多孔硅表面形貌的观测和探讨

一、引言多孔硅室温下较强的光致发光现象给全硅大规模光电集成电路和硅基发光器件的开发带来曙光，但要把它变为现实仍有许多问题要解决，就以发光机理为例，仍有不同意见[1].为此必须深入研究其特性，为探讨发光机理提供依据.已有作者观察到发光畴区[2]，测得多孔硅成分近于二氧化硅[3]，观察到快和慢的发光带[4]以及证实自然氧化引入新的表面态[5]等.但迄今为止测量的均为晾干后的多孔硅，而未深究在空气中贮存干燥过程中形貌的变化.本文对多孔硅在空气中贮存初期表面形貌的变化做了显微观测和探讨.还尝试测量了多孔硅／硅的界面特性.二…     

多孔硅表面钝化对其发光性能的影响

报道多孔硅（ＰＳ）的表面钝化对其光致发光（ＰＬ）和电致发光（ＥＬ）的影响,ＰＬ和ＥＬ谱表明,经钝化处理的ＰＳ的ＰＬ和ＥＬ强度明显增强,且发光峰位较大蓝移;存放实验表明,经钝化处理的ＰＳ的ＰＬ和ＥＬ发光强度和发光峰位具较好的稳定性;Ｉ～Ｖ曲线显示,经钝化处理的ＰＳ发光器件具有较低的劝电压,结结果表明：用钝化处理的方法是几ＰＬ和ＥＬ强度和稳定性及改善器件性能的有效途径。     

表面活性剂修饰多孔硅的光致发光光谱

分别利用4种不同的表面活性剂对多孔硅进行表面修饰,结果表明油酸钠溶液、CPB溶液和乳化剂OP溶液修饰的多孔硅样品发光减弱,SDS溶液修饰的多孔硅样品发光增强,不同浓度的SDS溶液的增强倍数也不同。这种现象不仅可以为研究多孔硅的发光机制提供新的依据,还为提高多孔硅的发光效率提供了一个新的有效途径。     

发光多孔硅的表面氮钝化

报道对多孔硅在NH₃气中进行快速热处理的结果。红外吸收谱表明,经处理样品的表面由Si(NH)₂和Si₃N₄所覆盖,电子自旋共振谱指出,经处理的样品有相当低的悬挂键密度,光荧光谱表明,经适当条件处理的样品的发光强度与未作处理样品相比仅略有降低,而且在大气中存放三个月基本不变,这些结果表明,氮化物可以在多孔硅表面形成优良的钝化膜,这对多孔硅的实际应用及理论研究都有一定意义。     

多孔硅的形成与发光

本文综述了有关多孔硅(Porous Silicon,简称PS)某些新近的研究成果,包括多孔硅的形成、光致发光和电致发光,着重介绍多孔硅的形成和发光过程的量子尺寸效应.     

多孔硅紫外发光性质的研究

采用水热刻蚀技术制备多孔硅粉末。紫外激光244 nm激发时,多孔硅呈现出310 nm的强紫外发光。随着研磨时间的延长,多孔硅结构消失,紫外发光带也随之消失。氧气热处理后,多孔硅表面被氧化生成氧化硅薄层,同样造成紫外发光带的消失。我们认为310 nm紫外发光来源于硅纳米结构中电子和空穴的直接禁带结构辐射复合。     

发光不衰减的多孔硅

用一种新的方法制备出了具有不同衰减的光致发光特性的多孔硅。如此制备的多孔硅新鲜样品,其发光峰位强度比普通多孔硅高２￣２．５倍,将样品在室温下暴露于空气中,其发光强度在前４个月中单调增加,然后达到饱和。在随后的８个月中,没有观察到发光衰减,发光峰位也没有发生变化,这种发光稳定性被归因子于多孔硅表面所形成的稳定的Ｆｅ－Ｓｉ键。文章探讨了发光不衰减、峰位不蓝移的机理,并为多孔硅发光的量子限域模型提供了强     

金刚石膜/多孔硅复合材料的性能表征

提出了一种新颖的多孔硅表面钝化技术,即采用微波等离子体辅助的化学气相沉积（MPCVD）方法在多孔硅上沉积金刚石薄膜。采用原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、拉曼光 谱仪和荧光分光度计对多孔硅及金刚石膜的表面形貌、结构和发光特性进行了表征。结果表明采用微波等离子体化学气相沉积法可在多孔硅基片上形成均匀、致密、性能稳定且对可见光具有全透性的金刚石膜。金刚石膜与多孔硅的复合,大大稳定了多孔硅的发光波长和强度,同时增强了多孔硅的机械强度。     

水蒸气退火多孔硅发光性能的正电子谱学研究

使用正电子湮没寿命谱和正电子寿命-动量关联谱对水蒸气和真空条件下退火的多孔硅样品的微观缺陷结构进行表征,结合发射光谱测量结果,对影响多孔硅发光性能的因素进行了讨论.实验结果表明,水蒸气退火后样品孔壁表面的悬挂键减少,并出现新的E′γ和EX类缺陷.水蒸气退火后样品中两种缺陷数量发生变化是导致多孔硅样品发光增强的直接原因;真空退火未使样品中发光相关缺陷发生变化,样品的发光性能没有显著改变.     

太阳能电池用多晶硅材料少数载流子寿命的测试

采用高频光电导衰退法测试了太阳能电池用p型多晶硅片的少数载流子寿命,细致分析了光注入强度对测试结果的影响。结果显示光电导衰减曲线在靠近尖峰处较宽的时间区域内并按非指数规律快速衰减,当信号衰减到一定程度后逐渐接近指数规律,且随着光注入强度增大,少子寿命的测量结果显著减小。从非平衡载流子的表面复合效应和晶界复合效应出发,对导致该现象的物理机制进行深入解释。     

多孔硅/多孔氧化铝与PVK复合光致发光特性

用旋涂法实现了多孔硅、多孔氧化铝与聚乙烯咔唑(PVK)的复合,研究了多孔硅／PVK、多孔氧化铝／PVK复合体系的光致发光性能。PL谱的测试发现,多孔硅／PVK复合体系的PL谱同时具有多孔硅和PVK的发射峰。此外,在485nm的位置出现了一个新峰,讨论了这个峰的来源。而多孔氧化铝与PVK复合后,没有产生新的峰。但多孔氧化铝与PVK复合后,由于多孔氧化铝纳米孔的纳米限制效应使PVK的发光峰出现大幅度蓝移。从多孔硅与多孔氧化铝发光机制的不同出发,讨论了多孔硅、多孔氧化铝与PVK复合后产生不同结果的原因。     

Low‐Temperature Saw Damage Gettering to Improve Minority Carrier Lifetime in Multicrystalline Silicon

The minority carrier lifetime in multicrystalline silicon ? a material used in the majority of today's manufactured solar cells ? is limited by defects within the material, including metallic impurities which are relatively mobile at low temperatures (≤700 °C). Addition of an optimised thermal process which can facilitate impurity diffusion to the saw damage at the wafer surfaces can result in permanent removal of the impurities when the saw damage is etched away. We demonstrate that this saw damage gettering is effective at 500 to 700 °C and, when combined with subsequent low‐temperature processing, lifetimes are improved by a factor of more than four relative to the as‐grown state. The simple method has the potential to be a low thermal budget process for the improvement of low‐lifetime “red zone” wafers.

     

Blue Photoluminescence of Oxidized Films of Porous Silicon

It is found that the films of n ⁺-type porous silicon of low (10–50%) porosity exhibit photoluminescence in the region 400–500 nm after a 5-month storage in an air atmosphere. The spectrum of blue photoluminescence of the least porous but strongly oxidized films has maxima at 417, 435, and 465 nm. The same spectrum structure manifests itself upon the introduction of an Er³⁺- and Yb³⁺-containing complex. The mechanisms of blue photoluminesence are discussed.     

多孔硅的光致发光机制

人们已经提出了许多解释多孔硅发光的理论模型,每个模型都可以针对某些实验现象做出合理的解释,而对其他的实验结果就可能无法解释甚至相悖,因此多孔硅的发光机制至今仍是需要进一步研究和解决的问题。通过改变阳极氧化的条件,制得了一系列样品,其光致发光谱主要有四个峰。随着制备条件的改变,各个峰位的变化不大,但峰值强度比的变化比较大。随着自然氧化时间的延长,各个峰位的变化很小,有红移也有蓝移,有的则基本不变;而峰值强度的减弱幅度较大,但对应于各个峰位幅度的减弱是均衡的。分析实验现象产生的原因,认为多孔硅的发光是多种发光机制共同作用的结果;多孔硅纳米量子线的一定尺寸分布,不仅使光致发光谱存在一定的带宽,而且也是产生多峰现象的原因之一;多孔硅的结构特征对其发光特性起着决定性的作用。     

一种新型阳极氧化多孔硅技术

在适当条件下氧化多孔硅是提高多孔硅发光强度的良好途径,提出了一种新型阳极氧化方法,并探讨了该方法所涉及的阳极氧化条件。采用含CH3CSNH2的HF酸水溶液作为氧化剂对初始多孔硅进行了湿法阳极氧化,发现氧化使多孔硅光致发光性质得到极大改善,进而研究了氧化电流、氧化温度、氧化时间等一系列因素对氧化多孔硅光致发光强度的影响,并给出了合理解释。实验发现,在1mA,10min,60℃的氧化条件下,采用阳极氧化技术使多孔硅发光强度增强了18倍。     

发射可见光多孔硅的拉曼光谱

本文报导了多孔硅的拉曼散射和光致发光的研究。给出了多孔硅的拉曼和光致发光谱之间的对应关系,根据拉曼峰的移动,估算了多孔硅量子线横截面的平均尺度为2.1～4.2nm。     

多孔硅的制备条件对其光致发光特性的影响

不同的实验条件下制备的多孔硅的光致发光(PL)特性是不同的,这是许多研究产生分歧的主要原因。对比分析了阳极氧化电流密度、阳极氧化时间、溶液浓度以及自然氧化时间对多孔硅光致发光光谱的影响。认为在一定的范围内,多孔硅的发光峰位会随电流密度的增大而蓝移,要获得较强的发光,需要选择合适的电流密度;随着腐蚀时间的延长,多孔硅的发光峰位也发生蓝移。当HF酸的浓度较小时,峰位随浓度的增大表现为向低能移动;而当HF酸的浓度较大时,峰位随浓度的增大则表现为移向高能。多孔硅在空气中自然氧化,其发光峰位发生蓝移,而发射强度随放置时间的延长而降低。并用量子限制模型和发光中心模型对实验结果进行解释。     

Influence of Iodine-Containing Solutions on the Condition of a Porous Silicon Surface and Its Photoluminescent Properties

The influence of surface treatment of porous silicon in iodine-containing solutions on its photoluminescent properties has been investigated. The porous silicon samples were prepared by anodizing in HF-based electrolytes and placed in fluoride-hydrogen solutions with the addition of iodine immediately after their formation. The surface condition was controlled by IR Fourier spectroscopy methods in the 400–4000-cm^–1 range. It has been established that the result of the porous silicon treatment in iodine-containing solutions is a decrease in the intensity of Si–H _x -bonds without the appearance of additional vibrations in the range under investigation. At the same time, such a treatment substantially affects the spectrum and intensity of porous silicon photoluminescence and increases its stability in subsequent storage. The possible reasons for the revealed phenomena are discussed.     

多孔硅光致发光峰半峰全宽的压缩

硅发光对于在单一硅片上实现光电集成是至关重要的.目前已有的使硅产生发光的方法有:掺杂深能级杂质、掺稀土离子、多孔硅、纳米硅以及Si/SiO₂超晶格.声空化所引发的特殊的物理、化学环境为制备光致发光多孔硅薄膜提供了一条重要的途径.实验表明,声化学处理对于改善多孔硅的微结构,提高发光效率和发光稳定性都是一项非常有效的技术.超声波加强阳极电化学腐蚀制备发光多孔硅薄膜,比目前通用的常规方法制备的样品显示出更优良的性质.这种超声波的化学效应源于声空化,即腐蚀液中气泡的形成、生长和急剧崩溃.在多孔硅的腐蚀过程中,由于超声波的作用增加了孔中氢气泡的逸出比率和塌缩,有利于孔沿垂直方向的腐蚀,使多孔硅光致发光峰的半峰全宽压缩到了3.8nm.