专利名称：生长氧化锌纳米棒阵列的方法
技术领域：
本发明属于半导体技术领域，特别是指一种通过
控制锌源流量和氧气载气流量的大小来生长氧化锌纳
米棒阵列的方法。
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，因为其在紫外和蓝光发光二极管和激光器方
面的巨大潜在应用价值而倍受关注，成为近年来的新
大研究热点。与其它材料相比，特别是与发展相较
成熟的氮化镓(GaN)材料相比，Zn0具有明显的二大
优势(1 )较高的激子束缚能。它的激子束缚能为6
0meV，约为GaN的三倍，这使得它在室温或更高的温
度下更容易实现激射并具有更高的激射效率；(2已
经有商业化的Zn0单晶衬底出售。GaN因其单晶衬底的制备难度，目前还只能生长在如蓝宝石或硅等异质衬底上，限制了其器件性能；(3 )制备工艺简单，成本
低廉因为它本身含氧，所以对原料的纯度和生长设
备的密封性都要求不高，另外较低的生长温度，都大
大降低了它的制备成本。此外，Zn0还具有很高的抗辐
射性、很高的化学稳定性和热稳定性，以及较高的压
电系数和光学增益(3 0 0 cnT1 )，等等这些都进步
增强了人们对它的研究热情和研究信心。
维纳米材料近年来也倍受关注，它是指载流子
近在个方向可以自由运动，而在另外两个方向则受
到约束的材料体系，由于该特性，使其相比于维二
维材料显示出许多奇特的结构、物理及化学性能这
不仅为基础研究提供了可贵的研究对象，也在构建纳
米器件方面有着极其重要的地位。目前，开发应用Z
维纳米材料的研究受到了广泛关注。
就巨前来看，获得Zn0纳米棒的方法有多种，包
括气相合成法、化学法、热蒸发法和金属有机物气相
外延法等。相较于其它方法，M0CVD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
而更員实用性。要获得排列整齐的Zn0纳米棒，传统
方法中般都需要引入金属做催化剂，如Au 、Cu、Ni
和Sn等。具体方法如下，首先在衬底上生长一层金属种子层，然后引入锌和氧，在VSL机制作用下，在有
金属种子的地方就会生长出垂直于衬底表面，粗细均
匀而且排列整齐的 Zn0纳米棒阵列。虽然金属催化剂
的引入使得生长高质量的Zn0纳米棒成为可能，但同
时也使工艺变得复杂而且增加了 一些不必要的污染。
发明内容
本发明的巨的是提供 一 种生长氧化锌纳米棒阵列
的方法，苴 z 、可方便地、直接地通过控制锌源流量禾口氧
气载气c氮气或氩气)流量大小来实现。所生长的氧
化锌纳米棒阵列具有排列整齐、晶体质量高、光学性
能好等特占 "、、，这为将来的氧化锌基纳米器件的实现打
下了良好基础
本发明提供一种生长氧化锌纳米棒阵列的方法，
特征在于，包括如下步骤
步骤1:取一衬底
步骤2在M0CVD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M0CVD设备中利用载气通入锌源和氧
气，使得在锌隔离层上得到氧化锌纳米棒阵列》'卜延层。其中所述的衬底是单晶硅衬底。
其中在M0CVD设备中通入锌源和氧气，锌源从衬
底的侧面流入，氧气从衬底上部流入。
其中所述的载气为氮气或氩气。
其中 M0CVD设备中的生长温度为6 0 0 °C，反应 室压强为7 6 Torr，氧气流量为1 SLM。
其中在M0CVD设备中利用载气通入的锌源和氧气， 所述的锌源的流量为4 5 - 5 0 SCCM ，氧气加载气的流 量为4 - 5 SLM。
其中所述的氧化锌纳米棒阵列外延层的生长时间
为30—60分钟。
中生长锌隔离层时，生长时间为3 - 5分钟
中所述的氧化锌纳米棒阵列外延层中的纳米棒
的直弥为50 — 7 0 nm。
本发明的积极效果是
本发明与传统的氧化锌纳米棒阵列制备方法相
比，因为不需要引入任何金属催化剂或采用其他图
形衬底技术，因此具有实用化强、工艺简单、操作方
便、无污染、制作成本低等优点。
为进一步说明本发明的内容，以下结合具体实施 例及附图对本发明做详细的描述，其中
图1是本发明的ZnO纳米棒阵列的生长结构示意
图2是本发明的ZnO纳米棒阵列的x射线衍射 扫描结果；
图3是本发明的ZnO纳米棒阵列的光致发光谱。
員体实施方式
请参阅图i所示，本发明 一 种生长氧化锌纳米
阵列的方法，其特征在于，包括如下步骤
步骤1 :取 一 衬底3 Q ，所述的衬底3 0是单
娃衬底
步骤2 :在MOCVD设备中利用载气通入锌源，
衬底30上生长一层锌隔离层2 0，所述的载气为
气或氩气，所述生长锌隔离层2 0时，锌源流为
5-50 SCCM， 生长时间为3 - 5分钟；
步骤3 :在MOCVD设备中利用载气通入锌源和氧 气，使得在锌隔离层2 0上得到氧化锌纳米棒阵列外延层1 0 ，所述的在M0CVD设备中通入锌源和氧气， 锌源从衬底3 0的侧面流入，氧气从衬底3 0上部流 入，所述的氧化锌纳米棒阵列外延层1 0的生长时间 为3 0 — 6 0分钟，所述的氧化锌纳米棒阵列外延层 1 0中的纳米棒的直径为5 0 — 7 0 nm 。
其中 M0CVD设备中的生长温度为6 0 0 °C，反应 室压强为7 6Torr，氧气流量为1SLM。
其中在M0CVD设备中利用载气通入的锌源和氧气， 所述的锌源的流量为4 5 - 5 0 SCCM ，氧气加载气的流 量为4 - 5 SLM。
实施例
再请参阅图1所示，本发明的关键在于解决在Si 衬底上生长高质量Zn0纳米棒阵列的问题，其特征在 于，包括如下步骤
取一衬底3 0，衬底3 O是大失配的Si衬底；
在该衬底3 0上的 Si ( 1 1 1 )晶面利用 M0CVD 方法生长一薄Zn金属隔离层2 0，生长温度为6 0 0 °C ，反应室压强为7 6 Torr 。锌有机源瓶压强控制在 8 0 0 Torr， 流量控制在4 8 SCCM;打开氧气，流量控制在1 SLM ，生长ZnO纳米棒阵 列外延层1 0 。调节氧气载气流量，控制在8 SLM ，生 长时间为3 0分钟；
对用以上方法生长的ZnO纳米棒阵列进行SEM、XRD 和PL测试。SEM照片显示ZnO纳米棒阵列粗细均匀、 排列整齐，垂直于衬底表面，具有明显的c轴取向性， 直径约约为6 0 nm; ZnO纳米棒阵列的XRD谱中只有一 个(O 0 0 2)峰，半高宽为0.0 8° (如图2所示)； ZnO纳米棒阵列的PL谱中只有 一 个明显紫外发光峰， 其半高宽为1 1 . 3 nm (如图3所示)。这说明采用该 方法在Si衬底上制备得到的ZnO纳米棒阵列排列有 序、具有很好的晶体质量和光学性质，必将为未来的 光电器件实现打下良好基础。
S i作为现代半导体集成电路的基础，而ZnO作为 新 一 代宽禁带半导体光电材料中的优秀 一 员，如果能 将两者成功集成，必将会在光电集成技术领域产生巨 大的应用前景。然而，由于在高的生长温度下，Si衬 底很容易被通入的氧气氧化，从而生成一层绝缘的Si02 层，这将大大影响器件性质，甚至使器件失效。为了 解决此问题，本发明中引入了 一层Zn金属隔离层。大 约几个nm厚的Zn金属层，除了可以阻挡衬底的氧化 外也可以防止衬底Si向ZnO外延层中的扩散。另外，本发明避开了传统的利用催化剂生长的纳米棒的思 想，而仅仅使用较大的侧向Zn源流量和较大的顶部氧
气加载气流量就很容易实现了 Zn0纳米棒阵列的生长， 这大大简化了工艺，节约了成本，加之M0CVD技术特 别适宜于大规模工业化生产，因此，该方法在未来的 实际生产中必定会有很大的应用价值。
权利要求
1、一种生长氧化锌纳米棒阵列的方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1取一衬底；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；步骤3在MOCVD设备中利用载气通入锌源和氧气，使得在锌隔离层上得到氧化锌纳米棒阵列外延层。
2 、按权利要求1所述的生长氧化锌纳米棒阵列 的方法，其特征在于，其中所述的衬底是单晶硅衬底。
3 、按权利要求1所述的生长氧化锌纳米棒阵列 的方法，其特征在于，其中在M0CVD设备中通入锌源 和氧气，锌源从衬底的侧面流入，氧气从衬底上部流 入。
4 、按权利要求1所述的生长氧化锌纳米棒阵列 的方法，其特征在于，其中所述的载气为氮气或氩气。
5 、按权利要求1所述的生长氧化锌纳米棒阵列 的方法，其特征在于，其中M0CVD设备中的生长温度 为6 0 0 °C，反应室压强为7 6 Torr ，氧气流量为1 SLM 。
6 、按权利要求1或3阵列的方法，其特征在于，载气通入的锌源和氧气听0SCCM，氧气加载气的流
7 、按权利要求1所述的方法，其特征在于，其中外延层的生长时间为30—
8 、按权利要求1所述的方法，其特征在于，其中间为3 - 5分钟。
9 、按权利要求1所述的方法，其特征在于，其中外延层中的纳米棒的直径为所述的生长氧化锌纳米棒其中在M0CVD设备中禾U用 述的锌源的流量为4 5-5 为4 - 5 SLM。的生长氧化锌纳米棒阵列 所述的氧化锌纳米棒阵列 6 0分钟。的生长氧化锌纳米棒阵列 生长锌隔离层时，生长时的生长氧化锌纳米棒阵列 所述的氧化锌纳米棒阵列 5 0—70 nm。
全文摘要
本发明提供一种生长氧化锌纳米棒阵列的方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1取一衬底；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；步骤3在MOCVD设备中利用载气通入锌源和氧气，使得在锌隔离层上得到氧化锌纳米棒阵列外延层。
文档编号C01G9/00GK101428842SQ20071017692
公开日2009年5月13日 申请日期2007年11月7日 优先权日2007年11月7日
发明者刘祥林, 张攀峰, 朱勤生, 杨少延, 王占国, 范海波, 陈涌海, 魏鸿源 申请人:中国科学院半导体研究所