СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФОТОЛЮМИНЕСЦИРУЮЩЕГО ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ Российский патент 2008 года по МПК H01L33/00 

Изобретение относится к области оптоэлектроники, а конкретно к способам получения пористого кремния для различных структур, обладающих способностью к фотолюминесценции (ФЛ) и электролюминесценции (ЭЛ), которые могут быть использованы, например, в качестве индикаторов.

Пористый кремний с достаточно высокой степенью пористости (>50%) обладает способностью к ФЛ и ЭЛ в видимой области спектра. Это позволяет рассматривать этот материал в качестве основы различного рода светоизлучающих приборов, которые при сравнительной дешевизне изготовления обеспечивают возможность получения светоизлучающих поверхностей большой площади (от 0,5-1 см² и более, конечный размер принципиально не ограничен). Такого рода приборы могут работать как при использовании эффекта ФЛ с подсветкой активирующим излучением, так и при использовании эффекта ЭЛ посредством пропускания тока через пористый кремний. Одной из проблем, возникающих при использовании пористого кремния, является получение ФЛ с короткой длиной волны для расширения диапазона цветов излучения.

Известен способ получения пористого кремния [A.Bsiesy, J.С.Vial, F.Gaspard u.a. Photoluminescence of high porosity and of electrochemically oxidized porous silicon layers. - Surface Science, 254 (1991), p.196], обладающего ФЛ в видимой области спектра, при котором использовали электрохимическое травление монокристаллического кремния р-типа проводимости (с удельным сопротивлением 10 Ом.см) в электролите на основе HF. При этом получали пористый кремний, который обладал ФЛ с максимумом при 760 нм. Образованный пористый кремний затем частично растворяли в 15% HF без приложения напряжения в течение промежутка времени до 30 мин. Всю обработку выполняли в темноте.

При этом длина волны максимума ФЛ была уменьшена до 600 нм при снижении интенсивности ФЛ до 0,14 от интенсивности ФЛ материала после электрохимического травления до последующего химического растворения.

Недостатком этого способа является необходимость выполнения травления в темноте и невозможность получения ФЛ с максимумом при <600 нм. При увеличении времени растворения >30 мин происходит полное растворение пористого кремния и ФЛ не проявляется.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу является способ [A.Bsiesy, J.C.Vial, F.Gaspard u.a. Photoluminescence of high porosity and of electrochemically oxidized porous silicon layers. - Surface Science, 254 (1991), p.197], который включает в себя электрохимическое травление монокристаллического кремния р-типа проводимости (с удельным сопротивлением 10 Ом.см) при использовании электролита на основе HF при плотности тока 10 мА/см². Образованный пористый кремний частично растворяли в 15% HF без приложения напряжения. Всю обработку выполняли при освещении ячейки для травления.

Максимум ФЛ при увеличении времени растворения смещается до 560 нм при значительном снижении интенсивности ФЛ до 0,05 от интенсивности ФЛ материала после электрохимического травления до последующего химического растворения. Такой способ с освещением ячейки травления обеспечивает получение ФЛ с более короткой длиной волны по сравнению с аналогом. Недостатком прототипа является значительное уменьшение интенсивности ФЛ в коротковолновой части спектра (примерно 0,05 от исходной интенсивности ФЛ пористого кремния) и ограничение наименьшей длины волны ФЛ величиной 560 нм. Материал с более короткой длиной волны ФЛ не удается получить вследствие растворения пористого кремния при увеличении времени обработки.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение интенсивности ФЛ при уменьшении длины волны ФЛ.

Данный технический результат достигается тем, что исходный монокристаллический кремний подвергают электрохимическому травлению с использованием электролита, содержащего воду, этанол и плавиковую кислоту. Травление выполняют в двухэлектродной ячейке в два этапа. На первом этапе травление исходного кремния выполняют при постоянном токе при приложении к исходному кремнию положительного потенциала.

На втором этапе травления изменяют полярность прикладываемого напряжения без изменения его величины. При этом к кремнию прикладывают отрицательный потенциал в течение 10-60 мин. При времени травления <10 мин мало смещение положения максимума ФЛ в коротковолновую область, а при времени травления >60 мин возрастает степень растворения пористого кремния и ФЛ уменьшается.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

В качестве исходного материала использовали монокристаллический кремний марки КДБ-10 (удельное электросопротивление 10 Ом.см). В качестве электролита использовали водно-спиртовый раствор плавиковой кислоты. Травление выполняли в два этапа. На первом этапе травления к исходному кремнию прикладывали положительный потенциал (12В), при этом плотность тока составляла 10 мА/см². На втором этапе после изменения полярности приложенного напряжения без изменения его величины выполняли травление в течение 10 мин.

Максимум ФЛ полученного пористого кремния находился при 650 нм. Интенсивность ФЛ составляла 0,92 от ее величины после первого этапа травления.

Пример 2.

Использовали те же исходный кремний, электролит и параметры травления на первом этапе, что и в примере 1. Травление на втором этапе выполняли в течение 15 мин.

Максимум ФЛ полученного пористого кремния находился при 595 нм. Интенсивность ФЛ составляла 0,8 от ее величины после первого этапа травления.

Пример 3.

Использовали те же исходный кремний, электролит и параметры травления на первом этапе, что и в примере 1. Травление на втором этапе выполняли в течение 30 мин.

Максимум ФЛ полученного пористого кремния находился при 560 нм. Интенсивность ФЛ составляла 0,56 от ее величины после первого этапа травления.

Пример 4.

Использовали те же исходный кремний, электролит и параметры травления на первом этапе, что и в примере 1. Травление на втором этапе выполняли в течение 60 мин.

Максимум ФЛ полученного пористого кремния находился при 525 нм. Интенсивность ФЛ составляла 0,33 от ее величины после первого этапа травления.

Таблица
Параметры фотолюминесценции пористого кремния, полученного предлагаемым способомДлина волны фотолюминесценции пористого кремния/относительная интенсивность максимума фотолюминесценцииПосле первого этапа травленияПосле второго этапа травленияВремя второго этапа травления, мин10153060760 нм/1650 нм/0,92595 нм/0,8560 нм/0,56525 нм/0,33

Представленные примеры показывают, что при травлении исходного монокристаллического кремния в два этапа с изменением на втором этапе полярности напряжения, прикладываемого к ячейке травления, получают пористый кремний, который по сравнению с прототипом способен к ФЛ в более коротковолновой части видимой области спектра (вплоть до 525 нм). При этом интенсивность ФЛ при 525 мкм снижается примерно в 3 раза. Изменением времени травления на втором этапе можно регулировать длину волны максимума ФЛ от 650 нм до 525 нм и, соответственно, цвет свечения пористого кремния.

Использование: в оптоэлектронике для получения пористого кремния при изготовлении различных структур, обладающих способностью к фотолюминесценции и электролюминесценции, например в качестве индикаторов. Сущность изобретения: исходный монокристаллический кремний подвергают электролитическому травлению в двухэлектродной ячейке с использованием электролита, содержащего воду, этанол и плавиковую кислоту. Травление выполняют в два этапа. На первом этапе травление исходного кремния выполняют при постоянном токе при приложении к кремниевой пластине положительного потенциала. На втором этапе травления изменяют полярность напряжения, прикладываемого к ячейке травления, без изменения его величины. При этом к кремниевой пластине прикладывают отрицательный потенциал и травят материал в течение 10-60 мин. Предложенный способ обеспечивает повышение интенсивности фотолюминесценции при уменьшении длины волны фотолюминесценции. 1 табл.

Способ получения фотолюминесцирующего пористого кремния, включающий электрохимическое травление исходного монокристаллического кремния при освещении и при приложении постоянного напряжения, отличающийся тем, что травление проводят в два этапа, на первом этапе к исходному кремнию прикладывают положительный потенциал, а на втором этапе к кремнию прикладывают отрицательный потенциал той же величины в течение 10-60 мин.