[发明专利]Al2O3薄膜钝化硅基纳米线的方法及器件

说明书

技术领域

本发明属于光电器件领域，具体涉及利用三氧化二铝(Al₂O₃)薄膜钝化纳米线(NW)结构的表面缺陷态以提高器件性能的方法及具有该结构的器件。

背景技术

有效的硅基光源是为实现硅基光电互连亟待解决的问题之一。传统的硅作为一种间接带隙半导体材料无法实现有效的电致发光。由于硅量子点具有量子限制效应，相比于体硅材料表现出更好的发光性能，是近年来硅基发光材料的研究热点之一，也作为解决硅基发光问题的候选材料之一。

在对硅量子点发光特性的研究中发现，引入的量子点发光电器件具有良好的性能，如优异的陷光效应、较快的光响应速度等。故，可通过金属离子辅助化学刻蚀引入能够有效减少光在硅-空气界面的反射，从而提高光提取效率，使得硅量子点发光增强。但目前其发光效率与传统的直接带隙半导体材料，如砷化镓、磷化铟等，相比其发光效率仍有一定差距。为了进一步提高器件性能，就需要在现有基础上对材料加工工艺与器件结构设计进行进一步优化，还有很多与之相关的问题值得探索。

表面钝化加工工艺是半导体产业发展较为成熟的一种工艺。钝化工艺能够防止表面污染，同时钝化表面较为活泼的悬挂键，提高器件的可靠性与稳定性。为了适应不同的器件性质和使用需要，常用的表面钝化材料有二氧化硅、氮化硅、硼硅玻璃、磷硅玻璃等。Al₂O₃薄膜作为一种表面钝化材料，相比于其他材料具有更强的抗辐射能力和抗钠离子能力，硬度大，韧性好，对器件的保护性能较好。因此，Al₂O₃薄膜被认为具有提高硅基纳米线发光器件性能的潜力。

我们通过金属离子辅助化学刻蚀在硅衬底上制备了不同长度的硅纳米线阵列，然后通过原子层沉积技术生长了一层Al₂O₃薄膜以钝化表面缺陷态。在此基础上生长制备了具有的硅量子点电致发光器件。我们发现在沉积了Al₂O₃薄膜之后样品的发光性能得到改善，电致发光(EL)强度得到增强。这说明Al₂O₃薄膜对硅纳米线表面缺陷态具有明显的钝化作用，其在硅基发光，特别是低维结构的硅基发光领域有着良好的应用前景。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开一种利用Al₂O₃薄膜钝化硅基纳米线的方法及具有Al₂O₃钝化层的的器件，在的基础上，通过在上生长一层Al₂O₃薄膜以钝化纳米线表面的缺陷态，进一步提器件性能，提高器件的发光效率。

本发明的公开的利用Al₂O₃薄膜钝化硅基纳米线的方法，包括在纳米线结构表面形成一层Al₂O₃薄膜以包覆硅基纳米线，Al₂O₃薄膜层用于钝化纳米线表面缺陷，其厚度控制在硅基中的载流子能够穿透的范围内。

进一步的，纳米线表面形成Al₂O₃薄膜层后具有近似原有形貌的结构。

进一步的，采用原子层沉积技术在硅基纳米线表面沉积Al₂O₃薄膜层。

进一步的，采用溅射或等化学气相淀积技术在硅基纳米线表面溅射Al₂O₃薄膜层。

进一步的，Al₂O₃薄膜层的厚度控制在2～8nm。

进一步的，纳米线的长度为200～450nm。

进一步的，还可以利用金属离子辅助化学刻蚀技术对n型/P型平板硅衬底进行刻蚀以形成硅纳米线阵列；然后在清洗后的硅纳米线阵列表面形成一层Al₂O₃薄膜以包覆硅纳米线；再次在表面沉积Al₂O₃薄膜的硅纳米线阵列依次形成本征层和p型/n型层，从而形成n-i-p/p-i-n器件结构。

进一步的，还可包括对形成n-i-p器件在氮气氛围中进行脱氢处理后，再进行热退火，以形成硅量子点，同时激活掺杂原子。

进一步的，还可包括分别在具有Al₂O₃钝化层的的硅量子点器件的正背面形成金属电极并进行合金化处理。