提高纳米多孔硅物理微结构和光学特性稳定性的新方法

摘要

本发明公开了一种提高多孔硅物理微结构和光学特性稳定性的新方法，是在多孔硅膜制备完成后，就立即对多孔硅材料的内表面使用过氧乙酸并加方波信号源进行氧化处理，使多孔硅内表面的硅悬空键和硅‑氢键与过氧乙酸中的氧原子结合或置换形成稳定的硅‑氧键膜。本发明可提高多孔硅薄膜的物理强度、物理微结构和光学特性的稳定性；有利于制备物理微结构和光学特性稳定的多孔硅厚膜；有利于探索使用多孔硅多层膜用于光子器件中，有可能制备出稳定性较强和均匀性较高的多孔硅多层器件‑‑多孔硅微腔。

权利要求

1.提高多孔硅物理微结构和光学特性稳定性的新方法，其特征在于，在多孔硅膜形成后，立即将腐蚀液换成过氧乙酸和去离子水构成的混合液，其中过氧乙酸与去离子水体积比为1 5：49 99，同时将腐蚀电流换成方波信号源，所述方波信号源的幅度大小为-0.5 2V，~ ~ ~对多孔硅材料进行氧化处理，氧化处理时间为5 30min；然后，将多孔硅膜放入等温的去离~子水中清洗，最后在空气中干燥即得。

说明书

提高纳米多孔硅物理微结构和光学特性稳定性的新方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体材料技术领域，具体说是一种稳定纳米多孔硅微结构和光学特性的新方法。

背景技术

[0002] 自1956年Uhlir对硅片在氢氟酸(HF)溶液中进行电化学抛光处理时发现多孔硅材料以来；多孔硅材料已经在光电子材料、光学器件、太阳能电池和传感器技术等方面广泛地研究并应用，但急需解决的瓶颈问题之一是多孔硅膜（尤其是厚膜多孔硅）物理微结构和光学特性不稳定。由于其物理微结构稳定性、均匀性及发光性能一直没有得到有效改善，使其在产业的应用受到限制。多孔硅材料不稳定性、容易开裂或塌陷等，尤其是厚膜多孔硅材料极不稳定，限制其使用范围。

[0003] 据有关文献报道，多孔硅膜开裂、塌陷和物理结构不稳定的原因之一是表面张力所为。多孔硅材料是一种海绵状的中空结构材料，其表面积/体积比可达每立方厘米600平方米。在通常情况下，多孔硅材料内表面是由硅的悬空键或硅-氢键组成，这些健在空气中极不稳定，容易引起其内表面硅的悬空键或硅-氢键中的氢原子与外界环境中的原子结合或置换，从而导致多孔硅膜开裂、塌陷和物理结构不稳定。消除多孔硅内表面硅的悬空键或硅-氢键,促使多孔硅材料内表面形成稳定的硅-氧键结构，避免多孔硅内表面硅的悬空键或硅氢键中的氢原子与周围环境中的离子结构重组或置换产生分子间的不均匀内应力,从而获得物理性能稳定、可靠、发光特性稳定，在空气中可以长期干燥保存的多孔硅膜。

[0004] 现阶段，为了得到物理微结构稳定的多孔硅膜，一般采用后处理多孔硅膜的方法。已经有文献报道使用阴极还原表面处理技术、阳极氧化表面处理技术、使用过氧化氢后处理技术、戊烷干燥法、超临界干燥法、冷冻干燥法和缓慢干燥法，这些方法可以使多孔硅膜稳定,尤以超临界干燥法为佳。但这些方法复杂，没有充分对多孔硅表面进行彻底氧化，导致仍不稳定。

发明内容

[0005] 针对上述现有技术存在的不足，本发明首次提出使用过氧乙酸（ ）并外加方波信号源来后处理多孔硅材料，目的是提供一种提高多孔硅材料物理微结构和光学特性稳定性的新方法，用以提高多孔硅材料物理微结构和光学特性的稳定性。

[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：提高多孔硅材料物理微结构和光学特性稳定性的新方法，其特征在于，在多孔硅膜形成后，立即将腐蚀液换成过氧乙酸和去离子水构成的混合液，其中过氧乙酸与去离子水体积比为（1～5）：（49～99），同时将腐蚀电流换成方波信号源，对多孔硅材料进行氧化处理，氧化处理时间为5～30min；然后，将多孔硅膜放入等温的去离子水中清洗，最后在空气中干燥即得。

[0007] 优选地，所述方波信号源的幅度大小为-0.5～2V。

[0008] 与现有技术相比，本发明有如下特点和进步：本发明是在阳极腐蚀形成多孔硅膜后，通过使用过氧乙酸（ ）和去离子水混合液的并外加方波信号源方法，一方面，在外加方波正电压期间，使多孔硅材料内表面的硅原子的悬空键或硅-氢键中的氢原子与过氧乙酸分子中的氧原子结合或置换；另一方面，在外加方波负电压期间，多孔硅内表面少部分不稳定的原子被电离形成悬空键，周而复始，从而形成稳定的硅-氧键膜，提高多孔硅膜的物理微结构和光学特性稳定性，有利于制备物理微结构和光学特性稳定的多孔硅厚膜；有利于探索使用稳定性、均匀性和界面平整度改善后的多孔硅多层膜用于光子器件中实现方案，有可能制备和实现稳定性较强或均匀性较高的多孔硅多层器件或多孔硅微腔。

具体实施方式

[0009] 现结合具体实施例，来对本发明做进一步的阐述。本发明仅为优选的实施例，而并非全部的实施方式，故任何不超出本发明构思的技术方案均应在本发明的保护范围内。

[0010] 实施例一

[0011] 提高纳米多孔硅物理微结构和光学特性稳定性的方法之一，该方法包括如下步骤：

[0012] 1、多孔硅材料制备完成后，立即将腐蚀液换成过氧乙酸（ ）与去离子水混合液；同时，将腐蚀电流源换成一外加10赫兹的方波（-0.5～2V）信号源，对多孔硅材料进行氧化后处理，氧化处理时间为10分钟；

[0013] 2、后处理混合液是按过氧乙酸（ ）﹕去离子水以体积比为1﹕49进行配制；

[0014] 3、后处理液的温度为室温；为了研究问题的方便，我们选择了两组实验，其实验参数和对应的数据如下：

[0015]

[0016] 4、根据相关文献并结合上述的实验条件，得到所形成的两片多孔硅膜的多孔度分别约为52%、55%，厚度大约分别为0.50μm、0.80μm；

[0017] 5、处理完成后，将多孔硅薄膜浸入与后处理混合液相同温度的去离子水溶液中，然后使用去离子水冲洗，最后在空气中干燥；

[0018] 6、多孔硅样品通过反射谱、光致发光谱和SEM进行分析研究；

[0019] 7、检验合格后即为成品。

[0020] 实施例二

[0021] 提高纳米多孔硅物理微结构和光学特性稳定性的方法之二，该方法包括如下步骤：

[0022] 1、多孔硅材料制备完成后，立即将腐蚀液换成过氧乙酸（ ）与去离子水混合液；同时，将腐蚀电流源换成一外加20赫兹的方波（-0.5～2V）信号源，对多孔硅材料进行氧化后处理，氧化处理时间为15分钟；

[0023] 2、后处理混合液是按过氧乙酸（ ）﹕去离子水以体积比为1﹕99进行配制；

[0024] 3、后处理液的温度为室温；为了研究问题的方便，我们选择了两组实验，其实验参数和对应的数据如下：

[0025]

[0026] 4、根据相关文献并结合上述的实验条件，得到所形成的两片多孔硅膜的多孔度分别约为56%、58%，厚度大约分别为1.2μm、1.5μm；

[0027] 5、处理完成后，将多孔硅薄膜浸入与后处理混合液相同温度的去离子水溶液中，然后使用去离子水冲洗，最后在空气中干燥；

[0028] 6、多孔硅样品通过反射谱、光致发光谱和SEM进行分析研究；

[0029] 7、检验合格后即为成品。