在硅片上复合In2O3分层棒状纳米结构的半导体材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种在硅片上复合In2O3分层棒状纳米结构的半导体材料及其制备方法，所述材料包括硅片衬底和衬底表面生长的In2O3晶体；所述In2O3晶体长度为260～360μm，底部分层棒状直径为1.0～1.4μm，顶部线的直径大约为80～120nm；所述制备方法是以In颗粒作为原料，利用热蒸发方法生长得到In2O3分层棒状纳米结构。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。

权利要求

1.一种在硅片上复合In2O3分层棒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晶体为分层棒状纳米结构；其中，所述In2O3晶体的长度为260～360μm，底部分层棒状直径为1.0～1.4μm，顶部线的直径大约为80～120nm。

2.制备如权利要求1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4～10mm；所述In颗粒的纯度为99.999％；

b、把石英舟放到预先加热至700～900℃的水平放置的管式生长炉的中部；

c、以0.5L/min的流量通入惰性气体Ar作为载气，在大气压强下反应60～180min，然后将管式生长炉降温至500～700℃，继续反应60～120min后，得到产物。

3.根据权利要求2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6～10cm；小的石英管长度为

50～80cm，直径为3～5cm。

说明书

在硅片上复合In2O3分层棒状纳米结构的半导体材料及其

制备方法

技术领域

[0001] 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分层棒状纳米结构的半导体材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 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。

[0003] 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，所有的一维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一维纳米结构在场发射应用中的不足。

发明内容

[0004] 本发明的目的之一在于提供一种在硅片上复合In2O3分层棒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晶体为分层棒状纳米结构。

[0005] 本发明提供的在硅片上复合In2O3分层棒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In2O3晶体的长度为260～360μm，底部分层棒状直径为1.0～1.4μm，顶部线的直径大约为80～120nm。本发明提供的所述周期性的In2O3分层棒状纳米结构，在国际上尚属首次报道。

[0006] 本发明的第二个目的在于提供在硅片上复合In2O3分层棒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。

[0007] 制备在硅片上复合In2O3分层棒状纳米结构的半导体材料的方法，包括如下步骤：

[0008] 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4～10mm；

[0009] b、把石英舟放到预先加热至700～900℃的水平放置的管式生长炉的中部；

[0010] c、通入惰性气体Ar作为载气，在大气压强下反应，然后，将管式生长炉降温至500～700℃，继续反应后，得到产物。

[0011] 其中，所述步骤a中所述In颗粒的纯度为99.999％。

[0012] 其中，所述步骤c中所述通入的惰性气体Ar的流量为0.5L/min；所述在大气压强下的反应时间为60～180min；所述在管式生长炉降温之后的反应时间为60～120min。

[0013] 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6～10cm；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。

[0014] 本发明提供的制备在硅片上复合In2O3分层棒状纳米结构的半导体材料的方法，具体步骤包括如下：

[0015] a、把硅片清洗干净，然后切成几小片；

[0016] b、将水平放置的管式生长炉以5℃/min的速率加热到700～900℃；

[0017] 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4～10mm；

[0018] d、把石英舟放到预先加热好的水平管式炉的中部；

[0019] e、通入流量为0.5L/min的惰性气体Ar作为载气，在大气压强下反应60～180min；

[0020] f、氩气流量不变，管式生长炉以5℃/min的速率降温到500～700℃，并在500～700℃反应60～120min；

[0021] g、取出石英舟和硅片，在硅片上面长有一层淡黄色的物质。

[0022] 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分层棒状纳米结构。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900℃，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，而且是大面积的生长。且本发明采用硅片作为衬底，将In2O3分层棒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。

附图说明

[0023] 图1是分层棒状纳米结构的X射线衍射图

[0024] 图1显示所有的峰都是In2O3的峰，没有任何杂质峰存在

[0025] 图2是大量分层棒状纳米结构的SEM图

[0026] 图2显示In2O3晶体的长度为260～360μm

[0027] 图3是分层棒状纳米结构顶部的放大倍数的SEM图

[0028] 图3显示顶部是较细的纳米线结构

[0029] 图4是分层棒状纳米结构底部的放大倍数的SEM图

[0030] 图4显示底部是具有周期性的分层纳米棒状结构

具体实施方式

[0031] 实施例1

[0032] 制备在硅片上复合In2O3分层棒状纳米结构的半导体材料，具体步骤如下：

[0033] a、把硅片清洗干净，然后切成几小片；

[0034] b、将水平放置的管式生长炉以5℃/min的速率加热到800℃；

[0035] 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5mm；

[0036] d、把石英舟放到预先加热好的水平管式炉的中部；

[0037] e、通入流量为0.5L/min的惰性气体Ar作为载气，在大气压强下反应180min；

[0038] f、氩气流量不变，管式生长炉以5℃/min的速率降温到600℃，并在600℃反应60min；

[0039] g、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。

[0040] 检测所制得的材料，检测结果如图1、2、3、4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晶体的长度为260～360μm。图3显示顶部是较细的纳米线结构。图4显示底部是具有周期性的分层纳米棒状结构。

[0041] 实施例2

[0042] 制备在硅片上复合In2O3分层棒状纳米结构的半导体材料，具体步骤如下：

[0043] a、把硅片清洗干净，然后切成几小片；

[0044] b、将水平放置的管式生长炉以5℃/min的速率加热到900℃；

[0045] 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；

[0046] d、把石英舟放到预先加热好的水平管式炉的中部；

[0047] e、通入流量为0.5L/min的惰性气体Ar作为载气，在大气压强下反应120min；

[0048] f、氩气流量不变，管式生长炉以5℃/min的速率降温到700℃，并在700℃反应60min；

[0049] g、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。

[0050] 检测所制得的材料，检测结果如图1、2、3、4所示。图1显示所有的峰都是的峰，没有任何杂质峰存在。图2显示In2O3晶体的长度为260～360μm。图3显示顶部是较细的纳米线结构。图4显示底部是具有周期性的分层纳米棒状结构。