Способ получения пористого кремния со стабильной фотолюминесценцией

Авторы патента:

H01L33/02 - Полупроводниковые приборы по меньшей мере с одним потенциальным барьером или с поверхностным барьером, предназначенные для светового излучения, например инфракрасного; специальные способы или устройства для изготовления или обработки таких приборов или их частей; конструктивные элементы таких приборов (соединение световодов с оптоэлектронными элементами G02B 6/42; полупроводниковые лазеры H01S 5/00; электролюминесцентные источники H05B 33/00)

B82B3/00 - Изготовление или обработка наноструктур

Владельцы патента RU 2568954:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) (RU)

Изобретение относится к области изготовления наноструктурных материалов и может быть использовано в оптоэлектронике для производства светоизлучающих индикаторов. Способ получения пористого кремния со стабильной фотолюминесценцией согласно изобретению осуществляют путем анодного электрохимического травления монокристаллической кремниевой подложки в электролите, состоящем из плавиковой кислоты, этанола и водного раствора перманганата калия при освещении подложки и в темноте. Изобретение позволяет получить пленки пористого кремния, обладающие стабильными спектрами фотолюминесценции при длительном хранении в естественных условиях.

Изобретение относится к области изготовления наноструктурных материалов и может быть использовано в оптоэлектронике для производства светоизлучающих индикаторов.

Из существующего уровня техники известен способ получения фотолюминесцирующего пористого кремния, изготавливаемого электролитическим травлением монокристаллического кремния 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 (патент РФ 2316077, опубл. 27.01.2008).

Недостатком данного изобретения является быстрая деградация люминесцентных свойств пористого кремния, проявляющаяся в резком снижении интенсивности люминесценции, вследствие замены нестабильных связей Si-H на поверхности кремниевых кристаллитов более устойчивыми Si-О. В результате происходит полное затухание люминесценции.

Известен способ получения нанокристаллического кремния, обладающего яркой устойчивой фотолюминесценцией, включающий реакцию спекания при температуре ~800 K тонкоизмельченного силицида магния и аэросила с последующим растворением и вымыванием оксида магния в подкисленном водном растворе, с последующей очисткой нанокристаллического кремния осаждением этанолом и растворением в трихлорметане (патент РФ 2411613, опубл. 10.02.2011).

Недостатком данного изобретения является необходимость применения высоких температур при спекании силицида магния и аэросила, что усложняет конструкцию технологического оборудования. Также недостатком данного способа является возможность проникновения быстродиффундирующих химических примесей при спекании силицида магния и аэросила в объем кремниевых кристаллитов, что приведет к возникновению центров безызлучательной рекомбинации. Это приведет к снижению интенсивности люминесценции и возникновению факторов, способствующих деградации люминесценции. Также недостатком является более высокая трудоемкость по сравнению с анодным электрохимическим процессом получения люминесцирующего пористого кремния.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является электролит для получения пористого кремния путем электрохимического травления монокристаллического кремния, содержащий 50%-ный водный раствор плавиковой кислоты и этанол, взятые в соотношении 1:1, дополнительно включающий двуокись кремния, концентрация которой не превышает 2 моль/л (патент РФ 2194805, опубл. 20.12.2002).

Недостатком данного изобретения является нестабильность фотолюминесценции получаемого пористого кремния вследствие замены нестабильных связей Si-H на поверхности кремниевых кристаллитов более устойчивыми Si-O. Введение двуокиси кремния в электролит, состоящий из плавиковой кислоты и этанола, не обеспечивает формирование на поверхности кремниевых кристаллитов комплексов, являющихся стабильными центрами излучательной рекомбинации.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа получения пористого кремния со стабильной фотолюминесценцией при длительном хранении в естественных условиях.

Для решения этой задачи предложено использовать добавку водного раствора перманганата калия в электролит, состоящий из плавиковой кислоты и этанола, также предложено проведение процесса анодного электрохимического травления кремниевой монокристаллической подложки как при ее освещении, так и без освещения.

Сущность изобретения заключается в добавлении водного раствора перманганата калия в электролит, состоящий из плавиковой кислоты и этанола, а также в проведении процесса анодного электрохимического травления кремниевой монокристаллической подложки как при ее освещении, так и без освещения.

Технический результат от использования изобретения заключается в получении пленок пористого кремния со стабильной фотолюминесценцией при длительном хранении в естественных условиях, которые могут применяться в оптоэлектронике при изготовлении светоизлучающих индикаторов.

Способ получения пористого кремния со стабильной фотолюминесценцией заключается в следующем. Пористый кремний формируется методом электрохимического анодного травления кремниевой монокристаллической подложки в гальваностатическом режиме. Используется электролит, состоящий из плавиковой кислоты (48%), этанола и водного раствора перманганата калия, соотношение компонентов 0,5:0,5:1,0. Эффект стабилизации фотолюминесценции пористого кремния достигается при значениях концентрации водного раствора перманганата калия 0,028-0,040 M. При более низких концентрациях раствора фотолюминесценция нестабильна. При более высоких концентрациях формируется рыхлый слой пористого кремния с плохой адгезией к подложке. Эффект стабилизации фотолюминесценции пористого кремния достигается при значениях плотности тока 10-60 мА/см² в ходе электрохимического анодного травления. Эффект стабилизации фотолюминесценции достигается как при формировании пористого кремния в условиях освещения кремниевой подложки в процессе ее электрохимического анодного травления, так и при отсутствии ее освещения.

Для исследования эффекта стабилизации фотолюминесценции пористого кремния, изготовленного предлагаемым способом, производилось измерение спектров фотолюминесценции образцов на следующий день после изготовления образцов, а также через один, два и шесть месяцев после изготовления. Измерения спектров производилось в одинаковых условиях.

Возбуждение фотолюминесценции пористого кремния производилось излучением азотного лазера с длиной волны 337 нм при мощности 0,5 мВт. Спектры фотолюминесценции измерялись спектрометром USB-4000-VIS-NIR.

Для образцов пористого кремния, изготовленных без освещения монокристаллической кремниевой подложки, длина волны, соответствующая максимуму полосы фотолюминесценции (λ_max), составила 691 нм. В течение 6 месяцев после изготовления изменение величины λ_max составило не более 1 нм. Изменение интенсивности спектрального максимума (I_max) составило величину не более 4%. Указанные изменения не превышают погрешности измерений, поэтому можно считать фотолюминесценцию данной группы образцов стабильной.

Для образцов, изготовленных при освещении монокристаллической кремниевой подложки, значение λ_max изменилось в течение двух месяцев после изготовления с 632 нм до 644 нм. Величина I_max за указанный период снизилась на 5%. В ходе дальнейших наблюдений изменения величин λ_max и I_max не превышали погрешности измерений. Таким образом, фотолюминесценция данной группы образцов стабилизируется через 2 месяца после изготовления.

Также, важно отметить, что величина I_max для образцов, изготовленных без освещения монокристаллической кремниевой подложки, в 3 раза больше, чем для образцов, изготовленных при освещении подложки.

Влияние добавки водного раствора перманганата калия в электролит, состоящий из плавиковой кислоты и этанола, на характер фотолюминесценции пористого кремния, можно объяснить следующими соображениями.

Добавление водного раствора перманганата калия в электролит приводит к ускорению окисления кремния, так как перманганат - ион является сильным окислителем. В результате даже при отсутствии освещения поверхности кремниевой подложки в процессе анодного электрохимического травления кремниевые кристаллиты становятся достаточно мелкими для того, чтобы наблюдалась фотолюминесценция в видимой области спектра. Под действием света перманганат калия превращается в диоксид марганца и его окислительная способность снижается. В результате концентрация центров излучательной рекомбинации будет меньше, чем в пористом кремнии, изготовленном без освещения поверхности кремниевой подложки.

Эффект стабилизации спектров фотолюминесценции пористого кремния, изготовленного с добавкой водного раствора перманганата калия в электролит, состоящий из плавиковой кислоты и этанола, может быть объяснен пассивацией поверхности кремниевых кристаллитов за счет замены связей Si-H на более стабильные связи Si-Mn и Si-O-Мn.Это также должно способствовать росту количества центров излучательной рекомбинации.

Таким образом, предлагаемый способ обладает следующими преимуществами:

1. Позволяет формировать пленки пористого кремния со стабильной фотолюминесценцией без освещения поверхности кремниевой подложки в процессе ее анодного электрохимического травления. Это позволяет отказаться от сложной оптической системы, обеспечивающей равномерное освещение подложки, находящейся в электролите, что особенно важно при работе с подложками большой площади. В результате упрощается конструкция установки для формирования пленки пористого кремния.

2. Предложенный способ имеет минимальное число технологических операций, в результате чего снижается трудоемкость и повышается производительность процесса формирования пленки пористого кремния. Это имеет важное значение в условиях массового производства.

3. Предложенный способ не использует высокотемпературные процессы, благодаря чему упрощается конструкция технологического оборудования, а также снижается вероятность проникновения быстродиффундирующих химических примесей в объем кремниевых кристаллитов, что может привести к снижению интенсивности люминесценции и возникновению факторов, способствующих деградации люминесценции.

Литература

1. Патент РФ 2316077, опубл. 27.01.2008.

2. Патент РФ 2411613, опубл. 10.02.2011.

3. Патент РФ 2194805, опубл. 20.12.2002.

Способ получения пористого кремния со стабильной фотолюминесценцией при длительном хранении в естественных условиях, отличающийся тем, что предлагается использовать добавку водного раствора перманганата калия в электролите на основе плавиковой кислоты и этанола при анодном электрохимическом травлении монокристаллической кремниевой подложки, также предлагается проводить анодное электрохимическое травление монокристаллической кремниевой подложки в указанном электролите как при освещении подложки, так и без ее освещения.

Светоизлучающее диодное (СИД) устройство содержит кристалл (40) СИД, содержащий светоизлучающий полупроводниковый слой (20), эпитаксиально выращенный на подложке роста и продолжающийся, по существу, по всему кристаллу СИД, причем кристалл СИД имеет верхнюю поверхность, содержащую слой (28) растекания тока, покрывающий полупроводниковый слой; и металлический электродный рисунок (42, 44, 46) только на участке верхней поверхности для пропускания тока через СИД для питания СИД, причем упомянутый электродный рисунок содержит множество металлических контактов (42) на верхней поверхности, имеющих ширины приблизительно между 2 и 10 разами больше, чем длина Lt передачи контактов, где длина передачи определяется из соотношения связывающего поверхностное сопротивление в Омах на квадрат слоя растекания тока и контактное удельное сопротивление границы раздела контакта и слоя растекания тока в Ом/м2, причем металлические контакты, по существу, блокируют свет, излученный светоизлучающим полупроводниковым слоем; и металлические соединения (44), соединяющие одни из контактов друг с другом, причем металлические соединения имеют ширины меньше чем 2Lt.

Нитридный полупроводниковый элемент и способ его изготовления // 2566383

Изобретение относится к светодиоду или лазерному диоду и способу его изготовления. Нитридный полупроводниковый элемент 1 включает в себя основную структурную часть 5 и структурную часть 11 элемента, сформированную на основной структурной части 5 и имеющую, по меньшей мере, полупроводниковый слой 6 AlGaN n-типа и полупроводниковые слои 8, 9, 10 AlGaN p-типа и дополнительно включает в себя n-электродную контактную часть 13а, образованную на полупроводниковом слое 6 AlGaN n-типа, n-электродную часть 13b контактной площадки, образованную на n-электродной контактной части 13a, и p-электрод 12, образованный на полупроводниковых слоях 8, 9, 10 AlGaN p-типа, причем мольная доля AlN в полупроводниковом слое 6 AlGaN n-типа составляет 20% или более, n-электродная контактная часть 13а включает в себя один или более металлических слоев, и p-электрод 12 и n-электродная часть 13b контактной площадки имеют общую наслоенную структуру из двух или более слоев со слоем Au как самым верхним слоем и слоем, предотвращающим диффузию Au, состоящим из проводящего оксида металла и образованным под самым верхним слоем для предотвращения диффузии Au.

Фотолюминофорная смесь для изготовления фотолюминесцентной плёнки белых светодиодов // 2565670

Изобретение относится к области электронной техники и техники освещения на основе полупроводниковых светоизлучающих диодов (СИД), а именно к фотолюминофорной смеси для приготовления фотолюминесцентной пленки белых светодиодов.

Керамическое осветительное устройство // 2565579

Изобретение относится к области светотехники. Техническим результатом является повышение эффективности теплоотвода и упрощение конструкции.

Подложка для оптической системы и полупроводниковое светоизлучающее устройство // 2565328

Подложка для оптической системы снабжена тонкоструктурным слоем, включающим в себя точки, состоящие из множества выпуклых или вогнутых участков, проходящих в направлении от главной поверхности подложки наружу поверхности, причем тонкоструктурный слой имеет множество точечных линий, в которых множество точек размещено с шагом Py в первом направлении на главной поверхности подложки, в то же время имея множество точечных линий, в которых множество точек размещено с шагом Px во втором направлении, ортогональном первому направлению, на главной поверхности подложки, один из шага Py и шага Px является постоянным интервалом нанометрового диапазона, тогда как другой является непостоянным интервалом нанометрового диапазона, или оба они являются непостоянными интервалами нанометрового диапазона.

Оптическое согласующее устройство // 2565324

Изобретение может использоваться как для изготовления энергосберегающих ламп, так и светосильных светодиодных излучателей. Оптическое согласующее устройство состоит из оптического согласующего элемента, излучающего полупроводникового светодиода и расположенным между ними промежуточного слоя, причем оптический согласующий элемент выполнен из оптически прозрачного материала, показатель преломления которого подобен показателю преломления излучающего полупроводникового светодиода, при этом промежуточный слой выполнен туннельно-прозрачным, с модулем упругости более низким по сравнению с модулями упругости полупроводникового светодиода и оптического согласующего элемента.

Способ обработки поверхности карбида кремния с помощью ультрафиолетового лазерного излучения // 2563324

Настоящее изобретение относится к области получения наноструктур на поверхности карбида кремния. Cпособ получения наноструктур на поверхности карбида кремния содержит этапы, на которых устанавливают твердую мишень в рабочую кювету с жидкостью, устанавливают рабочую кювету с твердой мишенью на координатный столик, осуществляют лазерную абляцию при помощи Nd:YAG лазера, работающего в импульсном режиме, при этом Nd:YAG лазер осуществляет облучение твердой мишени ультрафиолетовым излучением на длине волны 355 нм, с длительностью импульса 10 пс, с частотой повторения импульса 50 кГц и со средней мощностью 3,5 Вт, и в качестве жидкости используют воду, прошедшую этап очистки в системе обратного осмоса.

Светотиристор // 2562744

Изобретение относится к активным электронным компонентам. Согласно изобретению в отличие от обычного светотранзистора с одним излучающим p-n-переходом в светотиристоре в открытом состоянии два перехода являются излучающими, а один переход поглощает тепловую энергию.

Светодиодное осветительное устройство // 2562241

Изобретение относится к осветительной технике, а именно к светодиодным осветительным устройствам, в которых в качестве источников света использованы светоизлучающие диоды.

Нитридный полупроводниковый ультрафиолетовый светоизлучающий элемент // 2561761

Данный нитридный полупроводниковый ультрафиолетовый светоизлучающий элемент обеспечивается: базовой секцией структуры, которая включает в себя сапфировую подложку (0001) и слой AlN, сформированный на подложке; и секцией структуры светоизлучающего элемента, которая включает в себя слой покрытия n-типа полупроводникового слоя AlGaN n-типа, активный слой, имеющий полупроводниковый слой AlGaN, и слой покрытия p-типа полупроводникового слоя AlGaN p-типа, при этом упомянутый слой покрытия n-типа, активный слой и слой покрытия p-типа сформированы на базовой секции структуры.

Новые нанокристаллы на основе золота для терапевтического лечения и процессы их электрохимического производства // 2568850

Группа изобретений относится к медицине, конкретно к новым нанокристаллам золота и распределению форм нанокристаллов, которые имеют поверхности, которые не содержат органические загрязнения или пленки.

Способ получения нанокапсул солей металлов // 2568832

Изобретение относится в области нанотехнологии и фармацевтической химии. При получении нанокапсул солей металлов в качестве оболочки используется каррагинан.

Способ получения нанокомпозитных материалов и устройство для его реализации // 2568807

Изобретение относится к области создания нанокомпозитных материалов для электрокатализа, электросорбции и устройств накопления электрической энергии и может быть использовано для пролучения высокоэффективных электрокатализаторов, электросорбентов и энергозапасающих устройств.

Устройство для получения и хранения атомарного водорода // 2568734

Изобретение относится к энергетическому оборудованию и может быть использовано в водородной энергетике для получения, хранения и транспортировки водорода. Устройство для получения атомарного водорода содержит реактор 1, работающий на разложении воды твердым реагентом, анод 3, катод 4 и магистрали 8 с арматурой для ввода исходного сырья в реактор 1 и вывода из него водорода и продуктов реакции.

Углерод-углеродный композиционный материал и способ изготовления из него изделий // 2568733

Изобретение предназначено для использования в химической, химико-металлургической, в авиационной и космической отраслях промышленности. Формируют каркас углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ) из низкомодульных углеродных волокон, заполняют его поры дисперсным углеродным наполнителем путем выращивания в них каталитическим методом в газовой фазе наноразмерного углерода в форме частиц, волокон или трубок до его содержания 3,7-10,9% от веса волокнистого каркаса.

Способы отслаивания и переноса гетероэпитаксиально выращиваемых пленок графена и продукты, включающие эти пленки // 2568718

Изобретение относится к технологии получения тонких пленок графена, которые могут быть использованы в качестве прозрачного проводящего покрытия. Способ включает гетероэпитаксиальное выращивание тонкой пленки графена на тонкой пленке катализатора, нанесение покрытия на основе полимера на поверхность тонкой пленки графена, которая является противоположной относительно поверхности тонкой пленки катализатора, отверждение покрытия на основе полимера и отслаивание тонкой пленки графена и покрытия на основе полимера от тонкой пленки катализатора, при этом тонкую пленку катализатора располагают на несущей подложке, сформированной со стороны тонкой пленки катализатора, которая является противоположной относительно поверхности тонкой пленки графена, и между несущей подложкой и каталитической тонкой пленкой располагают тонкую пленку разделительного слоя из оксида цинка.

Способ получения массивов наноразмерных нитевидных кристаллов кремния с управляемой поверхностной плотностью // 2568217

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых наноматериалов. Способ получения массивов наноразмерных нитевидных кристаллов кремния включает подготовку ростовой кремниевой подложки путем нанесения на ее поверхность нанодисперсных частиц катализатора конденсацией микрокапель коллоидного раствора и помещением подготовленной пластины в ростовую печь с последующим выращиванием нитевидных нанокристаллов, при этом на коллоидный раствор воздействуют ультразвуком, причем мощность ультразвукового генератора задают в пределах от 30 до 55 Вт, а температуру раствора поддерживают в интервале от 273 K до 370 K.

Способ получения концентрированного удобрения из птичьего помета и концентрированное удобрение // 2568124

Изобретения относятся к сельскому хозяйству. Способ получения концентрированного удобрения из птичьего помета заключается в том, что смешивают упомянутый птичий помет с водой в заранее заданном соотношении до получения однородной массы; загружают полученную однородную массу в диспергационную камеру; герметизируют упомянутую диспергационную камеру; нагревают упомянутую однородную массу до заранее заданной температуры; подают в герметизированную диспергационную камеру заранее заданное статическое давление; обрабатывают содержимое упомянутой диспергационной камеры ультразвуковыми колебаниями с плотностью озвучивания не менее 60 Вт/см2, обеспечивающими в течение заранее заданного времени звуковое давление на упомянутую однородную массу, превышающее упомянутое статическое давление на заранее заданную величину.

Осаждение на большой площади и легирование графена и содержащие его продукты // 2567949

Изобретение относится к технологии осаждения на больших площадях тонких пленок графена, которые могут быть легированы, для использования их в качестве прозрачного проводящего покрытия.

Способ получения материала для изготовления светокорректирующей полимерной пленки // 2567909

Изобретение относится к способу получения материала для изготовления светокорректирующей полимерной пленки, которая может быть использована в сельском хозяйстве, в производстве экранов, мониторов и в других областях техники.

Способ получения дисперсной системы частиц оксида титана рутила // 2569083

Изобретение может быть использовано в производстве формованных полимерных изделий и покрытий. Водный раствор тетрахлорида титана нагревают при 25-75°C с получением взвеси частиц оксида титана рутила. Полученную взвесь фильтруют, промывают водой и подвергают гидротермальной реакции при 120-180°C в присутствии уксусной кислоты в количестве 75 мольных долей или более на 100 мольных долей оксида титана во взвеси. Далее взвесь фильтруют, промывают водой и добавляют кислоту, чтобы дефлокулировать взвесь. Полученную взвесь подвергают обработке путем мокрого диспергирования с получением дисперсной системы. Избыток кислоты и водорастворимые соли из дисперсной системы удаляют. Изобретение позволяет получить частицы оксида титана рутильной модификации с D50 15 нм или менее, D90 40 нм или менее, площадью удельной поверхности 120 м2/г или более, характеризующиеся потерей массы при нагревании от 105°С до 900°С 5% или менее. 4 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл., 16 пр.