[發明專利]一維硅基陣列微結構及其制備方法和在氣體傳感器中的應用

在審

• 申請號: 201710642837.X
• 申請日: 2017-07-31
• 公開（公告）號: CN109324090A
• 公開（公告）日: 2019-02-12
• 發明（設計）人: 秦玉香;崔震;趙黎明;姜蕓青
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12;B82Y15/00;B82Y40/00
• 代理公司: 天津創智天誠知識產權代理事務所(普通合伙) 12214
• 代理人: 王秀奎

本發明公開一維硅基陣列微結構及其改性方法和在氣體傳感器中的應用，金屬輔助化學刻蝕形成硅納米線陣列和二次刻蝕進行納米線表面改性。該發明為發展與CMOS工藝兼容的、具有高室溫敏感性能的硅基氣體傳感器研究提供了一種有效的工藝增感路線，并且不需要各向異性刻蝕劑即可得到同種效果的陣列結構，在硅基氣敏傳感器領域具有重要的科學研究價值與實際應用前景。

技術領域

本發明涉及氣體敏感材料和氣體傳感器技術領域，更具體地說涉及一種一維硅基陣列微結構制備方法及其在氣體傳感器中的應用。

背景技術

二十世紀以來，人類的技術革命給社會帶來了巨大的經濟效益和文明進步。經濟巨大發展的同時造成嚴重的生態和環境污染。各種毒性危險性氣體(如NO、NO₂、H₂、O₃、NH₃等)使人類賴以生存的自然環境與生態遭到嚴重破壞，人類的身體健康也受到了嚴重威脅。因此，一種對有毒有害氣體的快速、高靈敏的高性能氣體傳感器的制備與優化具有迫切的現實意義。

一維硅納米線由于其巨大的比表面積和表面活性，使得其非常容易與氣體進行有效的表面接觸和反應，因此在氣體傳感器領域得到了廣泛的應用和發展。硅納米線在室溫下對多種氣體分子具有好的敏感性能，是一種典型的室溫敏感材料，在低功耗傳感器件中具有很好的發展前景，并且硅基材料本身具有與現代半導體工藝兼容的獨特優勢。因此，硅納米線在低功耗氣體傳感器及微傳感器陣列集成系統領域極具發展應用前景。硅納米線通常采用金屬輔助化學刻蝕(MACE)方法制備。這種工藝制備方法工藝簡單，成本低廉，制備出的硅納米線陣列具有良好的定向有序結構。然而，形成的硅納米線陣列具有陣列密度過高、比表面積有限的缺點，從而制約了硅納米線基氣體傳感器的室溫敏感性能，陣列密度過高不利于氣體分子的擴散，制約了其室溫響應恢復性能的提升，是硅納米線氣體傳感器繼續發展和應用的一大阻礙。為了改善硅納米線氣體傳感器的室溫敏感響應能力，對MACE形成的硅納米線陣列進行進一步的改性處理是一種切實可行的有效途徑。

硅納米線的表面改性方法眾多，其中通過各向異性刻蝕工藝對其表面進行特殊的功能化處理能夠使得其表面積明顯增大，顯著提高其表面活性，降低陣列密度使得陣列結構能夠更有利于氣體分子的擴散，從而提升硅基陣列的氣敏性能。但是傳統的各向異性刻蝕技術需要引入新的刻蝕劑進行納米線表面粗糙化改性，會嚴重破壞晶格結構，并且在較高的溫度下才能使得刻蝕速率最大化，這嚴重增加了改性工藝成本和功耗。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，克服硅納米線陣列基氣體傳感器由于比表面積低和陣列密度大而導致的室溫靈敏度低響應慢的性能缺點，通過提供一種硅納米線二次MACE微結構改性方法，直接形成高活性的粗糙化表面，實現硅納米線陣列活性表面積的顯著提升和陣列密度的有效降低，應用于氣體傳感器中使器件在室溫下達到高的靈敏度和快速的響應速度，該發明為發展與CMOS工藝兼容的、具有高室溫敏感性能的硅基氣體傳感器研究提供了一種有效的工藝增感路線，并且不需要各向異性刻蝕劑即可得到同種效果的陣列結構，在硅基氣敏傳感器領域具有重要的科學研究價值與實際應用前景。

本發明的目的通過下述技術方案予以實現。

一維硅基陣列微結構及其制備方法，按照下述步驟進行：

步驟1，使用金屬輔助化學刻蝕法處理硅片，以使硅片表面形成硅納米線陣列，使用氫氟酸和硝酸銀的混合水溶液為刻蝕液，通過調整刻蝕液中氫氟酸和硝酸銀濃度，以及刻蝕溫度和時間，控制刻蝕形成硅納米線的長度和直徑

在步驟1中，氫氟酸濃度為4M-6M，硝酸銀濃度為0.01M-0.03M，將硅片放入上述溶液中進行化學刻蝕，刻蝕時間為20-200min，刻蝕溫度為10-40℃。

在步驟1中，硅片采用單晶硅片，硅片的電阻率為10-15Ω·cm，硅片的晶向為<100>±0.5°，硅片的厚度為400μm。