[发明专利]一种纳米ZnO半导体结阵列及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于低维纳米材料和纳米技术领域，特别涉及一种纳米ZnO半导体结阵列及其制备方法。

背景技术

ZnO一维纳米结构具有独特的光电性能，在激光、场发射、光电子器件等领域有新的潜在应用前景，因而得到了广泛而深入的研究。在基底上高度有序生长的ZnO纳米材料可制作短波长激光器(Huang M H，Mao S，Feick H，et al.Science，2001，292：1897-1899.)和太阳能电池(Jason B.Baxter，Eray S.Aydil，Applied Physics Letters，2005，86，053114.)。目前，制备ZnO纳米阵列的方法很多，有化学气相沉积法(CVD)、电化学沉积法、湿化学法、模板法等。其中液相法制备ZnO阵列具有低温、廉价、反应条件易控等优点。

半导体结是半导体器件的基础。已报道的一维纳米ZnO半导体结阵列多为等径纳米柱阵列(S.F.Yu，Clement Yuen，S.P.Lau，Applied Physics Letters，2004，84，3241-3243.和Y.Yang，X.W.Sun，B.K.Tay，G.F.You，S.T.Tan，and K.L.Teo，AppliedPhysics Letters，2008，93，253107.)，在ZnO微米阵列上生长ZnO纳米柱阵列，并对上、下两层ZnO柱阵列进行不同元素或不同程度的掺杂，构成半导体结尚没有报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米ZnO半导体结阵列及其制备方法。首先采用CVD方法在Si衬底上制备出ZnO籽晶，然后将籽晶放置在溶液中继续生长；将溶液法生长后的产物进行热处理，冷却后再进行一次溶液法生长即可获得所需要的产物。在两次溶液法生长过程中可以对ZnO进行掺杂，实现在ZnO微纳米阵列之上生长ZnO纳米阵列的半导体结结构。

本发明的纳米ZnO半导体结阵列是以ZnO为基，由下层ZnO微纳米柱阵列和上层ZnO纳米柱阵列构成，单根微纳米ZnO柱之上生长纳米ZnO柱阵列，同时下层微纳米ZnO柱也构成阵列，且上、下两层为不同元素掺杂或不同程度掺杂的ZnO柱阵列。

如图1所示，其中1为下层的微纳米ZnO柱阵列，2为上层的纳米ZnO柱阵列。

本发明提供了一种在Si衬底上生长纳米ZnO半导体结阵列的方法，具体步骤如下：

1、采用化学气相沉积方法在Si衬底上沉积ZnO薄膜。

1)按10∶1～12∶1的质量比称取Zn粉和C粉，均匀混合后作为混合源。

2)将混合源放入氧化铝小舟中，并将洗净干燥后的Si片置于其正上方，Si片与混合源的垂直距离为4～6mm。

3)将装有混合源和Si片的氧化铝小舟推入水平管式炉中进行化学气相沉积，将管式炉以12～18℃/min的速度升至750～800℃，保温2～10min，等炉温降至室温后取出Si片。此时Si片朝下的一面沉积一层溶液法所需的籽晶层。

2、采用溶液法在CVD制备的ZnO籽晶层上生长ZnO微米柱阵列。

1)将等体积的45～150mM的硝酸锌[Zn(NO₃)₂·6H₂O]和45～100mM的六亚甲基四胺[C₆H₁₂N₄]配成溶液。向溶液中加入摩尔量为溶液中Zn²⁺离子摩尔量0～20％的掺杂离子。

2)将所配溶液在电磁搅拌炉上边加热边搅拌至80～95℃，并使其保持在该温度，将采用CVD法制备的Si片上有ZnO籽晶层的一面朝下悬浮于液面上或悬挂于液体中，并用薄片盖住容器，以避免溶液过分蒸发。

3)在该温度保温2～5h后从溶液中取出Si片，在去离子水和无水乙醇中漂洗，以去除Si片上容易脱落的沉积物。空气中晾干后备用。

3、对步骤2中Si片上所得ZnO产物进行热处理。

将步骤2中所得生长有ZnO的Si片放入水平管式炉中，将管式炉炉温以12～18℃/min的速度升至300～800℃，保温1～6h。保温过程结束后Si片可以随炉冷却至室温后取出，也可以在降温过程中任何时刻取出空气中冷却至室温。

4、对步骤3所得Si片重复步骤2过程，得到纳米ZnO半导体结阵列。

所述掺杂离子为In³⁺、Ga³⁺、Mg²⁺等，且步骤2、4所加掺杂离子的量不能同时为0。

本发明的优点在于：