專利名稱：一種基于硅納米線的異質(zhì)pn結(jié)二極管及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型的基于硅納米線的異質(zhì)pn結(jié)二極管及其制備方法，屬于納米材料領(lǐng)域，也屬于電子材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的pn結(jié)二極管通常為平面pn結(jié)二極管。據(jù)悉，清華大學(xué)材料系的彭奎慶、朱靜研究組經(jīng)過研究已通過CVD法在p型硅片的上部分生長一層n型硅形成p-n結(jié)結(jié)構(gòu)，制作成了p-n結(jié)納米線陣列，且對測試出的該p-n結(jié)納米線的I-V曲線進行分析后，發(fā)現(xiàn)該p-n結(jié)納米線具有p-n結(jié)所特有的整流效應(yīng)。該p-n結(jié)納米線的I-V曲線是采用AFM測試的。納米線未固化，硅納米線表面未采用金屬電極。但目前基于硅納米線的p-Si/n-寬帶隙氧化物異質(zhì)pn結(jié)二極管在國際上還未見諸報道。

發(fā)明內(nèi)容
為提高傳統(tǒng)的平面pn結(jié)二極管的性能，本發(fā)明提供了一種基于硅納米線的異質(zhì)pn結(jié)二極管及其制備方法，制備的p-Si/n-寬帶隙氧化物異質(zhì)pn結(jié)二極管具有較低的正向開啟電壓和大的正向電流密度，提高了傳統(tǒng)平面pn結(jié)二極管的性能。
本發(fā)明的的技術(shù)方案是基于硅納米線的p-Si/n-寬帶隙氧化物異質(zhì)pn結(jié)二極管至少包括pn結(jié)和金屬電極，其pn結(jié)是在以垂直定向生長的p-型硅納米線陣列中沉積n型寬帶隙氧化物而成的p-硅納米線/n-寬帶隙氧化物異質(zhì)pn結(jié)。其中n型寬帶隙氧化物包括本征n型ZnO或鋁、鎵、銦摻雜氧化鋅或SnO2、ITO、In2O3、TiO2、Ga2O3。
本發(fā)明提供的制備該基于硅納米線的p-Si/n-寬帶隙氧化物異質(zhì)pn結(jié)二極管的方法是先用無電極金屬電化學(xué)沉積法自組裝形成的金屬納米結(jié)構(gòu)為模板，在p型硅片上刻蝕形成硅納米線陣列，再以形成的垂直排列的p型硅納米線陣列為模板沉積n型寬帶隙氧化物，從而制備出p-硅納米線/n-寬帶隙氧化物異質(zhì)pn結(jié)，最后用金屬電極沉積，通過后退火合金化形成歐姆接觸電極。
采用具體步驟如下(1)采用半導(dǎo)體工藝中常用的清洗方法清洗硅片并烘干；(2)p型硅納米線的制備將含0.01～0.1mol/L銀離子Ag+的硝酸鹽或含0.01～0.1mol/L氯金酸根離子AuCl-的鹽溶液和質(zhì)量百分比為8～12％氫氟酸按照等體積比配制成反應(yīng)溶液，取適量反應(yīng)溶液倒入聚四氟乙烯容器中，將硅片拋光面朝上浸入反應(yīng)溶液中，將高壓釜至于恒溫箱中，于30～80℃保持30分鐘～10小時，最后用硝酸去掉銀或用王水去掉金，用去離子水漂洗，烘干，得p型硅納米線；(3)沉積n型寬帶隙氧化物在沉積前先用1～10％氫氟酸溶液浸泡p型硅納米線3～10分鐘去除納米線表面SiO2層，以n型寬帶隙氧化物為填充物，采用直流磁控濺射法包覆p型硅納米線，填充p型硅納米線空隙，進行直流磁控濺射時所用條件參數(shù)為靶材是導(dǎo)電性良好的氧化物陶瓷靶、本底真空度小于10-3Pa，襯底溫度為100～150℃，沉積時Ar氣壓為1～10Pa、功率范圍80～120W、濺射時間為30分鐘～2小時；(4)電極的制備在p型硅背面和n型氧化鋅表面分別濺射金屬鉑、銀，通過后退火合金化形成歐姆接觸電極。
由于本發(fā)明是以垂直定向生長的p-型硅納米線陣列為模板沉積n型寬帶隙氧化物，再在p型硅背面和n型寬帶隙氧化物表面分別濺射金屬電極，通過后退火合金化形成歐姆接觸電極，制備出基于硅納米線的新型p-Si/n-寬帶隙氧化物異質(zhì)pn結(jié)二極管，充分利用了納米結(jié)構(gòu)所具有的大的比表面積的特點，增加了載流子復(fù)合幾率，具有較低的正向開啟電壓，大的正向電流密度，從而提高了傳統(tǒng)的平面pn結(jié)二極管的性能，因此，在光電方面，如半導(dǎo)體激光器和LED等方面，具有潛在的應(yīng)用價值。


附圖為本發(fā)明的制備方法的工藝流程圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步詳細說明。
如附圖所示，本發(fā)明提供的基于硅納米線的p-Si/n-寬帶隙氧化物異質(zhì)pn結(jié)二極管至少包括pn結(jié)和金屬電極1、4，其pn結(jié)是在以垂直定向生長的p-型硅納米線3陣列中沉積n型寬帶隙氧化物2而成的p-硅納米線/n-寬帶隙氧化物異質(zhì)pn結(jié)。
制備方法實施例1下面以單面拋光(100)取向硅片為例具體說明制備過程。
(1)清洗本實例中所用硅片為單面拋光(100)取向硅片。采用半導(dǎo)體工藝中常用的1號液和2號液的方法來清洗硅片。1號液的配方是濃氨水∶30％過氧化氫∶去離子水＝1∶2∶7；2號液的配方是濃鹽酸∶30％過氧化氫∶去離子水＝1∶2∶7。先用1號液煮硅片，使之沸騰片刻，待其冷卻再用去離子水清洗干凈。然后放入2號液煮硅片，使之沸騰片刻，待其冷卻最后取出，再用去離子水清洗干凈，最后烘干。
(2)p型硅納米線的制備采用有聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓水熱反應(yīng)釜為反應(yīng)容器，其容積為60mL。將0.02mol/L AgNO3溶液和10％氫氟酸按照等體積比配制成反應(yīng)溶液，取約40mL溶液倒入聚四氟乙烯容器中，將硅片拋光面朝上浸入反應(yīng)溶液中，將高壓釜至于恒溫箱中，50℃保持一個小時。最后用硝酸去掉銀，用去離子水漂洗，烘干。所得p型納米線長約10μm，直徑約40～100nm。
(3)沉積n型寬帶隙氧化物。選取n型導(dǎo)電的鋁摻雜的ZnO(AZO)為填充物，采用直流磁控濺射的方法包覆硅納米線，填充硅納米線空隙。在沉積AZO前用10％氫氟酸溶液浸泡3分鐘去處納米線表面SiO2層。靶材選用導(dǎo)電性良好的AZO陶瓷靶，本底真空小于10-3Pa，襯底溫度150℃，沉積是Ar氣壓3.9Pa，功率100W，濺射時間60min。
(4)電極制備。在p型硅背面和n型氧化鋅表面分別濺射金屬鉑和銀，通過后退火合金化形成歐姆接觸電極。
制備方法實施例2下面以單面拋光(100)取向硅片為例具體說明制備過程。
(1)清洗本實例中所用硅片為單面拋光(100)取向硅片。采用半導(dǎo)體工藝中常用的1號液和2號液的方法來清洗硅片。1號液的配方是濃氨水∶30％過氧化氫∶去離子水＝1∶2∶7；2號液的配方是濃鹽酸∶30％過氧化氫∶去離子水＝1∶2∶7。先用1號液煮硅片，使之沸騰片刻，待其冷卻再用去離子水清洗干凈。然后放入2號液煮硅片，使之沸騰片刻，待其冷卻最后取出，再用去離子水清洗干凈，最后烘干。
(2)p型硅納米線的制備采用有聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓水熱反應(yīng)釜為反應(yīng)容器，其容積為60mL。將含氯金酸根離子AuCl-0.02mol/L的鉀鹽溶液和12％氫氟酸按照等體積比配制成反應(yīng)溶液，取約40mL溶液倒入聚四氟乙烯容器中，將硅片拋光面朝上浸入反應(yīng)溶液中，將高壓釜至于恒溫箱中，60℃保持一個小時。最后用王水去掉金顆粒，用去離子水漂洗，烘干，得到p型納米線。
(3)沉積n型寬帶隙氧化物。選取SnO2、ITO、In2O3、TiO2或Ga2O3為填充物，采用直流磁控濺射的方法包覆硅納米線，填充硅納米線空隙。在沉積前用5％氫氟酸溶液浸泡10分鐘去處納米線表面SiO2層。靶材選用導(dǎo)電性良好的氧化物陶瓷靶，本底真空小于10-3Pa，襯底溫度150℃，沉積是Ar氣壓3.9Pa，功率120W，濺射時間45min。
(4)電極制備。在p型硅背面和n型氧化鋅表面分別濺射金屬鉑和銀，通過后退火合金化形成歐姆接觸電極。
權(quán)利要求
1.一種基于硅納米線的異質(zhì)pn結(jié)二極管，至少包括pn結(jié)和金屬電極，其特征在于pn結(jié)是在以垂直定向生長的p-型硅納米線陣列中沉積n型寬帶隙氧化物而成的p-硅納米線/n-寬帶隙氧化物異質(zhì)pn結(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅納米線的異質(zhì)pn結(jié)二極管，其特征在于n-寬帶隙氧化物包括本征n型ZnO或鋁、鎵、銦摻雜氧化鋅或SnO2、ITO、In2O3、TiO2、Ga2O3。
3.一種權(quán)利要求1所述的基于硅納米線的異質(zhì)pn結(jié)二極管的制備方法，其特征在于先用無電極金屬電化學(xué)沉積法自組裝形成的金屬納米結(jié)構(gòu)為模板，在p型硅片上刻蝕形成硅納米線陣列，再以形成的垂直排列的p型硅納米線陣列為模板沉積n型寬帶隙氧化物，從而制備出p-硅納米線/n-寬帶隙氧化物異質(zhì)pn結(jié)，最后用金屬電極沉積，通過后退火合金化形成歐姆接觸電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于硅納米線的異質(zhì)pn結(jié)二極管的制備方法，其特征在于采用具體如下步驟(1)采用半導(dǎo)體工藝中常用的清洗方法清洗硅片并烘干；(2)p型硅納米線的制備將含0.01～0.1mol/L銀離子Ag+的硝酸鹽或含0.01～0.1mol/L氯金酸根離子AuCl-的鹽溶液和質(zhì)量百分比為8～12％氫氟酸按照等體積比配制成反應(yīng)溶液，取適量反應(yīng)溶液倒入聚四氟乙烯容器中，將硅片拋光面朝上浸入反應(yīng)溶液中，將高壓釜至于恒溫箱中，于30～80℃保持30分鐘～10小時，最后用硝酸去掉銀或用王水去掉金，用去離子水漂洗，烘干，得p型硅納米線；(3)沉積n型寬帶隙氧化物在沉積前先用1～10％氫氟酸溶液浸泡p型硅納米線3～10分鐘去除納米線表面SiO2層，以n型寬帶隙氧化物為填充物，采用直流磁控濺射法包覆p型硅納米線，填充p型硅納米線空隙，進行直流磁控濺射時所用條件參數(shù)為靶材是導(dǎo)電性良好的氧化物陶瓷靶、本底真空度小于10-3Pa，襯底溫度為100～150℃，沉積時Ar氣壓為1～10Pa、功率范圍80～120W、濺射時間為30分鐘～2小時；(4)電極的制備在p型硅背面和n型氧化鋅表面分別濺射金屬鉑、銀，通過后退火合金化形成歐姆接觸電極。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于硅納米線的異質(zhì)pn結(jié)二極管及其制備方法，該二極管的特殊之處是其pn結(jié)是在以垂直定向生長的p－型硅納米線陣列中沉積n型寬帶隙氧化物而成的p－硅納米線/n－寬帶隙氧化物異質(zhì)pn結(jié)。該二極管的制備方法為先用無電極金屬電化學(xué)沉積法在p型硅片上電化學(xué)刻蝕形成p型硅納米線，再以形成的垂直排列的p型硅納米線陣列為模板沉積n型寬帶隙氧化物，最后在p型硅背面和n型氧化鋅表面分別濺射金屬電極，通過后退火合金化形成歐姆接觸電極。此方法所制備的p－Si/n－寬帶隙氧化物異質(zhì)pn結(jié)二極管充分利用了納米結(jié)構(gòu)所具有的大的比表面積，增加了載流子復(fù)合幾率，具有較低的正向開啟電壓和大的正向電流密度。
文檔編號H01L29/02GK1889275SQ20061001978
公開日2007年1月3日 申請日期2006年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月1日
發(fā)明者方國家, 李春, 程彥釗, 何俊 申請人:武漢大學(xué)