[发明专利]一种大面积生长氧化锌微米墙的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用具有裂纹的硅基氮化镓薄膜为衬底制备氧化锌微米墙的方法，属于半导体材料及其制备技术领域。

背景技术

氧化锌(氧化锌)是一种宽禁带(Eg=3.4eV)直接带隙半导体材料，具有较高的熔点和激子束缚能（60mev），这些大大提高了氧化锌材料的激发机制，降低了室温下的激发阈值。此外，氧化锌的熔点为1975°C，具有很高的热稳定性和化学稳定性。同时它也是一种多功能氧化物材料，它具有压电、电学和光学等方面的优异性能，被广泛用于制备气敏传感器、超声振荡器、太阳能电池的透明电极等功能材料器件。氧化锌作为发光材料，在发光二极管、激光器、阴极射线发光等领域也有广泛的应用，加上原材料资源丰富、价格便宜，对环境无毒害的应用前景，是近年来人们的研究热点。随着宽带隙半导体物理的发展，以及人们对微米纳米结构认识的不断深入和纳米科学技术带来的材料性能的奇特变化，使氧化锌微米纳米结构材料的制备及其相关研究逐渐成为一个新的方向。

目前有许多研究是通过改变各种反应条件来生长氧化锌材料，究其主要方法，还是多采用金属催化气相转移、高温热解法和高温物蒸发法制备氧化锌材料。但是因该类方法反应温度高于1000°C，气氛条件要求严格，且设备昂贵等，不利于大规模生产，与半导体工艺不兼容，亦不利于器件的集成。而且许多的氧化锌报道都是基于纳米量级，也有氧化锌微米带方面的报道，但总体较少。同时目前对于氧化锌材料的可控生长，往往利用光刻的模版进行定向，因而具有较高的成本，不利于大规模生产。

本发明采用的衬底为在硅衬底上生长的氮化镓材料，硅衬底具有价格低、优良的电导性、高热导率、可获得大直径单晶等优势，此外，由于硅材料的加工工艺和集成技术已经非常成熟，硅衬底上制备的GaN器件光电器件可以和成熟的Si电子器件集成工艺结合实现同一芯片上的光电集成，但是以Si(111)为衬底上生长的GaN来说，由于热膨胀系数差别较大(54％)，导致GaN薄膜在降温过程中产生巨大的张应力。通常Si衬底生长GaN层的厚度超过一定厚度(约1μm)时，就会引起薄膜开裂。开裂后的GaN薄膜将无法制备成器件。

本发明采用水溶液法制备氧化锌微米级材料，主要注重于微米级的氧化锌其缺陷很小，而且主要是单晶结构，适用于做光电子器件等。但现有微米级的氧化锌或制备工艺复杂，所需原料为昂贵的高纯度金属锌，制作成本高,或制得产物的纯度低。因此，能在温和条件下实现氧化锌材料的合成，特别是氧化锌微米量级材料的合成和可控性生长，是氧化锌微米材料实现应用面临的必要问题。

发明内容

本发明的目的是为在纳米电子，光电器件等方面有广泛应用前景的氧化锌微米墙的可控合成提供一个简单有效的方法，此方法不需要催化剂，不需要高温处理，利用生长中废弃的硅基氮化镓材料作为衬底，利用其表面产生的裂纹诱导生长氧化锌微米墙，从而实现大面积获得超长氧化锌微米墙的定向生长。

本发明的一方面是公开一种氧化锌微米墙材料，其通过下述方法制备：将生长具有裂纹的硅基氮化镓衬底，置于乙酸锌和六次甲基四胺配置成的水溶液中，通过低温水溶液方法，利用硅基氮化镓衬底的表面裂纹诱导作用使氧化锌材料在裂纹处优先成核继而自组装成氧化锌微米墙材料。

本发明所利用的生长废弃的具有裂纹的硅基氮化镓衬底，具体是指金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长后表面具有裂纹的硅基氮化镓衬底，该衬底为利用MOCVD系统在Si(111)衬底片生长GaN膜，由于GaN与衬底存在着比较大的晶格失配以及热膨胀系数失配，为了释放由于上述失配而造成的外延薄膜内较大的应力，因而在硅衬底生长的氮化镓外延层常常存在着裂纹。而这种具有裂纹的氮化镓衬底由于无法制备成器件，往往被废弃，本发明正是利用了其产生的裂纹，使其充当模版，利用裂纹诱导作用生长氧化锌微米墙结构材料。

本发明的一方面在于公开上述氧化锌微米墙材料的制备方法，氧化锌微米墙结构材料产品的是采用低温水溶液方法制备合成得到的，其具体工艺步骤如下：

(1)选取生长废弃的具有裂纹的硅基氮化镓衬底，清洗干燥备用；

(2)配置生长溶液，按照30~50mM:30~50mM：100ml的比例，分别称取乙酸锌、六次甲基四氨和去离子水，混合并使其充分溶解，其中，乙酸锌、六次甲基四氨的摩尔比为1:1，混合后使其溶解；

(3)将步骤(1)获得的具有裂纹的硅基氮化镓衬底置于步骤(2)获得的生长溶液中，升温至90℃后，在该温度下反应30min~90min；

(4)反应结束后，取出衬底，并用去离子水冲洗干净，烘干。