專利名稱：一種氧化鋅薄膜的制備方法及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有二維多孔結(jié)構(gòu)的氧化鋅薄膜的制備方法，及基于該種薄膜的 同時(shí)具有場發(fā)射和紫外光探測功能的器件，屬于半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的制備及電子器件的制造 技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氧化鋅是一種新型的II VI族直接寬帶隙化合物半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)異的光學(xué) 和電學(xué)特性，室溫下的帶隙為3. 37eV，激子束縛能為60meV，預(yù)計(jì)可以在半導(dǎo)體微電子領(lǐng)域 有廣泛的用途。在電場作用下，因?yàn)榱孔铀泶┬?yīng)，電子可以從半導(dǎo)體、金屬等陰極表面逸 出，形成場致電流發(fā)射(場發(fā)射)。與熱陰極發(fā)射相比，場發(fā)射具有功耗小、啟動(dòng)快等特點(diǎn)。 如在2009年7月22日公開的中國發(fā)明專利申請(qǐng)公開說明書CN 101488431A中披露了 “一 種復(fù)合式場致發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)及其制備方法“。它意欲提供一種碳納米管和氧化鋅的復(fù)合場 發(fā)射結(jié)構(gòu)。該種方法制備繁瑣，需要絲網(wǎng)印刷等復(fù)雜工藝。另外，由于氧化鋅可以和氧化 鎂、氧化鉻等形成合金，可以通過調(diào)節(jié)Si/Mg/Cd的相對(duì)比值，可以實(shí)現(xiàn)氧化鋅的帶隙可調(diào)， 覆蓋較寬的可見-紫外光范圍。這些特點(diǎn)使氧化鋅在可見-紫外光波段的探測方面有許多 潛在的應(yīng)用。如在2003年3月5日公開的中國發(fā)明專利申請(qǐng)公開說明書CN 1400674A中 披露了一種“氧化鋅紫外光電探測器原型器件的制備方法”。它意欲提供一種基于氧化鋅 薄膜的紫外光電探測器件的制備方法。由于該原理性探測器件是基于普通氧化鋅平面薄膜 的，其靈敏度有限，且不同時(shí)具備場發(fā)射性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)存技術(shù)的不足，提供一種具有二維多孔結(jié)構(gòu)的氧化 鋅薄膜的制備方法，更為重要的是基于這種薄膜的原理型器件同時(shí)具備場發(fā)射和紫外光電 探測功能。本發(fā)明方法技術(shù)解決方案是通過生長具有二維多孔納米璧結(jié)構(gòu)的氧化鋅薄膜進(jìn) 而實(shí)現(xiàn)同時(shí)具有場發(fā)射和紫外光探測功能的器件。本發(fā)明中所述的氧化鋅薄膜材料，其結(jié)構(gòu)為垂直于襯底的二維納米壁連接而成 的多孔結(jié)構(gòu)，具有二維垂直結(jié)構(gòu)，其比表面積大于同面積薄膜材料。本發(fā)明中所述的氧 化鋅薄膜材料，是采用高壓脈沖激光燒蝕生長的，其具體的工藝條件為石英管形狀為十 字形型，生長腔內(nèi)壓力是20mbar-40mbar，生長溫度為850-1050°C，載氣為氬氣，流量為 25SCCM-40SCCM，激光的工作條件為248nm，頻率為10_20Hz，能量密度為l_5J/cm2，襯底為 拋光的c趨向藍(lán)寶石襯底。其中此處激光器一般以5的整數(shù)倍的頻率工作。將具有二維多孔結(jié)構(gòu)的氧化鋅薄膜材料進(jìn)行如下的處理，得到基于這種薄膜的原 理型器件其步驟為(1)以金屬薄片為掩膜，通過金屬熱蒸發(fā)沉積法在上述樣品的兩邊沉積
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金電極；金屬熱沉積的工藝條件為沉積溫度為1000_1050°C，沉積腔內(nèi)壓強(qiáng)為10-4-l(T6pa，金膜生長速率為50-lOOnm/min.(2)在氬氣氣氛保護(hù)下退火500°C ；時(shí)間為1小時(shí)，去除電極表面的污染，改善金/氧化鋅之間的歐姆接觸。對(duì)上述原理性器件進(jìn)行相關(guān)測試，得出該器件同時(shí)具備場發(fā)射功能和紫外光探測 功能。組裝器件的場發(fā)射性能評(píng)價(jià)場發(fā)射性能通過如下步驟進(jìn)行評(píng)價(jià)(a)把具有二維多孔結(jié)構(gòu)的氧化鋅薄膜材料進(jìn)行處理得到的基于這種薄膜的原理 型器件，固定到一個(gè)不銹鋼圓臺(tái)上，并和金電極連接，作為場發(fā)射測量的陰極；(b)以一個(gè)直徑為2毫米的不銹鋼探針為陽極；(c)陰極與陽極之間的距離為2微米；(d)陰極與陽極之間的電壓從750V，以100V為單位，逐步升高到3000V ；(e)整個(gè)測試腔的壓力為10_6Pa，發(fā)射電流用一個(gè)納安表測量。附圖3是用上述方法測得上述氧化鋅二維多孔薄膜器件的場發(fā)射性質(zhì)。其開啟電 壓是2. 3V/μ m，優(yōu)于氣相法制備的氧化鋅納米線(Li，Y. B. ；etal. Appl. Phys. Lett. 2004， 84,3603).組裝器件的紫外光探測性能評(píng)價(jià)紫外光探測性能通過如下步驟進(jìn)行評(píng)價(jià)(a)在進(jìn)行光探測性能測量之前，所組裝器件先在黑暗處儲(chǔ)藏M小時(shí)；整個(gè)測量 也是在暗室中進(jìn)行的。(b)以汞燈和單色儀聯(lián)合起來提供365nm的紫外光源，功率是3微瓦。通過一個(gè)會(huì) 聚透鏡和光過濾鏡片組合，紫外光照到樣品上的面積是3cm2。(c)以一個(gè)直流穩(wěn)壓電源給該器件提供一定測試電壓(1-10V)；用納安表檢測流 過該器件的電流在紫外照射和黑暗環(huán)境中隨時(shí)間的變化趨勢。附圖4是用上述方法測得的氧化鋅二維多孔薄膜器件的電流隨紫外光照的開關(guān) 的響應(yīng)曲線。其靈敏可以達(dá)到3 μ W/cm2，遠(yuǎn)大于普通氧化鋅薄膜型紫外探測器(Sharma， P. et. al J. Appl. Phys. 2003，93，3963)。對(duì)上述原理性器件進(jìn)行相關(guān)測試，得出該器件同時(shí)具備場發(fā)射功能和紫外光探測 功能。本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明以十字形石英管為生長腔，并且采用了較低的生長 壓力，所制備的氧化鋅薄膜具有垂直的二維納米璧多孔結(jié)構(gòu)，有利于同時(shí)實(shí)現(xiàn)場發(fā)射和紫 外光探測性能，并且性能較普通薄膜型器件有較大改善。除此之外，該器件制備工藝較為簡


圖1 二維多孔氧化鋅薄膜的掃描電子顯微鏡照片。圖2用圖1中的氧化鋅薄膜樣品所組裝的具有紫外光探測與場發(fā)射性能的器件示 意圖。
圖3為圖2所示器件的場發(fā)射性能測試結(jié)果。圖4為圖2所示器件的紫外光探測結(jié)果。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明是通過制備二維多孔結(jié)構(gòu)的氧化鋅薄膜來同時(shí)實(shí)現(xiàn)其場發(fā)射和紫外光探 測功能的。由于這種氧化鋅薄膜具有垂直于襯底的二維排布和較薄孔壁，因而具有良好的 場發(fā)射性能。同樣，這種二維多孔結(jié)構(gòu)具有較大的比表面積，也提高了其紫外光探測功能。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明不限于以下列舉的特 定例子。實(shí)施例11.具有垂直二維多孔納米壁結(jié)構(gòu)的氧化鋅薄膜的生長本發(fā)明中所述的氧化鋅薄 膜材料，是采用高壓脈沖激光燒蝕生長的，其具體的工藝條件為石英管形狀為十字形型， 生長腔內(nèi)壓力是20mbar，生長溫度為850°C，載氣為氬氣，流量為25SCCM，激光的工作條件 為248nm，頻率為10Hz，能量密度為lj/cm2，襯底為拋光的c趨向藍(lán)寶石襯底。2.基于垂直二維多孔納米壁結(jié)構(gòu)的氧化鋅薄膜的器件組裝，其具體步驟為(1)以金屬薄片為掩膜，通過金屬熱蒸發(fā)沉積法在上述樣品的兩邊沉積金電極； 金屬熱沉積的工藝條件為沉積溫度為1000°c，沉積腔內(nèi)壓強(qiáng)為10_4Pa，金膜生長速率為 50nm/mino(2)在氬氣氣氛保護(hù)下退火500°C;時(shí)間為1小時(shí)，去除電極表面的污染，改善金/ 氧化鋅之間的歐姆接觸。實(shí)施例21.具有垂直二維多孔納米壁結(jié)構(gòu)的氧化鋅薄膜的生長本發(fā)明中所述的氧化鋅薄膜材料，是采用高壓脈沖激光燒蝕生長的，其具體的工 藝條件為石英管形狀為十字形型，生長腔內(nèi)壓力是30mbar，生長溫度為950°C，載氣為氬 氣，流量為30SCCM，激光的工作條件為248nm，頻率為15Hz，能量密度為3J/cm2，襯底為拋 光的c趨向藍(lán)寶石襯底。2.基于垂直二維多孔納米壁結(jié)構(gòu)的氧化鋅薄膜的器件組裝，其具體步驟為(1)以金屬薄片為掩膜，通過金屬熱蒸發(fā)沉積法在上述樣品的兩邊沉積金電極； 金屬熱沉積的工藝條件為沉積溫度為1025°C，沉積腔內(nèi)壓強(qiáng)為10_5Pa，金膜生長速率為 75nm/min。(2)在氬氣氣氛保護(hù)下退火500°C;時(shí)間為1小時(shí)，去除電極表面的污染，改善金/ 氧化鋅之間的歐姆接觸。實(shí)施例31.具有垂直二維多孔納米壁結(jié)構(gòu)的氧化鋅薄膜的生長本發(fā)明中所述的氧化鋅薄膜材料，是采用高壓脈沖激光燒蝕生長的，其具體的工 藝條件為石英管形狀為十字形型，生長腔內(nèi)壓力是40mbar，生長溫度為1050°C，載氣為氬 氣，流量為40SCCM，激光的工作條件為248nm，頻率為20Hz，能量密度為5J/cm2，襯底為拋 光的c趨向藍(lán)寶石襯底。2.基于垂直二維多孔納米壁結(jié)構(gòu)的氧化鋅薄膜的器件組裝，其具體步驟為
(1)以金屬薄片為掩膜，通過金屬熱蒸發(fā)沉積法在上述樣品的兩邊沉積金電極； 金屬熱沉積的工藝條件為沉積溫度為1050°C，沉積腔內(nèi)壓強(qiáng)為10_6Pa，金膜生長速率為 100nm/mino(2)在氬氣氣氛保護(hù)下退火500°C;時(shí)間為1小時(shí)，去除電極表面的污染，改善金/ 氧化鋅之間的歐姆接觸。
權(quán)利要求
1.一種氧化鋅薄膜材料，其特征在于其結(jié)構(gòu)為垂直于襯底的二維納米壁連接而成的 多孔結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的氧化鋅薄膜材料，其特征在于通過高壓脈沖激光燒蝕方法 生長，其工藝條件為石英管形狀為十字形型，生長腔內(nèi)壓力是20mbar-40mbar，生長溫度 為850-1050°C，載氣為氬氣，流量為25SCCM-40SCCM，激光的工作條件為248nm，頻率為 10-20HZ,能量密度為l-5J/cm2，襯底和靶材間距為5mm 20mm，襯底為拋光的c趨向藍(lán)寶 石襯底。
3.由權(quán)利要求2所述的氧化鋅薄膜材料所制得的原理性器件，其特征在于其同時(shí)具 備場發(fā)射功能和紫外光探測功能。
4.如權(quán)利要求2或3所述的氧化鋅薄膜材料所制得的原理性器件，其特征在于可以 用來制備同時(shí)具備場發(fā)射功能和紫外光探測功能的場發(fā)射顯示儀和光探測管。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的制備及電子器件的制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有二維多孔結(jié)構(gòu)的氧化鋅薄膜的制備方法，及基于該種薄膜的同時(shí)具有場發(fā)射和紫外光探測功能的器件。提供一種具有二維多孔結(jié)構(gòu)的氧化鋅薄膜的制備方法，更為重要的是基于這種薄膜的原理型器件同時(shí)具備場發(fā)射和紫外光電探測功能。本發(fā)明以十字形石英管為生長腔，并且采用了較低的生長壓力，所制備的氧化鋅薄膜具有垂直的二維納米璧多孔結(jié)構(gòu)，有利于同時(shí)實(shí)現(xiàn)場發(fā)射和紫外光探測性能，并且性能較普通薄膜型器件有較大改善，除此之外，該器件制備工藝較為簡單。
文檔編號(hào)H01J29/04GK102115027SQ20101001181
公開日2011年7月6日 申請(qǐng)日期2010年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月6日
發(fā)明者劉宗明, 曹丙強(qiáng), 段廣彬, 趙蔚琳, 魏浩銘 申請(qǐng)人:濟(jì)南大學(xué)