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     

Si/SiO_2异质界面的超精细硅量子线

作为半导体科学技术研究前沿领域的硅低维量子结构,它无论在低维物理基础研究,还是在技术应用上,都具有十分重要的意义.硅量子线作为纳米电子学的基础,将发展实现特大规模集成电路和开拓新一代硅量子效应的器件;同时,这种人工设计的一维微结构材料的能带结构不同于天然硅材料,可望获得高的发光效率,用于发展硅基集成光电子技术.国际上采用先进的材料生长手段和各种亚微米级以至纳米级的超微细     

有机溶剂诱导的多孔硅光致发光猝灭机理

1990年多孔硅室温可见光发射的报道引起了科技界的极大关注.现已形成了一个对硅材料研究很活跃的领域.目前的研究焦点主要集中在以下几方面:(1)发光机理的探讨;(2)改善发光的稳定性,提高发光的量子产率及制备各色光的多孔硅量子线阵列;(3)研制多孔硅光电器件;(4)发光的化学碎灭特性及其应用的研究. 我们研究了三类有机溶剂对多孔硅光致发光的猝灭作用。烷烃不猝灭发光(包括环己烷、正庚烷和溴乙烷等),而且还有很弱的增敏作用.但苯具有弱的猝灭效应.气相浓度(以氮气作稀释气体)为 1.9 × 10~(-3) mol/L时,猝灭了发光强度的15％,猝灭过程光谱没有蓝移或红移.含氧有机溶剂,包括甲醇、乙醇、四氢呋喃、二氧六环、环氧氯丙烷、乙醚、苯甲醚、乙酸乙酯、乙酸甲酯、丙酮和丁酮等,它们的猝     

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     

多孔硅光致发光激发谱测量与机理分析

对多孔硅光致发光光谱(PL)和光致发光激发谱(PLE)的研究可以获得许多有关多孔硅发光机理的信息。已有许多文章报道了多孔硅发光的光谱特性和多孔硅的制备条件以及后续处理之间的关系,并据此提出了不同的发光模型。也有人对多孔硅的发光特性和激发条件间的关系进行了研究,并提出多孔硅的发光和表面态或荧光中心有关。我们用不同波长的单色光作激发源,测量了多孔硅发光的光谱特性,并用连续变化波长的单色光作激发源,测量     

Er离子注入多孔硅的发光

硅是最重要的半导体材料,在微电子领域有着广泛的应用.室温下硅的禁带宽度为1.11 eV,相应的发光波长为1.14μm.在近红外波段,硅是间接带材料,发光效率很低,无法在光电子领域实际应用.近年来,人们用稀土离子Er掺入硅中,获得了Er~(3+)离子在1.54μm的近红外发光.这正是光纤传输的最低损耗波段.在掺Er的硅基材料上能否获得有实用功率的发光或激光器件,人们对此表现了极大兴趣.然而,理论评估表明前景不容乐     

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     

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…     

硅基SiNxOy薄膜的光致发光

为了实现硅基光电子集成,人们正在致力于探求合适的硅基发光材料.由于SiO_2薄膜是硅集成电路中重要的掩蔽膜和介质膜,因此人们正在将它作为一种有前途的发光材料进行研究,并获得了一些有价值的结果众所周知,SiN_xO_y薄膜也是硅集成电路中重要的掩蔽膜和介质膜,由于它比SiO_2薄膜具有更多的优点,并在超大规模集成电路中得到了越来越多的应用,所以研究SiN_xO_y薄膜是否可以成为一种合适的硅基发光材料也就显得十分有意义了.就我们所知,还没有文献报道SiN_xO_y薄膜光致发光(PL)特性的研究.     

SiO2薄膜注Si^＋后的蓝光发射

由于成熟的硅平面工艺已使硅成为目前不可取代的最重要的半导体材料,因此为了实现未来的硅基光电子集成,硅基发光材料正成为研究热点.广泛应用于硅集成电路中的SiO_2.薄膜有可能成为一种硅基发光材料.最近有人采用高注入能量在硅基SiO_2.薄膜中注入高剂量Si~+,获得了约为2.0eV的光致发光.假如SiO_2薄膜还可以发射绿光和蓝光,则为全色显示提供了必要条件.虽然某些SiO_2块体材料在低温下存在～2.7eV的光致蓝光峰,但有人报道SiO_2薄膜中不存在～2.7eV的蓝光发射.我们采用离子注     

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     

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.     

全硅光波导开关中的热光效应光交换

硅材料在微电子学领域获得了巨大的成功。近年来,将这种成功拓展到光电子学领域已成为众多研究人员追求的目标。基于硅材料及其工艺技术的光电子器件的研究日益增多。在硅光波导开关及其阵列方面,已报道了许多利用自由载流子等离子体色散效应来实现光路交换的研究。这类器件利用pn结向波导局部注入载流子,通过降低这一区域的折射率来实现光路交换。由于需要高密度的注入,在pn结附近的电功耗很高,往往会引起器件局部温升。Nazarova的研究表明,与温升相关的热光效应会引起硅材料折射率的增加。因此,这种伴生的热光效应极可能抵消自由载流子等离子体色散效应,从而改变器件的正常工作特性。我们在非对称全内反射型2×2硅光开关中,首次观察到了这种因热光效应超过自由载流子效应而引起     

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。     

多孔硅的电位调制波长的可见光发射

虽然早在60年代就发现了单晶硅在氢氟酸中阳极氧化时伴随的电致荧光现象,直到1991年,随着多孔硅室温下可见光致荧光的发现,才真正认真开始了多孔硅电致发光的研究,由于PS固体电致发光器件的能量转换效率极低 10~(-4)～10~(-6),通常认为是导电镀层不能与表面粗糙的硅多孔层很好接触所致.为解决这一问题,Kelly等提出并实现了在强氧化剂溶液中阴极极化多孔硅的可见光发射,从而开辟了液相PS电致发光的新领域.通过对其电化学及光谱特性的研究,有助于弄清半导体电极的光电化学过程及荧光发射机制.Bsiesy在过硫酸铵溶液中调节多孔硅阴极偏压来改变电致荧光的波长,为可控波长的电光转换开辟了新途径,显示了硅在光电子学领域的巨大应用前景.本文对低掺杂N型多孔硅电位调制波长可见荧光发射现象进行了深入研究,首次报道了电致发光随时间淬灭峰位红移的光谱特征,并就其发光机制加以讨论.1 实验方法本实验所用样品为(100)晶面抛光的N型单晶硅,电阻率3～5Ω·cm.采用恒电流方式(电流密度=5mA/cm~2)阳极电解,对电极为透光的Pt网,电解液由重量百分比1:5:5的HF:EtOH:H_2O组成.氧化过程中用功率50W的卤钨灯照射,腐蚀10min后样品表面形成黄色多孔层,在紫外光激发下发出明亮的红黄色光.     

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.     

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。     

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.     

多孔硅的热氧化与光致发光

多孔硅的室温可见光发射现象报道迄今已3年有余,Canham和Lehamm分别提出了光发射的量子限制模型,来解释多孔硅的光致发光现象.我们前期工作中发现的多孔硅的荧光峰值能量随HF酸浓度变化的“台阶”行为,有力地支持了量子限制模型.但对于荧光强度的变化和一些与表面后处理有关的实验事实,仅用量子限制模型则不能给出令人满意的回答.关于多孔硅光致发光的机制仍是一个争论的问题.