多孔硅形成機(jī)理及其熒光特性的研究

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1、曲阜師范大學(xué)碩士學(xué)位論文多孔硅形成機(jī)理及其熒光特性的研究姓名：王曉靜申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：物理電子學(xué)指導(dǎo)教師：李清山2003.4.1墮皇墮篷查蘭墮主塹窒圭蘭些堡塞一————』!—!至多孔硅的形成機(jī)理及其熒光特性的研究摘要低維半導(dǎo)體的研究是現(xiàn)在材料領(lǐng)域發(fā)展最快、最吸引人的，并有重要的技術(shù)應(yīng)用前景。多孔硅(poroussilicon，PS)以其簡(jiǎn)單的制備方法、復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)特征和較高的光致發(fā)光效率吸引了眾多研究者的目光。自1990年Canham發(fā)現(xiàn)多孔硅室溫下發(fā)射可見光的現(xiàn)象以后，人們對(duì)多孔硅的形成機(jī)理、發(fā)光機(jī)制以及技術(shù)上的應(yīng)用做了很多有意義的工作。對(duì)于多孔硅的基礎(chǔ)性研究主要在于其形成機(jī)理

2、、微觀結(jié)構(gòu)及其化學(xué)組成、發(fā)光特性以及發(fā)光機(jī)制的研究。對(duì)于多孔硅是怎樣形成的問題，現(xiàn)在主要有BeNe模型、擴(kuò)散限制模型和量子限制模型進(jìn)行解釋。許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示多孔硅中舍有大量按一定尺寸分布的納米硅粒和納米硅線，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且多孔硅基本保留了單晶硅的結(jié)構(gòu)特征，其中的納米硅為有序單晶。氫、氟、碳、氧這四種元素是存在于多孔硅中最常見的組成元素并已被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。對(duì)于多孔硅，人們最感興趣的是它的光謄陛質(zhì)，尤其是它的發(fā)光特性。經(jīng)過陽極化處理后得到的多孔硅能發(fā)射較強(qiáng)的近紅外、可見和近紫外光，而人們最關(guān)注的是PS在整個(gè)可見光波段(Sband)的發(fā)光。多年來，人們對(duì)多孔硅發(fā)光機(jī)理一直進(jìn)行著堅(jiān)持不懈的探

3、討和研究，提出了許多種解釋多孔硅層(PSL)發(fā)光的模型，典型的有下列幾種：量子限制模型、硅一氫鍵或多硅：t究(polysilanes)N發(fā)光、硅氧烯及其衍生物的發(fā)光、表面態(tài)模型和量子限制一發(fā)光中心模型。對(duì)多孔硅進(jìn)行研究的主要目的在于獲得硅發(fā)光集成裝置，在不同的領(lǐng)域也進(jìn)行了其他的應(yīng)用研究。目前多孔硅的應(yīng)用研究體現(xiàn)在三個(gè)方向：光電子器件，光學(xué)器件和傳感器件。在多孔硅的實(shí)用研究中，也發(fā)現(xiàn)了許多需要克服的問題，例如多孔硅的發(fā)光穩(wěn)定性差、器件的壽命短，發(fā)光效率低以及結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度低等．曲阜師范大學(xué)碩士研究生畢業(yè)論文第2頁已有的研究表明，多孔硅的微觀結(jié)構(gòu)(例如孔隙率、膜厚、孔徑等)及其發(fā)光性質(zhì)取決

4、于其制備工藝和條件，所以對(duì)于多孔硅制備方法和條件的研究是促進(jìn)多孔硅實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的基本途徑。目前，多孔硅的制備方法已有許多種。本文首先通過電化學(xué)方法、光化學(xué)方法和化學(xué)方法分別制備出了室溫下在可見光區(qū)發(fā)射光熒光的多孔硅，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置．制備條件、樣品的成膜過程及其光致發(fā)光(PL)光譜的比較，分析解釋了其成膜機(jī)理和PL光譜的特點(diǎn)，認(rèn)為雖然這三種方法都可以制備出室溫下發(fā)光的多孔硅，但相比較而言，通過電化學(xué)方法制備的樣品最均勻，實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性較強(qiáng)，因而是被普遍采用的一種方法。另外在多孔硅的成膜過程中，自由載流子起著至關(guān)重要的作用。在實(shí)驗(yàn)中，不同實(shí)驗(yàn)條件下制備的多孔硅的光致發(fā)光特性(PL)是不同的，這

5、是許多研究結(jié)果和理論分析發(fā)生分歧的主要原因。在第三章中，通過對(duì)比，分析了電流密度、陽極化時(shí)間、溶液濃度以及自然氧化時(shí)間對(duì)多孔硅光致發(fā)光光譜的影響，認(rèn)為在一定的范圍內(nèi)，多孔硅的發(fā)光峰位會(huì)隨電流密度的增大而藍(lán)移，要獲得較強(qiáng)的發(fā)光，需要選擇合適的電流密度；隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，多孔硅的發(fā)光峰位會(huì)發(fā)生藍(lán)移；當(dāng)HF酸的濃度較小(1：1)時(shí)，峰位隨濃度的增大則表現(xiàn)為移向高能；多孔硅在空氣中自然氧化，其發(fā)光峰位發(fā)生藍(lán)移，而強(qiáng)度隨放置時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，都可以通過量子限制模型和發(fā)光中心模型得到解釋，但在多孔硅的發(fā)光中，也

6、不能否定s卜H鍵和表面缺陷在發(fā)光中的作用。目前，多孔硅的發(fā)光機(jī)制仍是人們研究的主要問題之一，對(duì)于其應(yīng)用研究也許要經(jīng)歷比較長(zhǎng)的時(shí)間，但隨著研究的不斷深入和各種測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，作為微電子主要材料的硅也必將在光電子領(lǐng)域展示其迷人的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：多孔硅，形成機(jī)理，PL光譜，光致發(fā)光機(jī)制墮皇墮墮盔蘭堡主雯塞蘭望、業(yè)熊蘭———————————』!三要Studyonformingmechanismandpho毒OlumineseencepropertiesinporoussiliconAbstractThestudyoflowdimensionsemiconductorisaveryactive

7、fieldofresearc}landhasimportanttechnicalappliedpromise．Simplypreparedmethod，complexconstructurecharacteristicsandhigherphotoluminescenceefficiencyinporoussiliconhaveattractedalotofattentionofinvestigators．SinceCanhamdetected