硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体异质纳米柱电致发光器件及制备方法技术

本发明专利技术公开了硅基Ⅲ‑Ⅴ族半导体异质纳米柱电致发光器件，包括硅衬底，所述硅衬底上分布有硅纳米柱阵列，所述硅纳米柱阵列的顶部覆盖有Ⅲ‑Ⅴ族半导体外延层；所述的硅纳米柱阵列和Ⅲ‑Ⅴ族半导体外延层的晶向取向相同。本发明专利技术还提供硅基Ⅲ‑Ⅴ族半导体异质纳米柱电致发光器件的制备方法，包括：在硅衬底上刻蚀硅纳米柱阵列；通过沉积二氧化硅将刻蚀出的沟槽填充，并将高于硅纳米柱的二氧化硅去除；在硅纳米柱阵列的顶部外延生长Ⅲ‑Ⅴ族半导体外延层；去除沟槽填充的二氧化硅。本发明专利技术提供的电致发光器件可充分驰豫因界面失配导致的晶格应力，可有效抑制Ⅲ‑Ⅴ族外延层中位错等缺陷的大量产生，从而提高硅基化合物电致发光纳米材料的晶体质量；同时制备过程简单可控。

Silicon-based III-V Semiconductor Heterogeneous Nanopillar Electroluminescent Devices and Their Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体异质纳米柱电致发光器件及制备方法
本专利技术涉及纳米材料与微纳光电器件的制备领域，具体涉及一种硅基半导体异质纳米柱电致发光器件及制备方法。
技术介绍
随着硅集成电路逻辑单元的特征尺寸不断减小，半导体产业对芯片间与芯片内的信息交互能力提出了更高的要求，而在硅芯片上集成制造光电子器件、实现硅基光电集成变得至关重要。由于Ⅳ族元素半导体间接带隙属性对发光效率的限制，直接在硅、锗等材料上实现显著的光学增益十分困难。为了跟目前的硅基半导体产业和工艺相兼容，在硅衬底上异质制备具有较高电致发光效率的Ⅲ-Ⅴ族半导体材料就成为了具有发展潜力的重要方向。然而，由于硅衬底和外延的Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物薄膜材料的晶格存在一定失配，使得硅基化合物薄膜材料产生大量失配位错，导致硅基化合物薄膜电致发光器件发光强度低、寿命短、功耗大，无法实际应用。目前，人们利用硅基键合技术来制备硅基化合物发光器件，即：单独制备化合物半导体电致发光器件，然后通过“键合”技术，整合到硅衬底材料上，实现硅基化合物电致发光。但是这种技术具有一定的缺点：(1)在硅衬底上键合预制的Ⅲ-Ⅴ族半导体材料对衬底表面平整度有着原子级的尺度要求，(2)需要精确控制键合和对准的位置，(3)尺寸不能太小，无法实现高密度集成，(4)成本比较高。因而，在硅衬底上一体化生长高性能的Ⅲ-Ⅴ族半导体材料作为发光器件是目前硅基光电子领域的重要挑战，一直没有解决。另一方面，Ⅲ-Ⅴ族半导体(准)一维纳米结构被认为具有巨大潜力，因为该(准)一维结构能够同时充当光学增益介质和光学谐振腔，且此种纳米尺寸的结构因为载流子限域效应的存在，相较于块体和量子阱结构对于晶体缺陷更加不敏感。加州大学伯克利分校的杨培东小组研究发现，在蓝宝石衬底上生长出的单晶氮化镓纳米线紫外-蓝光激光器沿轴向符合法布里-珀罗谐振模式，能够以单模光波导的形式运作，而其在室温下的增益主要遵循于电子-空穴等离子体复合发光机制。同时，(准)一维纳米结构被认为具有优异的力学性能，往往能够表现出远超体相材料的韧性与弹性，使其在巨大的应力作用或体积变化下仍能够保持结构的稳定。香港城市大学的LuYang研究组发现单晶的硅纳米线能够承受10％以上的弹性应变，最大断裂强度接近20GPa；斯坦福大学的崔屹研究组则发现以硅纳米线阵列作为锂离子电池的电极材料，在电池嵌锂脱锂的循环过程中能够承受75％的体积变化而不会发生结构破碎。目前，已经发展出了一些技术手段可以实现一部分Ⅲ-Ⅴ族半导体(砷化镓、砷化铟)纳米柱(线)在硅衬底上的直接生长，但适用的材料体系还十分有限，且对于纳米线(柱)的尺寸、取向以及在衬底上的分布难以控制。更为重要的是由于这些Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线直接生长在平整、一体的硅衬底上，两者较大的晶格失配使得在Ⅲ-Ⅴ族材料中产生大量的位错等缺陷，从而导致器件电致发光性能地急剧下降。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体异质纳米柱电致发光器件，有效抑制Ⅲ-Ⅴ族外延层中位错等缺陷的大量产生，提高硅基化合物半导体电致发光器件的发光效率、使用寿命和降低了功耗。本专利技术还提供了硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体异质纳米柱电致发光器件的制备方法，该制备方法简单，重复性高，成本低，制备得到的产物硅纳米柱和Ⅲ-Ⅴ族半导体外延层具有一维异质结构。硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体异质纳米柱电致发光器件，包括硅衬底，所述硅衬底上分布有硅纳米柱阵列，所述硅纳米柱阵列的顶部覆盖有Ⅲ-Ⅴ族半导体外延层。在本专利技术中，硅与Ⅲ-Ⅴ族半导体外延层构成了准一维的异质纳米柱结构，界面上紧密相接且整体晶体缺陷较少，且该结构直接生长在硅衬底上。所述的硅纳米柱阵列和Ⅲ-Ⅴ族半导体外延层的晶向取向相同。所述的硅纳米柱阵列中，硅纳米柱的直径为10-200nm、平均间距为30-500nm、高度为30nm-10μm；所述的Ⅲ-Ⅴ族半导体外延层的厚度为5-100nm。优选的，所述的硅纳米柱阵列中，硅纳米柱的直径为50-100nm、平均间距为120-240nm、高度范围为50nm-2μm；所述的Ⅲ-Ⅴ族半导体外延层的厚度为8-60nm。具有以上结构特征的异质纳米柱结构在制备过程中具有更高的可重复性与结构可调性，晶体结晶质量与发光性能也更佳，位错密度更小，数量级为10-7·cm-2。所述的硅纳米柱的横截面的形状为圆形、椭圆形、六边形、菱形或方形。优选的，所述的硅纳米柱的横截面的形状为六边形或菱形或圆柱形。这种形状与硅的晶体结构相吻合，侧面暴露为低指数晶面，结构具有更高的稳定性。所述的Ⅲ-Ⅴ族半导体外延层的材料选自砷化镓、磷化铟、磷化镓、氮化镓、砷化铟镓、磷化铟镓、砷磷化镓或砷磷化铟中的一种。优选的，所述的Ⅲ-Ⅴ族半导体外延层的材料选自磷化铟和磷化铟镓。此一类材料发光性能优异，制备工艺成熟，且所用元素毒性相对较小。本专利技术还提供一种硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体异质纳米柱电致发光器件的制备方法，包括以下步骤：(1)在硅衬底上刻蚀硅纳米柱阵列；(2)通过沉积二氧化硅将刻蚀出的沟槽填充，并将高于硅纳米柱的二氧化硅去除；(3)在硅纳米柱阵列的顶部外延生长Ⅲ-Ⅴ族半导体外延层；(4)去除沟槽填充的二氧化硅，得到硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体异质纳米柱电致发光器件。在步骤(1)中，制备硅纳米柱的方法为：化学腐蚀、电子束刻蚀或光刻。在电子束刻蚀中，硅纳米柱的外接圆直径、高度、平均间距等结构几何参数可以通过设计X射线光刻掩膜花样的等方式进行调控。在化学腐蚀中，具体地为金属纳米颗粒诱导湿化学刻蚀法，纳米柱的外接圆直径、高度、平均间距等结构几何参数可以通过改变硝酸银溶液、氢氟酸溶液、双氧水溶液等反应物的浓度以及银沉积、化学刻蚀等步骤的反应时间来进行调控。通过上述制备方法，得到直径为10-200nm、平均间距为30-500nm、高度为30nm-10μm的硅纳米柱。在步骤(2)中，在刻蚀有硅纳米柱阵列的硅衬底上沉积非晶态二氧化硅，将刻蚀产生的沟槽填充满；所述的二氧化硅的沉积可以通过化学气相沉积、磁控溅射等气相沉积方法或者过饱和硅氟酸溶液水解等液相沉积方法实现。将沉积在硅纳米柱顶部的二氧化硅去除，可以通过氢氟酸与双氧水进行化学腐蚀实现，也可以通过等离子体轰击刻蚀实现。在步骤(1)中，所述的硅衬底选自P型轻、重掺杂或N型轻、重掺杂的单晶硅片中的一种。在步骤(3)中，所述的外延生长Ⅲ-Ⅴ族半导体外延层的制备方法为金属有机化合物化学气相沉积，包括以下步骤：(3-1-1)在氢气氛围下升温预热至250-300℃，通入以氢气为载气送入的氮族氢化物气体并升温至330-450℃；(3-1-2)通入以氢气载送的氮族氢化物、金属有机化合物气体；(3-1-3)停止通入金属有机化合物，保持通入氮族氢化物气体继续保温；然后在氢气保护下降温，得到Ⅲ-Ⅴ族半导体外延层。在步骤(3-1-1)中，所述的氢气载气的流量为5L/min，所述的氮族氢化物气体选自砷化氢、磷化氢或氨气中的一种或至少两种的组合，所述的金属有机化合物气体选自三甲基镓或三甲基铟或两者的组合。在步骤(3-1-2)中，所述的氢气载气的流量为5L/min左右，根据实际进行调整，氮族氢化物与金属有机化合物气体在载气中的分压分别为0.015与0.00001，反应时间小于1分钟。在步骤(3)中，所述的外延生长Ⅲ-Ⅴ族半导体外延本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.硅基Ⅲ‑Ⅴ族半导体异质纳米柱电致发光器件，包括硅衬底，其特征在于，所述硅衬底上分布有硅纳米柱阵列，所述硅纳米柱阵列的顶部覆盖有Ⅲ‑Ⅴ族半导体外延层；所述的硅纳米柱阵列和Ⅲ‑Ⅴ族半导体外延层的晶向取向相同。

【技术特征摘要】
1.硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体异质纳米柱电致发光器件，包括硅衬底，其特征在于，所述硅衬底上分布有硅纳米柱阵列，所述硅纳米柱阵列的顶部覆盖有Ⅲ-Ⅴ族半导体外延层；所述的硅纳米柱阵列和Ⅲ-Ⅴ族半导体外延层的晶向取向相同。2.根据权利要求1所述的硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体异质纳米柱电致发光器件，其特征在于，所述的硅纳米柱阵列中，硅纳米柱的直径为10-200nm、平均间距为30-500nm、高度为30nm-10μm；所述的Ⅲ-Ⅴ族半导体外延层的厚度为5-100nm。3.根据权利要求2所述的硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体异质纳米柱电致发光器件，其特征在于，所述的硅纳米柱阵列中，硅纳米柱的直径为50-100nm、平均间距为120-240nm、高度范围为50nm-2μm；所述的Ⅲ-Ⅴ族半导体外延层的厚度为8-60nm。4.根据权利要求2或3所述的硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体异质纳米柱电致发光器件，其特征在于，所述的硅纳米柱的横截面的形状为圆形、椭圆形、六边形、菱形或方形。5.根据权利要求4所述的硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体异质纳米柱电致发光器件，其特征在于，所述的Ⅲ-Ⅴ族半导体外延层的材料选自砷化镓、磷化铟、磷化镓、氮化镓、砷化铟镓、磷化铟镓、砷磷化镓或砷磷化铟中的一种。6.一种制备权利要求1-5任一所述的硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体异质纳米柱电致发光器件的方法，包括以下步骤：(1)在硅衬底上刻蚀硅纳米柱阵列；(2)通过沉积二氧化硅将刻蚀出的沟槽填充，并将高于硅纳米柱的二氧化硅去除；(3)在硅纳米柱阵列的顶部外延生长Ⅲ-Ⅴ族半导体外延层；(4)去除沟槽填充的二氧化硅，得到硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体异质纳米柱电致发光器件。7.根据权利要求6所述的硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体异质纳米柱电致发光器件的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张辉，杨德仁，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33