發(fā)光物理學(xué) 課件 十二、多孔硅發(fā)光

12多孔硅發(fā)光

硅和砷化鎵的電子結(jié)構(gòu)不同。前者屬于間接帶隙半導(dǎo)體，電子在價(jià)帶和導(dǎo)帶間的躍遷需要伴隨聲子的吸收或發(fā)射；而砷化鎵屬于直接帶隙半導(dǎo)體，電子可以直接在價(jià)帶和導(dǎo)帶間躍遷。正是由于這個(gè)原因，砷化鎵的發(fā)光效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硅。

多孔硅是在單晶硅表面上制成的厚度約1-10μm的薄膜，其中含有百分之幾十的孔隙，孔隙的橫向直徑很小，其量級(jí)為10nm，而高度可達(dá)μm量級(jí)。

多孔硅在室溫下就具有很強(qiáng)的光致發(fā)光和電致發(fā)光效應(yīng)。

在多孔硅上沉積半透明全膜后，當(dāng)正向偏壓加到15V、電流密度為100mA/cm2時(shí)，觀(guān)察到穩(wěn)定的電致可見(jiàn)光發(fā)射現(xiàn)象。伏-安曲線(xiàn)的測(cè)量表明它有明顯的類(lèi)似二極管的整流特性。

由于多孔硅發(fā)光的波長(zhǎng)與硅柱直徑有關(guān)，當(dāng)發(fā)光波長(zhǎng)進(jìn)入綠光范圍時(shí)，硅柱孔徑已很細(xì)，極易坍塌，使更細(xì)的量子線(xiàn)結(jié)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)。

過(guò)去的研究認(rèn)為，由于硅單晶的能隙很窄，而且是間接能級(jí)，以致硅的發(fā)光局限于紅外波段范圍，而且發(fā)光效率低，響應(yīng)慢。

……用緩慢的氫氟酸電化學(xué)過(guò)程產(chǎn)生一個(gè)自由豎立的硅柱陣列，硅柱的寬度為納米數(shù)量級(jí)。用氬離子激光產(chǎn)生的488或514.5nm波長(zhǎng)的激光激發(fā)，可使多孔硅在室溫下發(fā)紅光。多孔硅的發(fā)光性能與這種多孔硅結(jié)構(gòu)的孔隙率有關(guān)。

與單晶硅的褐黑色外觀(guān)不同，多孔硅另一個(gè)奇特的光學(xué)性質(zhì)是在可見(jiàn)光區(qū)域出現(xiàn)強(qiáng)烈的熒光，甚至當(dāng)微瓦級(jí)藍(lán)色或綠色激光照射時(shí)，在室溫就可用肉眼覺(jué)察出熒光的發(fā)光強(qiáng)度。

如果能用硅來(lái)制作發(fā)光二極管，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的突破。它對(duì)光電子存貯系統(tǒng)及顯示系統(tǒng)兩者都有很大意義。一個(gè)有效的電泵浦的新設(shè)計(jì)方案可能會(huì)使發(fā)光二極管工藝的成本大大降低。但要制造一個(gè)實(shí)用的光電子系統(tǒng)，不只可以采用激光激發(fā)的方法，也可用電流注入的方法。多孔硅——一種能發(fā)光的單晶硅1985年，Ennen等人采用分子束外延法生長(zhǎng)Si層的同時(shí)注入Er3+方法制成了第一個(gè)低溫(77K)摻鉺硅發(fā)光管[1]；1990年,Canham將多孔硅在HF酸溶液中進(jìn)一步腐蝕數(shù)小時(shí)后，用藍(lán)光或紫外光泵浦多孔硅材料，在室溫下觀(guān)察到很強(qiáng)的紅光發(fā)射[2]；Takagi等人利用微波等離子體分解硅烷(SiH4)的方法首次觀(guān)察到來(lái)自納米硅的室溫紅光波段的光致發(fā)光；等等。目前，硅基發(fā)光特性已經(jīng)大大改善，硅基發(fā)光器件也有一定的集成，多孔硅的發(fā)光效率已達(dá)1％，接近實(shí)用化的邊緣。令人鼓舞的是Tsybeskov等人和Hirschnom等人采用硅微電子制備工藝將雙極型晶體管和多孔硅發(fā)光管集成在一個(gè)硅片上[3]，如圖1所示。此外還制成了這種集成電路陣列，這意味著將硅基發(fā)光管集成到超大規(guī)模集成電路已邁出關(guān)鍵的一步。多孔硅是一種硅基納米材料，硅基材料的研究是實(shí)現(xiàn)光電集成的關(guān)鍵，多孔硅的發(fā)光研究為硅基發(fā)光研究開(kāi)辟了新的應(yīng)用研究領(lǐng)域。理想的（100）Si圓孔和方孔的多孔硅表面示意圖理想的多孔硅截面示意圖氬離子激光器激發(fā)理想多孔硅表面，使其發(fā)射可見(jiàn)紅光Canham報(bào)道的多孔硅室溫光致發(fā)光光譜2.3.PS光致發(fā)光的熒光特性根據(jù)摻雜元素種類(lèi)的不同，半導(dǎo)體硅可分為ｎ型和ｐ型半導(dǎo)體。ｎ型硅在LED正面照光的條件下，利用電化學(xué)刻蝕的方法可制備得到具有熒光特性的多孔硅。光照的原因在于電化學(xué)刻蝕多孔硅需要大量的空穴參與，而ｎ型硅中空穴為少數(shù)載流子。這類(lèi)制得的多孔硅表面含有大量的納米級(jí)微晶結(jié)構(gòu)，藍(lán)光激發(fā)下發(fā)出橙紅色熒光（630-650nm）。Ｐ型多孔珪的電化學(xué)刻蝕無(wú)需光照，新制得的多孔硅無(wú)熒光特性，需要利用弱氧化劑進(jìn)行熒光活化處理。多年來(lái)，人們一直在克服硅材料的發(fā)光低效率問(wèn)題，尋找一種新的能實(shí)現(xiàn)在同一塊硅片上同時(shí)集成電子器件以及發(fā)光器件的材料，多孔硅本身也是一種硅材料，而且它與硅芯片之間可以兼容，便有望達(dá)到在同一塊硅片上集成電子器件以及發(fā)光器件的目的。

近年來(lái)各國(guó)學(xué)者做了不懈