在硅片上复合In₂O₃塔状纳米结构的半导体材料及其制备方法

专利名称：在硅片上复合In₂O₃塔状纳米结构的半导体材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及光电子材料、半导体材料与器件技术领域，具体地说，本发明涉及在硅片上复合In2O3塔状纳米结构的半导体材料及其制备方法。
背景技术：
In2O3是一种宽带隙透明半导体材料，其直接带隙在3. 55 3. 75eV范围内，具有良好的导电性和较高的透光率。由于其独特的电学、化学和光学性质，In2O3在化学、生物传感、太阳能电池、光催化、执行器、光电子和平板显示等领域具有广泛的应用空间。近来，人们利用各种方法(溶液法，分子束外延，脉冲激光沉积，金属有机物化学气相沉积等)制备出了各种不同的In2O3纳米结构，例如纳米线，纳米带，纳米方块，八面体， 纳米箭等，并对这些纳米结构的光电特性进行了研究。结果表明，具有尖端的那些纳米结构更容易发射出电子，然而至目前为止已经公开的现有技术中，所有的纳米结构由于其光滑的表面往往都只能从顶端发射电子，限制了场发射性能的进一步提高，所以有必要制作一种不但具有尖端，而且在表面上也有很多发射点的结构来作为新一代的场发射阴极材料。 本发明所提供的In2O3纳米结构不但具有纳米级的尖端，而且在主干上还分布着许多棱角， 从而克服现有技术中许多纳米结构在场发射应用中的不足。

发明内容
本发明的目的之一在于提供一种在硅片上复合In2O3塔状纳米结构的半导体材料，包括硅片衬底，和生长在所述衬底表面的In2O3晶体。其中，所述In2O3晶体为塔状纳米结构。本发明提供的在硅片上复合In2O3塔状纳米结构的半导体材料，这种纳米结构具有很明显的层次变化，并具有周期性，所述的In2O3晶体长度为40 60μπι，具有周期性的层状结构，层状结构由底部到顶部逐渐减小，最后在顶部形成一个尖端，每个塔状结构有四处开口。本发明提供的所述周期性的In2O3塔状纳米结构，在国际上尚属首次报道。本发明的第二个目的在于提供在硅片上复合In2O3塔状纳米结构的半导体材料的制备方法，以解决现有In2O3纳米材料制备方法条件苛刻，成本高的问题，提供一种低成本， 高重复性，适用于大规模工业生产的新方法。制备在硅片上复合In2O3塔状纳米结构的半导体材料的方法，包括如下步骤a、将In颗粒作为源放到石英舟里，把清洗后的硅片盖在石英舟的上面，硅片与源的垂直距离为4 IOmm ；b、把石英舟放到预先加热至600 800°C的水平放置的管式生长炉的中部；C、通入惰性气体Ar作为载气，在大气压强下反应，得到产物。其中，所述步骤a中所述In颗粒的纯度为99. 999%。其中，所述步骤c中所述通入的惰性气体Ar的流量为0. 3 0. 6L/min ；所述在大气压强下的反应时间为120 240min。其中，所述水平放置的管式生长炉是由两根半径不同的管组成的，大的氧化铝管长度为70 100cm，直径为6 IOcm ；小的石英管长度为50 80cm，直径为3 5cm。反应时，把小口径的管子插入大口径管子中，反应在小管中进行，并且载气是直接通入到小口径管子中。制备在硅片上复合In2O3塔状纳米结构的半导体材料的方法，具体步骤包括如下a、把硅片清洗干净，然后切成几小片；b、将水平放置的管式生长炉以5°C /min的速率加热到600 800°C ；C、将纯度99. 999%的In颗粒作为源放到一个石英舟里，把一小片干净的硅片盖在石英舟的上面，作为衬底来收集反应生成物，硅片与源的垂直距离为4 IOmm ；d、把石英舟放到预先加热好的水平管式炉的中部；e、通入流量为0. 3 0. 6L/min的惰性气体Ar作为载气，在大气压强下反应120 240min ；f、取出石英舟和硅片，在硅片上面长有一层淡黄色的物质。本发明通过改变对热蒸发过程中一些参量，如气体流量，反应温度，硅片与源之间距离的控制，合成了周期性的In2O3塔状纳米结构。相对于以前合成的纳米结构，本发明的突出特点是(1)生长温度低，最高只需要800°C，降低了对设备的要求；(2)所放硅片衬底位置不同。许多合成方法都把硅衬底放在气流的下流，与源在同一水平位置，而本发明则把硅片直接放在与源的垂直方向上的某一位置；(3)压力只需要是常压；(4)不需要引入任何催化剂；(5)对载气的要求不高，只需要Ar就可以，不需要加O2等另外的气体；(6)方法简单，成本低，重复性好。且本发明采用硅片作为衬底，将In2O3塔状纳米结构生长在硅衬底上，可结合目前成熟的半导体硅集成电路工艺，适合于集成纳米光电子器件的发展。


图1是塔状纳米结构的X射线衍射1显示所有的峰都是In2O3的峰，没有任何杂质峰存在。图2是大量塔状纳米结构的SEM2显示In2O3晶体长度为40 60 μ m,具有周期性的层状结构，每个塔状结构有四处开口。图3是塔状纳米结构的放大倍数的SEM3显示层状结构由底部到顶部逐渐减小，最后在顶部形成一个尖端。
具体实施例方式实施例1制备在硅片上复合In2O3塔状纳米结构的半导体材料，具体步骤如下a、把硅片清洗干净，然后切成几小片；b、将水平放置的管式生长炉以5°C /min的速率加热到600°C ；c、将In颗粒(纯度99. 999% )作为源放到一个石英舟里，把一小片干净的硅片盖在石英舟的上面，作为衬底来收集反应生成物，硅片与源的垂直距离为6mm ；
d、把石英舟放到预先加热好的水平管式炉的中部；e、通入流量为0. 3L/min的惰性气体Ar作为载气，在大气压强下反应ISOmin ；f、取出石英舟和硅片，在硅片上面长有一层淡黄色的物质，即制得所需材料。检测所制得的材料，检测结果如图1、2、3所示。图1显示所有的峰都是In2O3的峰， 没有任何杂质峰存在。图2显示In2O3晶体长度为40 60 μ m,具有周期性的层状结构，每个塔状结构有四处开口。图3显示层状结构由底部到顶部逐渐减小，最后在顶部形成一个尖端。实施例2制备在硅片上复合In2O3塔状纳米结构的半导体材料，具体步骤如下a、把硅片清洗干净，然后切成几小片；b、将水平放置的管式生长炉以5°C /min的速率加热到800°C ；c、将In颗粒(纯度99. 999% )作为源放到一个石英舟里，把一小片干净的硅片盖在石英舟的上面，作为衬底来收集反应生成物，硅片与源的垂直距离为8mm ；d、把石英舟放到预先加热好的水平管式炉的中部；e、通入流量为0. 6L/min的惰性气体Ar作为载气，在大气压强下反应180min ；f、取出石英舟和硅片，在硅片上面长有一层淡黄色的物质，即制得所需材料。检测所制得的材料，检测结果如图1、2、3所示。图1显示所有的峰都是In2O3的峰， 没有任何杂质峰存在。图2显示In2O3晶体长度为40 60 μ m,具有周期性的层状结构，每个塔状结构有四处开口。图3显示层状结构由底部到顶部逐渐减小，最后在顶部形成一个尖端。
权利要求
1.一种在硅片上复合In2O3塔状纳米结构的半导体材料，其特征在于，包括硅片衬底， 和生长在所述衬底表面的In2O3晶体，所述In2O3晶体为塔状纳米结构。
2.根据权利要求2所述的在硅片上复合In2O3塔状纳米结构的半导体材料，其特征在于，所述In2O3晶体长度为40 60 μ m，具有周期性的层状结构，层状结构由底部到顶部逐渐减小，在顶部形成一个尖端，每个塔状结构有四处开口。
3.制备如权利要求1、2或3所述半导体材料的方法，其特征在于，包括如下步骤a、将In颗粒作为源放到石英舟里，把清洗后的硅片盖在石英舟的上面，硅片与源的垂直距离为4 IOmm ；b、把石英舟放到预先加热至600 800°C的水平放置的管式生长炉的中部；c、通入惰性气体Ar作为载气，在大气压强下反应，得到产物。
4.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤a中所述In颗粒的纯度为 99. 999%。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤c中所述通入的惰性气体Ar的流量为0. 3 0. 6L/min ；所述在大气压强下的反应时间为120 240min。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述水平放置的管式生长炉是由两根半径不同的管组成的，大的氧化铝管长度为70 100cm，直径为6 IOcm ；小的石英管长度为 50 80cm，直径为3 5cm。
全文摘要
本发明公开了一种在硅片上复合In2O3塔状纳米结构的半导体材料及其制备方法，其材料包括衬底，该衬底采用硅片，其衬底表面生长有In2O3晶体；所述的In2O3晶体长度为40～60μm，具有周期性的层状结构，层状结构由底部到顶部逐渐减小，最后在顶部形成一个尖端，每个塔状结构有四处开口。其制备方法是以In颗粒作为原料，利用热蒸发方法生长得到In2O3塔状纳米结构。本发明具有成本低，生长温度低，重复性高等优点，可结合目前成熟的半导体硅集成电路工艺，适合于集成纳米光电子器件的发展。
文档编号C04B41/50GK102219553SQ20101015057
公开日2011年10月19日 申请日期2010年4月19日 优先权日2010年4月19日
发明者朱自强, 郁可, 黄雁君 申请人:华东师范大学