电化学刻蚀制备多孔InP及机理研究

论文摘要

电化学刻蚀的方法是制备多孔半导体材料廉价且简便的工艺技术。在过去的几十年里,大多数的工作集中于多孔Si的制备及机理研究。但是,对Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的电化学刻蚀工艺还不成熟,其反应机理及多孔结构的形成机理尚不清楚。本文围绕电化学方法制备多孔InP及形成机理进行了探索性研究。利用电化学方法在不同的电解液中制备了InP多孔结构及微纳米结构,尤其是在中性溶液NaCl和NaF中成功实现了InP多孔结构的制各。本文利用SEM（扫描电子显微镜）、EDX（X射线荧光光谱仪）和XRD（X射线衍射仪）对样品和中性溶液中的反应产物进行了表征。进而分析了InP在不同溶液中的刻蚀反应机理和多孔InP、InP微柱和微尖的形成机理。本文的主要研究内容和成果如下:1.研究了在浓HCI溶液中电化学刻蚀InP的工艺,探索了LnP微柱和微尖的制备,在HCI溶液中,可以获得InP微尖和微柱结构,认为微柱的形成是在表面弯曲效应作用下,先形成V型槽,继而形成微柱,而微尖的形成则是过蚀现象所致。2.基于电化学过程的基本原理,选择中性NaCI和NaF溶液作为电解液,利用线性伏安扫描法研究了不同溶液中刻蚀InP的阳极极化曲线,并分别在两种溶液(1.0mol·L-1NaCl和0.5mol·L-1NaF溶液)中成功的制备了InP的二维和三维多孔结构。实验结果表明,在1.0mol·L-1NaCl溶液中可以重复实现二维多孔结构;在0.5mol·L-1NaF溶液中则可以重复实现三维多孔结构。根据对反应过程中生成物进行EDX和XRD表征的结果,结合法拉第定律证实了8个空穴溶解一个单元InP的反应机理,并给出了反应方程式。同时,结合表面弯曲模型和表面态分析了不同形貌的多孔结构的形成机理。3.在阴极极化条件下制备了多孔InP,研究了生成气体对电流振荡的影响。在InP阴极分解过程中,最初形成的孔被气体部分填充,导致孔的一侧被气体保护,最终形成具有相互连通且平行的支孔的多孔结构。4.探索了n型InP（100）衬底上电化学沉积ZnO薄膜的工艺。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 多孔Si的研究现状
• 1.2 多孔Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料的研究现状
• 1.2.1 多孔GaAs的研究现状
• 1.2.2 多孔GaP的研究现状
• 1.2.3 多孔InP的研究现状
• 1.3 电化学方法在多孔及微/纳米结构半导体材料制备中的前景
• 1.4 本论文的研究目的和研究内容
• 2 HCl溶液中电化学阳极刻蚀制备InP的多孔、微柱和微尖结构
• 2.1 InP体材料的基本物理化学性质
• 2.2 电化学阳极刻蚀工艺
• 2.2.1 InP的清洗及后处理工艺
• 2.2.2 实验装置和实验条件
• 2.3 InP多孔、微柱和微尖结构的制备
• 2.3.1 线性伏安扫描曲线分析
• 2.3.2 HCl溶液中线性扫描制备多孔InP
• 2.3.3 HCl溶液中恒定电压制备多孔InP
• 2.3.4 HCl溶液中直流稳压电源条件下制备多孔InP
• 2.3.5 浓HCl溶液中制备InP微柱和微尖
• 2.4 浓HCl溶液中刻蚀InP的反应机理和微柱、微尖的形成机理
• 2.4.1 电化学反应机理
• 2.4.2 InP微柱和微尖的形成机理
• 2.5 本章小结
• 3 NaCl溶液中电化学阳极刻蚀制备多孔InP
• 3.1 NaCl溶液中循环伏安和线性伏安扫描曲线
• 3.1.1 NaCl溶液中循环伏安扫描曲线分析
• 3.1.2 NaCl溶液中线性扫描曲线分析
• 3.2 NaCl溶液中线性电压下制备多孔InP
• 3.3 NaCl溶液中的电流-时间曲线分析
• 3.4 NaCl溶液中恒定电压下制备多孔InP
• 3.5 电化学刻蚀InP反应机理
• 3.5.1 孔隙率及单元反应电荷计算
• 3.5.2 电化学反应产物的XRD和EDX表征
• 3.5.3 电化学反应方程式
• 3.6 多孔InP的形成机理
• 3.7 本章小结
• 4 NaF溶液中电化学阳极刻蚀制备多孔InP
• 4.1 NaBr和NaF溶液中线性扫描曲线分析
• 4.2 NaF溶液中线性电压下制备多孔InP
• 4.3 NaF溶液中电流-时间曲线分析
• 4.4 NaF溶液中恒定电压下制备多孔InP
• 4.5 多孔InP的形成机理
• 4.6 本章小结
• 5 HCl溶液中阴极极化制备多孔InP
• 5.1 循环伏安扫描曲线分析
• 5.2 恒定电压下阴极极化制备多孔InP
• 5.2.1 恒定电压下阴极极化电流-时间关系曲线
• 5.2.2 阴极极化制备多孔InP
• 5.3 阴极极化过程中的电化学反应机理
• 5.4 阴极极化条件下多孔InP的形成机理
• 5.5 本章小结
• 6 InP衬底上电化学沉积ZnO薄膜
• 6.1 实验装置及实验条件
• 6.2 线性伏安扫描曲线分析及ZnO薄膜的制备
• 6.3 ZnO薄膜的表征
• 6.3.1 XRD表征
• 6.3.2 表面形貌SEM表征
• 6.3.3 PL谱表征
• 6.4 本章小结
• 结论
• 创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢