CN103996767A - 表面等离激元增强型硅纳米线电致发光器件及其制作方法 - Google Patents

表面等离激元增强型硅纳米线电致发光器件及其制作方法 Download PDF

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王真真
解意洋
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Abstract

本发明提供一种表面等离激元增强型硅纳米线电致发光器件及其制作方法，其中表面等离激元增强型硅纳米线电致发光器件，包括：一硅衬底，该硅衬底上部分形成硅纳米线阵列结构；多个金属纳米颗粒，该多个金属纳米颗粒不规则地散布在硅纳米线阵列结构的表面；一阴极电极，其制作在硅纳米线阵列结构上；一阳极电极，其制作在硅衬底的下面。本发明通过合理地设计器件结构可以利用硅纳米线的量子限域效应可以实现硅基发光，并且利用金属SPPs的场增强和强局域性可以增强硅纳米线的发光。

Description

表面等离激元增强型硅纳米线电致发光器件及其制作方法
技术领域
本发明涉及硅纳米线电致发光器件领域，尤其涉及一种利用表面等离激元来增强硅纳米线发光的电致发光器件结构及其制作方法。
背景技术
硅元素是目前世界上使用最广泛的半导体材料。大部分微电子器件是以硅材料为基础而制备的。随着社会信息量的快速增长，微电子技术在芯片的速度和集成度方面出现了瓶颈，这驱使着人们发展性能更优的光电互联技术。近年来，硅基材料在制造波导、光多路分束器、光开关及调制器、光电探测器等器件方面已取得突破性进展，对于基于硅的光电互联技术所受到的最大限制就是缺少可使用高质量的硅基光源，这主要是因为硅材料是间接带隙半导体材料，发光效率极低，这使得硅基发光，特别是硅基电致发光成为举世公认的难题。
一直以来，人们没有放弃过对硅基发光的研究，从研究硅体材料开始，探索了硅纳米线、硅纳米晶、稀土离子掺杂硅基材料等多种硅发光手段。本专利主要讨论的是硅纳米线发光。
硅纳米线可以实现可见和近红外发光，对于硅纳米线的发光机制，目前得到人们广泛认可的有量子限域模型以及结合量子限域的量子限域-发光中心模型。虽然硅纳米线可以实现硅基发光，要想使得硅纳米发光广泛地应用，还需要进一步增强硅纳米线的发光效率。
目前，已有理论和实验表明，借助金属表面等离子激元(SPPs)强局域特性导致的Purcell效应可以有效增加宽禁带材料GaN的发光效率，这为研究提高硅纳米线的发光效率提供了重要的启示，也有文献报道在硅纳米线中引入金属颗粒实现新的发光峰，但是利用金属SPPs的场增强和强局域性实现硅纳米线发光增强的报道至今还没有，要实现该目的需要设计合适的结构将硅纳米和金属纳米结构结合在一起。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种表面等离激元增强型硅纳米线电致发光器件及其制作方法，通过合理地设计器件结构可以利用硅纳米线的量子限域效应可以实现硅基发光，并且利用金属SPPs的场增强和强局域性可以增强硅纳米线的发光。
为达到上述目的，本发明提供一种表面等离激元增强型硅纳米线电致发光器件，包括：
一硅衬底，该硅衬底上部分形成硅纳米线阵列结构；
多个金属纳米颗粒，该多个金属纳米颗粒不规则地散布在硅纳米线阵列结构的表面；
一阴极电极，其制作在硅纳米线阵列结构上；
一阳极电极，其制作在硅衬底的下面。
本发明还提供一种表面等离激元增强型硅纳米线电致发光器件的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在硅衬底上用电子束蒸发的方法蒸发一金属薄层，该金属薄层为带有孔洞的岛膜；
步骤2：利用金属催化化学腐蚀的方法，在硅衬底上制作纳米线阵列结构；
步骤3：采用高温氧化的方法，在纳米线阵列结构的表面形成一预定厚度的薄层氧化硅薄膜；
步骤4：在纳米线阵列结构的表面用电子束蒸发的方法，蒸一薄层；
步骤5：退火，在纳米线阵列结构的表面形成金属纳米颗粒；
步骤6：在硅纳米线阵列结构上长一层阴极电极；
步骤7：在硅衬底的背面蒸阳极电极，完成制备。
本发明的有益效果是，利用硅纳米线的量子限域效应可以实现硅基发光；利用金属的表面等离基元可以增强硅纳米线的发光。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：
图1是本发明所提供的表面等离激元增强型硅纳米线电致发光器件的三维结构示意图；
图2是本发明的制作方法流程图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种表面等离激元增强型硅纳米线电致发光器件，包括：
一硅衬底1，该硅衬底1上部分形成硅纳米线阵列结构2，所述硅纳米线阵列结构2中的硅纳米线的平均尺寸在10纳米以下，利用硅纳米线的量子限域效应可以实现硅基发光；该硅纳米线的表面有一薄层氧化硅薄膜，可以防止金属纳米颗粒造成的荧光猝灭；
多个金属纳米颗粒3，该多个金属纳米颗粒3不规则地散布在硅纳米线阵列结构2的表面，利用金属纳米颗粒的SPPs场增强和强局域性可以实现硅纳米线发光增强；
一阴极电极4，其制作在硅纳米线阵列结构2上，所述阴极电极4的材料为透明氧化铟锡，其可以使电流扩展，同时也是出光面；
一阳极电极5，其制作在硅衬底1的下面，所述阳极电极5的材料为金属。
请参阅图2，并结合参阅图1所示，本发明提供一种表面等离激元增强型硅纳米线电致发光器件的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：选用P型<100>晶向硅片，电阻率1-5Ω·cm，分别用丙酮和乙醇超声清洗后，在体积比为3：1的浓硫酸/双氧水混合液中150℃以上高温下煮沸10分钟，用去离子水将硅片冲洗干净并在氢氟酸溶液浸泡10分钟去除表面氧化物；在硅衬底1上用电子束蒸发的方法蒸发3纳米金，形成金属的岛膜结构；
步骤2：利用金属催化化学腐蚀的方法，在硅衬底1上制作纳米线阵列结构2，所述金属催化化学腐蚀的方法使用的化学试剂是氢氟酸和过氧化氢，将氢氟酸：过氧化氢以5M：0.44M的比例配置腐蚀液；所述纳米线阵列结构2中的纳米线的平均尺寸在10纳米以下，腐蚀半个小时得到纳米线的长度大约为4微米；金属催化化学腐蚀方法制备的硅纳米线表层有几纳米(＜5纳米)的氧化层
步骤3：采用高温氧化的方法，利用氧化炉将样品在700度高温下氧化5分钟，在纳米线阵列结构2的表面形成10纳米左右的薄层氧化硅薄膜；该氧化层的作用有两个：减小纳米线尺寸到10纳米以下，使得纳米线可以利用量子限域效应发光，以及防止金属纳米颗粒造成的荧光猝灭；
步骤4：在纳米线阵列结构2的表面用电子束蒸发的方法，蒸一薄层，该薄层的材料为金或银，在具体实施中我们采用的是金，厚度为4纳米和8纳米；
步骤5：退火，在纳米线阵列结构2的表面形成金属纳米颗粒3；对于金属金，在600度退火2小时，形成金纳米颗粒，散布在硅纳米线表面(上表面和侧壁)；
步骤6：在硅纳米线阵列结构2上长一层阴极电极4，该阴极电极4的材料为透明氧化铟锡(ITO)，其可以使电流扩展，能够使电流均匀注入，同时也是出光面；
步骤7：在硅衬底1的背面蒸阳极电极5，所述阳极电极5的材料为金属，完成制备。
以上所述的具体实施例中，对本发明要解决的技术问题和技术方案进行了较详细具体的说明，所应理解的是，以上所述的仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神、思想和原则范围内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种表面等离激元增强型硅纳米线电致发光器件，包括： 
一硅衬底，该硅衬底上部分形成硅纳米线阵列结构； 
多个金属纳米颗粒，该多个金属纳米颗粒不规则地散布在硅纳米线阵列结构的表面； 
一阴极电极，其制作在硅纳米线阵列结构上； 
一阳极电极，其制作在硅衬底的下面。 
2.根据权利要求1所述的表面等离激元增强型硅纳米线电致发光器件，其中硅纳米线阵列结构中的硅纳米线的平均尺寸在10纳米以下，该硅纳米线的表面有一薄层氧化硅薄膜。 
3.根据权利要求1所述的表面等离激元增强型硅纳米线电致发光器件，其中阴极电极的材料为透明氧化铟锡，其可以使电流扩展，同时也是出光面。 
4.根据权利要求1所述的表面等离激元增强型硅纳米线电致发光器件，其中阳极电极的材料为金属。 
5.一种表面等离激元增强型硅纳米线电致发光器件的制作方法，包括如下步骤： 
步骤1：在硅衬底上用电子束蒸发的方法蒸发一金属薄层，该金属薄层为带有孔洞的岛膜； 
步骤2：利用金属催化化学腐蚀的方法，在硅衬底上制作纳米线阵列结构； 
步骤3：采用高温氧化的方法，在纳米线阵列结构的表面形成一预定厚度的薄层氧化硅薄膜； 
步骤4：在纳米线阵列结构的表面用电子束蒸发的方法，蒸一薄层； 
步骤5：退火，在纳米线阵列结构的表面形成金属纳米颗粒； 
步骤6：在硅纳米线阵列结构上长一层阴极电极； 
步骤7：在硅衬底的背面蒸阳极电极，完成制备。 
6.根据权利要求5所述的表面等离激元增强型硅纳米线电致发光器件的制作方法，其中金属催化化学腐蚀的方法使用的化学试剂是氢氟酸和过氧化氢。 
7.根据权利要求5所述的表面等离激元增强型硅纳米线电致发光器件的制作方法，其中纳米线阵列结构中的纳米线的平均尺寸在10纳米以下。 
8.根据权利要求5所述的表面等离激元增强型硅纳米线电致发光器件的制作方法，其中薄层的材料为金或银。 
9.根据权利要求5所述的表面等离激元增强型硅纳米线电致发光器件的制作方法，其中阴极电极的材料为透明氧化铟锡，其可以使电流扩展，同时也是出光面；所述阳极电极的材料为金属。 
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