散的同时也会造成ZnO纳米线质量变差，从而影响后期器件的制备。

化学气相沉积方法是制备ZnO纳米线最常用的方法，利用这种方法可以制备出高质量排列的未掺杂的n型ZnO纳米线，而p型ZnO纳米线的制备是目前研究的热点及难点。

发明内容

本发明的目的是克服目前p型ZnO纳米线难以获得的问题，提供一种利用砷的化合物蒸气压较高的特性，将砷的化合物与锌粉作为气相沉积的源材料，在一定温度下与氧反应可以实现砷掺杂的p型ZnO纳米线的制备。由于这种方法是基于热平衡下进行的，可以获得高质量的ZnO纳米线，这对于实现基于这种高质量p型ZnO纳米线的ZnOp-n结发光二极管器件是十分有利的。

本发明的技术方案是：

本发明所述的砷掺杂的p型ZnO纳米线是基于化学气相沉积系统。砷掺杂的p型ZnO纳米线的制备工艺步骤如下。

(1)对高纯的锌粉与砷的化合物的粉末按质量比2/1～100/1进行称量后，放入石英坩埚内，与清洗过的衬底一同放入化学气相沉积系统的石英管内；

(2)将石英管内的压力控制在1000Pa以下，开始加热至400～700℃范围内某一温度点。通入氧气，其流量为50-500ml/min，开始纳米线的生长；

(3)根据所需的ZnO纳米线长度控制生长时间，生长速度为0.1～10μm/h；

(4)生长完成后，关闭氧气，关闭衬底加热丝，缓慢降温到100℃以下取出样品。

上述砷的化合物可以采用砷化镓或砷化铟或砷化锌等高蒸气压的砷的化合物中的一种或几种化合物。

衬底采用蓝宝石、Si、GaAs、InP、CaF₂、石英、玻璃以及金属衬底等均可。

本发明通过调节锌与砷的化合物的摩尔百分含量可以制备不同掺杂浓度的砷掺杂p型ZnO纳米线。

本发明的效果及益处是提供一种简单的砷掺杂的p型ZnO纳米线的制备方法，克服p型ZnO纳米线制备困难的问题，进而可制备出p-n结型ZnO纳米线光电器件。

附图说明

图1是本发明采用的化学气相沉积系统中内部沉积系统的示意图，石英管外部加热腔体未给出。

图中：1为进气口；2为石英管；3为石英坩锅；4为蒸发源；5为衬底；6为抽气口；

图2是获得的p型ZnO纳米线的X射线衍射图样(XRD)。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

实施例1

生长直径约为100nm的p型ZnO纳米线阵列

(1)对高纯锌粉与砷化镓的粉末按质量比6/1进行称量后，放入石英坩埚内，与清洗过的硅衬底一同放入化学气相沉积系统的石英管内。

(2)将石英管抽真空至1000Pa以下，当温度加热至650℃时，通入氧气，其流量为100ml/min，开始纳米线的生长，生长时间为30分钟。

(3)生长完成后，关闭氧气，关闭加热电源，缓慢降温到100℃以下取出样品。

利用本发明，制备出了直径约为100nm的p型ZnO纳米线。X射线衍射谱表明，只有ZnO(002)衍射峰出现，表明本发明方法制得的As掺杂的p型ZnO纳米线具有良好的结晶质量，扫描电子显微镜可以看出制备的ZnO纳米线垂直与衬底生长，且密度、直径和长度均匀，其长度为1.5-2μm，直径约为100nm。

实施例2

生长直径约为50nm的p型ZnO纳米线阵列