多孔硅电极的光电功能及其应用研究

摘要

多孔硅(porous silicon，PS)是近年来发展起来的一种新型硅基材料，具有与单晶硅材料大不相同的特性。多孔硅可在近红外和可见，甚至在近紫外光区辐射强烈的荧光，使得它可用来制造发光器件，并可望能用来解决光电子集成电路的关键问题，为制造带有光源的大规模集成电路——光电集成方面开辟新的途径。
　　本体硅为间接禁带半导体，且禁带宽度比较窄(1.12 eV)，在室温下很难发可见光。多孔硅改变了本体硅的能带结构，使禁带宽度展宽，并由间接能带隙向直接能带隙转变，并能实现室温发光。在综述部分比较了几种常规制备多孔硅的方法，概括了多孔硅的光致发光(photoluminescence，PL)和电致发光(electroluminescence，EL)特性，对目前比较流行的发光模型给出了定性的论述，展望了多孔硅的应用前景。实验研究包括以下几个内容:
　　1.用过氧化氢对多孔硅进行催化氧化处理。采用添加适当配比的过氧化氢的腐蚀液在电化学阳极氧化多孔硅过程中进行处理，综合分析金相显微镜、FTIR和光致发光谱，结果发现多孔硅表面比较平整、细密、均匀，且氧化纳米颗粒比较小，且发光强度有了明显提高。可以清楚地看到，随着过氧化氢的氧化，有效的钝化了多孔硅表面的非辐射复合中心，荧光强度显著增加。荧光强度随Si-O和Si-O-Si键的增加迅速增强，可能是由于过氧化氢与有悬挂链的表面硅原子进行了氧化，形成了部分Si/SiO2界面，使硅的表面态发生了变化，对荧光发射有增强作用。
　　2.研究了钛溶胶对多孔硅形成和光电性能的影响。采用添加适量钛溶胶的刻蚀溶液在光电化学刻蚀单晶硅过程中制备多孔硅。荧光光谱 PL表明，用此方法制备的多孔硅发光强度明显增强，用FT-IR光谱表征，样品表面有亚甲基的反对称和对称的伸缩振动(2854，2928 cm-1)出现，可能是钛溶胶中的有机物质在硅表面的作用。通过SEM观察，发现用此方法制备的多孔硅表面的裂缝区域明显变宽，变长。通过X光电子能谱的分析，添加钛溶胶制备的多孔硅表面没有发现Ti元素，说明钛元素在制备多孔硅过程中可能起到了催化的作用，或者是与溶胶里的其它物质一起影响到了多孔硅结构的一些变化。光照条件下在Fe(CN)63?/Fe(CN)64?溶液中，添加钛溶胶制备的多孔硅样品的光电流随电压的变化更明显，具有更好的光电特性。
　　3.TiO2/PS电极的光电性能。采用n型单晶硅抛光片，光电化学阳极氧化刻蚀出多孔硅(PS)，再经过TiO2修饰得到复合多孔硅电极，通过扫描电镜(SEM)观察发现 TiO2/PS电极表面明显有一层均匀的TiO2膜，通过荧光分析发现TiO2/PS的光致发光强度比多孔硅有所减弱，在红外光谱分析中，发现样品TiO2/PS与样品 PS相比，由于Ti的存在对Si-O-Si产生一定的影响，1100 cm-1处 Si-O的伸缩振动峰强度明显有所减弱。通过电流-电压关系检测以多孔硅为基底的复合电极的光电性能，结果发现 TiO2/PS电极明显表现出好的光电特性。在500℃退火处理1小时，TiO2/PS电极有比较好的亮暗电流比和高的光电性能。
　　4.TiO2/Ag/PS电极的光电性能。采用n型单晶硅抛光片，光电化学阳极氧化刻蚀出多孔硅(PS)，再经过TiO2和金属修饰得到复合多孔硅电极。通过扫描电镜分析发现，TiO2/Ag/PS电极表面比较粗糙，具有明显的三层结构。通过光电流-电压关系和时间-电流曲线分析发现，随时间的变化电流比较稳定，TiO2/Ag/PS电极表现出了较好的光电化学稳定性，同时异质结的结构也有一定程度的破坏，使得光电响应比 TiO2/PS电极稍弱，这点还有待解决。在600℃退火处理，TiO2/Ag/PS电极有比较好的亮暗电流比和高的光电性能。

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Contents

中文摘要

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第 1 章 绪 论

1.1 多孔硅的制备及发光性质

1.2 多孔硅的稳定化处理及表面修饰现状

1.3 多孔硅在器件上的应用

1.4 题选题依据

参考文献

第 2 章 多孔硅的制备及荧光增强效应

§2.1 引 言

§2.2 试剂及仪器

§2.3 实验过程

§2.4 结果与讨论

§2.5 本章小结

参考文献

第 3 章 多孔硅刻蚀过程中的介质增强荧光效应

§3.1 引 言

§3.2 试剂及仪器

§3.3 实验过程

§3.4 结果与讨论

§3.5 本章小结

参考文献

第 4 章 TiO2/PS 复合电极的光电性能研究

§4.1 引言

§4.2 试剂及仪器

§4.3 多孔硅的制备

§4.4 工作电极的制备

§4.5 结果与讨论

§4.6 本章小结

参考文献

第 5 章 TiO2/Ag/PS 复合电极的光电性能研究

§5.1 试剂及仪器

§5.2 多孔硅的制备

§5.3 工作电极的制备

§5.4 结果与讨论

§5.5 本章小结

参考文献

第 6 章 结 论

硕士期间发表的论文

致谢