[发明专利]一种以高压氢钝化提高光增益的硅纳米晶的制备方法

说明书

本发明具体为一种以高压氢钝化提高光增益的硅纳米晶的制备方法。本发明借助半导体电子电路领域较为常见的氢钝化原理，以氢气为材料处理的基本原料，并以适当加温和高圧密封为手段，实现材料钝化。硅纳米晶作为一种全硅发光材料，其制备过程会产生大量缺陷中心。高压氢钝化能够有效对发光材料中的部分缺陷进行饱和与消除，减少非辐射复合中心，从而实现显著增加纳米晶体硅发光强度以及光增益的效果，提高光增益的纳晶硅材料可用于新型硅激光器的研制。本发明提出了一种不同于传统高温氢钝化以及等离子体氢钝化的氢钝化方法，该工艺不需维持高温，也不需经过等离子体放电过程，对材料发光增强效果显著，并且成本低廉、操作简单、安全可控。

技术领域

本发明属于新材料领域，具体涉及一种以高压氢钝化提高光增益的硅纳米晶的制备方法。

背景技术

20世纪90年代初，英国Canham就已发现多孔硅具有光致发光特性。自此，纳米尺度的硅材料研究掀起了一整研究热潮。体块硅材料由于其本身的间接带隙的能带特性，常温自发辐射产生发光的几率十分低下。一般认为硅纳米晶的光致发光现象由量子限制效应引起。包裹于介质中的硅纳米晶因为其坚固的结构、稳定的发光得到了大家的青睐，同时也具有通过调节尺寸改变其发光峰位的性质。有多种方法可以制备硅纳米晶，主要包括硅离子注入、溅射以及热蒸发，在经过热处理等一系列工艺之后可以得到镶嵌在二氧化硅中的纳晶硅材料。然而，传统的半导体材料中存在着大量缺陷，对于纳米晶体硅材料来说，由于纳米硅晶粒比较面积较大，硅与二氧化硅界面面积就很大，这种界面之间存在着大量的硅悬挂键。在光致发光的机制中，界面处存在的大量悬挂键是一种非辐射复合中心，会大量消耗导带电子和价带空穴，降低发光效率。2000年意大利特伦托大学发现镶嵌于二氧化硅的硅纳米晶具备光增益。但由于硅纳米晶具有较低光增益和较宽的发射光谱，因此，一直以来很难将硅纳米晶作为激光增益材料来实现全硅激光器。Min等人的研究表明, 氢钝化可以选择性地抑制这种缺陷发光, 钝化之后的发光仍是 nc-Si 的发光, 对经过氢钝化的样品再进行低温退火, 纳米晶的发光强度明显增强。传统半导体工艺中有不同的实现氢钝化的方法，主要包括高温氢气退火、高能氢离子注入以及等离子体放电氢钝化。但这些方法存在一些缺陷：高温退火法对硅氢键的形成具有一定阻碍，因此其对发光的提高效果有限；高能氢离子注入法会破坏发光层结构，引入结构缺陷，增加猝灭中心；等离子体放电法则需要通过放电实现氢气活化。

发明内容

本发明属于新材料领域，具体涉及一种以高压氢钝化提高光增益的硅纳米晶及其制备方法。

本发明提出的一种以高压氢钝化提高光增益的硅纳米晶的制备方法，首先制备平整均匀的硅纳米晶薄膜，再利用预加热的高压反应釜在密封条件下通入高纯氢气并维持若干天进行硅纳米晶的钝化处理；其具体操作流程为：

（1）选取两面抛光的石英基片作为衬底，清洗去除衬底表面杂质；

（2）在衬底上旋涂硅纳米晶前驱体材料HSQ光刻胶薄膜；

（3）将HSQ光刻胶薄膜置于恒温加热炉中烘烤固化；

（4）将带有光栅的HSQ光刻胶薄膜基片置于经过清洗的石英基板上，然后将其放入石英退火炉中，通入H2、N2混合气体；

（5）将石英退火炉由室温升温至1000~1150℃，升温时间为40~60min，在此温度下保持50~90min；

（6）取出经退火处理的样品；

（7）置于恒温高压反应釜内，均匀受力旋转螺母密封高压反应釜；

（8）打开机械泵抽取高压反应釜内空气；

（9）打开通气阀充入高纯氢气到10~30bar；

（10）打开高压反应釜加热装置，设置加热温度为100~300℃，升温时间为1~3h；