电化学腐蚀多孔硅光致发光特性分析

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1、学位论文原创性声明本人所提交的学位沦文《电化学腐蚀多孔硅特性研究》，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的原创性成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中标明。本声明的法律后果由本人承担。做储2008嚣9173玢霞年月日、一指导教师确认(签名)：学位论文版权使用授权书2008年9月1El本学位论文作者完全了解河北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权河北

2、师范大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在年解密后适用本授权书)论文作者(㈣：声j豹良指剥币(签名)：2008年9月1日III1引言1．1多孑L硅的研究历史自从1956年Uhlir报道了在氢氟酸溶液硅阳极饭上形成多孔硅(PS)以后【Il，1957年，Fuller和Ditzenberger又发现在HF—HN03溶液中通过加偏置电压也可以得到多孔硅【21。最初人们只是把到多孔硅看成是一种结构特殊的硅晶体，没有引起研究人员的高度

3、注意。直到上世纪70年代，多孔硅被作为集成电路的介质隔离材料；80年代被用于制作无应力的氮化硅／氮氧化硅膜、SiC半导体、隐埋导电区、气湿敏传感器、表面微机械加工技术的牺牲层、场发射阴极等【3】。多孔硅用途之广，引起了人们的广泛关注。到了1990年英国科学家Canh锄【4l发现多孔硅的孔度高于80％，在可见光范围内可以观察到很强的光荧光现象。并提出，多孔硅的结构是一些直径小于5nnl的晶丝，正是由于晶丝的二维量子尺寸效应而发射可见光，其能量远大于体单晶硅的带隙宽度【5】。：之后人们又相继发现了多孔硅多种颜色的光

4、致发光，打破了人们原来认为的硅作为间接带隙半导体难于实现高效发光的思想禁锢，使人们看到，在便宜的硅片上，用多孔硅技术可能解决发展光集成电子学的关键问题，即制造带有光源的大规模集成电路。这将会是微电子和光电子技术领域中的一次新的飞跃。到了90年代，多孔硅的研究进入了一个新的阶段。1996年，出现了第一个硅基光电子器件。Fauchelt6】等人研制出了集成到芯片上的硅基发光二极管。其发光亮度虽然达不到远程光通信的要求，但能用于芯片内或芯片问的短程交互。其能量效率和开关速度还有待提高。目前已经引起人们对多孔硅研究的热

5、潮。研究内容主要包括多孔硅的制备方法、多孔硅的性质(主要是发光机理)以及多孔硅的应用设计。1．2多孔硅的制备方法多孔硅发光的不均匀性来自于其结构的不均匀性。这种结构不均匀性与多孔硅的制备过程密切相关。目前多孔硅的制备方法有多种，常用的有电化学阳极氧化法、湿法化学腐蚀法、光辐射辅助化学腐蚀法、火化腐蚀法和水热腐蚀法等。1．2．1电化学阳极氧化法电化学阳极氧化法是制备多孔硅最常用的方法。该方法是以P或N型单晶硅为基片，在以HF为主的电解液中，用铂或石墨作为阴极，单晶硅置于阳极，加以适当的恒定电流或电压对单晶硅进行电

6、化学腐蚀，在硅片的表面就会生成一定孔洞尺寸分布的多孔硅薄膜。{{时常用的秆驴脏和取耽婀补力法，如刚1l所j：【7】(a)I#坼哩^构Ib解槽(b)烈柠莹占构电斛摧嘲11电化学腐蚀多扎硅制备袈置通常，电解槽材料选用不受HF腐蚀的聚四氟乙烯或有机玻璃，阴极选用贵余属Pt，乙醇作为电解液载体(多孔硅具有显著的疏水性和亲有机性)．利用环氧树脂密封HF／Si接触面，摹片背面燕镀lb甘率高的金属(kL如AI)欧姆接触处理，防止腐蚀电流密度局部小均匀。般腔结构和啦腔结构的小同或者优势在于：低阻硅片不需欧蝌接触处理，能有效防止

7、r乜板污染；具备电解涟循月：系统，能够促使气泡快速逸m及溶液及时更新，稳定腐蚀速度，多孔硅的表血均匀性要好。，图12为P型单品砣在HF溶涟中电化学法腐蚀多孔硅的I—v曲线，th4支小同溶液浓度rI!ii(v)H12P彤硅电化学腐蚀的I．v曲线曲线构成。将I—v『i『i线分为三部分加以蜕明。当外i

8、【IfU压较低时(小于．02V)．1i11极表面窄穴浓度较少，F要是干品甜的自由溶解过程，1乜流几乎没=『丁变化。这种化学溶解比较缓慢，R不需要j乜场的作用。’外加电压增大，UI)I．v曲线的第：段(．0I84V～01

9、29v)，曲线早指数觇律变化，流经砖¨的}{I流衔度迅速变化，对应肴多孔辟形成的过弹。在此过程中，阳极表面附近有大量氢气泡溢出，并在表面生成硅氧化物。因此，该过程既包含硅氧化物的生成又包含了硅氧化物的溶解。多孔硅的形成实际上就是这两种过程的竞争，只要保证硅氧化物溶解的速度大于生成的速度，多孔硅能够维持一定的腐蚀速度。然而，增加外加电压接近第一个峰值时，硅氧化物溶解速度会与生成速度大致相