多孔硅制备法与其发光性能分析

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1、1绪论1．1多孑L硅的概述随着信息技术的发展，人们对半导体材料尤其是光电子器件与硅芯片技术提出了更高的要求。经过30多年的快速发展，半导体器件的尺寸按照摩尔定律持续减小，目前已进入纳米级。英特尔公司预测块体硅技术在发展到22纳米时将达到上限，并且，电子作为信息载体，具有lOGb／s的响应极限，这都将成为集成电路进一步发展的瓶颈。光子相比电子，拥有更高的响应速度，这就为集成电路的发展提出了一种新的可行性，即使用光子代替电子进行信息传输，从而突破上述瓶颈，使集成电路的发展到达新的阶段。这就对光电集成技术提出了新的要求，如何将光电子技术与现有硅

2、芯片技术结合，从而实现高效率的光电集成，这引起了世界各地研究者的广泛兴趣。实现光电子集成，必须具备可集成的发光器件。但是，由于体硅是间接带隙材料，其导带的最小值和价带的最大值不在K空间的同一点⋯，电子不能直接由导带底跃迁到价带顶发出光子，所以体硅的发光效率很低。当前的半导体发光器件主要采用化合物材料，这些化合物材料虽然具有很高的发光效率。但是在化学性质和物理性质上与硅有很大差别，无法与硅基集成电路实现很好的兼容旺'3I，为了真正实现硅基半导体光电集成，研制硅基发光材料与器件成为一种重要途径。长期以来，为了实现硅材料高效发光的设想，一些科学

3、家通过改变半导体能带的方法来改善硅材料的发光效率，提出并且研制了多种硅基发光材料，多孔硅(PorousSilicon，简称PS)做为其中的一种引起了广泛的关注，因为多孔硅在室温下有可见区发光。1956年，Uhlirnl首先发现了硅在HF酸中经腐蚀会生成多孔硅，并对多孔硅的机构和电学特性进行了深入研究，但对其光学特性没有引起足够的重视。Pickerin嵋1等在1984年发现了多孔硅的发光现象，却将发光原因归为多孔硅的非晶态结构，没有引起应有的重视。Canham等人∞1于1990年发现了用阳极腐蚀法制备的多孔硅在室温下有很强的光致发光，这个发

4、现打破了单晶硅难以效率发光的限制，为硅基发光器件的制备以及全硅光电子集成开拓了美好前景。1绪论Hirschman等人盯3在1996年将多孔硅发光管集成在了硅平面晶体管上，如图1．1随1，首次实现了硅基光电集成，真正验证了多孔硅实现光电子集成的可行性。图1．1(a)集成的发光二级管／晶体管结构显微照片，(b)截面图，(C)等效电路图，(d)芯片上集成发光器件电致发光图多孔硅是一种具有纳米多孔结构的硅材料，孔隙度约为60％’90％，其微观结构图如图1．2阳1所示。(a)(们图1．2多孔硅的微观结构图：(a)俯视图，(b)侧面图21绪论1．2多

5、孔硅的制备方法现有研究成果表明，多孔硅的微结构和PL发光特性由其制各条件决定，因此研究多孔硅的制备方法和每种制备方法中制备条件对样品各方面的影响对多孔硅实现应用具有重要意义。常用的制备多孔硅的方法主要有以下几种，每种方法都有其各自的优缺点以及适用范围n引。1．2．1阳极腐蚀法阳极腐蚀法nu即电化学腐蚀法，是多孔硅制备中最常用的方法，本文采用的就是这种方法，此方法以单晶硅片作为阳极，铂(Pt)电极作为阴极，在HF酸和无水乙醇混合而成的腐蚀液中通以恒定电流，单晶硅片经过一定时间的氧化后，即能形成多孔硅。腐蚀液中HF酸用来对单晶硅进行腐蚀，无水

6、乙醇的作用是表面活性剂，可以加快氢气离开样品表面的速度，使样品与溶液保持最大程度的接触，不仅加快了腐蚀速度，而且能提高腐蚀的均匀度。同时，HF酸的浓度、腐蚀时间以及腐蚀电流密度这三种因素的改变很大程度上决定了样品的性能。本文中将通过对比实验比较详细地研究以上三种因素对多孔硅样品特性的影响。阳极腐蚀法分为单槽腐蚀和双槽腐蚀两大类，其腐蚀装置图如图1．3n2

7、。(a)单槽腐蚀图1．3阳极腐蚀法装置图(b)双槽腐蚀单槽阳极腐蚀法经过长时间的研究已经趋于成熟，该方法制备的红光发射多孔硅具有很高的重复率。然而，这种方法存在以下不足：①需在单晶硅片上

8、1绪论镀铝电极，使得工艺更为复杂。单晶硅电阻率相对较大，溶液和硅表面很难形成较好的欧姆接触，因此需要在单晶硅的一面镀上一层电阻率较小的铝电极，保证腐蚀液与硅电极较好的欧姆接触，但这无疑增加了工艺的复杂性；②样品腐蚀均匀性不易保证。在装置架设中，如果不能保证正负电极的精确对准，会引起电流密度的不均匀，从而造成样品表面多孔硅的不均匀。基于以上两个原因，本文中采用双槽腐蚀法，下文中有具体的装置说明。为了增强电化学腐蚀法制备出的多孔硅样品的性能，一些辅助方法被陆续提出，这些方法的优缺点如表1所示。表1．1方法作用和优缺点在电化学腐蚀过程中用白光照

9、射样品。在P型硅中可以加快制各过光照辅助程，在n型硅制备过程中可以产生空穴，以保持腐蚀的持续进行。这种方法不可避免的出现人孔。有研究表明，磁场对多孑L硅的PL强度有增强作用，在制备多孔硅时在磁