[发明专利]一种直径可调的硅量子线阵列的制备方法

说明书

技术领域

本发明属纳米发光材料制备技术领域，具体为一种制备直径可调的硅量子线阵列的新方法。

背景技术

量子线是指线横截面直径接近或小于某一特定尺寸(称为波尔半径)的固体直线，也称为量子棒。量子线具有比同材料块状固体较大的能级禁带宽度，且直径越小，禁带宽度越大。这就是所谓的量子限制效应。不同材料具有不同的波尔半径。例如硅的波尔半径为～5纳米。当量子线横截面直径大于波尔半径～1-2倍时，仍会有量子限制效应，称为弱限制效应。当等于或小于波尔半径时，量子线具有强限制效应。利用量子限制效应，不但可以大幅增强固体材料的发光强度，还可以调节它的发光波长。当前微电子产业的主流材料是硅。如何在现有硅技术基础上实现光电子的集成，其关键是实现硅发光。但由于硅具有间接带隙结构，它的发光效率极低。利用纳米技术，并基于量子限制效应，可以改善硅的电子结构，大幅提升它的发光强度。

硅量子线阵列具有强发光特性。目前硅量子线的制备主要采用分子束蒸发法和模板法。前者硅量子线密度小，排列杂乱；而后者由于工艺限制，硅量子线横截面直径最小也有几十纳米，因此不是真正的硅量子线。

发明内容

本发明的目的在于提出一种制备直径可调的硅量子线阵列的新方法。该方法所需设备和工艺简便易行，可在硅基片上制备横截面直径10纳米以下的、直径尺寸可控的、密集的硅量子线阵列。

本发明提出的在硅基片上制备硅量子线阵列的方法，以离子束辐射在硅片表面形成的致密有序的量子点阵列作为模板，再结合电化学腐蚀手段。具体步骤如下：

1)利用氩离子束设备(如图1所示)对硅片表面进行辐射，生成致密有序的硅量子点阵。量子点尺寸可以通过调节离子束参数来实现变化，最终的量子点大小可控范围为1nm～70nm不等，离子束得参数主要利用束流密度为1μA/cm²～800μA/cm²予以控制。一般可按不同的束流密度进行1-3次辐射。本步骤利用常规的离子束溅射系统可以达到同样的效果。

2)将表面(硅片正面)具有硅量子点阵的硅片放入真空蒸镀系统，在硅片背面蒸镀铝电极，真空度需要小于2.0x10^-3Pa。

3)将以上硅片放入电化学腐蚀系统(如图2所示)，使硅片正面接触电化学腐蚀液，蒸镀有铝电极的背面接电源的电极。控制腐蚀条件如电流1mA～100mA，腐蚀时间1s～1hour，以最终生成硅量子线阵列，其平均直径由作为模板的硅量子点直径决定。本步骤也可利用其他常规的电化学腐蚀系统，达到同样的效果。

本发明中，采用氩离子正入射(垂直于硅表面)样品表面，使得产生自组织致密有序的硅量子点阵列。

本发明中，硅片为掺杂的n型硅。

本发明中，电化学腐蚀液为氢氟酸、乙醇和去离子水的混合液，氢氟酸重量浓度为1％-40％，腐蚀用电源为脉冲电源。腐蚀槽为聚四氟乙烯。腐蚀液中电极为呈环形的铂丝。

本发明原理如下：

1、本发明利用我们发展的自组织量子点制备技术，即离子束溅射刻蚀法，在硅表面形成致密有序量子点阵(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、我们进一步发现所形成的硅量子点阵和硅衬底具有不同的电学特性(Hai-Tong Sun，Zheng-Hao Li，Jing Zhou，You-Yuan Zhao and Ming Lu，Applied Surface Science in press，availableonline 18 January 2007)，由此它们具有不同的电化学腐蚀性质。这些硅量子点阵可以作为产生硅量子线阵的模板。

3、根据空穴原理(V.Lehmann，U.Goesele，Applied Physics Letters 58，856(1991))，n型硅在电压反向偏置情况下，表面凹陷部分的电化学腐蚀速率远大于其它部分，腐蚀呈纵向发展。结合原理2，将形成硅量子线阵。

附图说明