多孔硅的制备方法和成核机制

多孔硅的制备方法和成核机制

材料导报网刊 2007年12月第5期 22

多孔硅的制备方法和成核机制

吴现成1，闫大为1，徐大印1，甄聪棉2

（1 烟台大学光电学院物理系，烟台264005；2 河北师范大学物理系，石家庄050000）

摘要 目前多孔硅研究已经成为众多研究者关注的热点之一，它在微电子机械、激光器、探测器、传感器、燃料电池,太阳能电池等许多领域具有巨大的应用潜力。首先陈述了常见的多孔硅制备方法,其中超声声空化物理化学综合法将光致发光峰半峰宽压缩至3.8nm的报告振奋人心。随后引出比较流行的3种多孔硅成核机制模型,量子限制模型得到大多数的认可。最后,分析了最近国内外多孔硅的研究和应用情况,并指出尺寸厚度精确可控、机械硬度高、孔隙分布均匀、发光稳定性高的多孔硅依然是制备工艺追求的目标。

关键字 多孔硅 成核机制 制备方法 制备工艺 中图分类号: O 471. 1 文献标识码: A

Preparation Methods and Nucleation Mechnisms of PS

WU Xiancheng1, YAN Dawei1, XU Dayin1,ZHEN Congmian2

(1 Department of Opto-electronics，Yantai University，Yantai 264005；2 Department of Physics，

Hebei Normal University，Shijiazhuang 050000)

Abstract At present, porous silicon(PS) has become a hot research subject all over the world, because of its potential application value in MEMS, laser devices, detector, sensor, fuel battery, solar battery fields. The common preparation methods are introduced, among which the ultrasonic cavitation physicochemical synthesis method makes the full width at halfmaximum (FWHM) less than 3. 8nm, which is very inspiring. Subsequently, three nucleation mechnisms are brought up, and the quantum confined model is recognized by most researchers. Finally, the domestic and international study and application situation are analyzed. It’s pointed out that the control of pore size and thickness, high mechanical rigidity, uniform distribution of porosity and steady photoluminescence are still the aim of preparation technique.

Key words porous silicon, nucleation mechnisms, preparation methods, preparation technique

0 引言

光电集成是信息科技发展的必然趋势，然而支柱材料体硅的禁带宽度窄小（约1.12eV），又是间接带隙半导体，使其不能直接应用于光电器件[1]。直到1990年，Canham发现多孔硅室温下强烈光致发光现象，才再一次引发硅基发光材料的研究热潮[2]。近十几年来，多孔硅的研究主要集中在成核机理、微结构特征和发光机理3方面，正确认识这些问题对于实现硅基材料光电集成和新型光电器件的开发有重要意义。在微电子机械系统中，多孔硅层表面经常沉积功能薄膜材料，作为优良的牺牲层和热绝缘层[3]。徐东升利用多孔硅为摸板制备了取向性好的碳纳米管阵列，对实现碳纳米管的应用具有重大价值[4]。最近，张乐欣等研究了多孔硅的光子晶体效应，并计算模拟了多孔硅光子晶体的典型反射谱,其在波导、微腔、滤波器、传感器、高效率的发光二极管等很多方面都具有潜在的应用[5,6]。本文阐述了常用的几种多孔硅制备方法并阐述其成核原理，以便进一步了解多孔硅微结构的形成过程。

1.1 电化学腐蚀

图1为电化学腐蚀装置[11]。槽材料选用不受HF腐蚀的聚四氟乙烯或有机玻璃[12]。图1(a)中，贵金属Pt作阴极，环氧树脂密封HF/Si接触面，乙醇作为电解液载体(多孔硅具有显著的疏水性和亲有机性)[11~13]；基片背面蒸镀电导率高的金属(如Al）形成欧姆接触，防止腐蚀电流密度局部不均匀。图1(b)为双腔结构，低阻硅基片不需欧姆接触处理；电解液的循环系统促使气泡快速逸出和溶液及时更新，保持腐蚀速度稳定。

(a)单腔结构电解槽 (b)双腔结构电解槽

图1 电化学腐蚀装置

Fig. 1 The devices of electrochemistry corruption 电流流经硅片引发阳极氧化还原反应，方程为：

1 多孔硅的制备方法

1956年，Uhlir在HF电解液中电化学腐蚀制备多孔硅，之后陆续出现了化学腐蚀、电偶腐蚀、脉冲电化学腐蚀、激光引导电化学腐蚀、等离子体刻蚀、水热腐蚀、超声声 空化物理化学综合法[10]等，制备手段形成多样化和特性化。

[8]

[9]

[7]

Si+2HF+h+=SiF2+2H++e— （1）

SiF2+2HF=SiF4+H2 （2）

SiF4+2HF=H2SiF6 （3）

吴现成：男，1962年生，教授，博士后 E-mail: wuxch62@http://www.77cn.com.cn

多孔硅的制备方法和成核机制

多孔硅的制备方法和成核机制/吴现成等 23

由此得出：第一，硅溶解必须有空穴参与，浓度越大溶解速度越快，没有空穴参与腐蚀也停止[14]；第二，氢气产生于阳极接触面，易被吸附在孔隙内表面，但其绝缘效果导致孔隙度分布变宽；第三，存在2种反应竞争，一种是硅溶解，另一种是硅氟化物溶解，硅溶解速度小于硅氟化物溶解速度是多孔硅产生的前提。

1.2 化学腐蚀

化学腐蚀将硅片浸入在一定浓度HF/HNO3/H2O混合液中，利用形成的局部电解电池产生腐蚀电流[15~17]。本质上，化学腐蚀是各向同性自催化氧化化学反应，方程为：

Si+2h+=Si2+ （4） H2O=H++OH— （5） Si2++ OH—= Si(OH)2 …… 此处隐藏：6317字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……