表面修饰多孔硅的形貌和光致发光特性研究

论文摘要

硅是一种重要的半导体材料,将成熟的硅基微电子技术与光电子技术结合起来,实现光电子集成是现代信息技术发展的主要方向,但硅是窄间接带隙半导体,发光效率低下,这成为实现硅基光电子集成的主要障碍。室温下多孔硅在可见区强光致发光现象的发现为硅基光电领域提供了广阔前景,1996年以多孔硅为基础材料的光电集成电路的实现使得这种前景更加诱人,同时也为全硅光电子单片集成提供了可能。多年来人们为了得到发光稳定且波长范围较宽的多孔硅的光致发光进行了广泛深入的研究,采取稀土掺杂,金属辅助电化学腐蚀,湿氧化处理,光化学腐蚀,沉积富硅氧化硅薄膜等不同方法改善了多孔硅的发光特性。我们研究小组在拓宽多孔硅发光的波长范围和发光强度增强的研究中已取得丰硕的研究成果。本论文的主要研究工作和研究结果如下:（1）用电化学方法对多孔硅薄膜进行了金属掺杂。用荧光分光光度计分析了样品的光致发光特性,发现适量的金属掺杂增强了多孔硅的红光发射,氧化性金属掺杂还会增强多孔硅的蓝光发射,还原性金属掺杂却无此现象。红外吸收谱表明,金属掺杂多孔硅的Si-O-Si键振动增强。XRD谱表明,氧化性金属掺杂后多孔硅的无定形程度增强。分析结果认为红光增强是金属掺杂引入新的缺陷和硅、氧、金属间新的键态Si-Metal, Metal-O, Metal- Metal所致,而蓝光增强是无定形程度增强,应力增大和进一步氧化所致。（2）分别采用浸渍法和电镀法对多孔硅薄膜进行了锌掺杂。用扫描探针显微镜研究了多孔硅掺杂前后的表面形貌,用荧光分光光度计分析了样品的光致发光特性,发现锌掺杂增强了多孔硅的蓝光发射,且在420nm附近出现了一个小峰,样品放置一个月后,发光强度和峰位变化很小。红外吸收谱表明锌掺杂后,Si-O-Si键、Si2 O-SiH键、H2 Si-O2键的振动增强,且引入了Zn-O键。锌掺杂多孔硅发射蓝光是由于掺杂后多孔硅无定形程度增大,应力增大,表面进一步被氧化,使纳米硅粒中激发的电子-空穴对在SiOx层中或纳米硅粒与SiOx层界面的发光中心复合发光造成的,420nm处的发光峰是由锌填隙引起浅施主能级上的电子到价带跃迁造成的,同时分析了电镀法掺杂锌的优越性。（3）用电化学方法对多孔硅薄膜进行了镁离子的化学掺杂。用荧光分光光度计分析了样品的光致发光特性,发现镁掺杂增强了多孔硅的蓝光发射,当镁离子浓度增大到0.002mol/L时,可使蓝光强度达到多孔硅红光强度的一半,掺杂多孔硅的发光特性对镁离子浓度有较强的依赖关系。分析结果认为,多孔硅的蓝光光激发主要发生在多孔硅的纳米硅粒中,光发射主要发生在多孔硅中包裹纳米硅SiOx层中的发光中心上,对实验结果进行了合理的解释。（4）采用磁控溅射技术制备了锗/多孔硅和锗/氧化硅薄膜,对不同条件下制备的两类薄膜进行了光致发光谱的对比研究,用红外吸收谱分析了锗/多孔硅的薄膜结构。实验结果显示:锗/多孔硅薄膜的发光峰位于517nm附近,是由多孔硅与孔间隙中的锗纳米晶粒两者界面的锗相关缺陷引起的;锗/氧化硅薄膜的发光峰位于580nm附近,来自于二氧化硅的发光中心。经过掺杂的多孔硅在发光强度和稳定性上都表现出良好的性质,通过工艺条件的进一步改进,有望制备出性能更优的光电子及全色显示设备。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 多孔硅的研究背景
• 1.2 多孔硅的制备方法及表征方法
• 1.3 多孔硅的应用及前景
• 1.4 多孔硅体系发光的研究意义及有待解决的问题
• 1.5 本论文的选题思路与主要研究工作
• 参考文献
• 第二章 多孔硅的电化学形成及发光机理
• 2.1 多孔半导体材料孔的形成机理
• 2.2 多孔半导体中的电子传输
• 2.3 电化学方法制备多孔硅
• 2.4 电化学形成多孔硅表面形貌的研究
• 2.5 多孔硅光致发光机理研究
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 第三章 金属掺杂多孔硅的形貌及发光特性研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验及结果
• 3.3 金属掺杂多孔硅发光机理分析
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 制备方法对锌掺杂多孔硅蓝光发射强度及稳定性的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.3 结果与分析
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 镁离子浓度对镁掺杂多孔硅发光特性的影响
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.3 结果与分析
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 锗/多孔硅和锗/氧化硅薄膜光致发光的比较研究
• 6.1 引言
• 6.2 样品的制备
• 6.3 结果与讨论
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 总结与展望
• 附录：作者攻读硕士学位期间发表和以完成的论文
• 致谢