多孔硅发光机理的研究

自从Canham报道了多孔硅的高效可见光发射后,国内外许多研究组开展了对多孔硅发光的研究.人们希望利用多孔硅的高效可见光发射弥补硅材料低带隙、间接带的弱点,实现廉价的全硅光电集成,同时可以制备廉价的显示器件.虽然已有人制备出了多孔硅光探测器、电致发光器件,但对多孔硅可见光发射现象产生的机理还在进一步研究之中.一种观点认为是由于多孔硅形成了纳米量级的硅柱造成的量子限制效应引起的高效可见光发射;近来有人提出是由于其中的硅氧烯(Siloxene)发光所致;当然还有一些其它看法,至今未成定     

埋入SiO2薄膜中纳米Si的Raman散射和室温可见光致发光

1990年英国人Canham报道的多孔硅室温可见光致发光,显示了Si材料在光电子技术方面的潜力,这为全Si光电子电路的实现带来了曙光,使人们受到了极大鼓舞.近几年人们对多孔Si的研究已经非常深入,尽管目前还没有统一的模型能解释全部实验结果,但是可以肯定的是,从扫描隧道电镜观察到多孔Si是具有2～5nm尺寸的纳米微粒,这种低维的纳米微粒是获得可见光发射的主要原因.目前多孔Si多用湿法制备,性能不稳定,电接触方面存在困难,严重限制了它的应用.因此,探索制备有纳米结构的Si及Si基合金以获得强的可见光发射,具有极重要的意义.     

C+注入SiO2薄膜的蓝光发射

自从发现多孔硅室温发射可见光现象以来,硅基纳米结构第Ⅳ族半导体发光研究引起了广泛关注。这不仅可以使传统的、成熟的硅平面工艺直接应用于光电器件中去,而且为介观系统新现象、新规律研究提供了一个理想的研究体系。由于SiO_2在硅集成电路中应     

多孔硅发光膜的研究

Canham在1990年报道了多孔硅光致发光,并提出发光多孔硅具有尺度为几个纳米的量子线阵结构。其后不久,Richter等制作了第一个多孔硅光发射器件。目前,有关多孔硅发光的机理研究,提出了几种设想。多数研究者倾向于多孔硅的量子线阵结构使带隙增宽,导致可见荧光。但是,到目前为止,发光多孔硅的量子线阵结构尚无直接的实验证据。另外一些观点有:多孔硅中的硅氢烷发光;附着在硅表面的某种分子发光,以及多孔硅表面性质     

纳米硅粉末的制备及红外吸收光谱研究

纳米硅和多孔硅发光的发现,引起了人们对纳米级半导体材料研究的重视.对这种现象的解释主要归结为以下两点:一是因颗粒尺寸小而引起能带结构的变化,导致跃迁选择定则改变引起发光,即所谓量子尺寸效应;二是在硅小颗粒表面的氢、氧等杂质与硅化合形成缺陷,悬键所引起发光。目前对这两种解释尚无定论。对于后者,弄清楚纳米硅中氢、氧的存在方式与结构的关系对研究纳米硅的发光机理有很重要的意义。红外吸收光谱作为探测硅中的氢、氧等的手段已进行了很多的研究。本文利用激光诱导化学气相沉积法(LICVD)用SiH_4为原料制备了平均粒度为10～12nm的晶态纳米硅粉。并通过红外吸收光谱对纳米硅粉末中的氢和表面氧化所引起的氧的存在情况进行了分析。发现纳米硅粉末由于表面原子活性大,有氧化现象,在其中存在(H_2-Si)。原于团和HSiO两种类型的硅氢结构。前者是一种不稳定结构,退火温度达到600℃时分解,在红外谱上的吸收峰消失;后者是一种稳定结构,随退火温度的升高,氧含量的增多,向高波数方向移动。这主要是由于氧的电负性对H-Si的影响形成的。     

纳米硅薄膜界面中的环形结构

纳米固体材料由于具有高浓度界面的结构特性以及相伴随着的新颖物性,1984年以后在材料各个领域得以迅速发展。近年来,随着纳米材料在许多领域的兴起,纳米硅薄膜也受到人们越来越多的关注。纳米硅薄膜是由大量的纳米尺寸晶粒及晶粒间界面构成。由于晶粒具有无规则分布的特征,使得界面具有不同的结构和键合特征。界面对纳米硅薄膜的结构和物性具有极其重要的影响。     

快速热处理多孔硅的蓝光发射

对多孔硅样品进行了各种气氛下(氮气、氩气、氧气和空气)的快速热处理(rapid thermal process, RTP). 测试了RTP处理前和处理后多孔硅样品的光致发光(PL)谱和傅里叶变换红外光谱(FTIR). 在400℃以上RTP处理后的多孔硅样品的PL谱中有4个蓝光发射峰. 峰的位置不随RTP处理温度和气氛改变而变化. 由于RTP处理的氧化作用, 减小了多孔硅中纳米硅粒的尺寸, 使得PL谱中出现蓝光发射峰. 从理论计算可以估算出硅粒尺寸和发光峰位置的关系, 而且只有特定尺寸的硅粒才有可能出现, 因此 PL谱的峰的位置不随RTP温度和气氛而改变.     

硅基低维发光材料的研究进展

20世纪90年代,作为硅基光电子学的一个主导发展方向,硅基低维发光材料的研究取得了一系列重要进展。一方面,硅基超晶格、量子阱以及多孔硅的研究不断深化,具有潜在的发展优势。另一方面,由各种成膜技术形成的各种纳米晶硅薄膜、硅基纳米微粒以及由自组织生长方法制备的硅基量子点的研究崭露头角,亦呈现出良好的发展势头。本文综合评述了各类硅基低维材料在发光特性方面的研究进展。     

多孔硅的双峰光致发光谱与光发射机制

多孔硅的光致发光谱是多孔硅研究的极其重要的一个方面,除了早已广泛研究的单峰光致发光谱外,近来有人报道新制备的或经干氧处理的多孔硅在低温下明显存在多峰光致发光谱,本文将报道室温下在后处理多孔硅中观察到的双峰光致发光谱,并讨论后处理条件对光谱特征的影响,这种讨论对多孔硅可见光发射机制的探索提供了十分有价值的启示.多孔硅样品用电化学阳极氧化方法制备.样品衬底是P~-(100)单晶硅片,电阻率为     

面向下一代光伏产业的硅太阳电池研究新进展*

以晶体硅为代表的第一代太阳电池和以非晶硅薄膜为代表的第二代薄膜太阳电池目前是光伏市场主流。第三代纳米结构太阳电池研发目标是在维持现有第二代薄膜电池沉积技术的经济性和环保性基础上显著提高电池性能及稳定性,进一步降低太阳电池的价格至每瓦0.5美元,甚至0.2美元及更低。笔者将简要综述近年来国际上面向下一代光伏产业的硅太阳电池研究新进展,内容集中在纳米硅薄膜叠层太阳电池、硅纳米线（包括轴向、径向和单根）太阳电池和基于多重激子效应的纳米硅热载流子太阳电池等三个方面。     

硅纳米孔柱阵列及其表面铜沉积

采用水热腐蚀技术制备了硅纳米孔柱阵列(silicon nanoporous pillar array, Si-NPA), 并以此为衬底通过浸渍沉积制备出一种具有规则表面结构的铜/Si-NPA纳米复合薄膜(Cu/Si-NPA). 形貌和结构分析表明, Si-NPA是一个典型的硅微米/纳米结构复合体系, 它具有三个分明的结构层次, 即微米尺度的硅柱所组成的规则阵列、硅柱表面密集分布的纳米孔洞以及组成孔壁的硅纳米单晶颗粒. 研究发现, Cu/Si-NPA在形貌上保持了Si-NPA的柱状阵列特征, 薄膜中铜纳米颗粒的致密度随样品表面微区几何特征在柱顶区域和柱间低谷区域的不同而交替变化, 并形成一种准周期性结构. 上述实验现象被认为来源于铜原子的沉积速度对Si-NPA表面微区几何特征的选择性. Si-NPA可以成为合成具有某些特殊图案、结构和功能的金属/硅纳米复合体系的理想模板.     

高温退火处理对TiAlSiN硬质薄膜的微观结构与硬度的影响分析

用弧离子增强反应磁控溅射方法, 在高速钢(W18Cr4V)基体上沉积出具有较高Al, Si含量的TiAlSiN多元硬质薄膜, 研究了不同温度退火后薄膜的微观结构和硬度变化. 结果表明: 由于沉积速率较高和沉积温度较低, 沉积态的TiAlSiN薄膜主要形成非晶结构; 高温退火后, TiAlSiN薄膜由非晶转变为纳米晶/非晶复合结构; 1000℃以下退火后产生的晶体为AlN及TiN; 1100℃以上退火后晶体为TiN, 其余为非晶结构; 1200℃时薄膜发生氧化, 生成Al2O3, 表明TiAlSiN薄膜具有相当高的抗氧化温度. TiAlSiN薄膜随退火温度升高晶粒尺寸逐渐增大, 高温退火后平均晶粒尺寸小于30 nm. 沉积态TiAlSiN薄膜具有较高的显微硬度(HV_{0.2 N}=3300), 但随退火温度的升高, 硬度逐渐降低, 800℃退火后硬度降低至接近TiN硬度值(HV_{0.2 N}=2300).     

光致发光多孔硅的特性研究

硅常温下的禁带宽度仅1.1eV,且是间接跃迁型半导体。这是困扰光电子学几十年的老问题,多年来人们想尽各种掺杂办法,均未达到理想的结果,Canham用电化学刻蚀的办法在单晶硅片上形成多孔硅,然后停电继续腐蚀一段时间,制成高孔积率(80％以上)的多孔硅膜,在氩离子激光激发下,用肉眼就能观察到明显的红光发射,这一发现在光电子学领域引起了轰动。多孔硅早在30年前就已发现,在近10年内受到广泛注意,但主要是利用多孔硅形成良好的SiO_2电绝缘层,因此其孔积率一般不超过56％,Canham的第二步腐蚀是形成发光层的关键,而Bsiesy等则采用氧化的方法能达到同样的目的,到目前为止,大多数人认为这一现象是由量子效应引起的这种观点认为:在电化学形成多孔硅过程中,硅基     

微电子技术中的半导体薄膜材料

本文着重介绍了用于微电子技术的非晶态、宽带隙、纳米相、超晶格、量子微结构以及多孔硅等半导体薄膜材料，近年来在结构特征、物理性质以及器件应用等方面取得的某些新进展．并指出，原子组态的无序化，材料禁带的宽带隙化，能带剪裁的任意化以及人工结构的低维化和量子化，集中体现了半导体薄膜材料的发展特点。     

初始晶硅多层薄膜光电响应及载流子输运特性

采用等离子体化学气相沉积技术, 通过交替改变H₂流量, 制备了多层结构的氢化初始晶硅薄膜, 利用拉曼(Raman)散射、傅里叶变换红外(FTIR)透射光谱和光电流谱等技术研究了薄膜的微观结构和光电响应特性. 微观结构分析揭示, 薄膜呈现为由纳米晶硅和非晶硅两相组成的初始晶硅结构, 薄膜光学带隙随晶化度提高逐渐降低. 光电流谱的结果显示, 纳米硅晶粒对薄膜内部光生载流子的空间分离可有效降低其非辐射复合几率, 导致薄膜光电响应峰值随晶化度的提高向短波方向移动, 然而纳米硅晶粒界面缺陷对载流子的空间限制使薄膜长波谱段的光电响应显著降低. 外加偏压下, 观察到350~1000 nm范围的光电响应, 表明外加偏压可促进光生载流子的有效收集. 分析表明, 纳米硅晶粒内部电子-空穴对的空间分离及界面载流子激发的共同作用, 导致薄膜光电响应及外量子效率大幅增加和峰位的红移. 实验结果为初始晶硅高效太阳电池的载流子输运控制提供了基础数据.     

多孔硅微腔的窄峰发射

自从Canham发现多孔硅能高效率发射可见光以来,多孔硅的形成机理、发光机理、器件以及光电子集成研究都取得了很大进展.但到目前为止,多孔硅中是否存在激射现象还不很肯定.我们知道,微腔是实现激射的必要组成部分,它具有辐射功率的空间分布可调、发射峰的宽度可变、自发辐射得到加强或抑制以及激射阈值较低甚至有可能实现激射无阈值等特点.Pavesi等人曾利用交替变化腐蚀电流密度的方法制备了多孔硅微腔.基于用分子束外延生长多层膜具有好的可控性和界面特性,我们采用MBE生长了掺杂浓度交替变化的     

表面化学分子吸附增强多孔硅发光效率

多孔硅室温下的可见光发射,在光电子器件、光记录材料和化学传感器等方面有重要的应用前景,引起了人们广泛的关注.近几年Ｓａｉｌｏｒ等人研究多孔硅的表面化学分子吸附对发光性能的影响,发现有机胺、极性、非级性溶剂、有机、无机酸碱和金属离子等淬灭多孔硅的荧光[1].而表面化学吸附导致多孔硅荧光增强至今很少报道.本工作报道了ＨＮＯ3氧化的多孔硅表面吸附9氰基蒽(9ＣＡ)分子后的发光增强现象.用Ｐ(100)单晶硅(15Ωｃｍ)为衬底,在ＨＦ∶Ｃ2Ｈ5ＯＨ=1∶1溶液中以30ｍＡ/ｃｍ2的恒电流阳极刻蚀10ｍｉｎ制备多孔硅,继而在20%ＨＮＯ3溶液中…     

金属/PS/n-Si结构光电转换效率的研究

在许多研究工作着重于多孔硅(PS)的发光机制和提高电致发光效率的同时,多孔硅接触结构问题也受到人们的关注,认为多孔硅众多的表面态导致多孔硅接触结构具有较大的内部串联电阻和较大的理想因子.在光电转换方面,金属/孔硅结构也表现出一些特别性质.本文报道采用电镀法制备的M/PS/n-Si结构的光伏效应,以及采用一种特别的设计大大提高M/PS/n-Si复合结构的光电转换效率.1 多孔硅的制备用来制备多孔硅的是单面抛光的(100)方向的n型单晶硅,电阻率约为8Ω·cm.首先在硅片未抛光面制备欧姆接触的铝膜.然后采用阳极氧化方法制备多孔硅 溶液配比为HF:H_2SO_4:酒精=4:2:4,电流密度为5mA/cm~2,阳极化时间为30min在制备过程中采用150w钨灯距硅片20cm处照射.     

多孔硅注入稀土离子Eu~(3+)对发光的影响

发光多孔硅材料的研究作为21世纪的关键新技术而受到重视,因为可用便宜而且工艺成熟的硅材料制备发光器件,实现全硅光电子集成.由于硅是当今应用最广泛的半导体材料之一,尤其是在大规模集成电路中的应用,如果能实现多孔硅发光的应用,将给光电子行业带来难以估量的影响,现在多孔硅已实现了红、绿、蓝光的发射,电致发光也已实现,使多孔硅向实用化迈出了一大步.     

准分子脉冲激光制备发光硅晶粒的新途径

半导体硅是制备集成电路芯片和晶体管的重要材料,用硅制成的特种器件可用于检测光信息,由于其间接带隙的能带结构及禁带宽度仅1.12eV,因而本身无法由电致(EL)和光致(PL)发射高效率的可见光,使其在光电子器件领域的应用受到了限制.探索硅基材料的可见发光是材料科学领域中的重大研究课题.目前已有多种实现这一效应的方法,如电化学腐蚀的多孔硅和微波等离子体淀积的超细硅粉等,但是实际器件运用中所需材料必须具有良好的表面性质和均匀的内部结构.我们曾用Ar离子激光晶化技术使:a-Si:H/a-SiN_x:H多量子阱(MQW)结构中:a-Si:H阱层晶化成纳米晶粒,观察到室温可见光致发光现象,该方法可以人工设计并有效控制晶粒尺寸且材料内部结构均匀.本文将报道KrF准分子脉冲激光辐照a-Si薄膜制备室温呈现可见PL特性的硅晶粒的新方法,所用激光具有曝光面积大、能量高、作用时间短等特性,其晶化的均匀程度和效率均优于Ar离子激光,并且是一种“低温”、“干法”晶化过程,对衬底影响较小,从而有利于提高晶化样品性能,形成均匀的纳米晶粒,以期研究获得可见发光材料的新途径.