电化学腐蚀多孔硅光致发光特性研究

论文摘要

自1990年Canham发现多孔硅（PS）室温下发射可见光的现象,人们对多孔硅引起足够重视。多孔硅具有独特的物理微结构和显著的量子限制效应,以及与现有Si工艺兼容。多孔硅光致发光的发现意味着全硅基光电集成的可能,具有极其重要工业应用潜力。目前,人们对多孔硅的形成机理、发光现象以及在技术上应用的可能性做了很多有意义的工作。经过阳极氧化处理后得到的多孔硅能发射较强的近红外、可见和近紫外光,而人们最关注的仍然是多孔硅在整个可见光波段的发光。我们实验中采用直流电化学腐蚀的方法在不同腐蚀条件下制备了多孔硅样品,研究了其结构和可见光波段的发光特性。利用荧光分光光度计测试了样品的光致发光（PL）特性。用扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）研究了多孔硅的表面形貌。利用傅立叶变换红外光谱（FTIR）测试了PS内部的化学成键情况。在其它腐蚀条件不变的情况下,改变腐蚀电流密度。SEM观察到,电流密度较小时,腐蚀初期形成的凹坑数较少,相邻孔之间的孔壁较厚,即硅线较粗。随着氧化电流密度增加,相邻孔之间的孔壁变薄,硅晶粒线度变小。AFM图观察到在多孔硅的表面存在明显的类似“小山状”的硅柱,顶部较尖。随着腐蚀电流的增加,孔洞分布密度变稠,这表明更多的Si被腐蚀掉。PL谱测试表明,在可见光波段,我们的样品存在3个发光峰,即360 nm,380 nm和470 nm。380 nm的发光来自于PS的表面态中空穴电子复合。360 nm处的发光被认为与PS表面氧化而形成的SiO2有关。470 nm处的发光与阳极腐蚀脱落碳与Si反应形成的SiC有关。电流密度的改变并没有引起380 nm处峰位的蓝移或者红移。FTIR谱测试存在3个明显的吸收峰位,它们分别位于610 cm?1、734 cm?1和1110 cm-1。610 cm?1的吸收峰来自于多孔硅中的Si–Si伸缩振动峰,734 cm?1的红外吸收峰归因于Si–C的振动（Si1?xCx,x<0.5）,1110 cm-1的吸收峰由于多孔硅表面氧化形成的SiO2中的Si-O-Si反对称伸展振动模式。腐蚀电流密度过大,腐蚀液会对Si表面形成一种抛光作用,在我们的实验中得到的最佳腐蚀电流密度为50 mA/cm2。当腐蚀液的浓度和腐蚀电流密度不变,改变腐蚀时间。从AFM形貌图可以看出,多孔硅的孔隙率增加,从而造成表面态的增加,380 nm处的紫峰峰强度随腐蚀时间的延长明显增强。继续增大腐蚀时间,多孔硅表面出现抛光现象。从我们的实验得出,当腐蚀电流为50 mA/cm2时,最佳的腐蚀时间是30 min。在一定的条件下腐蚀得到PS,随着放置时间的增加,表面的氧化硅层增厚,表面氧化的PS结构日趋稳定,缺陷密度相对降低,使得与缺陷有关的辐射复合减少。在相同的电流密度和阳极氧化时间的条件下,改变电解液浓度。PL谱测试表明:腐蚀液的浓度越大,对硅表面有更强的腐蚀作用,形成的表面态就更多。同时碳从电极上脱落的速度随腐蚀液浓度的增大而加快,形成了更多Si-C。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 引言
• 1.1 多孔硅的研究历史
• 1.2 多孔硅的制备方法
• 1.2.1 电化学阳极氧化法
• 1.2.2 湿法化学腐蚀法
• 1.2.3 光辐射辅助化学腐蚀法
• 1.2.4 火花腐蚀法
• 1.2.5 水热腐蚀法
• 1.2.6 脉冲腐蚀法
• 1.3 多孔硅的后处理方法
• 1.3.1 快速热、氧化处理法
• 1.3.2 金属钝化处理
• 1.4 多孔硅的结构
• 1.4.1 多孔硅孔隙度的概念
• 1.4.2 制备参数对多孔硅结构的影响
• 1.5 多孔硅的形成机理
• 1.6 多孔硅的发光机理
• 1.6.1 光致发光
• 1.6.2 电致发光
• 1.7 本论文研究目的及主要内容
• 1.8 本章小结
• 2 样品制备与测试表征技术
• 2.1 样品的制备
• 2.1.1 单晶硅的清洗
• 2.1.2 样品的制备
• 2.2 样品测试表征
• 2.2.1 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.2.2 原子力显微镜（AFM）
• 2.2.3 傅立叶红外光谱仪（FTIR）
• 2.2.4 光致发光（PL）
• 2.2.5 光致发光激发光谱（PLE）
• 2.3 本章小结
• 3 测试结果与性能分析
• 3.1 实验设备
• 3.1.1 实验装置
• 3.1.2 金属Al 电极的制备
• 3.2 实验结果分析
• 3.2.1 腐蚀电流密度对多孔硅发光特性的影响
• 3.2.2 腐蚀时间对多孔硅发光特性的影响
• 3.2.3 老化时间对多孔硅发光特性的影响
• 3.2.4 电解液浓度对多孔硅发光特性的影响
• 3.3 本章小结
• 4 结语与展望
• 4.1 本论文研究得到的主要结论
• 4.2 关于PS 材料研究的下一步工作和展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间取得的科研成果清单