JP7108160B2 - Method for manufacturing silicon quantum dots - Google Patents
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Description
本発明は、シリコン量子ドットの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing silicon quantum dots.
近年、LED、ディスプレイ、バイオイメージングなど向けの発光材料として半導体ナノ結晶粒子(量子ドット)が注目され、いくつかの企業(NN-LABS、Nanoco、 Nanosys、PlasmaChem社など)にて研究開発が進められている。半導体ナノ結晶は、例えばディスプレイ向けにはシート状にした状態で供給されるため、液中に分散したコロイドとして生産されることが多い。しかし、現在市販されている半導体量子ドットは、化合物系半導体であり、カドミウムや鉛などの有害な金属を含む場合が多く、環境に優しい材料をベースとしたものが必要とされている。また、原料の利用効率とプロセスエネルギー利用効率の向上も課題となっている。つまり、半導体量子ドット生産には、環境適合(カドミウム代替)性が高い材料を原料とした、高発光性能、低コスト、大量生成手法が求められている。 In recent years, semiconductor nanocrystal particles (quantum dots) have attracted attention as light-emitting materials for LEDs, displays, bio-imaging, etc., and several companies (NN-LABS, Nanoco, Nanosys, PlasmaChem, etc.) have been conducting research and development. ing. Semiconductor nanocrystals are often produced as colloids dispersed in a liquid because they are supplied in a sheet form for displays, for example. However, currently commercially available semiconductor quantum dots are compound semiconductors and often contain harmful metals such as cadmium and lead. Another issue is the improvement of raw material utilization efficiency and process energy utilization efficiency. In other words, for the production of semiconductor quantum dots, a high-luminescence performance, low-cost, mass production method using materials with high environmental compatibility (cadmium alternative) as raw materials is required.
シリコンは、最も代表的な半導体で,現在のエレクトロニクス産業に必要不可欠な基盤材料である。しかし、シリコンは良好な電子材料ではあるが、間接遷移型半導体としての性質のため発光材料へと応用することは難しいと考えられてきた。しかし、1990年の多孔質構造のナノ結晶シリコン(直径数ナノメートル程度の単結晶)からの量子サイズ効果に起因した可視発光の報告(非特許文献1)以来、シリコンの発光材料への応用にむけた研究が活発に進められている。シリコンは地殻中に豊富に存在し安価であることから、可視発光を示すナノ結晶シリコンは、発光ダイオードに用いられるガリウム系化合物などの希少材料への代替として用いることが出来ると、社会的インパクトは大きい。また、近年、その発光波長制御性・発光効率の高さから、バイオイメージング用の蛍光ラベリングに、溶液分散性の高い化合物系半導体ナノ結晶粒子(量子ドット)を用いることが検討されている(非特許文献2)が、これらの化合物ナノ粒子にはカドミウムなどの生体に有害な材料が含まれている。これに対し、ナノ結晶シリコンは人体に無害であるので、これを量子ドット(溶液分散可能な粒子形状)化することで生体応用に好適となることが期待できる。 Silicon is the most representative semiconductor and an indispensable base material for the current electronics industry. However, although silicon is a good electronic material, it has been considered difficult to apply it to light-emitting materials because of its properties as an indirect bandgap semiconductor. However, since the report in 1990 of visible light emission due to the quantum size effect from porous nanocrystalline silicon (single crystal with a diameter of about several nanometers) (Non-Patent Document 1), application of silicon to light-emitting materials has begun. Active research is underway. Since silicon exists abundantly in the earth's crust and is inexpensive, nanocrystalline silicon that emits visible light can be used as a substitute for scarce materials such as gallium-based compounds used in light-emitting diodes. big. In recent years, the use of highly dispersible compound-based semiconductor nanocrystal particles (quantum dots) in fluorescent labeling for bioimaging has been investigated because of their high emission wavelength controllability and luminous efficiency (non-quantum dots). According to Patent Document 2), these compound nanoparticles contain materials such as cadmium that are harmful to living organisms. On the other hand, since nanocrystalline silicon is harmless to the human body, it can be expected to be suitable for biological applications by making it into quantum dots (a particle shape that can be dispersed in a solution).
シリコン量子ドットの代表的な生成(製造)方法として、液相化学合成(非特許文献3)、化学エッチング法(特許文献1)などの化学的手法、イオン注入法(非特許文献4)、スパッタリング法(非特許文献5)などの物理的手法が挙げられる。量子ドットは量子サイズ効果に起因して、サイズに依存したバンドギャップと発光遷移確率(単位時間当たりの光の放出数)の変化(サイズが小さくなるほど、バンドギャップが大きくなり、発光遷移確率が増大)を示す。つまり、粒子サイズにより発光波長と発光効率を制御できる。また、粒子サイズだけでなく、表面修飾(終端状態)も量子ドットの発光物性(バンドギャップエネルギーと発光遷移確率)に大きな影響を与える。例えば、水素終端又は酸素終端量子ドットでは、擬似直接遷移化によって、発光遷移寿命(遷移確率の逆数)が数マイクロ秒から数百マイクロ秒となり、発光波長は橙から近赤外領域となる(非特許文献6)。一方、炭化水素基などの有機分子で終端された炭素終端量子ドットでは、電子状態が通常のシリコン結晶と較べて変化し、遷移確率が増大すること(非特許文献7)。そのため、発光デバイスの応用としては、炭素終端シリコン量子ドットが最も有望な系といえる。 Typical methods for producing (manufacturing) silicon quantum dots include liquid-phase chemical synthesis (Non-Patent Document 3), chemical methods such as chemical etching (Patent Document 1), ion implantation (Non-Patent Document 4), and sputtering. physical methods such as the method (Non-Patent Document 5). Due to the quantum size effect, quantum dots exhibit a size-dependent change in bandgap and luminescence transition probability (the number of light emissions per unit time). ). In other words, the emission wavelength and emission efficiency can be controlled by the particle size. Moreover, not only the particle size but also the surface modification (terminal state) greatly affects the luminescent physical properties (bandgap energy and luminescent transition probability) of quantum dots. For example, in hydrogen-terminated or oxygen-terminated quantum dots, the quasi-direct transition makes the emission transition lifetime (reciprocal of the transition probability) from several microseconds to several hundreds of microseconds, and the emission wavelength ranges from orange to the near-infrared region (non Patent document 6). On the other hand, in a carbon-terminated quantum dot terminated with an organic molecule such as a hydrocarbon group, the electronic state changes compared to a normal silicon crystal, and the transition probability increases (Non-Patent Document 7). Therefore, carbon-terminated silicon quantum dots are the most promising system for light-emitting device applications.
シリコン量子ドットの生成においては、通常、粒子サイズ及び、表面終端状態の両方の制御が重要である。表面状態については、特別な表面修飾を行わない場合、化学エッチング法では水素終端となり、炭素終端化処理が必要である(特許文献2)。イオン注入法・スパッタリング法でも、酸素終端となっているため、何らかの表面処理が必要である。液相合成法では、通常、粒子の生成後、表面終端処理を行うので、任意の表面状態の形成が可能(非特許文献8)である。しかし、この場合バルク原料から、サイズが制御された粒子の生成後に、表面終端処理が行われる。つまり、応用上重要な、炭素終端処理されたシリコン量子ドットの生成には、通常、粒子の生成→表面処理の2ステップの工程が必要である。 In the production of silicon quantum dots, control of both particle size and surface termination states are usually important. As for the surface state, if no special surface modification is performed, the chemical etching method results in hydrogen termination, requiring carbon termination treatment (Patent Document 2). The ion implantation method and the sputtering method also require some kind of surface treatment because they are oxygen-terminated. In the liquid-phase synthesis method, surface termination treatment is usually performed after particle formation, so formation of any surface state is possible (Non-Patent Document 8). In this case, however, the size-controlled particles are produced from the bulk material prior to surface termination. In other words, the production of carbon-terminated silicon quantum dots, which are important for applications, usually requires a two-step process of particle production → surface treatment.
前記の一般的な製造方法に対して、炭素終端量子ドットを効率的に生成する方法として、白幡ら(特許文献3、特許文献4、非特許文献9)によって提案された有機溶媒中レーザー照射法が挙げられる。この手法では、不飽和結合をもつ有機溶媒(1-Octene等のアルケン、アルキン)中で、シリコン単結晶基板に高エネルギー密度のパルスレーザーを照射する。レーザー照射によって、シリコンが蒸発し、液相/気相界面で冷却されることによって、ナノ粒子が生成される。この時、生成されたナノ粒子の表面は活性状態にあるため、溶媒の不飽和結合と付加反応を生じ、シリコン表面に炭化水素基が終端される。この手法では、粒子の生成及び、表面修飾が同時に生じるため、通常の2ステップの工程に対して、1ステップの簡便な手法と言える。また、必要とする装置は、パルスレーザーのみであり、イオン注入法やスパッタリング法に較べて、高価で大規模な装置は必要ない。これらの利点のため、類似の手法による特許出願(特許文献5)も行われている。 As a method for efficiently producing carbon-terminated quantum dots in contrast to the general production method described above, a laser irradiation method in an organic solvent proposed by Shirahata et al. is mentioned. In this method, a silicon single crystal substrate is irradiated with a high-energy-density pulse laser in an organic solvent (alkene such as 1-octene, alkyne) with unsaturated bonds. Laser irradiation causes silicon to evaporate and cool at the liquid/gas interface to produce nanoparticles. At this time, since the surface of the generated nanoparticles is in an active state, an addition reaction occurs with the unsaturated bond of the solvent, and the hydrocarbon group is terminated on the silicon surface. In this method, since particle generation and surface modification occur simultaneously, it can be said that this method is a simple one-step method as opposed to the usual two-step process. Moreover, the apparatus required is only a pulse laser, and expensive and large-scale apparatus are not required as compared with the ion implantation method and the sputtering method. Due to these advantages, a patent application (Patent Document 5) has also been filed using a similar technique.
しかし、前記のレーザー照射法は、非常に広いサイズ分布を持つナノ粒子が生成され、サイズ制御が難しく、発光波長の異なる粒子を生成するためには、生成した粒子の分散溶液を分級する必要がある。また、粒子生成に高エネルギー密度のレーザーが必要であるため、一般には集光レンズを用いてレーザー光を集光して用いる。そのため、照射面積は数ミリ程度以下であり、1プロセスあたりの生成量(生成収量)が非常に少ないことが問題である。 However, the above-mentioned laser irradiation method produces nanoparticles with a very wide size distribution, making it difficult to control the size. In order to produce particles with different emission wavelengths, it is necessary to classify the dispersion solution of the produced particles. be. In addition, since a high-energy-density laser is required for particle generation, laser light is generally condensed using a condensing lens. Therefore, the irradiation area is several millimeters or less, and the problem is that the production amount (production yield) per process is very small.
以上のレーザー照射プロセスによる炭素終端シリコン量子ドット作製の問題点の解決をはかるため、本発明者の一部他は、化学エッチング法により作製したナノ結晶シリコンの集合体である多孔質(ポーラス)シリコンを液中レーザー照射法のターゲット原料として用いた、シリコン量子ドット作製手法を創案した(特許文献6、非特許文献10)。この手法では、バルクシリコン原料を用いた通常のレーザー照射法に比べて、収量が一桁程度、増加することを実証した。この収量の改善は、ポーラスシリコンの特異な幾何学構造に起因した低熱伝導性・低熱容量に起因していると考えられている。また、化学エッチング条件を変化させることでポーラスシリコン原料のナノ構造体の制御を行い、生成される量子ドットの発光波長(サイズ)を変化させることができることを示した。さらには、照射プロセス中にフッ化水素などのシリコンに対して活性な材料を混入させることで、サイズの均一性や収量の増加も可能であることも実証した。 In order to solve the above problems of producing carbon-terminated silicon quantum dots by the laser irradiation process, some of the present inventors and others proposed porous silicon, which is an aggregate of nanocrystalline silicon produced by a chemical etching method. was used as a target raw material for the in-liquid laser irradiation method (Patent Document 6, Non-Patent Document 10). It was demonstrated that this method increases the yield by about an order of magnitude compared to the conventional laser irradiation method using bulk silicon raw materials. This improvement in yield is believed to be due to the low thermal conductivity and low heat capacity resulting from the unique geometric structure of porous silicon. In addition, it was shown that the emission wavelength (size) of the generated quantum dots can be changed by controlling the nanostructure of the porous silicon material by changing the chemical etching conditions. Furthermore, they demonstrated that it is possible to increase size uniformity and yield by incorporating silicon-active materials, such as hydrogen fluoride, during the irradiation process.
しかし、実際の産業プロセスとしてみると、本発明者の一部他が先に創案した手法では、環境適合性、低コスト化、発光特性における高い性能、大量生産性においてまだ十分でない点があり、液中レーザー照射法により作製される環境適合性の高いシリコン量子ドットの作製手法のさらなる改善が求められる。具体的な課題としては、ポーラスシリコンを原料としたレーザー照射法によるシリコンナノ粒子作製手法における、(1)高性能化(サイズ制御性・発光効率の改善)、(2)大量生産性の向上(作製収量の改善)、(3)低コスト化(レーザー照射原料作製コストの削減)、が挙げられる。 However, when viewed as an actual industrial process, the method previously invented by some of the inventors of the present invention is still insufficient in terms of environmental compatibility, cost reduction, high performance in light emission characteristics, and mass productivity. There is a need for further improvement of the fabrication method of environment-friendly silicon quantum dots fabricated by the in-liquid laser irradiation method. Specifically, in the method of fabricating silicon nanoparticles by laser irradiation using porous silicon as a raw material, (1) performance improvement (improvement of size controllability and luminous efficiency), (2) improvement of mass productivity ( (3) Cost reduction (reduction of laser irradiation raw material production cost).
本発明は、本発明者の一部他が創案したポーラスシリコンを原料としたレーザー照射プロセスによるシリコン量子ドット生成プロセスの従来技術における上記問題点(1)の解決方法として、電気化学的な手法(陽極化成法)でシリコンウエハーから作製されるポーラスシリコンを原料として用いる。陽極化成法で作製されるポーラスシリコンは、純化学的手法で作製されるこれまでのポーラスシリコンに比べて、多孔質ナノ構造の制御性(多孔度、シリコンコアサイズ)が大幅に向上する。そのため、本発明は、この電気化学手法における高いナノ構造の制御性に起因して、ナノ結晶シリコン量子ドットの発光(サイズ)特性の制御性が大幅に向上し、シリコン量子ドットの高性能化(サイズ制御性・発光効率の改善)をさせることができるという特徴を持つ。さらに、従来の純化学的手法で作製されたポーラスシリコンは、不安定な化学エッチングにより多孔質層が形成されるため、ポーラスシリコン内に依然としてバルク層が含まれており、シリコン原料すべてをシリコン量子ドットに変換させることは困難であり、生成収率(生成コロイド量÷原料の比)が低い原因となっていた。一方、本発明における陽極化成により作製されるポーラスシリコン原料は、多孔質層のみで構成されているため、原料を高収量でシリコン量子ドットへと変換させることも可能であると考えられ、大幅な収率の改善が期待でき、上記問題点(2)の解決法となる。また、大面積ウエハーの陽極化成により一度のプロセスで大量のポーラスシリコン原料の準備が可能である。さらに、陽極化成法により作製したポーラスシリコン原料は、上記の多孔質層のみで構成されているという特徴から、純化学的手法で作製されたバルク層を含むポーラスシリコンに比べてもさらに際だった低熱伝導性・低熱容量を持つことが予想され、従来の液中パルスレーザー照射だけでない、発光ダイオードによる光照射、赤外線照射、ヒータ加熱などのより低コストな外部エネルギー付与により、シリコン量子ドットへの変換が可能であり、上記問題点(3)のレーザー照射プロセスのシリコン原材料コストと製作エネルギーの削減によるコストの大幅な削減が期待できる。 The present invention uses an electrochemical method ( Porous silicon produced from a silicon wafer by the anodizing method) is used as a raw material. Porous silicon produced by anodization has significantly improved controllability of the porous nanostructure (porosity, silicon core size) compared to conventional porous silicon produced by pure chemical methods. Therefore, the present invention greatly improves the controllability of the emission (size) characteristics of nanocrystalline silicon quantum dots due to the high controllability of nanostructures in this electrochemical technique, and improves the performance of silicon quantum dots ( It is characterized by being able to improve size controllability and luminous efficiency). In addition, porous silicon produced by conventional pure chemical methods still contains a bulk layer within the porous silicon because the porous layer is formed by unstable chemical etching, and all the silicon raw materials are replaced by silicon quantum It was difficult to convert to dots, which caused a low production yield (ratio of produced colloid amount/raw material). On the other hand, since the porous silicon raw material produced by anodization in the present invention is composed only of a porous layer, it is considered possible to convert the raw material into silicon quantum dots with high yield. An improvement in yield can be expected, and this is a solution to the above problem (2). In addition, it is possible to prepare a large amount of porous silicon raw material in a single process by anodizing a large area wafer. In addition, the porous silicon raw material produced by the anodizing method is characterized by being composed of only the above-mentioned porous layer, which is even more outstanding than the porous silicon containing a bulk layer produced by a pure chemical method. Silicon quantum dots are expected to have low thermal conductivity and low heat capacity. Conversion is possible, and a drastic cost reduction can be expected due to the reduction in silicon raw material cost and production energy in the laser irradiation process of the above problem (3).
現在のところ、シリコンは無害で地殻中大量に含まれる原料である。これを利用したシリコン量子ドットの市販例はなく、これが上市すると市場に与えるインパクトは大きい。本技術は、電気化学エッチングとレーザー照射、または、ヒータ加熱という簡易な生成プロセスで生産可能であるため、製品の価格も大幅に下げることができる効果がある。現在市販されている化合物系半導体量子ドット(例えば、CdTe,粉末,粒径1.5nm等,PlasmaChem社)]は、約1,000円/mg程度で販売されている。一方、本発明で製造するシリコン量子ドットは無害で地殻中に大量に含まれるシリコンを利用するもので、原料コストも低い。 At present, silicon is a harmless and abundant material in the earth's crust. There are no commercial examples of silicon quantum dots using this, and if this is put on the market, it will have a great impact on the market. Since this technology can be produced by a simple production process of electrochemical etching and laser irradiation or heater heating, it has the effect of significantly reducing the price of the product. Currently commercially available compound-based semiconductor quantum dots (eg, CdTe, powder, particle size 1.5 nm, PlasmaChem)] are sold at about 1,000 yen/mg. On the other hand, the silicon quantum dots produced by the present invention use harmless silicon, which is abundantly contained in the earth's crust, and the raw material cost is low.
本発明によるシリコン量子ドットの予想製造コストの試算例は次の通りである。 An example calculation of the expected manufacturing cost of silicon quantum dots according to the present invention is as follows.
(1)ポーラスシリコン作製プロセスのコスト 1.0円/mg
[内訳]
・原材料(単結晶シリコンウェハ基板)500円/プロセス(3.5g)
・化学エッチング用薬品(フッ酸、エタノール)3000円/プロセス
・電気化学エッチング用電力~4円/プロセス(20円/kWh)
で、kgレベルの装置大型化も問題ない。
(1) Porous silicon manufacturing process cost 1.0 yen/mg
[breakdown]
・Raw material (single crystal silicon wafer substrate) 500 yen/process (3.5g)
・Chemical etching chemicals (hydrofluoric acid, ethanol) 3,000 yen/process ・Electric chemical etching power ~4 yen/process (20 yen/kWh)
So, there is no problem with increasing the size of the equipment to the kg level.
(2)-1レーザー照射プロセス コスト 8.1円/mg(将来的には1.0円を目指す。)
[内訳]
・有機溶媒 15円/プロセス(原料用100mg)
・パルスレーザー用消耗品コスト(フラッシュランプ)650円/プロセス(原料用100mg)
・シリコン量子ドット生成収率(量子ドット重量÷ポーラスシリコン重量) 0.85
・パルスレーザー電源電力 ~23円/プロセス
で、kgレベルの装置大型化も問題ない。
(2)-1 Laser irradiation process Cost 8.1 yen/mg (Aiming for 1.0 yen in the future.)
[breakdown]
・Organic solvent 15 yen/process (100 mg for raw material)
・Consumables cost for pulse laser (flash lamp) 650 yen/process (100 mg for raw material)
・Silicon quantum dot production yield (quantum dot weight ÷ porous silicon weight) 0.85
・Pulse laser power supply power Up to 23 yen/process, upsizing equipment to the kg level is not a problem.
量産化に向けたレーザー照射装置大型化による価格低減と光源の半導体LD化などを検討することによって、さらなるランニングコスト低減も可能と考えられる。 It is considered possible to further reduce the running cost by considering cost reduction by increasing the size of the laser irradiation device for mass production and by considering the use of semiconductor LD for the light source.
(2)-2ヒータ加熱(300W)プロセス コスト ~0.4円
[内訳]
・有機溶媒 15円/プロセス(原料用100mg)
・ヒータ電源コスト ~20円/プロセス(原料用100mg)
・シリコン量子ドット生成収率(量子ドット÷ポーラスシリコン重量) 0.85
で、kgレベルの装置大型化も問題ない。
(2)-2Heater heating (300W) process cost ~0.4 yen [Breakdown]
・Organic solvent 15 yen/process (100 mg for raw material)
・Heater power supply cost ~20 yen/process (100 mg for raw materials)
・Silicon quantum dot production yield (quantum dot ÷ porous silicon weight) 0.85
So, there is no problem with increasing the size of the equipment to the kg level.
(3)合計 シリコン量子ドット作製コスト
[レーザー照射プロセスの場合]~10円/mg(将来的には2.0円/mg程度を目指す)
[ヒータ加熱照射プロセスの場合]~2.0円/mg
以上のように、本発明の量子ドット製造法では、市販されている技術開発レベルの化合物半導体量子ドットにくらべて、1/100~1/1000の製造コスト削減効果があるといえる。さらには、生体および環境安全性が高く、様々な分野で利用可能でき、現在のシリコンテクノロジーとの親和性も高い。
(3) Total silicon quantum dot production cost [in the case of laser irradiation process] ~10 yen/mg (aiming for around 2.0 yen/mg in the future)
[For heater heating irradiation process] ~2.0 yen/mg
As described above, it can be said that the quantum dot manufacturing method of the present invention has a manufacturing cost reduction effect of 1/100 to 1/1000 compared to commercially available compound semiconductor quantum dots at the technical development level. Furthermore, it has high biological and environmental safety, can be used in various fields, and has a high affinity with current silicon technology.
本発明を適用した具体的な実施例として、現状、電気化学エッチング法により作製した種々の多孔質度を持つポーラスシリコン原料に対してレーザー照射を行い、高い発光量子効率を持つシリコン量子ドットの製造を行った。詳細は下記の通りである。 As a specific example to which the present invention is applied, at present, silicon quantum dots with high emission quantum efficiency are manufactured by irradiating laser beams to porous silicon raw materials having various porosities prepared by electrochemical etching. did Details are as follows.
ターゲット原料であるポーラスシリコンは、図1に示すプロセスフローのようにフッ酸水溶液(HF+H2O+エタノール)中での標準的な電気化学エッチング法を用いて、シリコンウエハー表面にポーラスシリコンを作製した。この電気化学エッチングでは、陽極酸化によりシリコン原子が局所的に溶出され、次々と表面から内部に向かってエッチング反応が進む。その結果、シリコンウエハー表面及び内部にナノメートルオーダーの微細孔が形成され、シリコン量子ドットを高密度に含むポーラスシリコン層が作製される。エッチング終了後、液中でのレーザー照射プロセスのために、ウエハーからポーラスシリコンを分離し、ミリメートルからマイクロメートルオーダーのポーラスシリコン片・粉末(フレーク)を得る。 Porous silicon, which is the target raw material, is fabricated on the silicon wafer surface using a standard electrochemical etching method in a hydrofluoric acid aqueous solution (HF + H 2 O + ethanol) as shown in the process flow shown in Figure 1. did. In this electrochemical etching, silicon atoms are locally eluted by anodic oxidation, and the etching reaction progresses from the surface to the inside one after another. As a result, nanometer-order micropores are formed on the surface and inside of the silicon wafer, and a porous silicon layer containing silicon quantum dots at high density is produced. After the etching is completed, the porous silicon is separated from the wafer for the laser irradiation process in liquid to obtain porous silicon pieces/powder (flakes) of millimeter to micrometer order.
上記のポーラスシリコンフレーク作製の電気化学エッチングでは、印加電流密度、基板の抵抗率等により、容易に多孔度(ポーラス層の全体積のうち空間が占める割合)や、多孔質層を形成するシリコンナノ結晶コアのサイズを変化させることができる。現状での実施例として、多孔度= ~70%, ~77%, ~80%, ~90%の試料を準備した。これらの多孔質シリコンウエハーは異なるサイズのシリコンナノ結晶コア層を有するため、それぞれ異なる発光スペクトル・発光効率を持つ。図2(a)にポーラスシリコンフレークの発光スペクトルの測定結果を示す。図中のブロードな発光バンドは、量子サイズ効果により高エネルギーシフトした、バンドギャップの間接遷移端からの擬似直接遷移による電子-正孔対再結合によるものである。図より、発光スペクトルピーク位置、ピーク幅が異なることがわかる。ここで、多孔度70%のポーラスシリコンフレーク試料は、ほとんど発光を示さないためプロットしていない。これらの発光特性の違いは、ポーラスシリコンフレークの多孔質層を形成するシリコンナノ結晶コアのサイズ分布が変化し、量子サイズ効果によるバンドギャップエネルギーが変化したためと考えられる。多孔度70%の試料では、コアサイズが大きく、量子閉じ込め効果に起因する効率的な疑似直接遷移による発光再結合が生じないために、発光を示さなかったと考えられる。 In the electrochemical etching for producing the porous silicon flakes described above, the porosity (ratio of the space occupied by the total volume of the porous layer) and the silicon nanoparticles forming the porous layer can be easily controlled by the applied current density, the resistivity of the substrate, etc. The size of the crystal core can vary. As current examples, samples with porosity = ~70%, ~77%, ~80%, ~90% were prepared. Since these porous silicon wafers have silicon nanocrystal core layers of different sizes, they have different emission spectra and luminous efficiencies. FIG. 2(a) shows the measurement results of the emission spectrum of the porous silicon flakes. The broad emission band in the figure is due to electron-hole pair recombination due to quasi-direct transition from the indirect transition edge of the bandgap, which is shifted to high energy by the quantum size effect. From the figure, it can be seen that the emission spectrum peak position and peak width are different. Here, the porous silicon flake sample with a porosity of 70% is not plotted because it shows little luminescence. These differences in emission characteristics are considered to be due to changes in the size distribution of the silicon nanocrystal cores forming the porous layer of the porous silicon flakes, resulting in changes in the bandgap energy due to the quantum size effect. The sample with a porosity of 70% did not emit light because the core size was large and radiative recombination due to efficient quasi-direct transition due to the quantum confinement effect did not occur.
続いて、図3のプロセスフローのように、図1のプロセスで得たポーラスシリコンフレークに有機溶媒中でレーザー照射又は、ホットプレートによるヒータ加熱を行う。具体的には、まずポーラスシリコンフレークを不飽和炭化水素有機溶媒である1-decene又は、1-octene 3ml中にポーラスシリコンフレークを分散させ、HF 0.1mlを添加させる(図4)。今回は10mgのポーラスシリコンフレークを原料とした。そして、図5、図6のように、マグネットスターラーで撹拌しながら、紫外パルスレーザー光(波長:266 nm、5 ns pulse、15 Hz)又は、ホットプレートによるヒータ加熱(ヒータ加熱条件300 W、35℃)を行う。パルスレーザー光のエネルギーは、約1 mJ/pulse(0.5 J/cm2)、加熱温度は35℃とした。照射後、若干の沈殿物(1 mg程度)を形成するので、これを遠心分離器 で取り除き、黄色の量子ドットコロイド分散溶液を得る(図7、図8)。ここで得られたコロイドの重量を測定したところ9 mgであった。そこで、本実施例での生成収率(量子ドット重量÷原料の重量)は85%であることがわかる。この値は、本発明者の一部他が先に提案した発明(特許文献6)での生成プロセスの収率(1%以下)にくらべ格段に向上しており、期待していた生成収量の大幅な改善を確認できた。 Subsequently, as shown in the process flow of FIG. 3, the porous silicon flakes obtained by the process of FIG. 1 are subjected to laser irradiation or heater heating by a hot plate in an organic solvent. Specifically, first, the porous silicon flakes are dispersed in 3 ml of 1-decene or 1-octene, which is an unsaturated hydrocarbon organic solvent, and 0.1 ml of HF is added (FIG. 4). This time, 10 mg of porous silicon flakes were used as the raw material. Then, as shown in FIGS. 5 and 6, while stirring with a magnetic stirrer, ultraviolet pulse laser light (wavelength: 266 nm, 5 ns pulse, 15 Hz) or heater heating with a hot plate (heater heating conditions 300 W, 35 °C). The energy of the pulsed laser light was about 1 mJ/pulse (0.5 J/cm 2 ), and the heating temperature was 35°C. After irradiation, a small amount of precipitate (about 1 mg) is formed, which is removed with a centrifuge to obtain a yellow quantum dot colloidal dispersion solution (Figs. 7 and 8). When the weight of the colloid obtained here was measured, it was 9 mg. Therefore, it can be seen that the production yield (weight of quantum dots/weight of raw material) in this example is 85%. This value is remarkably improved compared to the yield (1% or less) of the production process in the invention (Patent Document 6) previously proposed by some of the present inventors, and is lower than the expected production yield. A significant improvement was confirmed.
ここで、レーザー照射プロセスにおいて、紫外波長(266nm)を用いる理由は、シリコン量子ドットの表面に1-octeneとの光化学反応によってアルキル基を終端させるためである。Si-C結合エネルギーは3.83eV(323nm)であり(非特許文献8)、効率的にSiの表面と炭素分子で終端されるためには、323nm以下の波長のレーザー光が適している。そこで、本実施例では、本発明者の一部等が先に提案した発明(特許文献6)と同様266nmのNd:YAGレーザーの4倍波のパルスレーザーを使用した。一方、ヒータ加熱プロセスでは、熱化学反応によるアルキル基表面終端(非特許文献8)が行われる。 Here, the reason for using an ultraviolet wavelength (266 nm) in the laser irradiation process is to terminate the alkyl group on the surface of the silicon quantum dots by a photochemical reaction with 1-octene. The Si—C bond energy is 3.83 eV (323 nm) (Non-Patent Document 8), and a laser beam with a wavelength of 323 nm or less is suitable for efficient termination on the Si surface and carbon molecules. Therefore, in the present embodiment, a pulsed laser of a 266 nm Nd:YAG laser with a frequency of 4 times was used as in the invention previously proposed by some of the present inventors (Patent Document 6). On the other hand, in the heater heating process, alkyl group surface termination (Non-Patent Document 8) is performed by a thermochemical reaction.
図2(b)に各種多孔度の異なるポーラスシリコンフレーク原料(77~90%)から作製したシリコン量子ドットコロイド分散液の発光スペクトルの測定結果を示す。図から発光スペクトルは原料を変えることで、変化していることがわかる。また、70%原料を用いた場合は発光を呈するコロイド分散液は得られなかった。ここで、発光ピーク波長の多孔度に対する依存性は、ポーラスシリコンフレークとSi粒子の両方で同様の傾向を示している。以上のことから、シリコン量子ドットのサイズ分布はポーラスシリコンのシリコンコア結晶のサイズ分布を反映しており、量子ドットは、レーザー照射、または、ヒータ加熱によるシリコンコアの粉砕によって生成されたことが示唆されている。また、生成されたコロイド粒子は、図9に示すように直径数ナノメートルのシリコン単結晶量子ドットであることが、高分解能透過型顕微鏡測定からも確認できた。以上のように本実施例において、期待していた出発原料であるポーラスシリコンフレークのエッチング条件による発光色制御が容易に可能であることが示された。 FIG. 2(b) shows measurement results of emission spectra of silicon quantum dot colloidal dispersions prepared from porous silicon flake raw materials (77 to 90%) with different porosities. From the figure, it can be seen that the emission spectrum changes by changing the raw material. Also, when 70% raw material was used, a colloidal dispersion exhibiting luminescence was not obtained. Here, the dependence of the emission peak wavelength on porosity shows a similar trend for both porous silicon flakes and Si particles. From the above, it is suggested that the size distribution of silicon quantum dots reflects the size distribution of the silicon core crystals of porous silicon, and that the quantum dots were generated by pulverization of the silicon core by laser irradiation or heater heating. It is It was also confirmed by high-resolution transmission microscope measurement that the colloidal particles produced were silicon single-crystal quantum dots with a diameter of several nanometers, as shown in FIG. As described above, in this example, it was shown that it is possible to easily control the emission color by the etching conditions of the porous silicon flakes, which is the starting material, which was expected.
また多孔度80%のポーラスシリコンフレークから作製したシリコン量子ドットの発光の絶対量子効率は~30%であった。この値は出発材料であるポーラスシリコンフレークの量子効率(~1%)に比べて、大幅に改善しており、良好なアルキル基終端がされたことを示している。この良好なアルキル基終端の形成は、フーリエ変換赤外分光光度計の表面結合の解析(図10)及び、発光減衰曲線における減衰速度の減少(図11)からも確認できた。 The absolute quantum efficiency of light emission of silicon quantum dots fabricated from porous silicon flakes with a porosity of 80% was ~30%. This value is significantly improved compared to the quantum efficiency (~1%) of the starting material, porous silicon flakes, indicating that the alkyl group was terminated satisfactorily. The formation of this favorable alkyl group termination was also confirmed from the analysis of surface bonding with a Fourier transform infrared spectrophotometer (Fig. 10) and the decrease in the decay rate in the luminescence decay curve (Fig. 11).
以上の実施例結果と、本発明者の一部他が先に提案した発明(特許文献6)や従来のレーザー照射プロセス(特許文献2、非特許文献9)との比較結果を表1に示す。表から、本発明は通常のレーザー照射プロセスや、本発明者の一部他が先に提案した発明(特許文献6)に比べて、生成収率、発光波長制御性において格段に優れたプロセスであることがわかる。 Table 1 shows the results of comparison between the results of the above examples and the invention (Patent Document 6) previously proposed by some of the inventors of the present invention and the conventional laser irradiation process (Patent Document 2, Non-Patent Document 9). . As can be seen from the table, the present invention is a process that is remarkably superior in production yield and emission wavelength controllability compared to the usual laser irradiation process and the invention previously proposed by some of the present inventors (Patent Document 6). I know there is.
Claims (3)
Using porous silicon flakes as a raw material, external energy is applied using LEDs in an organic solvent, such as a visible or infrared light source, a far infrared light source, a heat source, or a combination thereof. A method for producing the described silicon quantum dots.
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