通過外加縱向電場控制ZnO生長形貌的方法及其裝置制造方法
【專利摘要】一種通過外加縱向電場控制ZnO生長形貌的方法：取純度大于99.9%的鋅源，稱重后將鋅源放入石英舟內(nèi)，在鋅源的下游方向0.5-4cm處設置上金屬片和下金屬片，外加電壓為5-50V，將清洗干凈的襯底放置到下金屬片上，向石英舟所在的石英管中通入載氣氬氣和反應氣體氧氣，石英管內(nèi)的壓力控制在10萬Pa以下，氬氣流量控制在10-1000ml/min，氧氣流量控制在1-500ml/min，生長溫度控制在400-1000℃，生長時間為10-60min，生長完成后，關(guān)閉氧氣，保持10-1000ml/min的流量繼續(xù)通入氬氣，當石英管內(nèi)的溫度降到室溫后，取出生長出ZnO材料的襯底。這是一種能夠?qū)nO的生長形貌進行控制，以獲得高效、穩(wěn)定紫外發(fā)光器件的方法，以及該種方法所應用的裝置。
【專利說明】通過外加縱向電場控制ZnO生長形貌的方法及其裝置

【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導體材料制備領域，特別是一種通過外加縱向電場控制ZnO生長形 貌的方法及其裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 氧化鋅（ZnO)作為一種重要的寬禁帶半導體材料，其在室溫下的禁帶寬度為 3. 37eV，具有相對較高的激子束縛能60meV，這使得ZnO材料成為下一代短波長光電器件的 最理想候選材料之一，尤其是在藍紫光發(fā)光二極管（LEDs)和激光器（LDs)等領域中有很好 的應用前景和開發(fā)價值。由于ZnO材料在制備過程中會產(chǎn)生很多結(jié)構(gòu)缺陷和表面缺陷，影 響了材料的光電性能，因此，探索ZnO的缺陷及由缺陷引起的可見區(qū)發(fā)光機制，以獲得高效 穩(wěn)定紫外發(fā)光器件也就成為研究學者面臨的重要任務。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述不足，提出一種能夠?qū)nO的生長形貌 進行控制，以獲得高效、穩(wěn)定紫外發(fā)光器件的方法，以及該種方法所應用的裝置。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種通過外加縱向電場控制ZnO生長形貌的方法，其 特征在于：所述的方法按照以下步驟進行： 取純度大于99. 9%的鋅源，稱重后將鋅源放入石英舟內(nèi)，在鋅源的下游方向0. 5-4cm處 設置分別與電源的正負極相連的上金屬片和下金屬片，外加電壓為5-50V，將清洗干凈的襯 底放置到下金屬片上，而襯底距離上金屬片為0. l-5cm, 向石英舟所在的石英管中通入載氣氬氣和反應氣體氧氣，石英管內(nèi)的壓力控制在10 萬Pa以下，氬氣流量控制在10-1000ml/min，氧氣流量控制在l-500ml/min，生長溫度控制 在 400-1000°C，生長時間為 10_60min， 生長完成后，關(guān)閉氧氣，保持l〇-l〇〇〇ml/min的流量繼續(xù)通入氬氣，當石英管內(nèi)的溫度 降到室溫后，取出生長出ZnO材料的襯底樣品。
[0005] 所述的金屬片可以是純度大于99. 9%的銀片、純度大于99. 9%的金片或純度大于 99. 9%的鉬片。
[0006] 所述的鋅源可以是單質(zhì)鋅或鋅的固態(tài)化合物。
[0007] 所述的襯底可以是導電的氧化鎵、碳化硅、硅、砷化鎵、磷化銦或金屬襯底。
[0008] 將所述的生長出ZnO材料的襯底樣品在氧氣氣氛下進行退火處理，退火溫度范圍 是700-850°C，退火處理時間為0. 5-1. 5h。
[0009] -種如上所述的通過外加縱向電場控制ZnO生長形貌的方法所使用的裝置，其特 征在于：所述的裝置包括加熱爐腔體1，在加熱爐腔體1內(nèi)設置有石英管2,石英管2上開設 有進氣口 3和出氣口 4,在石英管2內(nèi)設置有石英舟5,石英舟5上設置有縱向分布的上金 屬片6和下金屬片7,在下金屬片7上端放置有襯底8,并且襯底8和上金屬片6之間的距 離為0. l_5cm，在上金屬片6和下金屬片7的上游方向0. 5_4cm處標記有鋅源放置位置9， 并且上金屬片6和下金屬片7分別與直流電源10的正極和負極相連。
[0010] 本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點： 在進行ZnO這一半導體材料的制備時，由于現(xiàn)有制備工藝上的缺陷，在制備過程往往 會產(chǎn)生很多結(jié)構(gòu)缺陷和表面缺陷，從而影響了材料的光電性能，針對上述問題，本發(fā)明公開 了一種能夠?qū)nO的制備過程進行主動控制的方法，該方法能夠獲得高效、穩(wěn)定的紫外發(fā) 光器件；這種方法所需使用的原料成本低，生長工藝簡單，可重復性好。因此可以說它具備 了多種優(yōu)點，特別適合于在本領域中推廣應用，其市場前景廣闊，科研意義重大。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 圖1為本發(fā)明實施例的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012] 圖2是在不同外加縱向電場下，生長不同形貌ZnO結(jié)構(gòu)的場發(fā)射掃描電子顯微鏡 照片。
[0013] 圖3是外加電壓為50V下制備的ZnO薄膜樣品，在不同退火溫度下的光致發(fā)光圖。

【具體實施方式】
[0014] 下面將結(jié)合【專利附圖】

【附圖說明】本發(fā)明的【具體實施方式】。如圖1、圖2、圖3所示：一種通過外 加縱向電場控制ZnO生長形貌的方法，按照以下步驟進行： 首先取純度大于99. 9%的鋅源，稱重后將鋅源放入石英舟內(nèi)，在鋅源的下游方向 0.5-4cm處設置兩個縱向分布上金屬片和下金屬片，并且下金屬片和上金屬片分別與電源 的正負極相連，產(chǎn)生外加電壓的范圍是5-50V，將清洗干凈的襯底放置到下金屬片上方，保 持襯底與上金屬片之間的距離為〇. l-5cm ; 然后向石英舟所在的石英管中通入作為載氣的氬氣和作為反應氣體的氧氣，將石英 管內(nèi)的壓力控制在10萬Pa以下，氬氣的流量控制在10-1000ml/min，氧氣的流量控制在 l-500ml/min，生長過程中的溫度范圍是400-1000°C，生長時間為10_60min ; 在上述環(huán)境條件下，襯底表面會生長出ZnO納米結(jié)構(gòu)和薄膜材料，待生長完畢后，停止 向石英管中通入氧氣，仍保持l〇-l〇〇〇ml/min的流量通入氬氣，待石英管內(nèi)的溫度降到室 溫后，將生長出ZnO材料的襯底樣品取出，為了進一步提高ZnO樣品的質(zhì)量，可以將該樣品 在氧氣氣氛下進行退火處理，退火溫度范圍是700-850°C，退火處理時間為0. 5-1. 5h。
[0015] 上述步驟中所用的金屬片可以是純度大于99. 9%的銀片、純度大于99. 9%的金片 或純度大于99. 9%的鉬片；所用的鋅源可以是單質(zhì)鋅或鋅的固態(tài)化合物；所用的襯底可以 是導電的氧化鎵、碳化硅、硅、砷化鎵、磷化銦或金屬襯底。
[0016] 在利用上述方法進行ZnO的生長形貌控制的時候，需要使用如下所述的裝置：該 裝置包括加熱爐腔體1，在加熱爐腔體1內(nèi)設置有石英管2,石英管2的兩端分別開設有進 氣口 3和出氣口 4,在石英管2的內(nèi)腔中設置有石英舟5,石英舟5上設置有縱向分布的上 金屬片6和下金屬片7,二者相互平行，在下金屬片7的上端放置有襯底8,并且襯底8和上 金屬片6之間的距離為0. l-5cm，在上金屬片6和下金屬片7的上游方向上標記有鋅源放置 位置9,并且鋅源放置位置9和下金屬片6之間的距離為0. 5-4cm，同時上金屬片6和下金 屬片7分別與直流電源10的正極和負極相連。 實施例
[0017] 在不同外加縱向電場下，生長不同形貌的ZnO材料。
[0018] 利用如上所述的裝置進行操作，在上金屬片6和下金屬片7之間電壓分別為0V、 1(^、40￥、46￥、48￥和50￥時，在低阻5丨（111)襯底上生長了不同形貌的211〇結(jié)構(gòu)。高純211 粉（99. 999%)和氧氣分別作為鋅源和氧源，以氬氣作為載氣，兩片高純銀金屬片（99. 999%) 放置在鋅粉下游1. 5cm處，將經(jīng)過丙酮、乙醇、HF酸處理過的硅片與下銀片接觸，襯底與上 銀片的距離為2cm，兩個銀金屬片與直流電源連接，上金屬銀片接電源正極，下銀片接負極。 管式爐內(nèi)的壓力在l〇Pa左右，氬氣作為載氣，流量控制在300ml/min，氧氣作為反應氣體， 流量控制在l〇ml/min，生長溫度為650°C，生長時間為30min，生長完后在氬氣的保護下降 至室溫，取出樣品。
[0019] 利用本發(fā)明研究了不同外加電場強度對ZnO表面形貌和光學特性的影響，研究表 明隨著外加電壓的增加，樣品的表面形貌由取向較差的納米棒到取向較好的納米棒，再到 薄膜的轉(zhuǎn)變，其場發(fā)射掃描電子顯微鏡照片如圖2所示。
[0020] 此外，發(fā)現(xiàn)在外加電壓為40V時制備的納米棒其晶體質(zhì)量和表面形貌為最好。
[0021] 對外加縱向電場下生長ZnO樣品發(fā)光機理的研究。
[0022] 對實施例1中外加電壓為50V下制備的ZnO薄膜樣品，在氧氣氣氛下分別在 7001：、7501：、8001：和8501：進行了退火處理，退火時間均為1小時。樣品在不同退火溫度 下的光致發(fā)光圖如圖3所示。
[0023] 利用本發(fā)明研究了 ZnO樣品的發(fā)光機理，研究表明對于未退火的發(fā)光光譜圖中沒 有明顯的紫外發(fā)光峰，而可見峰很強，隨著退火溫度的不斷升高，紫外峰與可見發(fā)光峰的強 度比變大。此外，發(fā)現(xiàn)當退火溫度為800°C時，紫外與可見發(fā)光峰的強度比最大，說明800°C 為最佳退火溫度。
【權(quán)利要求】
1. 一種通過外加縱向電場控制ZnO生長形貌的方法，其特征在于：所述的方法按照以 下步驟進行： 取純度大于99. 9%的鋅源，稱重后將鋅源放入石英舟內(nèi)，在鋅源的下游方向0. 5-4cm處 設置分別與電源的正負極相連的上金屬片和下金屬片，外加電壓為5-50V，將清洗干凈的襯 底放置到下金屬片上，而襯底距離上金屬片為0. l-5cm, 向石英舟所在的石英管中通入載氣氬氣和反應氣體氧氣，石英管內(nèi)的壓力控制在10 萬Pa以下，氬氣流量控制在10-1000ml/min，氧氣流量控制在l-500ml/min，生長溫度控制 在 400-1000°C，生長時間為 10_60min， 生長完成后，關(guān)閉氧氣，保持l〇-l〇〇〇ml/min的流量繼續(xù)通入氬氣，當石英管內(nèi)的溫度 降到室溫后，取出生長出ZnO材料的襯底樣品。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過外加縱向電場控制ZnO生長形貌的方法，其特征在于： 所述的金屬片可以是純度大于99. 9%的銀片、純度大于99. 9%的金片或純度大于99. 9%的 銷片。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過外加縱向電場控制ZnO生長形貌的方法，其特征在于： 所述的鋅源可以是單質(zhì)鋅或鋅的固態(tài)化合物。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過外加縱向電場控制ZnO生長形貌的方法，其特征在于： 所述的襯底可以是導電的氧化鎵、碳化硅、硅、砷化鎵、磷化銦或金屬襯底。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過外加縱向電場控制ZnO生長形貌的方法，其特征在 于：將所述的生長出ZnO材料的襯底樣品在氧氣氣氛下進行退火處理，退火溫度范圍是 700-850°C，退火處理時間為0· 5-1. 5h。
6. -種如權(quán)利要求1所述的通過外加縱向電場控制ZnO生長形貌的方法所使用的裝 置，其特征在于：所述的裝置包括加熱爐腔體（1)，在加熱爐腔體（1)內(nèi)設置有石英管（2)， 石英管（2)上開設有進氣口（3)和出氣口（4)，在石英管（2)內(nèi)設置有石英舟（5)，石英舟 (5)上設置有縱向分布的上金屬片（6)和下金屬片（7)，在下金屬片（7)上端放置有襯底 (8)，并且襯底（8)和上金屬片（6)之間的距離為0. l-5cm，在上金屬片（6)和下金屬片（7) 的上游方向〇. 5-4cm處標記有鋅源放置位置（9)，并且上金屬片（6)和下金屬片（7)分別與 直流電源（10)的正極和負極相連。
【文檔編號】C01G9/03GK104085914SQ201410339790
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月17日
【發(fā)明者】馮秋菊, 唐凱, 徐坤, 梅藝贏, 李夢軻 申請人:遼寧師范大學