專利名稱：一種具有光致發(fā)光特性的單晶硅及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于發(fā)光半導(dǎo)體原材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種具有光致發(fā)光特性的單晶硅及其制備方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，半導(dǎo)體材料硅以其特有的屬性在半導(dǎo)體行業(yè)中占據(jù)了重要地位，硅元素具有熱導(dǎo)率高、膨脹系數(shù)小及較高屈服強(qiáng)度等特點(diǎn)，因而易于拉伸成較大的單晶體，以單晶硅作為原材料，超大規(guī)模集成電路為主體的微電子技術(shù)已高度發(fā)展，用光代替電子作為信息的載體，來(lái)滿足信息處理更快、存儲(chǔ)量更大、處理能力更強(qiáng)的要求是必然的發(fā)展趨勢(shì)， 單晶硅是微電子工業(yè)的主體材料，在諸如微機(jī)械、真空微電子和傳感器領(lǐng)域都有著日益廣泛的用途，但是作為一種間接帶隙半導(dǎo)體材料，硅只能發(fā)射微弱的紅外光，且發(fā)光效率很低，難于制成發(fā)光器件。傳統(tǒng)的光電子材料包括砷化鎵(GaAs)，磷化鎵(GaP)，磷化銦(MP)等，但這些材料價(jià)格昂貴，在高溫下又易分解，相比于單晶硅來(lái)說(shuō)，無(wú)論從材料的制備還是器件工藝上來(lái)說(shuō)都顯得不夠理想；自從Canham等把單晶硅置于HF溶液中作為陽(yáng)極進(jìn)行電化學(xué)腐蝕制備出的多孔硅具有很強(qiáng)的光致發(fā)光性能后，學(xué)者們就一直在設(shè)法尋找一種高效發(fā)光硅基材料，以滿足光電子與微電子領(lǐng)域的需要。HCPEB (High Current Pulse Electron Beam,強(qiáng)、流脈沖電子束)屬于一種短脈沖寬度(< 10_7秒)的高功率電子束表面改性技術(shù)，其發(fā)射裝置見現(xiàn)有文獻(xiàn)中的描述，在此不再贅述，HCPEB發(fā)射裝置中電子束在電子的產(chǎn)生和傳輸過(guò)程中采用等離子系統(tǒng)，高能量密度的電子束可以在極短的時(shí)間內(nèi)傳播出較遠(yuǎn)的距離，并高速轟擊材料表面，從而取得傳統(tǒng)方法所不及的表面處理效果；現(xiàn)有技術(shù)中，通過(guò)采用不同的HCPEB轟擊工藝參數(shù)，制備出了多種表面多孔金屬材料，包括多孔納米純銅、多孔純鋁、多孔不銹鋼等，基于HCPEB在材料制備中的特性，單晶硅經(jīng)過(guò)HCPEB轟擊后產(chǎn)生可密集的孔洞結(jié)構(gòu)。現(xiàn)有技術(shù)中，經(jīng)過(guò)不同方法制備成功的多孔硅具有發(fā)光特性，但是一般認(rèn)為通過(guò)電化學(xué)沉積、化學(xué)聚合、溶膠-凝膠和化學(xué)氣相沉積等化學(xué)方法制備出的多孔硅的化學(xué)性能不穩(wěn)定，其表面硅-氫鍵很弱，容易被破壞形成懸掛鍵，懸掛鍵在光敏器件種會(huì)引起電子-空穴對(duì)的無(wú)輻射復(fù)合，從而造成造成其發(fā)光效率的降低，甚至是器件的不發(fā)光和失效等，其在具體應(yīng)用環(huán)境中存在諸多問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
基于背景技術(shù)所述，本發(fā)明提出了一種具有光致發(fā)光特性的單晶硅、其制備方法及電子束在其制備中的應(yīng)用，具有光致發(fā)光特性的單晶硅結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，發(fā)光效率高，衰減時(shí)間長(zhǎng)，作為一種新型的發(fā)光半導(dǎo)體材料其具有光用的應(yīng)用前景。本發(fā)明的第一個(gè)目的在于提出了一種具有光致發(fā)光特性的單晶硅，采用電子束對(duì)單晶硅表面進(jìn)行脈沖轟擊處理后獲得，單晶硅發(fā)光光譜的波長(zhǎng)在38(T420 nm之間。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提出了一種具有光致發(fā)光特性的單晶硅的制備方法，該方法包括以下步驟
單晶硅清洗后吹干待用；
將上述單晶硅置于電子束發(fā)射裝置中，對(duì)單晶硅表面進(jìn)行脈沖轟擊處理，獲得具有光致發(fā)光特性的單晶硅。電子束發(fā)射裝置的電子束能量為23 26 KeV，脈沖轟擊次數(shù)為廣30次。單晶硅樣品距電子束發(fā)射裝置陰極電子槍的距離為5 10 cm。單晶硅發(fā)光光譜的波長(zhǎng)在38(T420 nm之間。另外，本發(fā)明還提出了電子束在制備具有光致發(fā)光特性的單晶硅的應(yīng)用。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果制備方法簡(jiǎn)單，制備的具有光致發(fā)光特性的單晶硅結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，發(fā)光效率高，衰減時(shí)間長(zhǎng)，作為一種新型的發(fā)光半導(dǎo)體材料其具有廣泛的應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例中電子束轟擊前單晶硅光學(xué)顯微鏡照片；
圖2為本發(fā)明實(shí)施例中單晶硅表面經(jīng)HCPEB轟擊后不同倍率下的光學(xué)顯微鏡及掃描電子顯微鏡照片；
(a)光學(xué)顯微鏡下200倍，(b)掃描電鏡下1500倍，(c)掃描電鏡下5000倍，(d)掃描電鏡下8000倍；
圖3為圖2 (c)中EDS能譜圖片；
圖4為本發(fā)明實(shí)施例一單晶硅經(jīng)HCPEB轟擊后PL光譜曲線；
1、24. 3KeV，轟擊 10 次；2、26KeV，轟擊 1 次；3、26KeV，轟擊 5 次；4、26KeV，轟擊 20 次； 圖5為本發(fā)明實(shí)施例二單晶硅經(jīng)HCPEB轟擊后PL光譜曲線； 5、26KeV，轟擊 1 次；6、26KeV，轟擊 10 次；7、26KeV，轟擊 20 次；
8、未轟擊。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明中的附圖，對(duì)本發(fā)明中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例，基于本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍?；诙嗫坠杈哂蟹€(wěn)定發(fā)光效應(yīng)以及其在微電子、光電子技術(shù)領(lǐng)域的良好應(yīng)用前景，本發(fā)明以兩種不同取向的單晶硅作為試驗(yàn)樣品，采用HCPEB對(duì)單晶硅進(jìn)行表面脈沖轟擊處理，通過(guò)控制HCPEB的各項(xiàng)工作參數(shù)，在兩種取向的單晶硅表層都獲得了大面積的微孔結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并對(duì)不同能量、不同轟擊次數(shù)下的單晶硅進(jìn)行光致發(fā)光性能的測(cè)試， 測(cè)試結(jié)果顯示，采用HCPEB制備出的單晶多孔硅能發(fā)出近紫外波段的紫光，屬于可見光帶 (S帶)，發(fā)光效率高，并具有較長(zhǎng)的衰竭時(shí)間。本發(fā)明提出了一種具有光致發(fā)光特性的單晶硅是采用電子束對(duì)單晶硅表面進(jìn)行脈沖轟擊處理后獲得，其單晶硅發(fā)光光譜的波長(zhǎng)在38(T420 nm之間。
本發(fā)明還提出了電子束在制備具有光致發(fā)光特性的單晶硅的應(yīng)用。下面，通過(guò)具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明中具有光致發(fā)光特性的單晶硅的制備方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，在本發(fā)明中，電子束發(fā)射裝置采用大連理工大學(xué)Nadezhda-2型HCPEB裝置。實(shí)施例一
采用<111>取向的單晶硅片作為制備原料，其電阻率P=廣20Ω/Π1，厚度 T=490士 ΙΟμπι，如圖1所示，為HCPEB轟擊前單晶硅拋光面的光學(xué)顯微照片，在制備過(guò)程中將拋光面作為轟擊表面，從圖中可以看出待轟擊表面光潔，基本沒(méi)有雜質(zhì)。用GataneOl型超聲波將上述單晶硅片割成尺寸為2cmX Icm的試驗(yàn)樣品，將試驗(yàn)樣品置于酒精丙酮溶液(1:1)中超聲清洗lOmin，取出后用氮?dú)獯蹈珊蟠?，將上述清洗吹干后的單晶硅樣品置于電子束發(fā)射裝置中，對(duì)單晶硅表面進(jìn)行電子束脈沖轟擊處理，在對(duì)單晶硅樣品表面進(jìn)行脈沖轟擊處理中，HCPEB發(fā)射裝置的電子束能量為23 26KeV，轟擊次數(shù)為廣30，真空度P彡8X10_3 Pa，單晶硅樣品距陰極電子槍的距離L=5cm。對(duì)HCPEB轟擊后的單晶硅樣品表面進(jìn)行顯微觀察，如圖2所示為單晶硅表面經(jīng) HCPEB轟擊后不同倍率下的光學(xué)顯微鏡及掃描電子顯微鏡照片，從圖中可以看出，采用此參數(shù)對(duì)單晶硅進(jìn)行表面脈沖轟擊處理后，在硅片轟擊表面獲得密度大、分布均勻的黑色微孔， 微孔的直徑從幾個(gè)微米到十幾個(gè)微米不等。如圖3所示，為圖2 (2)中白色顆粒的EDS能譜圖片，從圖中可以看出該白色顆粒為硅單質(zhì)；根據(jù)HCPEB轟擊材料的特性，單晶硅在經(jīng)HCPEB轟擊后導(dǎo)致單晶硅表層快速加熱、噴發(fā)凝固后，并沉積在單晶硅樣品表面而形成的，由于單晶硅內(nèi)部原子嚴(yán)格按照晶體點(diǎn)陣排列，因此在沉積過(guò)程中表現(xiàn)為硅原子按一定規(guī)則整齊排列在樣品表面。對(duì)上述HCPEB轟擊后的單晶硅進(jìn)行光致發(fā)光(PL)特性的檢測(cè)，其中光譜儀的激光源為He-Cd，光柵光譜儀為卓立漢光SBP500型，激光源發(fā)射波長(zhǎng)λ =325nm,發(fā)光光譜的掃描范圍在33(T600nm之間；檢測(cè)結(jié)果顯示，在波長(zhǎng)λ =38(T420 nm之間均出現(xiàn)明顯的尖峰，根據(jù)光譜圖可知該波段的光屬于紫光。通過(guò)比較電子束能量在對(duì).3KeV與^KeV，轟擊次數(shù)分別為1、5、10、20次的檢測(cè)結(jié)果，經(jīng)HCPEB處理后的單晶硅都激發(fā)出了相同波長(zhǎng)的可見光，其中，電子束能量為 24. 3KeV, 10次脈沖轟擊下激發(fā)出的可見光強(qiáng)度最高，其PL光譜如圖4所示。實(shí)施例二
采用<100>取向的單晶硅片作為制備原料，其電阻率P =30^50 Ω/m,厚度 T=500士 10 μ m，用feitan601型超聲波將上述單晶硅片割成尺寸為2cmX Icm的試驗(yàn)樣品，將試驗(yàn)樣品置于酒精丙酮溶液(1:1)中超聲清洗lOmin，取出后用氮?dú)獯蹈珊蟠?，將上述清洗吹干后的單晶硅樣品置于電子束發(fā)射裝置中，對(duì)單晶硅表面進(jìn)行電子束脈沖轟擊處理。在對(duì)單晶硅樣品表面進(jìn)行脈沖轟擊處理中，HCPEB發(fā)射裝置的電子束能量為 21.6 27KeV，轟擊次數(shù)為廣30，真空度P < 8X 10_3 Pa，單晶硅樣品距陰極電子槍的距離 L=6cm0對(duì)HCPEB轟擊后的單晶硅進(jìn)行光致發(fā)光(PL)特性的檢測(cè)，比較了 26KeV下，轟擊次數(shù)分別為O、1、10、20的光譜，如圖5所示；相比于實(shí)施例一，此參數(shù)下多孔硅的PL峰值要小很多，接近于一個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)圖4和5進(jìn)行比較后可以發(fā)現(xiàn)，在^KeV高能量1次脈沖轟擊后，PL強(qiáng)度值都是最高的，5 10次轟擊后PL強(qiáng)度開始下降，而20次轟擊以后又開始上升。
在本發(fā)明實(shí)施例中，采用電子束對(duì)單晶硅表面進(jìn)行脈沖轟擊處理制備具有光致發(fā)光特性的單晶硅材料，單晶硅表層快速形成穩(wěn)定的微孔洞結(jié)構(gòu)，且經(jīng)過(guò)光激發(fā)該多孔單晶硅能夠持續(xù)發(fā)出紫光，發(fā)光效率高，衰竭時(shí)間長(zhǎng)，作為一種新型發(fā)光半導(dǎo)體材料，所制備出的多孔單晶硅在半導(dǎo)體、微電子以及光電子領(lǐng)域都將會(huì)有極具潛力的用途。上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了示例性的描述，顯然本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)并不受上述方式的限制，只要采用了本發(fā)明的方法構(gòu)思和技術(shù)方案進(jìn)行的各種改進(jìn)，或未經(jīng)改進(jìn)將本發(fā)明的構(gòu)思和技術(shù)方案直接應(yīng)用于其它場(chǎng)合的，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種具有光致發(fā)光特性的單晶硅，其特征在于采用強(qiáng)流脈沖電子束對(duì)單晶硅表面進(jìn)行脈沖轟擊處理后獲得。
2.如權(quán)利要求1所述的一種具有光致發(fā)光特性的單晶硅，其特征在于所述具有光致發(fā)光特性的單晶硅的發(fā)光光譜的波長(zhǎng)在38(T420 nm之間。
3.如權(quán)利要求1所述的一種具有光致發(fā)光特性的單晶硅，其特征在于所述強(qiáng)流脈沖電子束能量為23 26 KeV，脈沖轟擊次數(shù)為廣30次，轟擊時(shí)單晶硅樣品距強(qiáng)流脈沖電子束發(fā)射裝置陰極電子槍的距離為5 10 cm。
4.如權(quán)利要求1所述的一種具有光致發(fā)光特性的單晶硅，其特征在于所述強(qiáng)流脈沖電子束能量為24. 3 KeV，脈沖轟擊次數(shù)為10次，單晶硅樣品距陰極電子槍的距離L=5cm。
5.如權(quán)利要求1所述的一種具有光致發(fā)光特性的單晶硅，其特征在于所述強(qiáng)流脈沖電子束能量為26 KeV，脈沖轟擊次數(shù)為1次，單晶硅樣品距陰極電子槍的距離L=6cm。
6.如權(quán)利要求1所述的一種具有光致發(fā)光特性的單晶硅的制備方法，其特征在于包括如下步驟單晶硅清洗后將單晶硅置于強(qiáng)流脈沖電子束發(fā)射裝置中，對(duì)單晶硅表面進(jìn)行脈沖轟擊處理，獲得具有光致發(fā)光特性的單晶硅，電子束發(fā)射裝置的電子束能量為2316 KeV，脈沖轟擊次數(shù)為廣30次，單晶硅樣品距電子束發(fā)射裝置陰極電子槍的距離為5 10 cm0
全文摘要
本發(fā)明屬于發(fā)光半導(dǎo)體原材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種具有光致發(fā)光特性的單晶硅及其制備方法，所述單晶硅發(fā)光光譜的波長(zhǎng)在380~420nm之間，其制備方法包括單晶硅清洗后吹干待用；將上述單晶硅置于電子束發(fā)射裝置中，對(duì)單晶硅表面進(jìn)行脈沖轟擊處理，獲得具有光致發(fā)光特性的單晶硅。在本發(fā)明中，具有光致發(fā)光特性的單晶硅結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，發(fā)光效率高，衰減時(shí)間長(zhǎng)，作為一種新型的發(fā)光半導(dǎo)體材料其具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C09K11/59GK102260496SQ201110159178
公開日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2011年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月15日
發(fā)明者關(guān)慶豐, 彭冬晉, 李艷, 顧倩倩 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)