表面修飾多孔硅的形貌和光致發(fā)光特性研究.pdf

1、硅是一種重要的半導(dǎo)體材料，將成熟的硅基微電子技術(shù)與光電子技術(shù)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)光電子集成是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的主要方向，但硅是窄間接帶隙半導(dǎo)體，發(fā)光效率低下，這成為實(shí)現(xiàn)硅基光電子集成的主要障礙。室溫下多孔硅在可見區(qū)強(qiáng)光致發(fā)光現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為硅基光電領(lǐng)域提供了廣闊前景，1996年以多孔硅為基礎(chǔ)材料的光電集成電路的實(shí)現(xiàn)使得這種前景更加誘人，同時(shí)也為全硅光電子單片集成提供了可能。多年來人們?yōu)榱说玫桨l(fā)光穩(wěn)定且波長范圍較寬的多孔硅的光致發(fā)光進(jìn)行了廣泛深入的

2、研究，采取稀土摻雜，金屬輔助電化學(xué)腐蝕，濕氧化處理，光化學(xué)腐蝕，沉積富硅氧化硅薄膜等不同方法改善了多孔硅的發(fā)光特性。我們研究小組在拓寬多孔硅發(fā)光的波長范圍和發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)的研究中已取得豐碩的研究成果。
　　 本論文的主要研究工作和研究結(jié)果如下：
　　 (1)用電化學(xué)方法對多孔硅薄膜進(jìn)行了金屬摻雜。用熒光分光光度計(jì)分析了樣品的光致發(fā)光特性，發(fā)現(xiàn)適量的金屬摻雜增強(qiáng)了多孔硅的紅光發(fā)射，氧化性金屬摻雜還會(huì)增強(qiáng)多孔硅的藍(lán)光發(fā)射，還原

3、性金屬摻雜卻無此現(xiàn)象。紅外吸收譜表明，金屬摻雜多孔硅的Si-O-Si鍵振動(dòng)增強(qiáng)。XRD譜表明，氧化性金屬摻雜后多孔硅的無定形程度增強(qiáng)。分析結(jié)果認(rèn)為紅光增強(qiáng)是金屬摻雜引入新的缺陷和硅、氧、金屬間新的鍵態(tài)Si-Metal，Metal-O，Metal-Metal所致，而藍(lán)光增強(qiáng)是無定形程度增強(qiáng)，應(yīng)力增大和進(jìn)一步氧化所致。
　　 (2)分別采用浸漬法和電鍍法對多孔硅薄膜進(jìn)行了鋅摻雜。用掃描探針顯微鏡研究了多孔硅摻雜前后的表面形貌，用熒光

4、分光光度計(jì)分析了樣品的光致發(fā)光特性，發(fā)現(xiàn)鋅摻雜增強(qiáng)了多孔硅的藍(lán)光發(fā)射，且在420nm附近出現(xiàn)了一個(gè)小峰，樣品放置一個(gè)月后，發(fā)光強(qiáng)度和峰位變化很小。紅外吸收譜表明鋅摻雜后，Si-O-Si鍵、SiO-SiH鍵、His-O222鍵的振動(dòng)增強(qiáng)，且引入了Zn-O鍵。鋅摻雜多孔硅發(fā)射藍(lán)光是由于摻雜后多孔硅無定形程度增大，應(yīng)力增大，表面進(jìn)一步被氧化，使納米硅粒中激發(fā)的電子-空穴對在SiO層中或納米硅粒與SiOxx層界面的發(fā)光中心復(fù)合發(fā)光造成的，420

5、nm處的發(fā)光峰是由鋅填隙引起淺施主能級上的電子到價(jià)帶躍遷造成的，同時(shí)分析了電鍍法摻雜鋅的優(yōu)越性。
　　 (3)用電化學(xué)方法對多孔硅薄膜進(jìn)行了鎂離子的化學(xué)摻雜。用熒光分光光度計(jì)分析了樣品的光致發(fā)光特性，發(fā)現(xiàn)鎂摻雜增強(qiáng)了多孔硅的藍(lán)光發(fā)射，當(dāng)鎂離子濃度增大到0.002mol/L時(shí)，可使藍(lán)光強(qiáng)度達(dá)到多孔硅紅光強(qiáng)度的一半，摻雜多孔硅的發(fā)光特性對鎂離子濃度有較強(qiáng)的依賴關(guān)系。分析結(jié)果認(rèn)為，多孔硅的藍(lán)光光激發(fā)主要發(fā)生在多孔硅的納米硅粒中，光發(fā)射

6、主要發(fā)生在多孔硅中包裹納米硅SiOx層中的發(fā)光中心上，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了合理的解釋。
　　 (4)采用磁控濺射技術(shù)制備了鍺/多孔硅和鍺/氧化硅薄膜，對不同條件下制備的兩類薄膜進(jìn)行了光致發(fā)光譜的對比研究，用紅外吸收譜分析了鍺/多孔硅的薄膜結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：鍺/多孔硅薄膜的發(fā)光峰位于517nm附近，是由多孔硅與孔間隙中的鍺納米晶粒兩者界面的鍺相關(guān)缺陷引起的；鍺/氧化硅薄膜的發(fā)光峰位于580nm附近，來自于二氧化硅的發(fā)光中心。