多孔硅的制备及其光致发光性能研究

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硅基发光材料是近年迅速发展起来的一类新型光电信息材料。多孔硅(porous silicon,PS)由于其在室温下具有很强的发光性能,而受到科研界的普遍关注,一旦其能够实现高效且稳定的光致发光和电致发光,将有望在硅基光电子集成技术中发挥重要作用。本文采用传统的电化学阳极腐蚀法制备p型多孔硅(p-PS),研究了室温下PS在200~700nm范围内3D荧光光谱,得到了PS在可见区的荧光峰位。系统研究了阳极腐蚀条件(腐蚀时间、氢氟酸浓度、电流密度以及p型硅片的掺杂浓度)对PS室温可见区光致发光性能和形成PS孔径特点的影响。结果表明,腐蚀时间和电流密度的增加以及HF浓度和掺杂浓度的减小,都能引起PS的PL峰位蓝移,而PS发光强度的变化则较为复杂,并根据量子限制效应和PS的形成机制对此进行了解释。有别于常见的阳极腐蚀加光照协助的方法制备n型多孔硅(n-PS),本文采用基于霍尔效应的办法在n型硅衬底上腐蚀制备n-PS,并对所制得的n-PS发光性能和孔结构进行了分析。结果表明基于霍尔效应制备的n-PS具有很强的发光性能,且随着外部磁感应强度的增加,形成PS孔隙率增大且PS层变厚,磁场作用明显增强PS的发光效率。此外,还应用了数字图像处理与分析技术,探讨了一种基于SEM照片计算多孔硅样品孔径分布和面孔隙率的新方法,其所得结果与实验测试结果相近。在PS上采用电化学阴极沉积金属Ag,力图形成比Si-H终止键更稳定的化学键Si-Ag,钝化其表面,来改善多孔硅的发光性能。实验结果表明,沉积电流密度和PS表面亲、疏水性对沉积Ag形式和均匀性有一定的影响。沉积Ag覆盖在多孔硅表面与硅形成Si-Ag键,稳定的Si-Ag键能够有效地抑制硅悬键的形成,减少非发光中心,从而抑制发光强度的衰减和稳定发光性能;过量的Ag沉积会使PS发生荧光猝灭现象。
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