CN108956712B - ZnO纳米晶增强Si纳米柱阵列敏感材料及其制备方法和传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种ZnO纳米晶增强Si纳米柱阵列敏感材料，包括Si衬底、Si纳米柱阵列、ZnO纳米晶及电极材料，所述Si衬底上设置有Si纳米柱阵列，所述Si纳米柱阵列表面分布有ZnO纳米晶，所述Si纳米柱阵列的顶部还设置有电极材料；还公开了该敏感材料的制备方法和传感器。通过控制Si纳米柱阵列的有序性和均一性，调控ZnO纳米晶的分布均匀性，提并利用Si纳米柱阵列的特殊光学特性及ZnO纳米晶的局域表面敏感性提高传感器的灵敏度和整体性能。
Description
技术领域
本发明属于半导体传感技术领域，具体涉及一种ZnO纳米晶增强Si纳米柱阵列敏感材料及其制备方法和由该敏感材料制备得到的传感器。
背景技术
传感器在智能家居、安全生产、环境保护、国防等领域已得到广泛应用，尤其以Si基传感器应用最为广泛。Si因制备工艺成熟、成本低廉、尺寸大等优点而受到关注，然而，现有的硅基传感器通常以Si衬底经过刻蚀得到的Si纳米阵列为敏感材料，并通过进一步增加Au电极和引线制成，其中的Si纳米阵列对探测灵敏度有显著影响，导致含有该Si纳米阵列的传感器最小探测极限处于100ppm级别，远亚于其它半导体传感器5-10ppm的水平，此外其响应时间较长，一般为30-50s。
ZnO是一种具有六角纤锌矿结构的宽禁带金属氧化物，其原料低廉易得，制备工艺简单，具有优异的光电性能和优良的压电性、气敏性、压敏性及湿敏性，是除Si以外另一种常被用来制作传感器的半导体材料。ZnO基传感器具有响应速度快、集成化程度高、功率低、灵敏度高、选择性好等优点，且研究历史较长，开发技术相对成熟。现有的Au/ZnO纳米柱阵列传感器最小探测极限为10ppm，明显优于Si纳米阵列传感器，然而，该类传感器的均一性和纳米柱阵列的分布均匀性需要进一步提高，且ZnO晶体质量差，X射线摇摆曲线半高宽一般大于200arcsec，存在较大的提升空间。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种ZnO纳米晶增强Si纳米柱阵列敏感材料及其制备方法和由该敏感材料制备得到的传感器。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种ZnO纳米晶增强Si纳米柱阵列敏感材料，包括Si衬底、Si纳米柱阵列、ZnO纳米晶及电极材料，所述Si衬底上设置有Si纳米柱阵列，所述Si纳米柱阵列表面分布有ZnO纳米晶，所述Si纳米柱阵列的顶部还设置有电极材料。
优选地，所述Si衬底为n型或者p型Si单晶片，其X射线摇摆曲线半高宽小于50arcsec，电阻小于5Ω。
优选地，所述ZnO纳米晶的粒径为2-10nm。
优选地，所述Si纳米柱直径为50-990nm，彼此间距为30-1500nm，其截面形状呈中心对称，例如可以为中心圆形、方形、正多边形等。
优选地，所述电极材料包括Pt、Au、Ni中的至少一种；进一步，所述电极为Au/Ni合金或Pt/Au/Ni合金。
一种上述ZnO纳米晶增强Si纳米柱阵列敏感材料的制备方法，包括步骤：
(1)在Si衬底表面旋涂光刻胶，曝光，显影，刻蚀，得到Si纳米柱阵列；
(2)在上述Si纳米柱阵列表面生长ZnO纳米晶；
(3)用掩膜版保护电极沉积区域以外的部分，然后在电极沉积区域蒸镀电极。
所述步骤(1)中，旋涂工艺可以采用本领域中已知的方法，曝光、显影工艺以金属板作为掩膜板，刻蚀工艺优选为ICP刻蚀，刻蚀深度为200-2000nm。进一步，所述刻蚀气体为SF6/C4F8混合气体。
优选地，所述步骤(2)中，ZnO纳米晶通过以下工艺生长得到：将步骤(1)制得的Si纳米柱阵列置于ZnO溶胶凝胶溶液中，使用提拉机以1-3mm/min的速率提拉1-3次，自然干燥后放入电阻炉中，在150-600℃下退火30-120min；进一步，所述电阻炉为箱式电阻炉。
更优选地，所述ZnO溶胶凝胶溶液为醋酸锌/乙醇混合溶液。
一种ZnO纳米晶增强Si纳米柱阵列传感器，包括上述敏感材料及其四周引出的导线；进一步，所述导线为Au线。
本发明的有益效果：
(1)通过控制Si纳米柱阵列的有序性和均一性，调控ZnO纳米晶的分布均匀性，提高传感器的整体性能；
(2)在Si纳米柱表面分布ZnO纳米晶，利用Si纳米柱阵列的特殊光学特性及ZnO纳米晶的局域表面敏感性提高传感器的灵敏度。
附图说明
图1是实施例1中Si纳米柱阵列的俯视示意图；
图2是实施例1中表面分布有ZnO纳米晶的Si纳米柱阵列的俯视示意图；
图3是实施例1制备的ZnO纳米晶增强Si纳米柱阵列敏感材料的剖视图；
图中：10-Si衬底，11-Si纳米柱阵列，12-ZnO纳米晶，13-Au/Ni电极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。
实施例1
一种ZnO纳米晶增强Si纳米柱阵列敏感材料的制备方法，包括步骤：
(1)制备Si纳米柱阵列11：选用X射线摇摆曲线半高宽小于50arcsec、电阻小于5Ω的市售p型Si单晶片作为衬底10，在其表面旋涂光刻胶，以金属板作为掩膜板进行曝光、显影，然后进行ICP刻蚀，刻蚀深度为1000nm，得到直径为250nm、彼此间距为400nm的Si纳米柱阵列11，如图1所示；
(2)将步骤(1)制得的Si纳米柱阵列11置于醋酸锌/乙醇混合溶液中，使用提拉机以2mm/min的速率提拉1次，自然干燥后放入电阻炉中，在500℃下退火30min，得到分布在Si纳米柱阵列11表面的粒径为5nm的ZnO纳米晶12，如图2所示；
(3)用掩膜板挡住Si纳米柱阵列，暴露出电极沉积区域，然后采用热蒸发方法蒸镀Au/Ni电极13，制得如图3所示的敏感材料。
实施例2
按照实施例1的方法制备ZnO纳米晶增强Si纳米柱阵列敏感材料，不同的是，将步骤(1)中的p型Si单晶片用相同规格的n型Si单晶片替代。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在发明技术方案的范围内。
Claims (3)
1.一种ZnO纳米晶增强Si纳米柱阵列敏感材料，其特征在于，包括Si衬底、Si纳米柱阵列、ZnO纳米晶及电极材料，所述Si衬底上设置有Si纳米柱阵列，所述Si纳米柱阵列表面分布有ZnO纳米晶，所述Si纳米柱阵列的顶部还设置有电极材料；
所述ZnO纳米晶的粒径为2-10nm；
所述Si纳米柱阵列的直径为50-990nm，彼此间距为30-1500nm，其截面形状呈中心对称；
所述电极材料包括Pt、Au、Ni中的至少一种；
所述Si衬底为n型或者p型Si单晶片，其X射线摇摆曲线半高宽小于50arcsec，电阻小于5Ω；
所述电极为Au/Ni合金或Pt/Au/Ni合金。
2.一种制备权利要求1所述的ZnO纳米晶增强Si纳米柱阵列敏感材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在Si衬底表面旋涂光刻胶，曝光，显影，刻蚀，得到Si纳米柱阵列；
(2)在上述Si纳米柱阵列表面生长ZnO纳米晶；
(3)用掩膜版保护电极沉积区域以外的部分，然后在电极沉积区域蒸镀电极；
所述步骤(1)中，以金属板作为掩膜板进行曝光、显影，刻蚀工艺为ICP刻蚀，刻蚀深度为200-2000nm；
所述步骤(2)中，ZnO纳米晶通过以下工艺生长得到：将步骤(1)制得的Si纳米柱阵列置于ZnO溶胶凝胶溶液中，使用提拉机以1-3mm/min的速率提拉1-3次，自然干燥后放入电阻炉中，在150-600℃下退火30-120min。
3.一种ZnO纳米晶增强Si纳米柱阵列传感器，其特征在于，包括权利要求1所述的敏感材料及其四周引出的导线。
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