硅基底上凹凸结构氧化硅的制备与光致发光性能研究

摘要

多孔硅由于具有良好室温光致发光和电致发光特性，能与现代成熟的硅平面工艺兼容实现大规模、超大规模硅基光电集成器件，而受到人们广泛关注。但是，目前普遍采用阳极腐蚀法制备的多孔硅发光稳定性和重复性还不能得到很好解决。此外，所采用的剧毒的氢氟酸对操作人员和环境造成了潜在的危害。寻求制备条件简单、重复性好、发光稳定的解决方法是目前研究的热点。本文尝试一种新的制备方法--金属辅助化学反应刻蚀法制备多孔纳米氧化硅，此法制备的多孔氧化硅结构与传统多孔硅的结构相比有很大不同，而且发光性能稳定。采用OM、SEM、TEM、AFM、EDAX、PL等手段表征了多孔氧化硅的微观结构与光致发光性能，重点研究了制备工艺条件对微观结构和发光性能的影响；并初步探讨了其独特结构的形成机理和发光机制。 多孔氧化硅是SiOx薄膜的裂纹凹凸结构，具有明显的周期性和方向性。调节HNO3的浓度可以有效控制多孔氧化硅凹凸结构的生成时间；HNO3的浓度过高或过低均不能生成凹凸结构。一定刻蚀剂条件下，调节刻蚀时间可以控制形貌的演变。 裂纹首先出现在表面缺陷处；在反应热和气泡的共同作用下，导致形成的氧化硅薄膜内部产生巨大应力和应变，在某个应力临界阈值引起薄膜的开裂，形成凹凸结构。横向腐蚀会导致凹凸结构变薄，翘起，甚至出现脱落现象。其方向性可能与基底有关。 在一定刻蚀剂的条件下，多孔氧化硅的光致发光峰位稳定，而强度会随刻蚀时间的延长呈先增强后减弱的趋势；硝酸和盐酸混合液作为刻蚀剂更有助于获得室温光致发光效应；在空气中自然存放一年，其发光峰位保持不变，而强度增强约3倍；观察到的表面结构尺寸变化与样品的PL谱无必然联系，排除了PSN发光来源于量子效应的可能性；从不同发光波长的PLE结果知，它们可能来源于不同的发光中心；结合热处理前后的实验结果，分析了多孔氧化硅发光可能来源于与氧相关的缺陷或空位。

目录

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第1章绪论

1.1多孔氧化硅发光材料研究背景及意义

1.2多孔硅的制备方法

1.2.1电化学腐蚀法(Anodic Etching)

1.2.2光化学腐蚀法(Photochemical Etching)

1.2.3化学染色腐蚀法(Stain Etching)

1.2.4其他制备方法

1.3形成机理

1.3.1 Beale模型

1.3.2扩散限制模型

1.3.3量子限制模型

1.4多孔硅的研究方法

1.5多孔硅的性质

1.5.1多孔硅的结构形貌

1.5.2多孔硅的发光性质

1.6应用

1.7本论文研究的目的、意义和主要研究内容

1.7.1论文研究的目的与意义

1.7.2本论文研究的主要内容

第2章实验与测试

2.1实验原料

2.2实验装置

2.2.1磁控溅射装置

2.2.2磁力搅拌器

2.2.3热处理炉

2.3多孔氧化硅的制备技术与工艺路线

2.3.1硅片的预处理

2.3.2磁控溅射镀Fe78Si10B12合金薄膜

2.3.3制备多孔氧化硅样品

2.4测试设备

2.4.1扫描电镜(SEM)

2.4.2原子力显微镜(AFM)

2.4.3截面形貌(TEM)

2.4.4成分分析(EDAX)

2.4.5光致发光性能(PL)

2.4.6表面键分析(FTIR)

第3章制备条件对形貌的影响及其形成机理分析

3.1 MACRE法的刻蚀条件对多孔氧化硅形貌的影响

3.1.1刻蚀剂成分对形貌的影响

3.1.2刻蚀时间对形貌的影响

3.1.3 PSN结构的各向异性

3.2形成机理分析

3.2.1刻蚀过程中的化学反应

3.2.2刻蚀的初始表面

3.2.3 PSN凹凸结构的形成

3.3多孔氧化硅凹凸结构可能的应用前景

3.4本章小结

第4章多孔氧化硅的光致发光特性

4.1光致发光

4.2多孔硅的发光机理模型

4.2.1量子限制效应(QCE)

4.2.2本征表面态模型

4.2.3量子限制／发光中心模型

4.2.4与氧有关的缺陷发光中心模型

4.3多孔氧化硅的光致发光

4.3.1刻蚀液浓度对多孔氧化硅PL谱的影响

4.3.2刻蚀时间对多孔氧化PL谱的影响

4.3.3自然氧化对PSN发光的影响

4.3.4结果讨论

4.3.5热处理对PSN发光性能的影响

4.4本章小结

第5章 结论与展望

5.1结论

5.2研究工作的展望

参考文献

致谢

附 录