多孔硅制備法與其發(fā)光性能分析

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1、1緒論1．1多孑L硅的概述隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人們對半導(dǎo)體材料尤其是光電子器件與硅芯片技術(shù)提出了更高的要求。經(jīng)過30多年的快速發(fā)展，半導(dǎo)體器件的尺寸按照摩爾定律持續(xù)減小，目前已進(jìn)入納米級。英特爾公司預(yù)測塊體硅技術(shù)在發(fā)展到22納米時將達(dá)到上限，并且，電子作為信息載體，具有l(wèi)OGb／s的響應(yīng)極限，這都將成為集成電路進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。光子相比電子，擁有更高的響應(yīng)速度，這就為集成電路的發(fā)展提出了一種新的可行性，即使用光子代替電子進(jìn)行信息傳輸，從而突破上述瓶頸，使集成電路的發(fā)展到達(dá)新的階段。這就對光電集成技術(shù)提出了新的要求，如何將光電子技術(shù)與現(xiàn)有硅

2、芯片技術(shù)結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)高效率的光電集成，這引起了世界各地研究者的廣泛興趣。實(shí)現(xiàn)光電子集成，必須具備可集成的發(fā)光器件。但是，由于體硅是間接帶隙材料，其導(dǎo)帶的最小值和價帶的最大值不在K空間的同一點(diǎn)?，電子不能直接由導(dǎo)帶底躍遷到價帶頂發(fā)出光子，所以體硅的發(fā)光效率很低。當(dāng)前的半導(dǎo)體發(fā)光器件主要采用化合物材料，這些化合物材料雖然具有很高的發(fā)光效率。但是在化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)上與硅有很大差別，無法與硅基集成電路實(shí)現(xiàn)很好的兼容旺'3I，為了真正實(shí)現(xiàn)硅基半導(dǎo)體光電集成，研制硅基發(fā)光材料與器件成為一種重要途徑。長期以來，為了實(shí)現(xiàn)硅材料高效發(fā)光的設(shè)想，一些科學(xué)

3、家通過改變半導(dǎo)體能帶的方法來改善硅材料的發(fā)光效率，提出并且研制了多種硅基發(fā)光材料，多孔硅(PorousSilicon，簡稱PS)做為其中的一種引起了廣泛的關(guān)注，因?yàn)槎嗫坠柙谑覝叵掠锌梢妳^(qū)發(fā)光。1956年，Uhlirnl首先發(fā)現(xiàn)了硅在HF酸中經(jīng)腐蝕會生成多孔硅，并對多孔硅的機(jī)構(gòu)和電學(xué)特性進(jìn)行了深入研究，但對其光學(xué)特性沒有引起足夠的重視。Pickerin嵋1等在1984年發(fā)現(xiàn)了多孔硅的發(fā)光現(xiàn)象，卻將發(fā)光原因歸為多孔硅的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，沒有引起應(yīng)有的重視。Canham等人∞1于1990年發(fā)現(xiàn)了用陽極腐蝕法制備的多孔硅在室溫下有很強(qiáng)的光致發(fā)光，這個發(fā)

4、現(xiàn)打破了單晶硅難以效率發(fā)光的限制，為硅基發(fā)光器件的制備以及全硅光電子集成開拓了美好前景。1緒論Hirschman等人盯3在1996年將多孔硅發(fā)光管集成在了硅平面晶體管上，如圖1．1隨1，首次實(shí)現(xiàn)了硅基光電集成，真正驗(yàn)證了多孔硅實(shí)現(xiàn)光電子集成的可行性。圖1．1(a)集成的發(fā)光二級管／晶體管結(jié)構(gòu)顯微照片，(b)截面圖，(C)等效電路圖，(d)芯片上集成發(fā)光器件電致發(fā)光圖多孔硅是一種具有納米多孔結(jié)構(gòu)的硅材料，孔隙度約為60％’90％，其微觀結(jié)構(gòu)圖如圖1．2陽1所示。(a)(們圖1．2多孔硅的微觀結(jié)構(gòu)圖：(a)俯視圖，(b)側(cè)面圖21緒論1．2多

5、孔硅的制備方法現(xiàn)有研究成果表明，多孔硅的微結(jié)構(gòu)和PL發(fā)光特性由其制各條件決定，因此研究多孔硅的制備方法和每種制備方法中制備條件對樣品各方面的影響對多孔硅實(shí)現(xiàn)應(yīng)用具有重要意義。常用的制備多孔硅的方法主要有以下幾種，每種方法都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)以及適用范圍n引。1．2．1陽極腐蝕法陽極腐蝕法nu即電化學(xué)腐蝕法，是多孔硅制備中最常用的方法，本文采用的就是這種方法，此方法以單晶硅片作為陽極，鉑(Pt)電極作為陰極，在HF酸和無水乙醇混合而成的腐蝕液中通以恒定電流，單晶硅片經(jīng)過一定時間的氧化后，即能形成多孔硅。腐蝕液中HF酸用來對單晶硅進(jìn)行腐蝕，無水

6、乙醇的作用是表面活性劑，可以加快氫氣離開樣品表面的速度，使樣品與溶液保持最大程度的接觸，不僅加快了腐蝕速度，而且能提高腐蝕的均勻度。同時，HF酸的濃度、腐蝕時間以及腐蝕電流密度這三種因素的改變很大程度上決定了樣品的性能。本文中將通過對比實(shí)驗(yàn)比較詳細(xì)地研究以上三種因素對多孔硅樣品特性的影響。陽極腐蝕法分為單槽腐蝕和雙槽腐蝕兩大類，其腐蝕裝置圖如圖1．3n2

7、。(a)單槽腐蝕圖1．3陽極腐蝕法裝置圖(b)雙槽腐蝕單槽陽極腐蝕法經(jīng)過長時間的研究已經(jīng)趨于成熟，該方法制備的紅光發(fā)射多孔硅具有很高的重復(fù)率。然而，這種方法存在以下不足：①需在單晶硅片上

8、1緒論鍍鋁電極，使得工藝更為復(fù)雜。單晶硅電阻率相對較大，溶液和硅表面很難形成較好的歐姆接觸，因此需要在單晶硅的一面鍍上一層電阻率較小的鋁電極，保證腐蝕液與硅電極較好的歐姆接觸，但這無疑增加了工藝的復(fù)雜性；②樣品腐蝕均勻性不易保證。在裝置架設(shè)中，如果不能保證正負(fù)電極的精確對準(zhǔn)，會引起電流密度的不均勻，從而造成樣品表面多孔硅的不均勻?；谝陨蟽蓚€原因，本文中采用雙槽腐蝕法，下文中有具體的裝置說明。為了增強(qiáng)電化學(xué)腐蝕法制備出的多孔硅樣品的性能，一些輔助方法被陸續(xù)提出，這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。表1．1方法作用和優(yōu)缺點(diǎn)在電化學(xué)腐蝕過程中用白光照

9、射樣品。在P型硅中可以加快制各過光照輔助程，在n型硅制備過程中可以產(chǎn)生空穴，以保持腐蝕的持續(xù)進(jìn)行。這種方法不可避免的出現(xiàn)人孔。有研究表明，磁場對多孑L硅的PL強(qiáng)度有增強(qiáng)作用，在制備多孔硅時在磁