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多孔硅光致发光特性研究

作　者: 王清涛
导　师: 李清山
学　校: 曲阜师范大学
专　业: 物理电子学
关键词: 多孔硅量子限制效应发光中心光致发光机制
分类号: TN383
类　型: 硕士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

因为单晶硅(Crystalline Silicon,c-Si)是间接带隙(E_g=1.1eV)材料，作为发光器件在光电子领域中的应用受到一定限制。虽然具有直接带隙的半导体化合物，如GaAs、InP等能有效发光，但它们价格昂贵、工艺复杂，且难以与现有的硅集成技术结合。1990年英国的Canham在室温下得到多孔硅(Porous Silicon,PS)高效率(〉1％)的可见光致发光，此后人们又相继实现了多孔硅多种颜色的光致发光(Photoluminescence,PL)和电致发光(Electroluminescence,EL)。多孔硅可能弥补单晶硅材料不能有效发光的缺点，预示了用单晶硅制备发光器件进而实现全硅光电子集成的美好前景。本文用双池(two-cell approach)电化学阳极氧化法制备多孔硅样品。以应用为背景，从多孔硅的形成过程、发光性质和温度特性等方面作了较为详细的研究。第一章总结了前人的工作。第二章从多孔硅的形成机制入手，对多孔硅的微结构和光学性质进行了研究。认为在多孔硅形成的过程中，由于电荷转移，在Si／电解液界面处形成了一个电偶极层(ElectricDipole Layer)的同时，在硅片表面形成了一个空间电荷层(DepletionLayer)，它们对多孔硅的形成过程有重要影响。分析了氢氟酸浓度、电流密度、阳极氧化时间和光照条件等阳极化参数对多孔硅微结构和光学性质的影响，并在简要讨论了多孔硅的形成机理。我们认为，对n-Si来说，多孔硅的形成机制可概括为扩散限制模型更为合理，但量子限制在扩散过程中起着重要作用，对p-Si可概括为耗尽模型。曲阜师范大学硕十研究生毕业论文第4页第三章研究了多孔硅在60－300K温度范围内的发光特性。结果表明，多孔硅发光峰位随温度变化而移动的规律与其孔隙率有直接关系。随着温I 度的升高，高孔隙率多孔硅发光峰位红移，低孔隙率多孔硅发光峰位蓝移，而一些中孔隙率多孔硅，其发光峰位基本不移动。并且还发现，多孔硅发光强度随着温度的降低而增强，在中间温度达到最大值，继续降低温度其发光强度则明显减弱。同时在分析其它大量实验现象的基础上，认为包围纳米硅的界面氧化层p ＊参与了多孔硅发光。多孔硅至少存在两种发光谱：量于限制发光谱和非量于限制发光谱，随着温度的变化，不同发光谱对多孔硅发光的贡献不同，这就决定了多孔硅发光峰位、强度对温度的依赖行为。提出并利用这种基于量于限制效应（oil川tllffi COnfillCttimt EffCCt， QCE）的综合发光模型解释很好地解释了实验结果。第四章对多孔硅在一些领域内的实际应用的问题和前景作了展望。至今，多孔硅的发光机制仍是存在争议的问题，但有两点基本达成了共识：O）量子限制效应是基础；①表面态起着重要作用。要达成真正的共识，还有待于更多理论及实验的论证、支持。

多孔硅光致发光特性研究

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