CN100424892C - 一种基于硅纳米线的异质pn结二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于硅纳米线的异质pn结二极管及其制备方法，该二极管的特殊之处是其pn结是在以垂直定向生长的p-型硅纳米线阵列中沉积n型宽带隙氧化物而成的p-硅纳米线/n-宽带隙氧化物异质pn结。该二极管的制备方法为：先用无电极金属电化学沉积法在p型硅片上电化学刻蚀形成p型硅纳米线，再以形成的垂直排列的p型硅纳米线阵列为模板沉积n型宽带隙氧化物，最后在p型硅背面和n型氧化锌表面分别溅射金属电极，通过后退火合金化形成欧姆接触电极。此方法所制备的p-Si/n-宽带隙氧化物异质pn结二极管充分利用了纳米结构所具有的大的比表面积，增加了载流子复合几率，具有较低的正向开启电压和大的正向电流密度。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型的基于硅纳米线的异质pn结二极管及其制备方法，属于纳米材料领域，也属于电子材料领域。
背景技术
现有的pn结二极管通常为平面pn结二极管。据悉，清华大学材料系的彭奎庆、朱静研究组经过研究已通过CVD法在p型硅片的上部分生长一层n型硅形成p-n结结构，制作成了p-n结纳米线阵列，且对测试出的该p-n结纳米线的I-V曲线进行分析后，发现该p-n结纳米线具有p-n结所特有的整流效应。该p-n结纳米线的I-V曲线是采用AFM测试的。纳米线未固化，硅纳米线表面未采用金属电极。但目前基于硅纳米线的p-Si/n-宽带隙氧化物异质pn结二极管在国际上还未见诸报道。
发明内容
为提高传统的平面pn结二极管的性能，本发明提供了一种基于硅纳米线的异质pn结二极管及其制备方法，制备的p-Si/n-宽带隙氧化物异质pn结二极管具有较低的正向开启电压和大的正向电流密度，提高了传统平面pn结二极管的性能。
本发明的的技术方案是基于硅纳米线的p-Si/n-宽带隙氧化物异质pn结二极管至少包括pn结和金属电极，其pn结是在以垂直定向生长的p-型硅纳米线阵列中沉积n型宽带隙氧化物而成的p-硅纳米线/n-宽带隙氧化物异质pn结。其中n-宽带隙氧化物包括本征n型ZnO，或者铝和/或镓和/或铟掺杂氧化锌，或者SnO2、ITO、In2O3、TiO2或Ga2O3。
本发明提供的制备该基于硅纳米线的p-Si/n-宽带隙氧化物异质pn结二极管的方法是先用无电极金属电化学沉积法自组装形成的金属纳米结构为模板，在p型硅片上刻蚀形成硅纳米线阵列，再以形成的垂直排列的p型硅纳米线阵列为模板沉积n型宽带隙氧化物，从而制备出p-硅纳米线/n-宽带隙氧化物异质pn结，最后沉积金属电极，通过后退火合金化形成欧姆接触电极。
采用具体步骤如下：
(1)采用半导体工艺中常用的清洗方法清洗硅片并烘干；
(2)p型硅纳米线的制备：将含0.01～0.1mol/L银离子Ag+的硝酸盐和质量百分比为8～12％氢氟酸按照等体积比配制成反应溶液，或含0.01～0.1mol/L氯金酸根离子AuCl-的盐溶液和质量百分比为8～12％氢氟酸按照等体积比配制成反应溶液，采用有聚四氟乙烯内衬的高压水热反应釜为反应容器，取适量反应溶液倒入聚四氟乙烯容器中，将硅片抛光面朝上浸入反应溶液中，将高压水热反应釜置于恒温箱中，于30～80℃保持30分钟～10小时，最后用硝酸去掉银或用王水去掉金，用去离子水漂洗，烘干，得p型硅纳米线；
(3)沉积n型宽带隙氧化物：在沉积前先用1～10％氢氟酸溶液浸泡p型硅纳米线3～10分钟去除纳米线表面SiO2层，以n型宽带隙氧化物为填充物，采用直流磁控溅射法包覆p型硅纳米线，填充p型硅纳米线空隙，进行直流磁控溅射时所用条件参数为：靶材是导电性良好的氧化物陶瓷靶、本底真空度小于10-3Pa，衬底温度为100～150℃，沉积时Ar气压为1～10Pa、功率范围80～120W、溅射时间为30分钟～2小时；
(4)电极的制备：在p型硅背面溅射金属铂，并在n型氧化锌表面溅射金属银，通过后退火合金化形成欧姆接触电极。
由于本发明是以垂直定向生长的p-型硅纳米线阵列为模板沉积n型宽带隙氧化物，再在p型硅背面和n型宽带隙氧化物表面分别溅射金属电极，通过后退火合金化形成欧姆接触电极，制备出基于硅纳米线的新型p-Si/n-宽带隙氧化物异质pn结二极管，充分利用了纳米结构所具有的大的比表面积的特点，增加了载流子复合几率，具有较低的正向开启电压，大的正向电流密度，从而提高了传统的平面pn结二极管的性能，因此，在光电方面，如半导体激光器和LED等方面，具有潜在的应用价值。
附图说明
附图为本发明的制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
如附图所示，本发明提供的基于硅纳米线的p-Si/n-宽带隙氧化物异质pn结二极管至少包括pn结和金属电极1、4，其pn结是在以垂直定向生长的p-型硅纳米线3阵列中沉积n型宽带隙氧化物2而成的p-硅纳米线/n-宽带隙氧化物异质pn结。
制备方法实施例1：
下面以单面抛光(100)取向硅片为例具体说明制备过程。
(1)清洗：本实例中所用硅片为单面抛光(100)取向硅片。采用半导体工艺中常用的1号液和2号液的方法来清洗硅片。1号液的配方是：浓氨水∶30％过氧化氢∶去离子水＝1∶2∶7；2号液的配方是：浓盐酸∶30％过氧化氢∶去离子水＝1∶2∶7。先用1号液煮硅片，使之沸腾片刻，待其冷却再用去离子水清洗干净。然后放入2号液煮硅片，使之沸腾片刻，待其冷却最后取出，再用去离子水清洗干净，最后烘干。
(2)p型硅纳米线的制备：采用有聚四氟乙烯内衬的高压水热反应釜为反应容器，其容积为60mL。将0.02mol/L AgNO3溶液和10％氢氟酸按照等体积比配制成反应溶液，取约40mL溶液倒入聚四氟乙烯容器中，将硅片抛光面朝上浸入反应溶液中，将高压釜至于恒温箱中，50℃保持一个小时。最后用硝酸去掉银，用去离子水漂洗，烘干。所得p型纳米线长约10μm，直径约40～100nm。
(3)沉积n型宽带隙氧化物。选取n型导电的铝掺杂的ZnO(AZO)为填充物，采用直流磁控溅射的方法包覆硅纳米线，填充硅纳米线空隙。在沉积AZO前用10％氢氟酸溶液浸泡3分钟去处纳米线表面SiO2层。靶材选用导电性良好的AZO陶瓷靶，本底真空小于10-3Pa，衬底温度：150℃，沉积是Ar气压：3.9Pa，功率100W，溅射时间：60min。
(4)电极制备。在p型硅背面和n型氧化锌表面分别溅射金属铂和银，通过后退火合金化形成欧姆接触电极。
制备方法实施例2：
下面以单面抛光(100)取向硅片为例具体说明制备过程。
(1)清洗：本实例中所用硅片为单面抛光(100)取向硅片。采用半导体工艺中常用的1号液和2号液的方法来清洗硅片。1号液的配方是：浓氨水∶30％过氧化氢∶去离子水＝1∶2∶7；2号液的配方是：浓盐酸∶30％过氧化氢∶去离子水＝1∶2∶7。先用1号液煮硅片，使之沸腾片刻，待其冷却再用去离子水清洗干净。然后放入2号液煮硅片，使之沸腾片刻，待其冷却最后取出，再用去离子水清洗干净，最后烘干。
(2)p型硅纳米线的制备：采用有聚四氟乙烯内衬的高压水热反应釜为反应容器，其容积为60mL。将含氯金酸根离子AuCl-0.02mol/L的钾盐溶液和12％氢氟酸按照等体积比配制成反应溶液，取约40mL溶液倒入聚四氟乙烯容器中，将硅片抛光面朝上浸入反应溶液中，将高压釜至于恒温箱中，60℃保持一个小时。最后用王水去掉金颗粒，用去离子水漂洗，烘干，得到p型纳米线。
(3)沉积n型宽带隙氧化物。选取SnO2、ITO、In2O3、TiO2或Ga2O3为填充物，采用直流磁控溅射的方法包覆硅纳米线，填充硅纳米线空隙。在沉积前用5％氢氟酸溶液浸泡10分钟去处纳米线表面SiO2层。靶材选用导电性良好的氧化物陶瓷靶，本底真空小于10-3Pa，衬底温度：150℃，沉积是Ar气压：3.9Pa，功率120W，溅射时间：45min。
(4)电极制备。在p型硅背面和n型氧化锌表面分别溅射金属铂和银，通过后退火合金化形成欧姆接触电极。
Claims (4)
1. 一种基于硅纳米线的异质pn结二极管，至少包括pn结和金属电极，其特征在于：pn结是在以垂直定向生长的p-型硅纳米线阵列中沉积n型宽带隙氧化物而成的p-硅纳米线/n-宽带隙氧化物异质pn结。
2. 根据权利要求1所述的基于硅纳米线的异质pn结二极管，其特征在于：n-宽带隙氧化物包括本征n型ZnO，或者铝和/或镓和/或铟掺杂氧化锌，或者SnO2、ITO、In2O3、TiO2或Ga2O3。
3. 一种权利要求1所述的基于硅纳米线的异质pn结二极管的制备方法，其特征在于：先用无电极金属电化学沉积法自组装形成的金属纳米结构为模板，在p型硅片上刻蚀形成硅纳米线阵列，再以形成的垂直排列的p型硅纳米线阵列为模板沉积n型宽带隙氧化物，从而制备出p-硅纳米线/n-宽带隙氧化物异质pn结，最后沉积金属电极，通过后退火合金化形成欧姆接触电极。
4. 根据权利要求3所述的基于硅纳米线的异质pn结二极管的制备方法，其特征在于采用具体如下步骤：
(1)采用半导体工艺中常用的清洗方法清洗硅片并烘干；
(2)p型硅纳米线的制备：将含0.01～0.1mol/L银离子Ag+的硝酸盐和质量百分比为8～12％氢氟酸按照等体积比配制成反应溶液，或含0.01～0.1mol/L氯金酸根离子AuCl-的盐溶液和质量百分比为8～12％氢氟酸按照等体积比配制成反应溶液，采用有聚四氟乙烯内衬的高压水热反应釜为反应容器，取适量反应溶液倒入聚四氟乙烯容器中，将硅片抛光面朝上浸入反应溶液中，将高压水热反应釜置于恒温箱中，于30～80℃保持30分钟～10小时，最后用硝酸去掉银或用王水去掉金，用去离子水漂洗，烘干，得p型硅纳米线；
(3)沉积n型宽带隙氧化物：在沉积前先用1～10％氢氟酸溶液浸泡p型硅纳米线3～10分钟去除纳米线表面SiO2层，以n型宽带隙氧化物为填充物，采用直流磁控溅射法包覆p型硅纳米线，填充p型硅纳米线空隙，进行直流磁控溅射时所用条件参数为：靶材是导电性良好的氧化物陶瓷靶、本底真空度小于10-3Pa，衬底温度为100～150℃，沉积时Ar气压为1～10Pa、功率范围80～120W、溅射时间为30分钟～2小时；
(4)电极的制备：在p型硅背面溅射金属铂，并在n型氧化锌表面溅射金属银，通过后退火合金化形成欧姆接触电极。
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