[发明专利]一种小尺寸密度可控硅纳米点阵列的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及硅纳米点阵列的制备方法，尤其涉及一种用电化学刻蚀方法制备小尺寸密度可控硅纳米点阵列的制备方法。

背景技术

在20世纪90年代初，Canham等^[1，2]采用电化学阳极腐蚀方法制备的Si或SiGe纳米结构(主要由直径小于5nm的纳米结构组成^[2])，在室温下观测到很强的可见光发射。这一发现引起人们对Si基纳米结构发光的极大关注。

近20年来，Si基纳米结构的制备方法研究取得了很大进展。目前，常见的Si基纳米结构制备方法有以下几种：

(1)激光灼蚀沉积(PLD)

激光烧蚀沉积是采用具有一定波长和能量密度的聚焦脉冲激光束，辐照处于真空系统或一定环境气氛中的单晶硅靶，产生的气态状硅晶粒子或硅原子基团被直接沉积到衬底表面后，形成Si纳米结构。该方法由于沉积速率快，纳米结构纯度高等优点，已经被广泛应用于Si基纳米发光材料的研究^[3-4]。但是，由于制备过程中所用激光束的能量密度高，使沉积过程中的气态产物中存在一些硅原子数较多的大原子基团，从而在衬底表面形成较大的纳米结构，随机性较大，造成纳米结构的尺寸和空间分布不均匀，比较难获得大面积均匀分布的纳米结构材料。因此，在减少激光烧蚀沉积中产生的大颗粒和控制纳米结构的尺度及空间分布等方面仍需要进一步研究^[4]。

(2)等离子体增强化学气相沉积(PECVD)

PECVD是人们早已熟悉并广泛应用于各种膜层沉积的技术，它通过等离子体技术分解含有Si成分的气态源(如SiH4，Si2H6)后沉积到衬底表面，从而形成Si纳米结构材料。这种方法具有制备技术简单、重复性好，且与微电子工艺兼容好等诸多优点。目前，采用PECVD制备Si纳米结构的源气态源比较多，其中高氢稀释的SiH4比较常用的一种。当低氢稀释时，只能生长非晶硅薄膜。而在高氢稀释，非晶薄膜能由非晶态转化为具有晶相结构的纳米晶硅薄膜^[5]。国内研究人员^[6]用H2稀释的Si2H6或SiH4等作为源气体，利用PECVD方法在Si或是玻璃衬底上沉积Si纳米结构材料，并通过控制后期退火条件，可以获得尺寸达到～3nm的Si纳米结构，并且分布比较有序。

(3)自组织生长方法(Self-organized Growth)

自组织生长方法是利用具有较大晶格失配且界面能较小的异质材料，依靠自身的应变能，在衬底表面以SK模式生长出具有一定结构形状、尺寸大小和密度分布的纳米结构。目前，这种方法已经被广泛应用各种材料制备技术中，包括分子束外延(MBE)^[7]、超高真空气相沉积(UHVCVD)^[8]、低压化学气相沉积(LPCVD)^[9]和金属有机物化学气相沉积(MOCVD)等技术。比如，Nakagwa和Yasuda等^[10，11]通过LPCVD技术，采用SiH4或Si₂H₆为源气体，在SiO2表面自组织生长了高密度的半球形Si纳米颗粒。通过UHVCVD技术，Zhou等^[12]在Si(100)衬底获得密度较高且有序分布的SiGe量子点结构。目前，采用此法制备的Si基纳米结构还存在分布随机性大、密度提高难等不利因素。

(4)电化学阳极腐蚀方法(Electrochemical Anodization)

电化学阳极腐蚀法一般采用HF酸溶液以Si衬底作为阳极进行恒流腐蚀来获得呈多孔状的Si纳米结构。其腐蚀机理早在上个世纪80年代初就提出了^[13]。

然而，直到1990年，Canham[1]才首次发现采用这种方法制备的呈多孔状的材料具有优良的发光性能，从而激起研究Si基材料发光新一轮热潮。后来研究发现这种多孔材料主要是由直径小于100nm且最小直径可达2nm的Si纳米线或是纳米颗粒构成^[2]。电化学腐蚀腐蚀方法具有制备简便快捷，容易获得大面积纳米结构薄膜和材料发光强度高等优点。已被广泛用制备各种Si基纳米结构发光材料。但是，其制备的材料也存在结构脆性、尺寸分布不均、发光性能不够稳定等缺点。

(5)离子注入法(Ion Implantation)