一种半导体材料及其调制禁带宽度的方法与应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于材料科学与工程领域，特别涉及一种半导体材料及其调制禁带宽度的 方法与应用。
【背景技术】
[0002] 半导体材料是一类导电能力介于导体与绝缘体之间，广泛应用于制作半导体器件 和集成电路的材料。
[0003]随着科技的发展，半导体材料因其优异的性能而广泛应用于各行各业。半导体材 料是半导体工业的基础，是信息技术和产业发展的基石。根据半导体材料带隙的大小可以 分为宽带隙半导体和窄带隙半导体，包括元素半导体和化合物半导体。对于一种特定的半 导体材料，具有固定的禁带宽度，但是在实际应用中，根据不同的需求，往往需要对已知半 导体材料的禁带宽度进行调节。目前，对半导体材料的禁带宽度进行调节主要是通过掺杂 引入外来缺陷。本发明是利用极端条件引入空位、间隙、反位缺陷等调节其禁带宽度。相对 于传统的掺杂方法具有快速、节能、适用范围广等优点。
[0004]太阳能作为地球上来源最为广泛的能源，因其无污染、能量来源可持续和分布范 围广等优点而受到大家的青睐。而太阳能的能量主要集中在可见光区，因此实现对可见光 的利用具有显著的意义。目前，研宄较多的半导体材料的禁带宽度大都在紫外光区，对于可 见光的吸收较少，所以太阳光利用率较低。因此，将半导体材料的禁带宽度调制到可见光范 围具有显著的意义。氧化锌（Zn〇)作为一种典型的宽禁带氧化物半导体材料，具有来源广 泛、无毒和激子束缚能较高等优点。在紫外光下有一定的光催化性能。在采用本发明对大 量的氧化物半导体材料实行禁带宽度调制的基础上，着重以ZnO为例，来说明采用本发明 调制氧化物半导体禁带宽度的优点。
【发明内容】
[0005]由上述背景可知，为了简化工艺、缩短周期、降低能源消耗、实现对半导体材料禁 带宽度的调制，需要开发出一种快速、高效和适用范围广的方法。
[0006]针对现有技术不足，本发明提供了一种半导体材料及其调制禁带宽度的方法与应 用。
[0007]-种调制半导体材料禁带宽度的方法，利用熔融-冷却工艺来调制半导体材料禁 带宽度。
[0008]该方法包括如下步骤：首先采用高温热源将选定的半导体材料熔化达到原子级混 合均匀，然后将所得熔体冷却使其凝固，获得禁带宽度调制后的半导体材料。
[0009]所述半导体材料为Cu20、ZnO、Y203、Zr02、Nb205、ln203、Sn02、〇6〇2或W0 3。
[0010] 所述高温热源为电弧、激光、射频、高温喷灯、等离子体、电感应、影像炉、电炉或电 火花。
[0011]所述冷却方式为空冷、水冷、液氮冷却或恒温基板冷却；冷却速度为102K/S~ 1010K/s〇
[0012] -种半导体材料，所述半导体材料为通过上述方法进行了禁带宽度调制的半导体 材料。
[0013] -种半导体材料的应用方法，所述半导体材料用于制备半导体器件。
[0014] 本发明的有益效果为：
[0015] 本发明采用高温热源将选定的半导体材料熔化，然后使熔体在外加冷源的辅助下 快速凝固，得到具有大量缺陷的半导体材料。该材料相对于处理前的材料具有更低的禁带 宽度。
【附图说明】
[0016] 图1 :制备示意图（A)，根据本发明制备的ZnO的X射线衍射图（B)，光吸收图（C)， 禁带宽度拟合图0)，X射线光电子图（E、F);
[0017] 图 2 :根据本发明热处理前后Cu20、ZnO、Y203、Zr02、Nb205、ln203、Sn02、CeOjPTO3 的X射线衍射图（A-H);
[0018] 图 3 :根据本发明热处理前后Cu20、ZnO、Y203、Zr02、Nb205、ln203、Sn02、CeOjPTO3 的禁带宽度拟合图（A-H);
[0019] 图4 :根据本发明制备的ZnO的光催化效果图（A)、光催化重复性图（B)、光催化粉 体的粒度分布图（C)以及80度保温10天后的光吸收图（D)、禁带宽度拟合图（E)和光催化 效果图（F)。
【具体实施方式】
[0020] 本发明提供了一种半导体材料及其调制禁带宽度的方法与应用，下面结合附图和
【具体实施方式】对本发明做进一步说明。
[0021] 本发明中对于一种选定的半导体材料（粉体或块体），首先采用高温热源将其快 速熔化，此时熔体中各离子在熔体中可以快速移动而达到原子级的均匀分散；然后将熔体 快速冷却，熔体迅速冷却结晶。由于在熔融状态时，会有元素以各种形式挥发（如离子、原 子、气体等），而且挥发速度有差别，导致最后得到的材料或多或少的偏离化学计量比；在 快速冷却结晶过程中，有大量的缺陷被固定在晶体中（如空位、间隙、反位缺陷等），形成 缺陷聚集的半导体材料。本发明的核心思想就是利用这些热处理过程中形成的缺陷对半导 体材料进行禁带宽度的调制。相对于常规的高温退火生成缺陷，本发明具有更多的优势。首 先，常规高温退火产生的缺陷主要在半导体材料表面，缺陷难以扩散到内部，因此为了得到 缺陷更多的半导体材料，需要将纳米粉体在高温长时间保温，甚至加入氢气等还原性气体， 这无疑需要消耗更多的能源和时间，并且增加了实验的危险性。而本发明采用高温热源将 半导体材料熔化，可以很容易和快速地将大量缺陷引入到材料内部，并且没有任何危险性。 其次，普通高温退火只能得到一些形成能较小的常规缺陷；而采用本发明将半导体材料熔 化，理论上可以达到各种形式的缺陷。最后，对于一些结构比较稳定的半导体材料，普通高 温退火是难以得到缺陷的；而采用本发明，几乎可以在所有半导体材料中引入缺陷。综上， 本发明相对于普通高温退火方法具有显著的优势。
[0022] 本发明实施例中，采用高温电弧为热源，以冷却水水冷的铜基板（恒温13°C)为冷 源。高温电弧的产生是采用两电极放电，将介质气体击穿电离，形成稳定的电弧，该电弧的 温度超过3000°C，几乎可以将目前所有的材料快速熔化。
[0023] 下面通过十个实施例说明本发明，分别是Cu20、ZnO、Y203、Zr02、Nb205、ln203、Sn02、 &02和WO3。由于方法和实验过程相同，所以以ZnO为例详细地描述本发明的实验过程。
[0024] 调制ZnO半导体材料的禁带宽度：
[0025] 称取0.5克ZnO粉体于直径6mm的钢制磨具中干压成型，此处选择压强为200MPa， 保压30秒。如图1 (A)，将压好的生坯置于电弧炉中，利用高温电弧将其快速熔化，然后切断 电源，让熔体在铜基板（13°C冷却水冷却）上快速冷却，取出热处理过后得到的ZnO块体， 最后进行性能测试。为了测试和下一步实验，将其用球磨磨细（250转/分，3小时）。
[0026] 由图1可知，根据本发明热处理处理前后ZnO没有发生相变化，为六方纤锌矿结 构。而处理前后的光吸收谱图发生明显变化，根据禁带宽度拟合图可以看出，处理前ZnO的 禁带宽度为3. 26eV，处理后禁带宽度减小为3. 03eV。由X射线光电子谱图可以看出处理过 后氧空位明显增多，与Zn相关的缺陷也明显增多。其光致发光图看出在520nm处的发光峰 显著增强，该峰与ZnO体内的各种缺陷有很强的关系。热处理前，ZnO几乎没有磁性；而热 处理后表现出一定的室温铁磁性，这是由ZnO的缺陷造成的。从颜色来看，ZnO粉体从处理 前的白色变为处理后的黄色。
[0027]由图 2 可知，根据本发明Cu20、ZnO、Y203、Zr02、Nb205、ln203、Sn02、CeO#W0 3热处 理后没有杂相生成。
[0028]由图 3 可知，根据本发明Cu20、ZnO、Y203、Zr02、Nb205、ln203、Sn02、CeO#TO3热处 理后其禁带宽度均发生了变化。
[0029] 由图4可知，根据本发明热处理后的ZnO相对于原始ZnO和商用P25 (粒径25nm 的Ti02)表现出优异的可见光光催化效果，而且本实验所用热处理后的ZnO平均粒径为1微 米左右。热处理后的ZnO的光催化重复性很好，表面其性质稳定，可以重复使用。在80度 的水中和空气中保温10天后，热处理后的ZnO的反射光谱和禁带宽度几乎没有发生变化， 而且其仍然表现出优异的光催化效果和光催化重复性。
[0030] 表1根据本发明制备的氧化物半导体的禁带宽度数据表
[0033] 由上述实践例结果可知，采用本发明可以对半导体材料的禁带宽度实施调制，这 是由于在材料内部造了大量的缺陷。根据本发明热处理后的半导体材料表现出优异的性 能，而且其性能稳定。
【主权项】
1. 一种调制半导体材料禁带宽度的方法，其特征在于，利用熔融-冷却工艺来调制半 导体材料禁带宽度。2. 根据权利要求1所述的一种调制半导体材料禁带宽度的方法，其特征在于，包括如 下步骤：首先采用高温热源将选定的半导体材料熔化达到原子级混合均匀，然后将所得熔 体冷却使其凝固，获得禁带宽度调制后的半导体材料。3. 根据权利要求2所述的一种调制半导体材料禁带宽度的方法，其特征在于，所述半 导体材料为 Cu20、ZnO、Y203、Zr02、Nb 205、ln203、Sn02、〇6〇 2或 WO 3。4. 根据权利要求2所述的一种调制半导体材料禁带宽度的方法，其特征在于，所述高 温热源为电弧、激光、射频、高温喷灯、等离子体、电感应、影像炉、电炉或电火花。5. 根据权利要求2所述的一种调制半导体材料禁带宽度的方法，其特征在于，所述冷 却方式为空冷、水冷、液氮冷却或恒温基板冷却；冷却速度为l〇 2K/s~101(lK/s。6. -种半导体材料，其特征在于，所述半导体材料为通过权利要求1~5任意一项权利 要求所述方法进行了禁带宽度调制的半导体材料。7. 如权利要求6所述的一种半导体材料的应用方法，其特征在于，所述半导体材料用 于制备半导体器件。
【专利摘要】本发明属于材料科学与工程领域，特别涉及一种半导体材料及其调制禁带宽度的方法与应用。本发明对于一种特定的半导体材料，首先采用高温热源将其熔化，让材料中各原子或离子迅速扩散达到原子级均匀分布，然后将熔体快速冷却凝固，在材料内部引入一定量的缺陷，利用缺陷能级的引入对半导体材料的禁带宽度进行调制。本发明具有快速、节能、适用范围广等优点，尤其对于对缺陷比较敏感和禁带宽度调制困难的体系有更加显著的优势。
【IPC分类】B01J23/06, C01B13/14, H01L31/0296
【公开号】CN104973576
【申请号】CN201510155588
【发明人】欧刚, 李东珂, 潘伟, 伍晖
【申请人】清华大学
【公开日】2015年10月14日
【申请日】2015年4月2日