一种ZrS2/III-V族半导体纳米线阵列异质结、制备方法及应用与流程

技术领域：

本发明涉及半导体异质结领域，特别是涉及一种zrs2/iii-vi族半导体纳米线阵列异质结、制备方法及应用。

背景技术：

近些年来，新型二维材料的发展和应用引起了人们极大的关注。二维材料家族阵容庞大，并且它们的性质各有不同。基于二维材料的异质结是由多种具有不同物理特性的二维材料或非二维材料接触所构成。基于二维材料的异质结集成了多种材料的优点，取长补短，克服单一材料的缺陷，甚至会由于材料间独特的耦合机制而发挥出原有材料所不具备的新颖特性，有望能在光电子器件领域获得较大的突破。由于材料结构的特点和制备手段的限制，目前基于二维材料的异质结主要为平面结构，这极大的限制了它们对光的吸收和光电转换效率。人们通过在材料表面制备出三维结构的阵列来代替平面，比如：金字塔阵列、纳米线阵列、孔阵列等结构来减小材料表面对光的反射，进而增强对光的吸收能力以达到提高光电转换效率的目的，比如目前的太阳能电池工艺中，金字塔绒面结构可以以使入射光在金字塔绒面的侧面形成二次反射，使得吸光率大为提高。通过将新型二维材料与iii-v族半导体纳米线阵列结合构筑具有三维形状的纳米异质结，不但可以发挥出新型二维材料的优点，还可以达到增强光吸收、提高光电转换效率的效果。但是，目前的二维材料异质结主要制备方法为干法转移和化学气相沉积等，上述方法难以制备具有三维形状的二维材料纳米异质结。

技术实现要素：

本发明针对现有技术不足，提出了一种zrs2/iii-vi族半导体纳米线阵列异质结、制备方法及应用，旨在克服现有的基于二维材料的异质结在光电子器件应用过程中出现的光吸收不足，光电转换效率较低的问题，拓宽基于二维材料的异质结的结构和种类。

为了实现上述目的，本发明提出了一种zrs2/iii-vi族半导体纳米线阵列异质结、制备方法及应用，其特征在于：一种zrs2/iii-v族半导体纳米线阵列异质结，其特征在于：包括一层iii-v族半导体衬底(1)，所述iii-v族半导体衬底(1)上设有iii-v族半导体纳米线阵列(2)，所述ii-v族半导体衬底(1)与iii-v族半导体纳米线阵列(2)表面上设有连续的zrs2薄膜(3)。

作为优选，其特征在于：所述iii-v族半导体衬底(1)为2寸的单面抛光的单晶基片或碎片；所述iii-v族半导体衬底(1)的厚度为200μm-350μm。

作为优选，其特征在于：所述iii-v族半导体衬底(1)为gan、inas、gaas或inp。

作为优选，其特征在于：所述ii-v族半导体衬底(1)与iii-v族半导体纳米线阵列(2)的导电类型为n-型掺杂，空穴浓度为10¹⁶-10¹⁹cm^-3。

作为优选，其特征在于：所述iii-v族半导体纳米线阵列(2)中纳米线的直径为100-500nm，高度为2-50μm，周期为0.5-5μm。

作为优选，其特征在于：所述zrs2薄膜(3)的厚度为1.2nm-24nm；所述zrs2薄膜(3)薄膜均匀的铺满ii-v族半导体衬底(1)和iii-v族半导体纳米线阵列(2)表面上。

作为优选，一种zrs2/iii-v族半导体纳米线阵列异质结的制备方法，包括如下步骤：

1)采用酒精、丙酮、去离子水超声清洗iii-v族半导体衬底；

2)采用外延法在iii-v族半导体衬底生长同种材料的iii-v族半导体纳米线阵列；

3)利用原子层沉积工艺，在iii-v族半导体衬底和iii-v族半导体纳米线阵列表面上均匀沉积连续的zrs2薄膜。

zrs2/iii-v族半导体纳米线阵列异质结在光电探测器领域的应用。

zrs2/iii-v族半导体纳米线阵列异质结在太阳能电池领域的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益结果：

1.本发明中，利用新型层状二维半导体材料zrs2薄膜与iii-v族半导体纳米线阵列结合构筑具有三维结构的纳米异质结，可以有效的调控光吸收，使得入射光在iii-v族半导体纳米线中经过多次反射，提高了吸光率，实现了宽角度吸收，极大的改善了平面异质结反射率高的缺点，在光电探测器和太阳能电池等应用领域可以有效的提高光电转换效率。

2.本发明中，通过原子层沉积工艺在iii-v族半导体纳米线上制备大面积均匀可控的zrs2薄膜，由于原子层沉积工艺具有保型性的特点，可以使zrs2薄膜完全覆盖iii-v族半导体纳米线阵列，实现全面接触，使得所制备的异质结结区面积大，在光电探测器和太阳能电池等应用领域可以有效的提高光电转换效率。

附图说明：

图1是本发明的剖面结构示意图。

具体实施方式：

实施例1：

一种zrs2/gan纳米线阵列异质，结参考图1，本发明包括一层n-型掺杂的gan衬底，gan衬底上垂直生长有阵列结构的gan纳米线，gan衬底和gan纳米线阵列结构表面上沉积有连续的zrs2薄膜。本实施例中，2寸的gan衬底厚度为200μm，载流子浓度为5×10¹⁶cm^-3；gan纳米线直径为200nm，高度为3μm，gan纳米线阵列的周期为0.5μm。通过原子层沉积工艺沉积的zrs2薄膜的厚度为2.4nm，并且zrs2薄膜均匀的铺满gan衬底和gan纳米线阵列表面上。

本实施例中异质结的制备方法如下：

1)采用酒精、丙酮、去离子水超声清洗gan衬底；

2)采用外延法在gan衬底生长gan纳米线阵列；

3)利用原子层沉积工艺，在gan衬底和gan纳米线阵列表面上均匀沉积连续的zrs2薄膜。

本实施例中的zrs2/gan纳米线阵列异质用于光电探测器件领域。

实施例2：

一种zrs2/inas纳米线阵列异质，结参考图1，本发明包括一层n-型掺杂的inas衬底，inas衬底上垂直生长有阵列结构的inas纳米线，inas衬底和inas纳米线阵列结构表面上沉积有连续的zrs2薄膜。本实施例中，2寸的inas衬底厚度为300μm，载流子浓度为3×10¹⁸cm^-3；inas纳米线直径为500nm，高度为10μm，inas纳米线阵列的周期为2μm。通过原子层沉积工艺沉积的zrs2薄膜的厚度为6nm，并且zrs2薄膜均匀的铺满inas衬底和inas纳米线阵列表面上。

本实施例中异质结的制备方法如下：

1)采用酒精、丙酮、去离子水超声清洗inas衬底；

2)采用外延法在inas衬底生长inas纳米线阵列；

3)利用原子层沉积工艺，在inas衬底和inas纳米线阵列表面上均匀沉积连续的zrs2薄膜。

本实施例中的zrs2/inas纳米线阵列异质用于光电探测器件领域。

实施例3：

一种zrs2/gaas纳米线阵列异质，结参考图1，本发明包括一层n-型掺杂的gaas衬底，gaas衬底上垂直生长有阵列结构的gaas纳米线，gaas衬底和gaas纳米线阵列结构表面上沉积有连续的zrs2薄膜。本实施例中，2寸的gaas衬底厚度为350μm，载流子浓度为7×10¹⁷cm^-3；gaas纳米线直径为500nm，高度为50μm，gaas纳米线阵列的周期为5μm。通过原子层沉积工艺沉积的zrs2薄膜的厚度为36nm，并且zrs2薄膜均匀的铺满gaas衬底和gaas纳米线阵列表面上。

本实施例中异质结的制备方法如下：

1)采用酒精、丙酮、去离子水超声清洗gaas衬底；

2)采用外延法在gaas衬底生长gaas纳米线阵列；

3)利用原子层沉积工艺，在gaas衬底和gaas纳米线阵列表面上均匀沉积连续的zrs2薄膜。

本实施例中的zrs2/gaas纳米线阵列异质用于太阳能电池领域。