发光物理学 课件 十二、多孔硅发光

12多孔硅发光

硅和砷化镓的电子结构不同。前者属于间接带隙半导体，电子在价带和导带间的跃迁需要伴随声子的吸收或发射；而砷化镓属于直接带隙半导体，电子可以直接在价带和导带间跃迁。正是由于这个原因，砷化镓的发光效率远远大于硅。

多孔硅是在单晶硅表面上制成的厚度约1-10μm的薄膜，其中含有百分之几十的孔隙，孔隙的横向直径很小，其量级为10nm，而高度可达μm量级。

多孔硅在室温下就具有很强的光致发光和电致发光效应。

在多孔硅上沉积半透明全膜后，当正向偏压加到15V、电流密度为100mA/cm2时，观察到稳定的电致可见光发射现象。伏-安曲线的测量表明它有明显的类似二极管的整流特性。

由于多孔硅发光的波长与硅柱直径有关，当发光波长进入绿光范围时，硅柱孔径已很细，极易坍塌，使更细的量子线结构很难实现。

过去的研究认为，由于硅单晶的能隙很窄，而且是间接能级，以致硅的发光局限于红外波段范围，而且发光效率低，响应慢。

……用缓慢的氢氟酸电化学过程产生一个自由竖立的硅柱阵列，硅柱的宽度为纳米数量级。用氩离子激光产生的488或514.5nm波长的激光激发，可使多孔硅在室温下发红光。多孔硅的发光性能与这种多孔硅结构的孔隙率有关。

与单晶硅的褐黑色外观不同，多孔硅另一个奇特的光学性质是在可见光区域出现强烈的荧光，甚至当微瓦级蓝色或绿色激光照射时，在室温就可用肉眼觉察出荧光的发光强度。

如果能用硅来制作发光二极管，将会产生一个很大的突破。它对光电子存贮系统及显示系统两者都有很大意义。一个有效的电泵浦的新设计方案可能会使发光二极管工艺的成本大大降低。但要制造一个实用的光电子系统，不只可以采用激光激发的方法，也可用电流注入的方法。多孔硅——一种能发光的单晶硅1985年，Ennen等人采用分子束外延法生长Si层的同时注入Er3+方法制成了第一个低温(77K)掺铒硅发光管[1]；1990年,Canham将多孔硅在HF酸溶液中进一步腐蚀数小时后，用蓝光或紫外光泵浦多孔硅材料，在室温下观察到很强的红光发射[2]；Takagi等人利用微波等离子体分解硅烷(SiH4)的方法首次观察到来自纳米硅的室温红光波段的光致发光；等等。目前，硅基发光特性已经大大改善，硅基发光器件也有一定的集成，多孔硅的发光效率已达1％，接近实用化的边缘。令人鼓舞的是Tsybeskov等人和Hirschnom等人采用硅微电子制备工艺将双极型晶体管和多孔硅发光管集成在一个硅片上[3]，如图1所示。此外还制成了这种集成电路阵列，这意味着将硅基发光管集成到超大规模集成电路已迈出关键的一步。多孔硅是一种硅基纳米材料，硅基材料的研究是实现光电集成的关键，多孔硅的发光研究为硅基发光研究开辟了新的应用研究领域。理想的（100）Si圆孔和方孔的多孔硅表面示意图理想的多孔硅截面示意图氩离子激光器激发理想多孔硅表面，使其发射可见红光Canham报道的多孔硅室温光致发光光谱2.3.PS光致发光的荧光特性根据掺杂元素种类的不同，半导体硅可分为ｎ型和ｐ型半导体。ｎ型硅在LED正面照光的条件下，利用电化学刻蚀的方法可制备得到具有荧光特性的多孔硅。光照的原因在于电化学刻蚀多孔硅需要大量的空穴参与，而ｎ型硅中空穴为少数载流子。这类制得的多孔硅表面含有大量的纳米级微晶结构，蓝光激发下发出橙红色荧光（630-650nm）。Ｐ型多孔珪的电化学刻蚀无需光照，新制得的多孔硅无荧光特性，需要利用弱氧化剂进行荧光活化处理。多年来，人们一直在克服硅材料的发光低效率问题，寻找一种新的能实现在同一块硅片上同时集成电子器件以及发光器件的材料，多孔硅本身也是一种硅材料，而且它与硅芯片之间可以兼容，便有望达到在同一块硅片上集成电子器件以及发光器件的目的。

近年来各国学者做了不懈