在非极性蓝宝石衬底上生长水平排列氧化锌纳米线的方法

摘要

一种在非极性蓝宝石衬底上生长水平排列氧化锌纳米线的方法，包含以下步骤：步骤1：取一衬底放入MOCVD设备中；步骤2：在MOCVD设备中利用载气通入锌源，在衬底上生长一层锌隔离层；步骤3：在MOCVD设备中利用载气通入锌源和氧源，使得在锌隔离层上得到氧化锌薄膜和氧化锌薄膜上面的平行于衬底表面排列的氧化锌纳米线。

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别是指一种通过控制生长温度、锌源流量和氧源载气流量的大小来生长水平排列氧化锌纳米线的方法。

背景技术

氧化锌(Zn0)材料作为第三代宽禁带半导体材料的代表，能隙为3.37eV，对应于紫外光波段，激子束缚能高达60meV，现已在太阳能电池、声表面波器件、液晶显示、压敏器件、高温、高压等方面显示出了广泛的应用前景，近年来已成为研究的热点。特别是纳米ZnO，如纳米线、纳米棒、纳米柱、纳米带等，由于其具有量子尺寸效应、小尺寸效应等，表现出了与体材料不同的特殊性质，具有很多奇特的性能，在纳光电系统、激光器、场效应晶体管、低压和短波长光电子器件、透明导电材料、单电子晶体管等方面都具有潜在的应用前景。

氧化锌纳米线是一种纳米尺度的线，即在横向上被限制在100纳米以下(纵向没有限制)的一维结构。ZnO纳米线的生长方法很多，主要有气相法、分子束外延法、水热法、电化学法、溶胶-凝胶法、溶液法、金属有机物气相外延法等。较于其他方法，MOCVD法因为其可以实现大面积生长、易于控制、重复性好、易实现商业化等而更具实用性。

近年来，研究者已经通过各种生长技术在蓝宝石衬底上实现了竖直排列的ZnO纳米线阵列以及与衬底表面成特定角度生长的ZnO纳米线结构。与此同时，人们也开始关注水平排列的一维纳米结构的合成，In、Ga、Ge、CaF2、In2O3、GaN等水平排列的纳米结构已有所报道，这将为新型纳米器件的制作提供更为广阔的空间。水平排列的ZnO纳米线结构已经在a面和c面蓝宝石衬底上得以实现，m面衬底上相对较难，鲜有报道。同时，要获得排列整齐的ZnO纳米线，传统方法中一般都需要引入金属作为催化剂，如Au、Cu、Ni和Sn等，将使生长工艺变得复杂且增加了一些不必要的污染。

发明内容

本发明的目的是提供一种非极性蓝宝石衬底上生长水平排列氧化锌纳米线的方法，其可方便地、直接地通过控制生长温度，锌源流量和氧气载气流量的大小来实现。所生长的氧化锌纳米线具有排列整齐、晶体质量高、光学性能好等特点，且纳米线的最小直径可达10纳米，这为将来的氧化锌基纳米器件的实现打下了良好基础。

本发明提供一种在非极性蓝宝石衬底上生长水平排列氧化锌纳米线的方法，包含以下步骤：

步骤1：取一衬底放入MOCVD设备中；

步骤2：在MOCVD设备中利用载气通入锌源，在衬底上生长一层锌隔离层；

步骤3：在MOCVD设备中利用载气通入锌源和氧源，使得在锌隔离层上得到氧化锌薄膜和氧化锌薄膜上面的平行于衬底表面排列的氧化锌纳米线。

其中所述的衬底为m面非极性蓝宝石衬底。

其中所述的锌源和氧源分别为二乙基锌和甲醇。

其中在MOCVD设备中通入锌源和氧源，锌源从衬底侧面流入，氧源从衬底上部流入。

其中所述的载气为氮气。

其中MOCVD设备中的生长温度为550-650℃，反应室的压强为250-350Torr，锌源载气的流量为30-40SCCM，甲醇载气的流量为0.8-1.2SLM。

其中生长锌隔离层时，生长时间为3分钟。

其中所述的氧化锌薄膜和氧化锌纳米线的生长时间为60分钟。

其中所述的氧化锌纳米线的直径为10-30纳米。

本发明的积极效果是：

本发明与传统的氧化锌纳米线制备方法相比，采用了非极性m面蓝宝石作为衬底，实现了平行于衬底表面排列的氧化锌纳米线结构的生长，纳米线的最小直径可达10纳米，且不需要引入任何金属催化剂或采用其他图形衬底技术，因此具有实用性强、工艺简单、操作方便、无污染、制作成本低等优点。

附图说明

为了进一步说明本发明的特征和效果，下面结合附图和实施对本发明做进一步的说明，其中：

图1是本发明的生长流程图；

图2是本发明生长的ZnO纳米线/薄膜的XRD测试结果；

图3是本发明生长的ZnO纳米线/薄膜的室温PL谱。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种在非极性蓝宝石衬底上生长水平排列氧化锌纳米线的方法，包含以下步骤：

步骤1：取一衬底放入MOCVD设备中，该衬底先要经过清洗步骤，先用丙酮超声5至10分钟，用去离子水(DIW)冲洗数次，然后在H₂SO₄∶HNO₃＝1∶1的腐蚀液中煮沸5至10分钟，用大量DIW将衬底冲洗干净，随后将衬底泡在200℃的H₂SO₄∶H₃PO₄＝3∶1的腐蚀液中腐蚀20分钟，用DIW冲洗数次，放入设备之前，用红外灯将衬底烘干，所述的衬底为m面非极性蓝宝石衬底；

步骤2：在MOCVD设备中利用载气通入锌源，在衬底上生长一层锌隔离层，所述的锌源为二乙基锌，锌源保存在一个不锈钢气瓶里，其温度保持在18℃，压强保持在800Torr，所述生长锌隔离层时，生长时间为3分钟，生长锌隔离层之前，反复充抽反应室数次，目的是减少反应室内部杂质分子的影响，其中抽气的时候，压强以100Torr左右的数值减少，不可抽的过猛，然后向反应室内充气以达到生长所需的压强，同时打开加热开关，升高温度至生长温度，当温度达到生长温度后，先在生长温度下烘烤衬底7分钟，目的是去除衬底表面吸收的水分子并且激活衬底表面，当烘烤时间达4分钟时，打开锌源源瓶的控制阀，先开出气手动阀，再开进气手动阀，让锌源在Vent管道内先通一会，使其在通入反应室之前达到气流平稳。当烘烤时间达到7分钟，打开电脑操作界面上的锌源快门，使锌源气流平稳的通入反应室，生长过程中，衬底是旋转的，其转速为140转/分钟；

步骤3：在MOCVD设备中利用载气通入锌源和氧源，所述的氧源为甲醇，锌源为二乙基锌，使得在锌隔离层上得到氧化锌薄膜和氧化锌薄膜上面的平行于衬底表面排列的氧化锌纳米线，打开氧源开关时，先开出气口开关，再开进气口开关，所述的氧化锌薄膜和氧化锌纳米线的生长时间为60分钟，所述的氧化锌纳米线的直径约为10-30纳米。

其中在MOCVD设备中通入锌源和氧源，锌源从衬底侧面流入，氧源从衬底上部流入。

其中步骤2和步骤3中所述的载气为氮气。

其中MOCVD设备中的生长温度为550-650℃，反应室的压强为250-350Torr，锌源载气的流量为30-40SCCM，甲醇载气的流量为0.8-1.2SLM。

生长过程结束后，关闭锌源和氧源，关闭锌源源瓶的控制阀，先关进气手动阀，再关出气手动阀，关闭加热开关，使反应室内部自然冷却至室温，关闭旋转开关，充抽反应室数次，降温至室温。

请参阅如图2所示，在ZnO纳米线/薄膜的XRDθ-2θ衍射图谱中，只有ZnO(100)和(200)面的衍射峰可以观察到，峰位分别在31.8度和66.42度，峰位68.2度所对应的衍射峰为衬底峰，没有观察到ZnO其他晶面或杂质的衍射峰，表明ZnO纳米线/薄膜是单一取向的。

请参阅如图3所示，ZnO纳米线/薄膜的室温PL谱显示在3.28781eV附近有一个近带边紫外发光峰，无其他深能级峰。上述结果表明该方法获得的ZnO纳米线/薄膜的晶体质量良好。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。