（凝聚态物理专业论文）纳米全硅基光电子有光子材料多孔硅及其微腔的特性研究.pdf

3 c 1 2 2 2 j 旦上学文 摘要 纳米全硅基光电子及光子材料一多孔硅 及其微腔的特性研究 物理 学生姓名熊祖洪 系凝聚态物理专业 导师姓名侯晓远导师职称教授 本论文主要包括以下四方面关于多孔硅及其微腔的研究工作： 、( 一) i 酋毖磐希疲新封事方膳和嘉基覃群毒劈豌茜幼断究多孔硅徽腔的发光 特性与傲腔结构参数和中心层发光峰两者的关系，为本文的主要工作多 孔硅徽腔的实验设计与结莱讨论提供了可靠依据 ， 先用有效折射率法来计算微腔中心层两边的等效折射率，这样就把微腔的 、 多层膜结构简化为单层膜结构，只是该单层膜两边的介质为等效介质；然后再 根据菲涅耳公式计算微腔上表面的出射谱。得到了如下结论：( 1 ) 多层多孔硅成 为微腔的条件是：4 兀h d 。= 4 n l d 。= 1 3 c d 。= 九，也就是只有中心发光层的光学厚度处于 b r a g g 反射镜的高反射区( s t o p b a n d ) 时，窄峰才可能出现；( 2 ) 窄峰的峰位由 中心发光层的光学厚度决定：( 3 ) 影响共振峰峰型、半宽和强度的有b r a g g 反射 镜的周期数和b r a g g 反射镜高低折射率的对比度；( 4 ) 增加反射镜高低折射率的 对比度或变b r a g g 反射镜的几何周期性结构为非周期性结构可虬展宽b r u g g 反 射镜的高反射区，从而有可能使微腔的发射峰只出现共振峰，使微腔发射颜色 、 更纯的光。j ( 二)l 茬留赢亡葶煳脉冲电化学腐蚀取代常规直流腐蚀来制备第1 型多孔硅 徽腔，获得了层结构平整和光发射褥蓟改进的多孔硅徽腔 1 多孔硅单层膜的扫描电镜( s e u ) 平面视图显示；脉冲方法腐蚀的多孔硅薄膜 j 要比用常规直流腐蚀法得到的多孔硅更均匀和平整；利用脉冲腐蚀法还可得到 z h x i o n 9s t 帕c f p h j n j c s m ， 栅m n 甜k e y 工d 酣r 雌f 竹，脚叼d i - 5 i b h dp h 叶o n ed - l d 。p t 娃i - c t r o r _ c m o t c w 训s 攒旦 掌 博士论文 几个纳米起伏的界面和周期重复性很好的b r a g g 反射镜；值得一提的是：本文 提出的制备多孔硅微腔的新方法还能在中心层得到直径为1 0n n l 左右、沿着腐 蚀方向排列的高发光效率的纳米硅柱。脉冲腐蚀法制各的多孔硅微腔的光致发 光( p l ) 谱随发射角呈现出高方向性、单膜( 没有肩形峰) 和更加窄化的特点；在 自然条件下存放一定时间后微腔的p l 显现出峰宽更窄和颜色更纯的结果：微腔 的窄p l 峰灵敏于有机分子( 如机械泵油分子) 在其孔表面的吸附或孔里的填充： 微腔发光的温度效应表明测谱顺序影响着发光强度随温度的分布( 即从低温到室 温的测谱结果与是从室温到低温的测谱结果不同) 。相对于常规直流腐蚀法，脉 1 冲腐蚀制备的多孔硅微腔具有更好的界面特性是其发光特性得到改进的原因。) ( 三)结合分子束外延技术和电化学腐蚀方浏茬冒赢亡黼到了第1 i 型多 孔硅徽腔。 厂 f 微腔截面的扫描电镜( s e u ) 图清楚地显现出第1 i 型多孔硅微腔的三跟治结 构即中心发光层被夹在两个b r a g g 反射镜之间。该微腔发射峰的半宽受到了 一个量级的压缩( 即从1 5 0i i l l 1 降至1 4n m ) ，而且通过调节电化学腐蚀参数( 电 流密度或腐蚀时间) ，窄峰可以5n m 间隔在7 0 0n m 至8 1 0n m 的范围内出现。 用理论计算方法确定了几种制各条件下微腔中心层的发光峰峰位，并与相应微 腔的共振峰峰位进行了比较。微腔的发光( p l ) 随激光照射的连续谱表明多孔硅 微腔的发光较单层多孔硅的要稳定。这些结果表明结合分子束外延技术和电化 学腐蚀方法可以很容易得到多孔硅微腔，为证明多孔硅中是否存在受激辐射 ( s t i m u l a t e de m i s s i o n ) 或激射( 1 a s i n g ) 准备了一定条件，也为多孔硅在s i 基 r 、 光电子集成电路中的光互联的潜在应用提供了新途径。 ( 四) 报道了把多孔硅( p s ) 放在稀( n l i ) z s c 战删溶液里进行短时问漫泡之后 又在紫外光( o r e ) 下进行辐照激发的l 蔚纪赢方掰，获得了发光强度增加和稳定 性得到提高的多孔硅样品 ， ( 后处理p s 的光致发光强度与未经后处理样品的p l 相比，在( n 地) z s c 2 h s o h 溶液浓度和紫外光照射时间一定时因浸泡时间的不同其强度有几倍到二十几 z 1 4 x i o ，峥s r f a c e 蛳，叫l a b t t v a t j o t m t 协驯亭r 口i j p t l t _ 州嘈口1 1 一引b a l dp l 坩o n i ca 柑o l m o * l e c l r o 血m t l a l l 槎旦上擎 博士论文 倍的增加，峰位没有明显地移动。处理后p s 样品的p l 峰值随激光连续激发的 几个小时内，在大气中呈现先指数衰减、后线性增长、再缓慢增加和最后趋于 饱和且稳定，但在真空( 约1 帕) 中却是一直衰减到个稳态值的新特点。通过 对处理前后样品的傅利叶变换红外吸收( f t i r ) 谱的测试与分析，表明后处理在 样品表面产生了s i h ( 啦) s i o - s i 和s i n 。m 三种使多孔硅的p l 强度增加和稳定 性得到提高的优质钝化膜。这种新方法提供了对p s 进行有效后处理的简便新途 、 径，在进一步阐明p s 的发光机理也有重要意义。 关键词：多孔硅；微腔：脉冲腐蚀：分子束外延；有效折射率：光致发光 钝化后处理。 z h i o “js n r f 舯e 尸 州廿肼咖删协驯自帅佃巾d 岫_ 一翻一h 。耐p i 帅k 州坤+ h - 酣岫_ 时r h “ a b r e a c t 棋里，e 擎 博士论文 a b s t r a c t i n v e s t i g a t i o no fp h o t o l n m i n e s c e n c e f r o m p o r o u ss i l i c o n a n d p o r o u s s i l i c o nm i c r o c a v i t i e s ，t h ea 1 1 s i b a s e d o p t o e l e c t r o n i ca n dp h o t o n i c m a t e r i a l s p h y s i c sd e p a r t m e n t c o n d e n s e dm a t t e rp h y sic s ，日门p j z h i o n g d i r e c t o r ：x y h o up r o f e s s o r i nt h i st h e s i s ，f o u rp a r t sa b o u tp o r o u ss i l i c o na n dp o r o u ss i l i c o n m i c r o c a v i t i e sa r e m a i n l yi n c l u d e d a sf o l l o w i n g ： ( 1 ) 哂，t h e 加耐t i r e db yc o m b i n i n g t h ee f f e c t i v er e f r a c t i v ei n d e xm o d e la n d f r e s n e lf o r m n l a ，w eh a v ei nd e t a i l s i n v e s t i g a t e d t h ep h o t o l u m i n e s c e n c e 口l 1 f e a t u r e so ft h ea l l - p o r o u s s i l i c o nm i c r o c a v i t i e sv e r s u st h e i rg e o m e t r i c a la n d o p t i c a lp a r a m e t e r sa n dt h ep le m i s s i o nf r o mt h ea c t i v el a y e ro ft h es a n d w i c h m i c r o c a v i t ys t r u c t u r e t h e s ec o n c l u s i o n sa c h i e v e dh a v ep r o v i d e dt h ef o u n d a t i o n f o rt h ee x p e r i m e n t a ld e s i g na n dt h ed i s c u s s i o no ft h er e s u l t sa b o u tt h ep o r o u s s i l i c o nm i c r o e a v i t i e s ，t h em a i nw o r ki nt h i st h e s i s t h ep r o c e s su s e df o rs t u d y i n gt h ep le m i s s i o nf e a t u r ef r o mt h em i c r o c a v i t i e s i n c l u d e st w o s t e p s ( i 1c a l c u l a t i n g t h ee f f e c t i v er e f r a c t i v ei n d e xb e s i d et h ea c t i v el a y e r b yt h ee f f e c t i v e r e f r a c t i v ei n d e xm o d e ls ot h a tt h e m u l t i l a y e r so ft h em i c r o c a v i t y b e c o m ei n t oa l le f f e c t i v es i n g l e l a y e r ( i i ) f i g u r i n go u tt h ep le m i s s i o ns p e c t r af r o m t h eu p p e rs i d eo f t h ee f f e c t i v es i n g l e 1 a y e rb y e m p l o y i n g 山ef r e s n e if o r m u l a ( 2 )胁，t h ef i r s tt i m e 加t h el i t e r a t u 刊，i n s t e a d o fe m p l o y i n gc o n v e n t i o n a j d i r e c t - c u r r e n t e t c h i n gm e t h o d ，p u l s e da n o d i ce t c h i n gt e c h n i q u eh a sb e e nu s e d t o f a b r i c a t et y p e - i p o r o u ss i l i c o nm i c r o c a v i t i e s ，a n df l a tl a y e r e d s t r u c t u r ea n d i m p r o v e dp l e m i s s i o nh a v e b e e na c h i e v e df r o mt h em i c r o c a v i t i e s t h es c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p yr s e m ) p l a n n v i e wi m a g e ss h o wt h a tt 1 1 e s i n g l e - l a y e rp o r o l l ss if o r m e db yp u l s e de t c h i n gi sm o r eu n i f o m la n df l a t t e rt h a nt h e s a m p l ef o r m e db yd i r e c tc u r r e n te t c h i n g 0 r i e n t e dn a n o m e t e rs ic o l u m n sa l o n gt h e e t c h i n gd i r e c t i o nw i t l i i nt h ea c t i v el a y e r a n dg o o dr e p r o d u c i b i l i t ya n df l a ti n t e r f a c e s a r eo b s e r v e di nt h es e mc r o s s s e c t i o n a li m a g e s s i n g i nm o d e h i g h l yd i r e c t i o n a la n d s t a b l ep h o t o l u m i n e s c e n c er p l ) e m i s s i o n 行o mt h ep o r o u ss i l i c o nm i c r o c a v i t i e s ( p s m s ) i sp r e s e n t e d e x p o s u r et oh e g d1 a s e rb e a m t h en a r r o wp ls p e c t r u mo ft h ef r e s h l y p r e p a r e dp s mi ss t a b l e i na d d i t i o n s t o r e di na m b i e n tc i r c u m s t a n c ef o rt w ow e e k s z h x i o a 9s ”r f a c t p h 声j c sl a b ( n a n o n a t k e y l a b ) f , r e 叩f ”呻j 喈a _ 翻一b a m c lp 1 岫ke n d 们k t _ c m a 十l r 4 e l s i v a b s t r a c t 揍旦上擎 博士论文 t h en a r r o wp lb e c o m e sn a _ r l - o w e r ( 5 4r i m ) b e t t e ri n t e r f a c e si nd b r sh a v eb e e n r e g a r d e da st h ef a c t o r st ob e n e f i tt h ep u l s e d - c u r r e n te t c h e dp s mw i t hg o o do p t i c a l f e a t u r e s ( 3 ) f o rt h e f i r s t t i m ei nt h e i i t e r a t u r 且t y p e - l lp o r o u s s i l i c o nm i c r o c a v i t i e sh a v e b e e na c h i e v e db yt h ee l e c t r o e h e m i c a l e t c h i n g o fas im u l t i l a y e rg r o w nb y m o l e c u l a rb e a m e p i t a x y n a r r o wp l p e a k sw i t haf w h m o f1 4 2 0n m p o s i t i o n e di nt h ew s v e l e n g t h r a n g eo f 7 0 0 8 1 0a m w e r ea c h i e v e df r o mp o r o l l ss i l i c o nm i c r o c a v i t i e sf a b r i c a t e db y e l e c t r o c h e m i c a l l ye t c h i n g t h e m b e - g r o w ns im u l t i l a y e r sw i 山a l t e m a t e l yd o p e d c o n c e n t r a t i o n sa n dl a y e rt h i c k n e s s e s s e mm i c r o g r a p ho ft h ep s m c l e a r l ys h o w s t h e s a n d w i c hs t r u c t u r e ，t h a ti s ，a na c t i v el a y e re n c l o s e db e t w e e nt w od i s t r i b u t e dp o r o u s s i l i c o nb m g g r e f l e c t o r s b yc a r e f u l l ya d j u s t i n gt h eg r o w t ha n dt h ee t c h i n gp a r a m e t e r s s u c ha st h et h i c k n e s s e so ft h es ie p i t a x yl a y e r s t h ee t c h i n gc u r r e n td c n s i t ya n dt h e e t c h i n gt i m e ，t h ew a v e l e n g t ho f t h el l a r r o wp lp e a k sc a r lb et u n e do v e ra 、“d e w a v e l e n g t hr a n g eo f v i s i b l el i g h t t h e s er e s u t sr e v e a lt h a tt 1 1 ep s m sc a nb ee a s i l y f a b r i c a t e db ye l e c t r o c h e m i c a l e t c h i n g o f t h em b e - g r o w ns im u l t i l a y e r s ( 4 ) 4 s i m p l eb u te f f e c t i v ep a s s i v a t i o nm e t h o df o rp o r o u ss i l i c o n h a sb e e n d e v e l o p e d ， i m m e r s i o no fa s e t c h e dp si nd i l u t em h 4 ) 2 s c 2 h s o hs o l u t i o nf o l l o w e db y u l t r a v i o l e tl i g h ti r r a d i a t i o ni na i rc a nl e a dt oa ne n h a n c e m e n to fp h o t o l u m i n e s c e n c e ( p l ) u pt om o r et h a n2 0t i m e s m o r e o v e r ，t h ep lj sq u i t es t a b l ee v e ni l l u m i n a t e db y l d s e rb e a mf o ts e v e r a lh o u r s 1 n f r a r e da b s o r p t i o na n da u g e re l e c t r o ns p e c t r o s c o p i c m e a s u r e m e n t ss h o wt h a tt h ef o r m a t i o no fs i h ( 0 3 ) ，s i o s i ，a n ds i n x h v b o n d sa r e f o r m e d d u r i n g t h e p o s t - t r e a t m e n tp r o c e s s i t i st h u sc o n c l u d e dt 1 1 a tt h ep l e n h a n c e m e n tc a nb ea t t r i b u t e dt ot h ep r e s e n c eo f c o m p a c tp a s s i v a t i o nf i l m sc o n s i s t i n 2 o ft h eo x i d e sa n dt h en i t r i d eo nb o 山e x t e m a la n di n t e r n a ls u r f a c e so ft h es p o n g e l i k e p s s a m p l e s t h e r e f o r e ，t h ep r o p o s e dm e t h o dc o u l d b ec o n s i d e r e da sa s t r a i g h t f o r w a r d a n de f f e c t i v et e c h n i q u ef o ra c h i e v i n gi n t e n s ea n ds t a b l el i g h te m i s s i o nf r o mp o r o u s s i l i c o n k e y w o r d s ： p o r o u ss i l i c o n ；m i c r o c a v i t i e s ；p u l s e de t c h i n g ；m o l e c u l a rb e a me p i t a x y ； e f f e c t i v er e f r a c t i v ei n d e x ；p h o t o l u m i n e s c e n c e ；p a s s i v a t i o n ， z 1 , 4 x i o 叼轴帕“p h y s i c sl a b f t c a u o c m l k e y b 轩呷f 钾嘶畸口s i b 雌dp h t o t ca n d 。p 似i c 协疵m t m k ” 第一章前言j 9 f 旦，之擎博士论文 第一章前言 1 1引言 多孔硅，顾名思义即是多孔的硅材料。多孔硅受科学界重视的一个非常重 要的原因是它具有不同于单晶硅的光学特性：即在被光或电激励时多孔硅能在 室温下发射强的可见光。 众所周知，硅基超大规模集成电路的发现造就了今天的信息时代。到目前 为止，在不到l c m 2 的硅片上可以制做数亿个集成元件，线条宽度已达到深亚微 米量级。但是，随着时代的发展，计算机( 或微处理器) 需要更快速地进行更 大容量数据的处理与传输，而硅平面工艺和微细加工技术的进一步发展受到了 很大限制，想进一步提高超大规模集成电路的集成度则变得十分困难。在这种 情况下人们认识到：若把光予作为一种信息载体引入到发展得非常成熟的微电 子电路里，实现光子与电子的集成，即硅基光电子集成，则有可能突破目前集 成电路的工作速度和信息存储量的限制。 但是，广泛应用于微电子电路的单晶硅是问接带隙半导体，其发光因需要 第三者一声子的参与而十分微弱( 发光效率约为1 0 1 ) ，而且这微弱的发光还处 于人眼不灵敏的红外光波段。因此，长期咀来硅作为发光材料在光电子领域的 应用显得十分渺茫。1 9 9 0 年，英国科学家c a n h a m 发现的室温下高效率发射可 见光的多孔硅因很有可能改变硅在光电子领域的不足，很快在科学界引起了一 个研究热朝。因为它不仅打破了人们原来认为硅作为间接带隙半导体难于实现 高效发光的思想禁锢，而且若能实现有效的硅可见光发光二极管( l e d ) “1 ， 并将它和硅超大规模集成工艺相结合，就可望实现低成本的全硅基光电子集 成。这将会是微电子和光电子技术领域中的一次新的飞越。 1 2 多孔硅的发现与研究历程 室温下发射强可见光的多孔硅是在1 9 9 0 年发现的，可它并非是一种新材 料。早在5 0 年代，贝尔实验室的u h li r “1 在研究s i 的电化学抛光时发现：若 z h x i o 旧瓢咖“世州抖m m 删聊l 叫导呻衙岬崎。n 捌一b 岫dp h m 1 c 。柑。p t o 1 c t 哪k 胁r l a l s l 第一章前言握算上擎博士论文 s i 片在一定浓度的h f 酸溶液中被通以一定条件的腐蚀电流密度，其表面不是 被抛光，而是出现一层红色、棕色或黑色的膜层，这就是我们现在所说的多孔 硅。不过当时人们并没意识到这层膜具有多孔的特性。直到七十年代，这种具 有多孔特性的膜结构才被w a t a n a b e 等人”发现。由于多孔硅的比表面积很大， 极易被氧化，所以七、八十年代人们主要利用多孔硅的这种性质把它应用到集 成电路中做s o i ( s i l i c o n - o n - i n s u l a t o r ) 结构的隔离层”。1 。在这近四十年的时 间里，文献中发表的相关文章少于2 0 0 篇。因此，在9 0 年代以前多孔硅的研究 并没有受到极大关注。 自1 9 9 0 年多孔硅室温下发射强可见光的光学特性被报道以后，人们对其 量子海绵的微结构、形成机理、与量子限制和表面态有关的发光机制、电致发 光( l e d ) 、改进发光稳定性的后处理、以它为发光器件的硅基光电子集成、引 导裁剪和探测以及调制光的光子器件( 如光波导、布拉格反射镜、滤色片、微 腔、探测器、调制器等) 和多种传感器等方面进行了广泛深入地研究。这些研 究在几篇综述性文献 9 - 1 1 中有详细 的报道，在此不在复述。当然，在其 结构、形成和发光等方面多孔硅的研 究还存在许多争议，还没有取得一致 看法。九十年代前几年s c i ( s c i e n t i f i cc i r a t i o ni n d e x ) 收录 的关于多孔硅的文章就多达数千篇 i t 门 1 3 多孔硅基光电子和光子器件 多孔硅基器件主要有两大类： 即光电子和光子器件，如右边的分类 图l - 1 所示。多孔硅光电子器件是指 多孔硅在光或电的激励下产生电子和空 z 1 4 x i o 岣s ：i 咖；r 产枷扫肼酬伽讲铆如印钾呻f 什删吩d i 一辩一b 翻一p h t 咄一叩憎k ：_ 慵k _ 巾m k 2 覆算上擎 博士论文 图1 3 左：有多孔硅光波导的多孔硅边发射器件示意图； 中：器件的孔谱r r e 和n 巾以及没有 j 膜层时的p l 发射； 右：p l 随极化角的变化谱。 穴，这些载流子可以辐射复合发光f 如多孔硅光发射二极管【2 4 1 2 。1 棚) ，也可以在 电场作用下定向移动产生电信号( 如光探测器【15 。 】) ，或以电能形式储存起来( 多 孔硅太阳能电池，如图1 _ 2 所示【1 5 b 。多孔硅光子器件则是指把多孔硅作为一种 光学介质，它既可以传导、分解光( 多孔硅光波导，如图1 - 3 1 9 】和1 4 i 硎所示) ， 也可使与之发生作用的光在某些方向上得到增强或减弱( 横向多孔硅超晶格【2 ”， 如图1 5 所示；b m 鹞反射镜、滤光片或微腔 必】；多孔硅光干涉生物传感器 闭，如图1 - 6 所示；气体【2 7 ，2 l 传感器等) 。下面主要简介多孔硅光电子器件( 光发 z h x h 畸鱼咖p 4 y 酊c + 幻”忆删研驯_ f _ 对畸- l ，一嗣b - i 一t _ 一。峄_ - - 由咄_ 柏_ 3 第一幸前言 9 【旦土擎 博士论文 射二极管、光电子集成和光探测器) ，以此引出研究多孔硅的方向。 1 3 1 多孔硅光发射二极管 自1 9 9 0 年发现多孔硅在室温下强可见光发射后，人们对其结构、形成和发 光进行更深入研究的同时，还在研究制各多孔硅光发射二极管( p s l e d s ) 。因为 只有首先实现了单个的p s l e d 后，才可能谈及廉价的全硅基光电子集成及其 在光互联和显示方面的应用。关于多孔硅光发射二极管的各种器件结构和性能 参数在文献【2 4 ，1 2 1 4 ，2 9 - 3 3 中有详尽的报道，在此主要简述1 9 9 5 年c a n h a m 研究小组【3 4 1 制作的具有代表性的全固态、与大规模集成电路匹配的p s l e d 。 该器件具有发光效率高、驱动电压小和功耗小等特点。 器件制备过程和结构如图1 7 所示。该器件制备分四个步骤：( 1 ) 在n 型 0 0 0 ) 面、电阻率为2 0q c m 的单晶硅片的背面进行能量为7 0k e v 、剂量为 5 x 1 0 ”啪。的磷( p ) 掩主原子注入，然后热退火使其形成欧姆接触；( 2 ) 在该单晶 硅片的上表面注入( b ) 受主原子，能量为3 5k e v ，剂量为1 0 1 6c t l l 2 ( 没有进行热 1 r 面t 鼍接麓正面鼻子注入 多孔化雨面j 电麓 ( 2 )( 3 ) 叵三三堕圈 ( 4 ) 退火) ，其方块电阻为1 8 0 0 啪；( 3 ) 在电解液f i f ：c 2 h s o h 里通3m c m 2 的电流 密度4m i n 且在样品上表面附近用8 0 0w 的卤钨灯照射，使掺b 上表面变成多 孔硅( 多孔度为7 0 ) ；( 4 ) 在后表面通过热蒸发a 1 膜并形成欧姆接触，在上表 面用磁控溅射方法沉积厚度为1 0 0n m 、面积为1 0 dm 2 和透过率为9 0 的i t o 透明电极。器件测试是在气压为1 0p a 的低真空中进行的。 z h ) c j o 啮函咖卵，向口妇抽h m 胁耐坤刎去r 呷衍t u 却蛔叫嗣b - 圳脚帅一i c 州l ， 叫畔t r 础舶t 柏h s 摹一常辩鬻 摇蓦蠢擎博士谵变 - 一i i l l _ - _ - _ _ _ _ - - _ - _ _ - _ _ _ - _ _ _ i - - _ _ l - - i _ _ _ _ i _ _ _ _ _ _ _ l _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ - _ _ - _ _ _ - 一 图i - $ 为输出功率镦度和外量子 效率髓连续注入器释韵惫滚密度的 交纯美系。在e l 能被檬测到的请凝 下，嚣襻鼢瓣穰魄滚密菠为0 番j 刖蠢：在壤压海3 sv 弱没入彀蠢密 度为0 1a c m 2 时，不在略室环境里 就能看蜀嚣彳牛发光。器件所注入电 流密度为o 2 7 0a 甜对痰筠编篷 为4 v 慰，辨鳖予效率为0 1 ；冀 最大约强量子效率可达o 1 8 ，联且这 是霞其驱凌电压岛国筏蠛操掺撩匹配 鹩情况下褥弱鹣。上灏酌数攒蔗在气箍为1 0 粉条件下采察蓟的，在这秘猿激 下器稃王傺5h 后，箕效率下降了4 倍；著程1 0 0 0p a 的气珏环靖下，器件操律 曩分糖菸效率就下繇了1 0 0 镑l 毽链嚣j 发现在气氛下。器件工作时效率降低 较慢。嚣此，多强硅发光器髂也要邀褥封装以避曳水气毂氧气的影嗡。缀基 然，该p s l e d s 的海螽嫩艇出予没有慰p s 发光层避霉亍后处理。 该正撵制备了全硅蓦光电子电照所器效率p o 1 呦的多孔虢光发鸯圣二礅管， 毽蔗在港夏联新要求韵稳怒馥、开关速度鞫输掰渤率密度戳及程纛汞方面豹簧 求糖亮度和色魏牲等都需簧进一步韵研究，褥且该器件缀韵寿命对葜实际应溺 毽楚一天辫褥。 1 3 2 多孔硅基光电予集成的器襻原型 1 9 9 6 年底，美国罗彻靳特大学的h i r s c h m a n 等人f 3 鄹狂英国著名购杂惠 裔然剑虢嫡上报遂了戳多孔硅俸为发淹器释( p s - l e d ) 和硅敷裰登瀑体管燕 戒在一起，款掰在实虢蛊秘爹实现了金谴萋毙逛子榘或辫徉酶原型，这可戳说 是多琵疆研究方瑟懿第二次突破性进艘。鞠i - 9 掰暴的就是胃警激静戬多孔硅 为发光器转豹全建基爽惑予集成图。鎏恕继母掬到菜一行( 对瘦菜一翕锩管萋嚣) z h 。x l 纠垮囊栅州筘妇如却妇曲榭姆触 娜如l 铀剞峰辅，搿叫曲黼耐坤蝻瓤，腓州r 出 6 第一章冀言 横霉史擎 博士论文 和某一列( 对应另一晶体管发射极) ， 就可以选中阵列中所需的多孔硅光发 射二极管并使其发光。 阵列中每一个器件结构都是相 同的。单个p s l e d 器件的结构剖 图l - l o 单个p s - l e d 结构的剖面( a ) 、 p s l e d 与晶体管集成剖面 ( b ) 和其平面( c ) 以及等效电路 图( d ) 。 面、p s l e d 与晶体管集成器件的剖面和其平面以及等效电路图分别示于图l l o 的( a ) 、( b ) 、( c ) 和( d ) 中。图( a ) 的单个p s 发光二极管是这样形成的：( 1 ) 在 l oq c m 的p 型衬底硅( 即图中的i 层) 表面掺杂成p + 型；( 2 ) 用h f c 拙0 h 电 解液进行电化学阳极腐蚀，得到两层孔度不同的p s ( i i i 层的多孔度约为4 0 ，i i 层的多孔度为7 5 - - 8 0 ) ：( 3 ) 在如：= 1 ：9 的气氛中和温度为 8 0 0 - 9 0 0 条件下对p s 进行钝化后处理( 又叫高温干法部分氧化法) ，使高孔 度p s 形成富硅氧化硅( s r s 0 ) ；( 4 ) 通过低压化学气相淀积在6 1 0 外延一层 多晶硅并掺杂成n + 型再在9 0 0 1 0 0 0 下退火，即为i v 层；( 5 ) 最后在n + 层 上蒸a 1 膜形成电极。 这个多层结构在功能上是与现在的i v 族半导体高效发光器件的结构相似 的，即“三明治”结构：i 层为空穴传输层，i v 层为电子传输层，i i 层为电子 和空穴复合发光层；i l l 层是起连接高孔度发光p s 层和电子传输层作用的过渡 层。因此这个器件既解决了良好的电接触使电注入容易( 因为i i i 、i v 两层之 间界面态密度很低 1 0 ”c m 。2 ) ，又因采用部分氧化法使p s 表面的化学键稳定而解 z h 咐跚鼬咖如汹狮岫一铆驯音砷佃l 十岫岫d p - 5 h d 砷计础耐帅i c f r 础r o l l 7 在算上擎博士论文 决了发光稳定性；并且器件在制造过程中每一步都采用了较高温度的退火，因 而其热稳定性也较好。这个器件目前达到的性能是：发光的阈值电压2v ，电 流密度lm a c l i t 2 ，e l 强度约1m w c i l l 2 ，外量子效率。0 1 ，调制带宽大于l m h z ，室温下脉冲工作几周发光没有衰减。 图( b ) 是p s l e d 与晶体管集成结构的剖面图，其左边是双极型晶体管， 右边是p s l e d ( 其中的i 、i i 、i i i 、i v 与图( a ) 中的i 、i i 、i i i 、i v 各层对 应) ；( c ) 是该结构的平面图，直径为4 0 0 岬的p sl e d 激活发光区在结构平面 中心，为了减少电阻和使流过p s l e d 的电流密度大体均匀一致，在l e d 发光中 心表面覆盖了一层呈十字交叉的网状铝膜，p s l e d 周围是p n _ p 平面型晶体管 的电极；( b ) 、( c ) 结构是一一对应的，并且除了电极引线外因对称设计而只画 了一半；( d ) 是它的等效电路图。输入基极的驱动信号由晶体管放大( $ m 0 0 ) 后，经过集电极注入到p s l e d ，电子和空穴在s r s o 层中辐射复合，从而使p s - l e d 发光。 当然，这个p s l e d 结构还需要提高。首先是发光效率需要提高、功耗还需 降低；其次是器件稳定性和寿命也需要提高；另外是器件设计还要能同其它光 电子器件以及同c m o s 工艺兼容。 1 3 3 多孔硅基光探测器 全硅基光电子集成中器件的光互联有两个基本要求：一是要有发光器件， 二是要有探测光的器件。多孔硅不仅能在室温下高效率地发光i 孙3 5 l ，而且它还 可以用作光探测器【i 孓1 7 】，这使全硅基光电子集成成为可能( 当然还需要多孔硅基 光波导【1 9 2 0 1 ) 。图i - 1 1 ( d 是z h a n g 等人直接用多孔硅膜层来制备的多孔硅基 光探测器( 器件结构示意图在图的左上边) 的i - v 曲线，其中曲线( a ) 是没有光照在 多孔硅膜上的结果，f b ) 则是自然光照上样品时的i v 值。器件表现出了很强的 整流特性，电压反偏时曲线( b ) 和( a ) 对应值的差则为光生载流子电流。光产生载 流子的强度和快慢是衡量器件特性的主要指标。多孔硅光探测器的灵敏度示于 z h ) a o r 日帅p 呐曲l 曲肼帅耐脚“剀帅佃l t i 嘶畸o l l - 翻b 呻一p h o t o 心a n t i 坤呐i - c t 憎t 啪t 山h 8 第一1 i r 前言 横霉上擎 博士论文 图卜li ( t t ) ，探测范围为4 0 0 1 0 7 5n t n 的光。从图中可以看出，在6 3 0 9 0 0 n r n 波段内器件的量子效举为o 9 7 ，即接近一个光子产生一个电子。器件在用 8 4 0i l m 波长的光照射和在9v 的偏压下，可以产生o 7a w 的电流强度。这些 指标基本接近商业用的s i 光探测器的指标。而且若对多孔硅进行快速热退火 处理后，则在8 1 0f l l l 处还可以得到大于6 4 w 的载流子强度。图1 1 l t m ) 是用波长为5 3 2 衄、宽度为6 0p s 的激光脉冲测试多孔硅器件的时间响应曲 线，得到了2n s 的上升过程以及2r l s 和3 5r l s 的两个下降过程。这个响应时间 相对于s i 探测器的要慢几倍到三个量级。很显然，多孔硅基光探测器的许多指 标( 响应时间就不在其中) 己接近甚至超过了s i 光探测器的性能而且用多孔硅 超晶格还可以做成对不同颜色的光灵敏的探测器1 1 7 】。当然，关于多孔硅光探测 器的一个基本问题仍然是多孔硅膜层的稳定性。 1 4 关于近十年多孔硅研究的管窥之见 现在距多孔硅在室温下发射强可见光的发现“1 正好十年。在这段时间 里，关于多孔硅的基础理论和其潜在应用的研究都取得了很大进展；当然，基 z h x i o n g 函响弹p h y s i c s l a b ( n a t i o n a l k r y l a b ) 0 岬佃l t l i d y 呻d l 一瓢b a s e d 咖佃f _ co n d 口p t k t 憎证憎十_ 叫 9 第一章前言 括旦 擎 博士论文 础理论研究也是为其潜在的应用而展开的。多孔硅的潜在应用“主要体现在三 方面：即光电子器件、光子器件和利用其高密度的孔( 或大的比表面积) 作为一 种其它器件的载体。在光电子应用方面多孔硅令人振奋的主要原因是：把多 孔硅作为发光器件集成在发展得非常成熟的硅基大规模微电子电路里，也就是 把传输速率比电子高几个量级的光子作为一种信息载体引入到硅基微电子电路 里，这样可望实现廉价的光电子集成；因此，是信息时代发展的要求和商业利 益的追求驱动着人们去努力研究多孔硅。然而，我们也不能不看到的是：虽然 多孔硅的发光效率相对于单晶硅的有约1 0 4 量级的提高“，而且有的多孔硅研究 小组还声称制各出了发光效率满足光电子集成电路需要的多孔硅光发射二极管 ”。，但是相对于1 i i - v 族化合物半导体发光二极管( 如o a a s ，a 1 。g a ；a s ，g a n 等) ，多孔硅的发光效率还是要弱一个量级，这是由于多孔硅仍然属于间接带隙 半导体= 1 ”，这就限制了在显示方面多孔硅无法与i i i - g 化合物半导体媲美。 因此多孔硅在光电子集成方面可能会在发光不需要太强的光互联方面有一定 的潜在应用。即使是在发光不需要太强的情况下，多孔硅光发射二极管到目前 为止在发光稳定性和器件寿命等m “方面离实际应用的要求还相差甚远。所 以，多孔硅想要近期内在光电子方面进入实际应用必须要有突破性进展。但是 1 9 9 6 年h i r s c h m a n ”“等人在实验室初步实现了全硅基光电子集成后，从近几年 相关研究趋于减少这一事实来看，指望近期内实用化方面有很大进展的可能性 较小。 多孔硅基光子器件主要利用其折射率很容易通过改变腐蚀条件( 腐蚀电流 密度或在腐蚀时有无光照) 就能在一定范围内可调这一性质来制备的。也就是在 s i 衬底掺杂浓度、h f 酸浓度等条件固定后，通过改变腐蚀电流密度多孔硅的折 射率易在空气和硅的折射率之间的范围内变动。这样简单的方法就能获得较大 范围( 1 3 8 ) 的折射率决定了多孔硅在硅基光子器件方面具有很大的潜在应 用。正如前面所述，其典型的应用包括b r a g g 反射镜和滤色片、微腔、光栅、 光波导等。多孔硅发光除了与量子限制效应有关外，多孔硅的表面态对其