[發明專利]一種直徑可調的硅量子線陣列的制備方法

無效

• 申請號: 200710040491.2
• 申請日: 2007-05-10
• 公開（公告）號: CN101055910A
• 公開（公告）日: 2007-10-17
• 發明（設計）人: 孫海彤;李政皓;陸明
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H01L33/00
• 分類號: H01L33/00;H01L21/20;H01L21/3063;B82B3/00
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬納米發光材料制備技術領域，具體為一種制備直徑可調的硅量子線陣列的新方法。

背景技術

量子線是指線橫截面直徑接近或小于某一特定尺寸(稱為波爾半徑)的固體直線，也稱為量子棒。量子線具有比同材料塊狀固體較大的能級禁帶寬度，且直徑越小，禁帶寬度越大。這就是所謂的量子限制效應。不同材料具有不同的波爾半徑。例如硅的波爾半徑為～5納米。當量子線橫截面直徑大于波爾半徑～1-2倍時，仍會有量子限制效應，稱為弱限制效應。當等于或小于波爾半徑時，量子線具有強限制效應。利用量子限制效應，不但可以大幅增強固體材料的發光強度，還可以調節它的發光波長。當前微電子產業的主流材料是硅。如何在現有硅技術基礎上實現光電子的集成，其關鍵是實現硅發光。但由于硅具有間接帶隙結構，它的發光效率極低。利用納米技術，并基于量子限制效應，可以改善硅的電子結構，大幅提升它的發光強度。

硅量子線陣列具有強發光特性。目前硅量子線的制備主要采用分子束蒸發法和模板法。前者硅量子線密度小，排列雜亂；而后者由于工藝限制，硅量子線橫截面直徑最小也有幾十納米，因此不是真正的硅量子線。

發明內容

本發明的目的在于提出一種制備直徑可調的硅量子線陣列的新方法。該方法所需設備和工藝簡便易行，可在硅基片上制備橫截面直徑10納米以下的、直徑尺寸可控的、密集的硅量子線陣列。

本發明提出的在硅基片上制備硅量子線陣列的方法，以離子束輻射在硅片表面形成的致密有序的量子點陣列作為模板，再結合電化學腐蝕手段。具體步驟如下：

1)利用氬離子束設備(如圖1所示)對硅片表面進行輻射，生成致密有序的硅量子點陣。量子點尺寸可以通過調節離子束參數來實現變化，最終的量子點大小可控范圍為1nm～70nm不等，離子束得參數主要利用束流密度為1μA/cm²～800μA/cm²予以控制。一般可按不同的束流密度進行1-3次輻射。本步驟利用常規的離子束濺射系統可以達到同樣的效果。

2)將表面(硅片正面)具有硅量子點陣的硅片放入真空蒸鍍系統，在硅片背面蒸鍍鋁電極，真空度需要小于2.0x10^-3Pa。

3)將以上硅片放入電化學腐蝕系統(如圖2所示)，使硅片正面接觸電化學腐蝕液，蒸鍍有鋁電極的背面接電源的電極。控制腐蝕條件如電流1mA～100mA，腐蝕時間1s～1hour，以最終生成硅量子線陣列，其平均直徑由作為模板的硅量子點直徑決定。本步驟也可利用其他常規的電化學腐蝕系統，達到同樣的效果。

本發明中，采用氬離子正入射(垂直于硅表面)樣品表面，使得產生自組織致密有序的硅量子點陣列。

本發明中，硅片為摻雜的n型硅。

本發明中，電化學腐蝕液為氫氟酸、乙醇和去離子水的混合液，氫氟酸重量濃度為1％-40％，腐蝕用電源為脈沖電源。腐蝕槽為聚四氟乙烯。腐蝕液中電極為呈環形的鉑絲。

本發明原理如下：

1、本發明利用我們發展的自組織量子點制備技術，即離子束濺射刻蝕法，在硅表面形成致密有序量子點陣(M.Lu，X.J.Yang，S.S.Perry，and?J.W.Rabalais，Applied?Physice?Letters?80，2096-2098(2002)；Li?Ling，Wei-qing?Li，Le-jun?Qi，Ming?Lu，Xinju?Yang，and?Chang-xin?Gu，Physical?Review?B71，155329(2005)；Wen-bin?Fan，Le-jun?Qi，Hai-tong?Sun，You-yuan?Zhao?andMing?Lu，Nanotechnology?17，1878-1883(2006))。

2、我們進一步發現所形成的硅量子點陣和硅襯底具有不同的電學特性(Hai-Tong?Sun，Zheng-Hao?Li，Jing?Zhou，You-Yuan?Zhao?and?Ming?Lu，Applied?Surface?Science?in?press，availableonline?18?January?2007)，由此它們具有不同的電化學腐蝕性質。這些硅量子點陣可以作為產生硅量子線陣的模板。

3、根據空穴原理(V.Lehmann，U.Goesele，Applied?Physics?Letters?58，856(1991))，n型硅在電壓反向偏置情況下，表面凹陷部分的電化學腐蝕速率遠大于其它部分，腐蝕呈縱向發展。結合原理2，將形成硅量子線陣。

附圖說明