专利名称：一种直径可调的硅量子线阵列的制备方法
技术领域：
本发明属纳米发光材料制备技术领域，具体为一种制备直径可调的硅量子线阵列的新方法。
背景技术：
量子线是指线横截面直径接近或小于某一特定尺寸(称为波尔半径)的固体直线，也称为量子棒。量子线具有比同材料块状固体较大的能级禁带宽度，且直径越小，禁带宽度越大。这就是所谓的量子限制效应。不同材料具有不同的波尔半径。例如硅的波尔半径为～5纳米。当量子线横截面直径大于波尔半径～1-2倍时，仍会有量子限制效应，称为弱限制效应。当等于或小于波尔半径时，量子线具有强限制效应。利用量子限制效应，不但可以大幅增强固体材料的发光强度，还可以调节它的发光波长。当前微电子产业的主流材料是硅。如何在现有硅技术基础上实现光电子的集成，其关键是实现硅发光。但由于硅具有间接带隙结构，它的发光效率极低。利用纳米技术，并基于量子限制效应，可以改善硅的电子结构，大幅提升它的发光强度。
硅量子线阵列具有强发光特性。目前硅量子线的制备主要采用分子束蒸发法和模板法。前者硅量子线密度小，排列杂乱；而后者由于工艺限制，硅量子线横截面直径最小也有几十纳米，因此不是真正的硅量子线。
发明内容
本发明的目的在于提出一种制备直径可调的硅量子线阵列的新方法。该方法所需设备和工艺简便易行，可在硅基片上制备横截面直径10纳米以下的、直径尺寸可控的、密集的硅量子线阵列。
本发明提出的在硅基片上制备硅量子线阵列的方法，以离子束辐射在硅片表面形成的致密有序的量子点阵列作为模板，再结合电化学腐蚀手段。具体步骤如下1)利用氩离子束设备(如图1所示)对硅片表面进行辐射，生成致密有序的硅量子点阵。量子点尺寸可以通过调节离子束参数来实现变化，最终的量子点大小可控范围为1nm～70nm不等，离子束得参数主要利用束流密度为1μA/cm2～800μA/cm2予以控制。一般可按不同的束流密度进行1-3次辐射。本步骤利用常规的离子束溅射系统可以达到同样的效果。
2)将表面(硅片正面)具有硅量子点阵的硅片放入真空蒸镀系统，在硅片背面蒸镀铝电极，真空度需要小于2.0×10-3Pa。
3)将以上硅片放入电化学腐蚀系统(如图2所示)，使硅片正面接触电化学腐蚀液，蒸镀有铝电极的背面接电源的电极。控制腐蚀条件如电流1mA～100mA，腐蚀时间1s～1hour，以最终生成硅量子线阵列，其平均直径由作为模板的硅量子点直径决定。本步骤也可利用其他常规的电化学腐蚀系统，达到同样的效果。
本发明中，采用氩离子正入射(垂直于硅表面)样品表面，使得产生自组织致密有序的硅量子点阵列。
本发明中，硅片为掺杂的n型硅。
本发明中，电化学腐蚀液为氢氟酸、乙醇和去离子水的混合液，氢氟酸重量浓度为1％-40％，腐蚀用电源为脉冲电源。腐蚀槽为聚四氟乙烯。腐蚀液中电极为呈环形的铂丝。
本发明原理如下1、本发明利用我们发展的自组织量子点制备技术，即离子束溅射刻蚀法，在硅表面形成致密有序量子点阵(M.Lu，X.J.Yang，S.S.Perry，and J.W.Rabalais，Applied Physice Letters 80，2096-2098(2002)；Li Ling，Wei-qing Li，Le-jun Qi，Ming Lu，Xinju Yang，and Chang-xin Gu，Physical Review B71，155329(2005)；Wen-bin Fan，Le-jun Qi，Hai-tong Sun，You-yuan Zhao andMing Lu，Nanotechnology 17，1878-1883(2006))。
2、我们进一步发现所形成的硅量子点阵和硅衬底具有不同的电学特性(Hai-Tong Sun，Zheng-Hao Li，Jing Zhou，You-Yuan Zhao and Ming Lu，Applied Surface Science in press，availableonline 18 January 2007)，由此它们具有不同的电化学腐蚀性质。这些硅量子点阵可以作为产生硅量子线阵的模板。
3、根据空穴原理(V.Lehmann，U.Goesele，Applied Physics Letters 58，856(1991))，n型硅在电压反向偏置情况下，表面凹陷部分的电化学腐蚀速率远大于其它部分，腐蚀呈纵向发展。结合原理2，将形成硅量子线阵。
图1为产生硅量子点阵列的设备图示。
图2为电化学腐蚀，即最终产生硅量子线阵的设备图示。
图中标号图1为五维调节架，2为法拉第杯，3为样品，4为离子枪，5为偏压加热装置，6为进样室，7为涡轮分子泵，8为腐蚀槽，9为铂金丝，10为螺丝，11为预处理好的Si样品，12为电路开关，13为可调电压的脉冲电源，14为腐蚀溶液。
具体实施例方式
使用的离子束设备如图1所示，其中，五维调节架1通过调节样品3朝向来改变离子束入射的角度和方向；法拉第杯2用于测量入射离子束束流密度的大小；系统中安装了两把离子枪4分别适应不同束流密度的需要，小束流的为Perkin-Elmer公司04-303型离子枪，大束流的则为国产的普通Kaufman离子枪；偏压加热装置5用于产生一定能量的电子束轰击样品背面，来提高样品制备时的表面温度；每次样品进入真空腔之前，先进入进样室6，并将进样室抽至粗真空，然后再将样品3从进样室6推入真空腔的样品架上，出样即为相反过程。这样可以很大程度上减小每次进样或出样过程对真空腔中超高真空状态的破坏；涡轮分子泵7使真空室中真空度保持在2.0×10-6Pa。溅射时若采用小束流离子强，则真空度为1.5×10-5Pa为宜；若采用大束流离子抢溅射，则真空度为2.5×10-2Pa为宜。
电化学腐蚀系统采用图2所示的装置。其上半部分为聚四氟乙烯腐蚀槽8，底部开有腐蚀液窗口，底座为铜电极，上面放置样品，上下由螺丝固定。铂金丝9为腐蚀溶液的电极，螺丝10用来固定腐蚀槽8和铜电极，以便固定铜片上放置的样品。预处理好的Si样品11，放在腐蚀槽的铜电极上方，电路开关12控制电源，电源采用可调电压的脉冲电源13。
下面通过一个实施例进一步描述本发明。
1)先后利用H2O2∶H2SO4＝1∶1、乙醇和丙酮溶液对Si片进行清洗。
2)将n型Si(100)放入离子束溅射系统的真空室，用离子能量为1.2-1.5keV，束流密度为600-800μA/cm2的氩离子垂直轰击Si表面，形成Si量子点阵列，点平均直径为～50nm。
3)进一步用离子能量为0.5-1keV，束流密度为15-30μA/cm2的氩离子垂直轰击Si表面，可修饰Si量子点阵列的点平均直径(Wen-bin Fan，Le-jun Qi，Hai-tong Sun，You-yuanZhao and Ming Lu，Nanotechnology 17，1878-1883(2006))，使其小于10nm。
4)将该Si片取出离子束溅射系统，放入真空度＜2.0×10-3Pa的蒸镀系统，在其背面蒸镀Al电极。
5)将镀好Al电极且具有表面Si量子点阵列的n型Si片放入腐蚀系统的腐蚀槽内，进行腐蚀，腐蚀条件为电流10mA-30mA，时间5min-10min，腐蚀溶液HF(40％浓度)∶乙醇∶H2O＝1∶1∶2最终形成Si量子线阵列。
权利要求
1.一种直径可调的硅量子线阵列的制备方法，其特征在于具体步骤如下(1)利用氩离子束设备对硅片表面进行辐射，控制离子束流密度为1μA/cm2～800μA/cm2，用不同的束流密度辐射1-3次，生成致密有序的硅量子点阵，量子点大小可控范围为1nm～70nm；(2)将表面具有硅量子点阵的硅片放入真空蒸镀系统，在硅片背面蒸镀铝电极，真空度需要小于2.0×10-3Pa。(3)将经上述处理的硅片放入电化学腐蚀系统，使硅片正面接触电化学腐蚀液，蒸镀有铝电极的背面接电源的电极。控制腐蚀条件如电流1mA～100mA，腐蚀时间1s～1hour，最终生成硅量子线阵列。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述电化学腐蚀液为氢氟酸、乙醇和去离子水的混合液，氢氟酸重量浓度为1％-40％。
全文摘要
本发明属于纳米发光材料制备技术领域，具体为一种直径可调的硅量子线阵列的制备方法。其步骤包括利用离子束设备在硅片表面进行辐射，生成致密有序的硅量子共阵列，然后在真空蒸镀系统中蒸镀铝电极；在电化学腐蚀系统中在硅片背面蒸镀连接电源的电极，并最终生成硅量子线阵列。本发明方法简便易行，量子线阵列的直径可控。
文档编号B82B3/00GK101055910SQ20071004049
公开日2007年10月17日 申请日期2007年5月10日 优先权日2007年5月10日
发明者孙海彤, 李政皓, 陆明 申请人:复旦大学