水熱腐蝕多孔硅的光致發(fā)光和光電導(dǎo)特性.pdf

1、1990年,英國(guó)科學(xué)家L. T. Canham關(guān)于室溫下多孔硅光致發(fā)光的報(bào)道立即在世界范圍內(nèi)引發(fā)了一股多孔硅的研究熱潮。這主要是因?yàn)檫@種材料的發(fā)現(xiàn)為全硅光電集成帶來(lái)了巨大的希望,迎合硅基半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的迫切需要。目前多孔硅的制備普遍采用電化學(xué)陽(yáng)極腐蝕方法。但是,經(jīng)過(guò)了十多年的發(fā)展,該方法制備的多孔硅發(fā)光穩(wěn)定性還不能得到很好解決。此外,受電流分布的限制,使用該方法還無(wú)法制備大面積及任意形狀的多孔硅。1996年,中國(guó)科技大學(xué)首次將水熱腐蝕法

2、用于多孔硅的制備,使多孔硅發(fā)光穩(wěn)定性大大提高,大面積制備的問(wèn)題也迎刃而解。因此作為更為實(shí)用的方法引起人們極大的興趣。鑒于水熱腐蝕法制備的多孔硅的性能依賴于硅的特性、腐蝕液種類、腐蝕時(shí)間和溫度等多種因素,許多問(wèn)題仍有待于深入的研究。本文中,我們使用水熱腐蝕法制備了一系列鐵鈍化多孔硅(Iron passivated porous silicon, IPS),研究其光致發(fā)光(Photoluminescence, PL)和光電導(dǎo)性質(zhì),并探討其內(nèi)

3、在的機(jī)制。
　　首先,我們研究了水熱腐蝕工藝對(duì)鐵鈍化多孔硅的PL譜的影響。使用熒光分光光度計(jì)測(cè)量了不同F(xiàn)e(NO3)3濃度、不同腐蝕時(shí)間以及相同制備工藝下的鐵鈍化多孔硅的光致發(fā)光譜,并結(jié)合Islam-Kumar模型分析納米硅發(fā)光單元的尺寸分布。結(jié)果表明:腐蝕進(jìn)入到穩(wěn)定階段后,納米硅的平均尺寸表現(xiàn)為在一確定范圍內(nèi)的振蕩分布;所以 PL譜的分布范圍及譜形雖然較為相近,但并不隨腐蝕時(shí)間增加而定向移動(dòng);即使是相同制備工藝的多孔硅,其PL譜

4、也并不重復(fù),PL譜峰位介于1.93~2.05 eV之間。掃描電子顯微鏡及傅立利紅外變換光譜儀檢測(cè)的結(jié)果表明:多孔硅的SEM形貌不隨腐蝕工藝的改變而呈明顯的規(guī)律性變化,也與PL譜也無(wú)明顯聯(lián)系;多孔硅的PL譜峰能量越高,Si-Si鍵吸收減弱、Si-O鍵吸收增強(qiáng)。
　　此外,我們還考察了鐵鈍化多孔硅的PL譜在250 nm紫外光照下的穩(wěn)定性以及PL譜峰能量與激發(fā)光波長(zhǎng)的之間的關(guān)系。隨著紫外光照時(shí)間的增加,PL譜峰紅移,輻照120 min后

5、,紅移0.01~0.02 eV;PL譜的強(qiáng)度可能減弱,也可能增強(qiáng),變化±10％,傅立葉紅外光譜儀檢測(cè)的結(jié)果顯示PL譜強(qiáng)度增強(qiáng)的樣品在2250 cm-1位置有O-Si-H鍵對(duì)應(yīng)的吸收。隨著激發(fā)光波長(zhǎng)從240 nm增加到370 nm,PL譜峰先紅移再藍(lán)移,拐點(diǎn)波長(zhǎng)主要位于330~350 nm。
　　最后,我們從應(yīng)用偏壓、光強(qiáng)和溫度三方面研究了鐵鈍化多孔硅的光電導(dǎo)性質(zhì)。結(jié)果表明:1、室溫下,與單晶硅相比鐵鈍化多孔硅有更高的光電導(dǎo)相對(duì)值,

6、為102~103數(shù)量級(jí),是單晶硅的20~300倍;2、相同光強(qiáng)下,鐵鈍化多孔硅的光電導(dǎo)相對(duì)值隨應(yīng)用偏壓的增加而增加,如光強(qiáng)為5000 Lumen,5 V偏壓對(duì)應(yīng)的光電導(dǎo)相對(duì)值是0.5 V偏壓的10~34倍;3、不同的鐵鈍化多孔硅,光電導(dǎo)相對(duì)值有所不同,這種差異主要是由暗電導(dǎo)的差別引起的;4、相同偏壓下,光電導(dǎo)相對(duì)值隨光強(qiáng)增加而增加,增幅為102~103數(shù)量級(jí);5、不同的鐵鈍化多孔硅的光電導(dǎo)對(duì)電注入和光注入的敏感性不同,這可能與表面多孔硅