专利名称：一种具有光致发光特性的单晶硅及其制备方法
技术领域：
本发明属于发光半导体原材料制备领域，具体涉及一种具有光致发光特性的单晶硅及其制备方法。
背景技术：
众所周知，半导体材料硅以其特有的属性在半导体行业中占据了重要地位，硅元素具有热导率高、膨胀系数小及较高屈服强度等特点，因而易于拉伸成较大的单晶体，以单晶硅作为原材料，超大规模集成电路为主体的微电子技术已高度发展，用光代替电子作为信息的载体，来满足信息处理更快、存储量更大、处理能力更强的要求是必然的发展趋势， 单晶硅是微电子工业的主体材料，在诸如微机械、真空微电子和传感器领域都有着日益广泛的用途，但是作为一种间接带隙半导体材料，硅只能发射微弱的红外光，且发光效率很低，难于制成发光器件。传统的光电子材料包括砷化镓(GaAs)，磷化镓(GaP)，磷化铟(MP)等，但这些材料价格昂贵，在高温下又易分解，相比于单晶硅来说，无论从材料的制备还是器件工艺上来说都显得不够理想；自从Canham等把单晶硅置于HF溶液中作为阳极进行电化学腐蚀制备出的多孔硅具有很强的光致发光性能后，学者们就一直在设法寻找一种高效发光硅基材料，以满足光电子与微电子领域的需要。HCPEB (High Current Pulse Electron Beam,强、流脉冲电子束)属于一种短脉冲宽度(< 10_7秒)的高功率电子束表面改性技术，其发射装置见现有文献中的描述，在此不再赘述，HCPEB发射装置中电子束在电子的产生和传输过程中采用等离子系统，高能量密度的电子束可以在极短的时间内传播出较远的距离，并高速轰击材料表面，从而取得传统方法所不及的表面处理效果；现有技术中，通过采用不同的HCPEB轰击工艺参数，制备出了多种表面多孔金属材料，包括多孔纳米纯铜、多孔纯铝、多孔不锈钢等，基于HCPEB在材料制备中的特性，单晶硅经过HCPEB轰击后产生可密集的孔洞结构。现有技术中，经过不同方法制备成功的多孔硅具有发光特性，但是一般认为通过电化学沉积、化学聚合、溶胶-凝胶和化学气相沉积等化学方法制备出的多孔硅的化学性能不稳定，其表面硅-氢键很弱，容易被破坏形成悬挂键，悬挂键在光敏器件种会引起电子-空穴对的无辐射复合，从而造成造成其发光效率的降低，甚至是器件的不发光和失效等，其在具体应用环境中存在诸多问题。
发明内容
基于背景技术所述，本发明提出了一种具有光致发光特性的单晶硅、其制备方法及电子束在其制备中的应用，具有光致发光特性的单晶硅结构稳定，发光效率高，衰减时间长，作为一种新型的发光半导体材料其具有光用的应用前景。本发明的第一个目的在于提出了一种具有光致发光特性的单晶硅，采用电子束对单晶硅表面进行脉冲轰击处理后获得，单晶硅发光光谱的波长在38(T420 nm之间。
本发明的另一个目的在于提出了一种具有光致发光特性的单晶硅的制备方法，该方法包括以下步骤
单晶硅清洗后吹干待用；
将上述单晶硅置于电子束发射装置中，对单晶硅表面进行脉冲轰击处理，获得具有光致发光特性的单晶硅。电子束发射装置的电子束能量为23 26 KeV，脉冲轰击次数为广30次。单晶硅样品距电子束发射装置阴极电子枪的距离为5 10 cm。单晶硅发光光谱的波长在38(T420 nm之间。另外，本发明还提出了电子束在制备具有光致发光特性的单晶硅的应用。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果制备方法简单，制备的具有光致发光特性的单晶硅结构稳定，发光效率高，衰减时间长，作为一种新型的发光半导体材料其具有广泛的应用前景。
图1为本发明实施例中电子束轰击前单晶硅光学显微镜照片；
图2为本发明实施例中单晶硅表面经HCPEB轰击后不同倍率下的光学显微镜及扫描电子显微镜照片；
(a)光学显微镜下200倍，(b)扫描电镜下1500倍，(c)扫描电镜下5000倍，(d)扫描电镜下8000倍；
图3为图2 (c)中EDS能谱图片；
图4为本发明实施例一单晶硅经HCPEB轰击后PL光谱曲线；
1、24. 3KeV，轰击 10 次；2、26KeV，轰击 1 次；3、26KeV，轰击 5 次；4、26KeV，轰击 20 次； 图5为本发明实施例二单晶硅经HCPEB轰击后PL光谱曲线； 5、26KeV，轰击 1 次；6、26KeV，轰击 10 次；7、26KeV，轰击 20 次；
8、未轰击。
具体实施例方式下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。基于多孔硅具有稳定发光效应以及其在微电子、光电子技术领域的良好应用前景，本发明以两种不同取向的单晶硅作为试验样品，采用HCPEB对单晶硅进行表面脉冲轰击处理，通过控制HCPEB的各项工作参数，在两种取向的单晶硅表层都获得了大面积的微孔结构，其结构稳定，并对不同能量、不同轰击次数下的单晶硅进行光致发光性能的测试， 测试结果显示，采用HCPEB制备出的单晶多孔硅能发出近紫外波段的紫光，属于可见光带 (S带)，发光效率高，并具有较长的衰竭时间。本发明提出了一种具有光致发光特性的单晶硅是采用电子束对单晶硅表面进行脉冲轰击处理后获得，其单晶硅发光光谱的波长在38(T420 nm之间。
本发明还提出了电子束在制备具有光致发光特性的单晶硅的应用。下面，通过具体的实施例对本发明中具有光致发光特性的单晶硅的制备方法进行详细说明，在本发明中，电子束发射装置采用大连理工大学Nadezhda-2型HCPEB装置。实施例一
采用<111>取向的单晶硅片作为制备原料，其电阻率P=广20Ω/Π1，厚度 T=490士 ΙΟμπι，如图1所示，为HCPEB轰击前单晶硅抛光面的光学显微照片，在制备过程中将抛光面作为轰击表面，从图中可以看出待轰击表面光洁，基本没有杂质。用GataneOl型超声波将上述单晶硅片割成尺寸为2cmX Icm的试验样品，将试验样品置于酒精丙酮溶液(1:1)中超声清洗lOmin，取出后用氮气吹干后待用，将上述清洗吹干后的单晶硅样品置于电子束发射装置中，对单晶硅表面进行电子束脉冲轰击处理，在对单晶硅样品表面进行脉冲轰击处理中，HCPEB发射装置的电子束能量为23 26KeV，轰击次数为广30，真空度P彡8X10_3 Pa，单晶硅样品距阴极电子枪的距离L=5cm。对HCPEB轰击后的单晶硅样品表面进行显微观察，如图2所示为单晶硅表面经 HCPEB轰击后不同倍率下的光学显微镜及扫描电子显微镜照片，从图中可以看出，采用此参数对单晶硅进行表面脉冲轰击处理后，在硅片轰击表面获得密度大、分布均勻的黑色微孔， 微孔的直径从几个微米到十几个微米不等。如图3所示，为图2 (2)中白色颗粒的EDS能谱图片，从图中可以看出该白色颗粒为硅单质；根据HCPEB轰击材料的特性，单晶硅在经HCPEB轰击后导致单晶硅表层快速加热、喷发凝固后，并沉积在单晶硅样品表面而形成的，由于单晶硅内部原子严格按照晶体点阵排列，因此在沉积过程中表现为硅原子按一定规则整齐排列在样品表面。对上述HCPEB轰击后的单晶硅进行光致发光(PL)特性的检测，其中光谱仪的激光源为He-Cd，光栅光谱仪为卓立汉光SBP500型，激光源发射波长λ =325nm,发光光谱的扫描范围在33(T600nm之间；检测结果显示，在波长λ =38(T420 nm之间均出现明显的尖峰，根据光谱图可知该波段的光属于紫光。通过比较电子束能量在对.3KeV与^KeV，轰击次数分别为1、5、10、20次的检测结果，经HCPEB处理后的单晶硅都激发出了相同波长的可见光，其中，电子束能量为 24. 3KeV, 10次脉冲轰击下激发出的可见光强度最高，其PL光谱如图4所示。实施例二
采用<100>取向的单晶硅片作为制备原料，其电阻率P =30^50 Ω/m,厚度 T=500士 10 μ m，用feitan601型超声波将上述单晶硅片割成尺寸为2cmX Icm的试验样品，将试验样品置于酒精丙酮溶液(1:1)中超声清洗lOmin，取出后用氮气吹干后待用，将上述清洗吹干后的单晶硅样品置于电子束发射装置中，对单晶硅表面进行电子束脉冲轰击处理。在对单晶硅样品表面进行脉冲轰击处理中，HCPEB发射装置的电子束能量为 21.6 27KeV，轰击次数为广30，真空度P < 8X 10_3 Pa，单晶硅样品距阴极电子枪的距离 L=6cm0对HCPEB轰击后的单晶硅进行光致发光(PL)特性的检测，比较了 26KeV下，轰击次数分别为O、1、10、20的光谱，如图5所示；相比于实施例一，此参数下多孔硅的PL峰值要小很多，接近于一个数量级，对图4和5进行比较后可以发现，在^KeV高能量1次脉冲轰击后，PL强度值都是最高的，5 10次轰击后PL强度开始下降，而20次轰击以后又开始上升。
在本发明实施例中，采用电子束对单晶硅表面进行脉冲轰击处理制备具有光致发光特性的单晶硅材料，单晶硅表层快速形成稳定的微孔洞结构，且经过光激发该多孔单晶硅能够持续发出紫光，发光效率高，衰竭时间长，作为一种新型发光半导体材料，所制备出的多孔单晶硅在半导体、微电子以及光电子领域都将会有极具潜力的用途。上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种具有光致发光特性的单晶硅，其特征在于采用强流脉冲电子束对单晶硅表面进行脉冲轰击处理后获得。
2.如权利要求1所述的一种具有光致发光特性的单晶硅，其特征在于所述具有光致发光特性的单晶硅的发光光谱的波长在38(T420 nm之间。
3.如权利要求1所述的一种具有光致发光特性的单晶硅，其特征在于所述强流脉冲电子束能量为23 26 KeV，脉冲轰击次数为广30次，轰击时单晶硅样品距强流脉冲电子束发射装置阴极电子枪的距离为5 10 cm。
4.如权利要求1所述的一种具有光致发光特性的单晶硅，其特征在于所述强流脉冲电子束能量为24. 3 KeV，脉冲轰击次数为10次，单晶硅样品距阴极电子枪的距离L=5cm。
5.如权利要求1所述的一种具有光致发光特性的单晶硅，其特征在于所述强流脉冲电子束能量为26 KeV，脉冲轰击次数为1次，单晶硅样品距阴极电子枪的距离L=6cm。
6.如权利要求1所述的一种具有光致发光特性的单晶硅的制备方法，其特征在于包括如下步骤单晶硅清洗后将单晶硅置于强流脉冲电子束发射装置中，对单晶硅表面进行脉冲轰击处理，获得具有光致发光特性的单晶硅，电子束发射装置的电子束能量为2316 KeV，脉冲轰击次数为广30次，单晶硅样品距电子束发射装置阴极电子枪的距离为5 10 cm0
全文摘要
本发明属于发光半导体原材料制备领域，具体涉及一种具有光致发光特性的单晶硅及其制备方法，所述单晶硅发光光谱的波长在380~420nm之间，其制备方法包括单晶硅清洗后吹干待用；将上述单晶硅置于电子束发射装置中，对单晶硅表面进行脉冲轰击处理，获得具有光致发光特性的单晶硅。在本发明中，具有光致发光特性的单晶硅结构稳定，发光效率高，衰减时间长，作为一种新型的发光半导体材料其具有广泛的应用前景。
文档编号C09K11/59GK102260496SQ201110159178
公开日2011年11月30日 申请日期2011年6月15日 优先权日2011年6月15日
发明者关庆丰, 彭冬晋, 李艳, 顾倩倩 申请人:江苏大学