用于光子晶体的多孔硅制备方法研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 6 4 3.02MB 74 页 15积分

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摘要

多孔硅(porous silicon，PS)是一种新型的功能材料，众多独特和优良的性质吸

引了人们对多孔硅的研究兴趣，研究工作者不断加强对基础理论和器件应用的研

究。光子晶体作还是一个年轻的分支学科，但是光子晶体的理论、设计、制作和

应用等方面的研究发展迅猛。单晶硅作为半导体材料，在光电子器件制作上起着

重要的作用，较高的选择折射率使其成为制作光子晶体的理想介质材料。

本文采用单槽电化学腐蚀法在预置有倒金字塔结构的 n 型单晶硅上制备用于

二维光子晶体的多孔硅。利用基于 LabVIEW 的虚拟仪器技术对实验仪器编程，搭

建实时测控系统，实现仪器控制和数据采集功能，不仅提高了实验过程的可操作

性，而且有利于实时观测电化学反应过程。利用搭建好的实验平台，控制实验条

件制备多孔硅，扫描电子显微镜观察结果表明得到了形貌均一，周期性良好，孔

壁均匀并且垂直于硅片表面的多孔硅薄膜样品。

进行了恒电压和恒电流条件下制备多孔硅的对比实验，实验结果表明，恒电

流供电模式下电压剧烈变动，导致多孔硅侧向腐蚀严重，恒电压供电模式下，能

够有效地抑制侧向腐蚀。因此，我们推测在恒压供电模式下可能产生的稳定空间

电荷区宽度更有利于硅基二维光子晶体的制备。

在不同电场强度条件下制备多孔硅，实验结果表明，随着腐蚀电压强度的增

长，孔径和孔深都呈现增长的趋势，增长的幅度逐渐减小，纵向腐蚀程度的变化

大于侧向腐蚀程度的变化。腐蚀效率比的增长幅度也有逐渐变小的趋势。数据表

明电压强度对多孔硅生长的影响并不是呈线性关系，电压的影响有减弱的趋势。

在不同腐蚀液浓度条件下制备多孔硅，当氢氟酸和去离子水混合溶液体积比

为1:14 时，最大孔深达到了 42.94μm，腐蚀效率比达到了 14.03，但是孔深并不一

致，不同孔深位置处孔径的侧向腐蚀程度也不相同。混合溶液体积比低于 1:18 均

可形成高质量的多孔硅。随着腐蚀溶液浓度的减小，孔深也逐渐减小，说明腐蚀

速率在降低。和孔深变化规律不同，孔径尺寸在增大，腐蚀效率比也在增大。实

验结果说明高浓度的氢氟酸电解质溶液中，很难生长高质量的多孔硅，在低浓度

的氢氟酸溶液中，虽然多孔硅的生长速度变慢，但是多孔硅的质量更好。

关键词：二维光子晶体多孔硅电化学腐蚀虚拟仪器

ABSTRACT

Porous silicon (PS) is a new functional material, which has special and excellent

characteristics to be interested in the study of including basic theory and device

applications (for example, as a photonic crystal) for PS. Although photonic crystal is a

young branch of science, the theory, design, fabrication and application of photonic

crystals were developed rapidly. Mono-crystalline silicon as a semiconductor material

plays an important role in the production of optoelectronic devices. Higher refractive

index makes it ideal dielectric material for the production of photonic crystal.

In this paper, PS for 2D photonic crystal is fabricated on a patterned

mono-crystalline silicon substrate illuminated by a halogen lamp in a single-cell with

HF solution by the electrochemical etching method. The programmable instrument used

in the investigation was interfaced with a computer and communicated by LabVIEW,

not only improving the operability but also observing electrochemical reaction in real

time. Using the experimental platform, PS films that had homogeneous morphology,

nice period, uniform pore walls and perpendicular pores were observed by the scanning

electron microscope.

Comparison of PS prepared under the conditions of constant voltage and constant

current showed that the voltage under constant-current condition changed frequently

and caused severe lateral erosion. However, the lateral erosion can be suppressed by the

constant-voltage supplier. We inferred that the stable space charge region under

constant-voltage condition is beneficial to 2D photonic crystals.

Via different electric field intensity, the experimental results demonstrated that with

the increment of erosion voltage intensity, the pore diameter and pore depth had an

increasing trend, the growth rate gradually decreased, and vertical erosion was greater

than lateral erosion. The growth rate of efficiency ratio of corrosion decreased too. The

data showed that the voltage intensity and the growth of PS did not have a linear

relationship, and the impact of voltage was weakening.

PS were prepared under different concentration of electrolyte. When the volume

ratio of hydrofluoric acid and deionized water was 1:14, the maximum pore depth of PS

reached 42.92μm and efficiency ratio of corrosion reached 14.03, but the pore depth is

not consistent and the lateral erosion at different depth was not the same. High-quality

PS would be formed when the volume ratio of mixed-solution was lower than 1:18.

With the concentration of etching solution decreased, the pore depth reduced gradually,

which indicating that the corrosion rate decreased. Unlike the variation of pore depth,

pore diameter and efficiency ratio of corrosion increased. The experimental results

demonstrated that it is difficult to prepare high-quality PS in high-concentration

hydrofluoric acid electrolyte. Although the growth rate of PS in low-concentration

hydrofluoric acid electrolyte, the quality of PS was better.

Key Words: 2D photonic crystals, porous silicon, electrochemical

etching, virtual instrument

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ........................................................ 1

§1.1 多孔硅概述 ...............................................1

§1.1.1 多孔硅材料及其性质 .................................. 1

§1.1.2 多孔硅材料的应用 .................................... 4

§1.2 光子晶体概述 ..............................................7

§1.2.1 光子晶体及其特征 .................................... 7

§1.2.2 光子晶体的制备方法 .................................. 9

§1.2.3 光子晶体的应用 ..................................... 10

§1.3 论文研究目的及章节安排 ...................................13

第二章多孔硅的制备与生长机理 ..................................... 14

§2.1 多孔硅的制备方法 .........................................14

§2.1.1 电化学阳极氧化法 ................................... 14

§2.1.2 光化学腐蚀法 ....................................... 16

§2.1.3 水热腐蚀法 ......................................... 17

§2.2 电解质溶液 ...............................................17

§2.3 半导体-电解质溶液界面 ....................................18

§2.4 硅的电化学溶解 ...........................................20

§2.5 多孔硅生长机理 ...........................................22

§2.5.1 空间电荷区模型 ..................................... 22

§2.5.2 量子限制模型 ....................................... 25

§2.5.3 涌流模型 ........................................... 26

§2.6 本章小结 .................................................30

第三章电化学腐蚀法制备多孔硅 ..................................... 31

§3.1 实验方案设计 .............................................31

§3.2 搭建电化学腐蚀实验平台 ...................................32

§3.2.1 电化学实验硬件组成 ................................. 32

§3.2.2 实验平台软件实现 ................................... 37

§3.3 扫描电子显微镜观察结果 ...................................48

§3.4 硅片的预置孔 .............................................49

§3.5 本章小结 .................................................52

第四章实验结果观察与分析 ......................................... 53

§4.1 实验前清洗样品 ...........................................53

§4.2 对比恒电压和恒电流条件下的实验结果 .......................53

§4.2.1 实验条件 ........................................... 54

§4.2.2 实验结果观察与分析 ................................. 54

§4.3 不同电压强度条件下的实验结果 .............................56

§4.3.1 实验条件 ........................................... 56

§4.3.2 实验结果观察与分析 ................................. 57

§4.4 不同腐蚀液浓度条件下的实验结果 ...........................59

§4.4.1 实验条件 ........................................... 59

§4.4.2 实验结果观察与分析 ................................. 60

§4.5 本章小结 .................................................63

第五章总结与展望 ................................................. 64

§5.1 全文总结 .................................................64

§5.2 未来开展的工作 ...........................................65

参考文献 .......................................................... 66

攻读学位期间发表的学术论文和承担的科研项目 ........................ 70

致谢 .............................................................. 71

第一章绪论

- 1 -

第一章绪论

硅元素在地球上的含量极其丰富，经过多年的发展硅材料已经是人类研究得

最广泛的材料之一，但是硅元素在自然状态下并不存在单质形态，基本上以氧化

物的形态存在于硅酸盐或者是二氧化硅中。通过诸如冶金提炼方法等成熟工艺可

以从硅砂中将硅还原出来，再经过进一步的纯化、控制结晶方位、阻值以及各种

掺杂元素的含量达到半导体工业的要求。在 20 世纪 60 年代人类进入了硅时代，

以硅材料作为产业基础的微电子工业的快速发展，无论是对世界经济还是全球科

技的进步起到了决定性的作用。硅大规模集成电路和半导体激光器的发明使世界

进入了以微电子和光电子技术为基础的信息时代，大大促进了社会和经济的发展。

大规模集成电路为计算机和网络的发展奠定了基础，而在光电子科学领域就以半

导体激光器为代表，推动了光纤通信和宽带网络的发展，成为国民经济重要的基

础设施。除了作为微电子的基础材料外，硅材料的应用和研究领域在不断的拓展，

硅材料已经是太阳能电池、微机电系统（micro electro mechanical systems, MEMS）

的主要基础材料，在纳电子、光电子领域也有着光明的发展前景。

§1.1 多孔硅概述

§1.1.1 多孔硅材料及其性质

多孔硅（Porous Silicon, PS）是指经过电化学腐蚀或其他手段生成的硅晶间有

大量孔洞的硅材料。

人们普遍认为最早多孔硅的研究应该回溯到 20 世纪 50 年代，当时美国贝尔实

验室研究员 A.Uhlir 研究硅片的电化学抛光问题，实验条件选择了比较小的电流密

度，在氢氟酸电解质溶液中得到了表面没有光泽的黑色、棕色或者红色的薄层[1]，

此薄层就是我们所说的多孔硅。两年后，Turner[2]在论文中详细论述了在氢氟酸溶

液中用阳极电化学方法对硅片进行处理。但是他们当时还没有发现薄膜上具有孔

状结构。等到 20 世纪 70 年代，薄膜上具有孔状结构的特性才被 Watanabe 等人[3]

发现。之后各国学者开始大量研究多孔硅的微观结构和独特的电学特性。80 年代

后期，大规模集成电路技术迅速发展，因为多孔硅的比表面积大，十分容易被氧

化，所以研究人员把多孔硅薄膜技术应用到了集成电路制作工艺中，作为 SOI 结

构的隔离层。在观察到多孔硅的光致发光现象以前，多孔硅的研究并没有引起足

够的重视。

硅在光电子领域研究方面一直发展缓慢，主要原因是它的禁带宽度是 1.12ev，

硅属于间接带隙材料，特点时价带最大值和导带最小值不在 K空间的同一位置，

电子无法从导带的底部直接跃迁到价带的顶部并且发出光子[4]。所以为了在硅上实

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摘要：

摘要多孔硅(poroussilicon，PS)是一种新型的功能材料，众多独特和优良的性质吸引了人们对多孔硅的研究兴趣，研究工作者不断加强对基础理论和器件应用的研究。光子晶体作还是一个年轻的分支学科，但是光子晶体的理论、设计、制作和应用等方面的研究发展迅猛。单晶硅作为半导体材料，在光电子器件制作上起着重要的作用，较高的选择折射率使其成为制作光子晶体的理想介质材料。本文采用单槽电化学腐蚀法在预置有倒金字塔结构的n型单晶硅上制备用于二维光子晶体的多孔硅。利用基于LabVIEW的虚拟仪器技术对实验仪器编程，搭建实时测控系统，实现仪器控制和数据采集功能，不仅提高了实验过程的可操作性，而且有利于实时观测电...

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