多孔硅形成机理及其荧光特性的研究

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1、曲阜师范大学硕士学位论文多孔硅形成机理及其荧光特性的研究姓名：王晓静申请学位级别：硕士专业：物理电子学指导教师：李清山2003.4.1堕皇堕篷查兰堕主堑窒圭兰些堡塞一————』!—!至多孔硅的形成机理及其荧光特性的研究摘要低维半导体的研究是现在材料领域发展最快、最吸引人的，并有重要的技术应用前景。多孔硅(poroussilicon，PS)以其简单的制备方法、复杂的微结构特征和较高的光致发光效率吸引了众多研究者的目光。自1990年Canham发现多孔硅室温下发射可见光的现象以后，人们对多孔硅的形成机理、发光机制以及技术上的应用做了很多有意义的工作。对于多孔硅的基础性研究主要在于其形成机理

2、、微观结构及其化学组成、发光特性以及发光机制的研究。对于多孔硅是怎样形成的问题，现在主要有BeNe模型、扩散限制模型和量子限制模型进行解释。许多实验结果显示多孔硅中舍有大量按一定尺寸分布的纳米硅粒和纳米硅线，结构比较复杂，而且多孔硅基本保留了单晶硅的结构特征，其中的纳米硅为有序单晶。氢、氟、碳、氧这四种元素是存在于多孔硅中最常见的组成元素并已被实验所证实。对于多孔硅，人们最感兴趣的是它的光誊陛质，尤其是它的发光特性。经过阳极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，而人们最关注的是PS在整个可见光波段(Sband)的发光。多年来，人们对多孔硅发光机理一直进行着坚持不懈的探

3、讨和研究，提出了许多种解释多孔硅层(PSL)发光的模型，典型的有下列几种：量子限制模型、硅一氢键或多硅：t究(polysilanes)N发光、硅氧烯及其衍生物的发光、表面态模型和量子限制一发光中心模型。对多孔硅进行研究的主要目的在于获得硅发光集成装置，在不同的领域也进行了其他的应用研究。目前多孔硅的应用研究体现在三个方向：光电子器件，光学器件和传感器件。在多孔硅的实用研究中，也发现了许多需要克服的问题，例如多孔硅的发光稳定性差、器件的寿命短，发光效率低以及结构的机械强度低等．曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第2页已有的研究表明，多孔硅的微观结构(例如孔隙率、膜厚、孔径等)及其发光性质取决

4、于其制备工艺和条件，所以对于多孔硅制备方法和条件的研究是促进多孔硅实现应用的基本途径。目前，多孔硅的制备方法已有许多种。本文首先通过电化学方法、光化学方法和化学方法分别制备出了室温下在可见光区发射光荧光的多孔硅，通过对实验装置．制备条件、样品的成膜过程及其光致发光(PL)光谱的比较，分析解释了其成膜机理和PL光谱的特点，认为虽然这三种方法都可以制备出室温下发光的多孔硅，但相比较而言，通过电化学方法制备的样品最均匀，实验的可重复性较强，因而是被普遍采用的一种方法。另外在多孔硅的成膜过程中，自由载流子起着至关重要的作用。在实验中，不同实验条件下制备的多孔硅的光致发光特性(PL)是不同的，这

5、是许多研究结果和理论分析发生分歧的主要原因。在第三章中，通过对比，分析了电流密度、阳极化时间、溶液浓度以及自然氧化时间对多孔硅光致发光光谱的影响，认为在一定的范围内，多孔硅的发光峰位会随电流密度的增大而蓝移，要获得较强的发光，需要选择合适的电流密度；随着腐蚀时间的延长，多孔硅的发光峰位会发生蓝移；当HF酸的浓度较小(1：1)时，峰位随浓度的增大则表现为移向高能；多孔硅在空气中自然氧化，其发光峰位发生蓝移，而强度随放置时间的延长而降低。以上实验现象，都可以通过量子限制模型和发光中心模型得到解释，但在多孔硅的发光中，也

6、不能否定s卜H键和表面缺陷在发光中的作用。目前，多孔硅的发光机制仍是人们研究的主要问题之一，对于其应用研究也许要经历比较长的时间，但随着研究的不断深入和各种测试技术的发展，作为微电子主要材料的硅也必将在光电子领域展示其迷人的应用前景。关键词：多孔硅，形成机理，PL光谱，光致发光机制堕皇堕堕盔兰堡主雯塞兰望、业熊兰———————————』!三要Studyonformingmechanismandpho毒OlumineseencepropertiesinporoussiliconAbstractThestudyoflowdimensionsemiconductorisaveryactive

7、fieldofresearc}landhasimportanttechnicalappliedpromise．Simplypreparedmethod，complexconstructurecharacteristicsandhigherphotoluminescenceefficiencyinporoussiliconhaveattractedalotofattentionofinvestigators．SinceCanhamdetected