[发明专利]一种具有强发光性能的纳米硅的蒸汽腐蚀制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，涉及一类在高压蒸汽环境下制备具有发光强度强、表面微结构规则的纳米硅的新技术。

背景技术

硅材料是微电子技术的基础。20世纪中叶，晶体管和集成电路的发明诞生了以单晶硅(sc-Si)为基础的半导体工业，这使人类开始进入了“更多”、“更快”、“耗能更低”的信息社会。目前，高达95％以上的半导体器件和99％的集成电路(IC)都是用半导体硅材料生产制造的，以至于我们所处的时代又被称作“硅时代”。但是，随着技术要求日益提高，信息处理硬件的微细加工的极限开始显现出来，器件小型化带来的量子效应以及电子自身运动速度的限制成了IC中集成度进一步提高的“瓶颈”。为了解决这个难题，人们想到了光学技术，如果能够将它引入到成熟的硅基微电子电路中，用光波代替电子作为载体进行信息传输和处理，那么就易于实现具有更高速度、更大容量和更低能耗的超大规模集成电路，从而突破微电子技术发展的“瓶颈”，这在高速通讯需求日益强烈的今天显得尤为重要。然而，单晶硅具有间接、窄带隙能带结构(～1.12eV)，发光效率极低，仅为10^-6，难以作为发光材料来制备发光二极管(LED)、半导体激光器等核心光电子器件。Canham在1990年采用电化学腐蚀方法制备得到了在室温下具有很强光致可见光发光性能的多孔硅，从而有效地弥补了单纯的单晶硅材料发光效率极低的不足，同时也使制备出应用于光电子器件的纳米硅体系成为可能。考虑到纳米硅大多是由硅材料直接制备得到的，很容易与现有硅技术相兼容，这也表明利用纳米硅有望实现全硅基光电子集成电路。由此可见，具有强可见光发光性能的纳米硅的获得对未来光电子器件乃至整个光电子学领域的发展将会产生不可估量的影响。十几年来，在材料和器件物理学家的共同努力下，各类硅基低维纳米体系在光电子器件方面应用取得了可喜进展，这些材料主要包括产生光致发光(PL)和电致发光(EL)的零维硅基纳米颗粒、具有光子带隙特征的硅基纳米半导体一维体系等等。应用器件主要包括有Si基纳米颗粒在光照或电注入条件下产生电子和空穴，并使其发生辐射复合而发光的二极管，具有电荷存储、光电转换的非易失存储器和太阳能电池等。

至今报道制备纳米硅的方法有很多种，最常用的有阳极氧化技术、化学染色腐蚀法、阳极直流电化学腐蚀法、光辅助化学湿法腐蚀法等等。阳极氧化技术采用的是横向氧化技术，所谓横向阳极氧化技术指的是阳极氧化电流在氧化过程中沿硅片前表面，从顶部向底部横向地流动。为简单起见，电源引线与硅片某边沿直接用夹子连接。这样的接触方式导致电解腐蚀反应发生如下过程：即与电解液接触的硅片液面处阳极反应首先发生，从而形成了纳米硅，由于纳米硅的电阻较大，电流将沿着电阻相对低的路径向晶片底部流动，随着反应的进行，纳米硅的形成区域将自动地由上往下延伸，最后与电解液接触的整个单晶硅片前表面都形成纳米硅薄层。横向阳极氧化技术虽然较为简单，但由于纳米硅薄层是沿与电解液接触处液面逐渐向底部生长的，所形成的纳米硅层的均匀性比较差，且在液面处有月形条纹出现。同时，随着纳米硅层的形成并逐渐增厚，有效电阻不断增加，则在恒压的情况下，电流也必将随腐蚀时间增加而慢慢减小。

在阳极直流电化学腐蚀法中，一种自调节的机制使得纳米硅形成过程中腐蚀液和硅衬底的反应主要集中在形成的纳米硅的根部。反应过程中产生的一些硅氟等离子形成的化合物容易沉积在孔的底部，而且反应产生的氢气气泡也由于表面张力作用而极易吸附在硅柱表面，这些都阻碍了腐蚀液渗透入硅孔底部，使得化学反应缓慢且困难，同时还会使硅片表面不均匀。

光辅助化学湿法腐蚀法，即在电化学腐蚀过程中辅以光照，存在与电化学腐蚀法几乎同样的问题。因而要是能找到一种方法使得反应产物迅速脱离硅孔的底部，将会使制备条件得到优化和改善。

发明内容

本发明是一种新颖实用、发光性能优异的纳米硅材料的制备方法。

本发明将利用水热釜加热过程产生的腐蚀性蒸汽来腐蚀晶体硅衬底，从而得到强发光性能的纳米硅材料。

本发明将洁净的晶体硅片用聚四氟乙烯塑料制成的支架固定住(目的是便于将硅片放置在腐蚀液液面上方空间中)，然后将其放入装有HF和Fe(NO₃)₃腐蚀液的聚四氟乙烯内芯中，将聚四氟乙烯内芯放置在水热釜中加热腐蚀。温度升高后将在水热釜未填充腐蚀液的空间产生高压蒸汽，即晶体硅片处于高压蒸汽环境中。