n型多孔硅刻蚀时间的效应分析

引言

硅在历史上一直是电子产品的主要材料，而光电子领域的工作几乎完全依赖于GaAs和磷化铟等ⅲ-ⅴ族化合物材料。这种材料系统二分法的主要原因是硅的间接带隙结构使其发光不切实际。然而，在多孔硅中观察到的室温可见光致发光1 (PL)已经证明了用于光电应用的实用、高效硅基发射器的潜力。

多孔硅层已经由(100)取向的n型硅片制备。用扫描电镜、红外光谱和荧光光谱表征了多孔硅的形态和光学性质。研究了阳极氧化溶液中不同蚀刻时间对多孔硅结构和光学性能的影响。观察到孔径随着蚀刻时间增加，并在20分钟内达到最大，然后减小。光致发光光谱峰值向高能侧移动，这支持了多孔硅中的量子限制效应。红外光谱表明，在聚苯乙烯层表面观察到硅氢峰，这些化学物质也提高了聚苯乙烯的光致发光。

实验

多孔硅样品由电阻率为50ω·cm的n型硅片(100)取向制备。通过保持HF∶乙醇的比例和电流密度分别恒定在1∶2和30 mA/cm2，并改变蚀刻时间来制备样品，在阳极化过程中，用300瓦的卤素灯照射晶片。阳极化后，在乙醇中漂洗多孔硅样品。阳极氧化过程中使用的蚀刻时间对多孔硅的性能有很大影响。因此，需要改变蚀刻时间来研究其对PS特性的影响。我们使用光谱仪在200–800nm的发射范围内记录光致发光光谱，将激发波长固定在450 nm。样品的傅里叶变换红外(FTIR)光谱是在600–2400cm-1范围内记录的，分辨率为4 cm-1。使用电子显微镜进行扫描电子显微镜分析。

结果和讨论

图1a、b、c和d描绘了使用10、20、30和40分钟的不同蚀刻时间形成的n型多孔硅的SEM图像。从图1a中的SEM图片可以看出，当使用10分钟的蚀刻时间时，形成了相当中等尺寸的孔；孔被硅壁的厚柱状结构网络包围。当蚀刻时间增加到20分钟时，从SEM图像可以看出(图1b)具有最大直径的孔形成在蚀刻硅层的整个表面区域上。孔径分布相对均匀，柱状壁较薄。该图清楚地表明了多孔硅层的海绵状结构。具有这种特性的孔隙将表现出量子限制效应(QCE) 。

使用10、20、30和40分钟的不同蚀刻时间形成的多孔硅显示在图2中。可以看出，对于所有使用的蚀刻时间，已经获得了可见区域中的室温PL。发现对于10分钟和20分钟的蚀刻时间，光致发光强度最大值分别出现在624纳米和619纳米，表明光致发光最大值随着蚀刻时间有蓝移。由图可以得出结论，随着聚苯乙烯孔隙率的增加，光致发光峰位置发生蓝移。随着孔径的增加，光致发光峰位置向蓝色一侧移动。室温荧光发射在可见光范围内的有效性和随聚苯乙烯孔隙率的蓝移是多孔硅中量子限制效应(QCE)的有力证据。
 

图3表示使用10、20、30和40分钟的不同蚀刻时间制备的n型多孔硅样品的傅里叶变换红外光谱。对于蚀刻时间变化情况，也获得了与HF浓度变化和电流密度变化情况相同的带。进一步从图3可以看出，吸收峰强度随着阳极氧化时间的增加而增加，并且在20分钟的蚀刻时间内达到最大，然后在30分钟的蚀刻时间内强度略微下降，然后在40分钟的蚀刻时间内急剧下降。这意味着，吸收峰强度遵循与光致发光峰强度相似的趋势(图2和3)，因此可以认为表面钝化在决定多孔层的辐射效率方面也起着主要作用，表面钝化的作用在决定PS层的辐射效率方面也非常重要。

老化处理1、2、3和4周后的多孔硅样品类型如图4所示。制备的聚苯乙烯的光致发光强度也有所提高，从下面的FTIR图5可以注意到，1105-1150 cm-1峰的强度随着老化时间的增加而增加，表明多孔硅由于老化而被氧化，氧化程度随着老化时间的增加而增加。这个在1105-1150 cm-1的峰，硅-氧-硅不对称拉伸模式振动，取决于多孔硅的氧化程度。剩余的氧气可能来自多孔硅孔隙中残存的水。随着老化时间的延长，Si-Hn带的强度降低，这意味着PS表面的氢在老化过程中脱附。从图5可以看出，硅的强度Hn带随着老化时间的增加而减少。因此，Si-Hn带的吸收峰强度或多或少遵循与PL峰强度相同的趋势(图4和图5)。因此，可以假设表面化学成分在决定多孔层的辐射效率方面也起着主要作用。

总结

扫描电镜照片显示，通过增加电解液中的蚀刻时间，孔的尺寸变宽，并在20分钟时达到最大。光致发光光谱还表明，在20分钟时，强度达到最大值，峰值向高能侧移动，这支持了多孔硅中的量子限制效应。红外光谱表明，在聚苯乙烯层表面观察到硅氢峰，这些化学物质也提高了聚苯乙烯的光致发光。

审核编辑：符乾江