[发明专利]一维硅基阵列微结构及其制备方法和在气体传感器中的应用

说明书

本发明公开一维硅基阵列微结构及其改性方法和在气体传感器中的应用，金属辅助化学刻蚀形成硅纳米线阵列和二次刻蚀进行纳米线表面改性。该发明为发展与CMOS工艺兼容的、具有高室温敏感性能的硅基气体传感器研究提供了一种有效的工艺增感路线，并且不需要各向异性刻蚀剂即可得到同种效果的阵列结构，在硅基气敏传感器领域具有重要的科学研究价值与实际应用前景。

技术领域

本发明涉及气体敏感材料和气体传感器技术领域，更具体地说涉及一种一维硅基阵列微结构制备方法及其在气体传感器中的应用。

背景技术

二十世纪以来，人类的技术革命给社会带来了巨大的经济效益和文明进步。经济巨大发展的同时造成严重的生态和环境污染。各种毒性危险性气体(如NO、NO₂、H₂、O₃、NH₃等)使人类赖以生存的自然环境与生态遭到严重破坏，人类的身体健康也受到了严重威胁。因此，一种对有毒有害气体的快速、高灵敏的高性能气体传感器的制备与优化具有迫切的现实意义。

一维硅纳米线由于其巨大的比表面积和表面活性，使得其非常容易与气体进行有效的表面接触和反应，因此在气体传感器领域得到了广泛的应用和发展。硅纳米线在室温下对多种气体分子具有好的敏感性能，是一种典型的室温敏感材料，在低功耗传感器件中具有很好的发展前景，并且硅基材料本身具有与现代半导体工艺兼容的独特优势。因此，硅纳米线在低功耗气体传感器及微传感器阵列集成系统领域极具发展应用前景。硅纳米线通常采用金属辅助化学刻蚀(MACE)方法制备。这种工艺制备方法工艺简单，成本低廉，制备出的硅纳米线阵列具有良好的定向有序结构。然而，形成的硅纳米线阵列具有阵列密度过高、比表面积有限的缺点，从而制约了硅纳米线基气体传感器的室温敏感性能，阵列密度过高不利于气体分子的扩散，制约了其室温响应恢复性能的提升，是硅纳米线气体传感器继续发展和应用的一大阻碍。为了改善硅纳米线气体传感器的室温敏感响应能力，对MACE形成的硅纳米线阵列进行进一步的改性处理是一种切实可行的有效途径。

硅纳米线的表面改性方法众多，其中通过各向异性刻蚀工艺对其表面进行特殊的功能化处理能够使得其表面积明显增大，显著提高其表面活性，降低阵列密度使得阵列结构能够更有利于气体分子的扩散，从而提升硅基阵列的气敏性能。但是传统的各向异性刻蚀技术需要引入新的刻蚀剂进行纳米线表面粗糙化改性，会严重破坏晶格结构，并且在较高的温度下才能使得刻蚀速率最大化，这严重增加了改性工艺成本和功耗。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，克服硅纳米线阵列基气体传感器由于比表面积低和阵列密度大而导致的室温灵敏度低响应慢的性能缺点，通过提供一种硅纳米线二次MACE微结构改性方法，直接形成高活性的粗糙化表面，实现硅纳米线阵列活性表面积的显著提升和阵列密度的有效降低，应用于气体传感器中使器件在室温下达到高的灵敏度和快速的响应速度，该发明为发展与CMOS工艺兼容的、具有高室温敏感性能的硅基气体传感器研究提供了一种有效的工艺增感路线，并且不需要各向异性刻蚀剂即可得到同种效果的阵列结构，在硅基气敏传感器领域具有重要的科学研究价值与实际应用前景。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现。

一维硅基阵列微结构及其制备方法，按照下述步骤进行：

步骤1，使用金属辅助化学刻蚀法处理硅片，以使硅片表面形成硅纳米线阵列，使用氢氟酸和硝酸银的混合水溶液为刻蚀液，通过调整刻蚀液中氢氟酸和硝酸银浓度，以及刻蚀温度和时间，控制刻蚀形成硅纳米线的长度和直径

在步骤1中，氢氟酸浓度为4M-6M，硝酸银浓度为0.01M-0.03M，将硅片放入上述溶液中进行化学刻蚀，刻蚀时间为20-200min，刻蚀温度为10-40℃。

在步骤1中，硅片采用单晶硅片，硅片的电阻率为10-15Ω·cm，硅片的晶向为<100>±0.5°，硅片的厚度为400μm。