多孔硅参考PPT
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❖ 低孔度多孔硅：主要用于集成器件的隔离和 SOI材料的绝缘衬底；
❖ 高孔度多孔硅(高于70％)：可用作发光材料， 孔度越高，发射光的波长就越短。
2021/5/8
8
研究硅基蓝光发射材料的意义
❖ 蓝光无论在光显示、光信息处理还是光通信等方面都是极 为重要的。从集成光电子学的要求来看，在硅基上实现蓝 光发射则意义更大。
2021/5/8
4
在直接带隙材料中，电子在价带和导带之间跃 迁符合动量守恒条件，因此具有较大的跃迁几率。
在间接带隙材料中，电子在价带和导带之间跃 迁不符合动量守恒条件，光子与电子的相互作用需 要在声子的作用下才能完成，因此跃迁几率非常低。
所以间接带隙材料发光效率比较低，不适合于制 作光源。因此多孔硅发光在光电技术中具有十分重 要的意义！
2021/5/8
9
多孔硅的结构
❖ 研究中发现，只有高孔度(高于70％)的多孔硅才能发光，而且孔度越高， 发射光的波长就越短。
❖ 当孔度达到80％以后，相邻的孔将连通，留下一些孤立的晶柱或晶丝； ❖ 鲍希茂等认为，多孔硅是由许多小颗粒组成，颗粒的内核是有序的，
外面覆盖一个无序壳层，这些颗粒在空间堆成无规则的珊瑚状，有序 晶核的排列保持原来单晶的晶向。
构型上主要表现在键长上。
2021/5/8
11
多孔硅发光的基本理论
分子在势能面间的“跳跃”过程称为跃迁，相应于电子从一个 轨道跳跃到另一个轨道。 辐射跃迁：即跃迁过程伴随着光子的放出，包括荧光和磷光过程； 非辐射跃迁：即跃迁过程没有光子参与，能量以热或者其他形式
耗散，包括内转换、系间窜越等。
2021/5/8
6. 文献报道多孔硅红光的瞬态时间常数为10～100us量级，而蓝 光的瞬态时间常数在1～10ns，相差3～5个量级。
2021/5/8
15
在上述几种发光带中．最重要的是S带(Slow Band， 它的衰变时间慢)，因为这种光可以通过电激发产生。
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16
多孔硅的发光机理－量子尺寸模型
❖ Canham提出，采用电化学腐蚀法制备的多孔硅是由密集的、具有 纳米量级线度和微米量级尺寸的硅丝构成，形成了所谓“量子线”， 当空隙密度达80％以上，硅丝之间是自由竖立的。
❖ 在光显示中，蓝色、绿色和红色是全色显示的三基色; ❖ 在光信息处理中，数据的存储量正比于1/λ; ❖ 因此在水下通信中如采用蓝光可以满足空间分辨率高、探
测范围广的要求;在光纤通信中，如采用蓝光，目前的石英 光纤有可能被普通廉价的塑料光纤所取代; ❖ 目前研制成功的GaN的制备需要MBE设备或金属有机物化 学气相沉淀(MOCVD)设备，成本高、技术难度大。
❖ 多孔硅的发光被认为是约束在这些量子线上激子的辐射复合。与体 材料相比，一维的量子线的量子尺寸效应导致能隙变大，这也是导 致激子结合能增大的一个重要原因。
❖ 显然在一维量子线上，载流子及激子等元激发态受周围环境的电屏 敞作用要弱得多，也就是说，介电常数ε要小得多，这也会导致激 子的结合能的增大，由此可以解释多孔硅发射可见光所表现出的宽 能隙效应。
12
多孔硅的荧光特性
1. 多孔硅的孔度与荧光波长的关系
2. 荧光波长随多孔硅的孔度增加而移向短波段，即光子能量随孔度的 增加而增大。
低孔度
无荧光发射；
60％
近红外区
70％以上
荧光从红外区进入可见区；
80％以上，
橙光段
2. 蓝移现象
3. 多孔硅的电化学处理结束之后切断电源，继续在HF中进行化学腐 蚀，这被称作开路腐蚀，光谱可以继续向短波波段移动；
2021/5/8
10
多孔硅发光的基本理论
基态：原子分子的稳定态，即能量最低状态； 激发态：原子分子中电子处于能量相对较高状态，非稳定态； 基态 跃迁 激发态 对于一个给定的电子态，势能相对于分子的构型变化称为“势
能面” 。 基态和激发态的不同并不仅仅局限于能量的高低上，而是表 现在许多方面，例如分子的构型、构象、极性、酸碱性等。在
强度也往往随时间的推移而变化。一般光强随时间增加而减 弱，甚至淬灭；如果加温或有光照，这个退化过程进行得更 快。
5. 但是退化了的多孔硅经HF腐蚀，往往可以恢复部分发光强度； 氮气中进行处理后也可以在一定程度上恢复荧光发射。
4. 多孔硅荧光瞬态特性。
5. 多孔硅荧光瞬态衰减过程不是一个简单的指数过程。
多孔硅与纳米晶硅
半导体材料的光电子行为
2021/5/8
1
主要内容
▪ 多孔硅
1. 多孔硅的结构特征； 2. 多孔硅的发光机理；
▪ 纳米晶硅
纳米晶硅的发光特性
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2
Si
▪ 硅是当代微电子技术的核心材料，但硅是间 接带隙结构，发光效率很低(约为10-6)，因而 长期以来，被认为不能用于光子学中起关键 作用的光源。
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5
硅基发光材料的探索
❖ 集成电路以电子作为信息载体。与光子相比， 电子的传输速度极低，且受到很多因素的限 制。
❖ 人们希望以高速发展的微电子技术为基础， 在相同的半导体材料上同时将电路和光路集 成在一起，把光子引进来也作为信息的一种 载体。
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6
硅基发光材料的探索
❖ 硅是一种间接带隙材料，它的禁带宽度约为 1.12ev，仅在低温下才有极弱的光致发光。
4. 或者化学处理结束后，将样品从HF溶液中取出后，光谱也会移向 短波段。这是由于多孔硅的样品上吸附了大量的HF溶液，化学腐
2021/5蚀/8 依然在进行、这种现象称蓝移现象。
13
2021/5/8
14
多孔硅的荧光特性
3. 荧光的退化与恢复。 4. 多孔硅的荧光在空气中或氧气中不仅有篮移现象，它的发光
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3
直接带隙与间接带隙
根据能带结构的能量与波矢量关系(如下图所示)， 半导体材料可以分为光电性质完全不同的两类，即直 接带隙材料和间接带隙材料。
在直接带隙材料中，导带中的最低能量状态与价 带中的最高能量状态具有相同的波矢量，即位于动量 空间中的同带中的最高能量状态处在不同的波矢量位置上，即具 有不同的动量。
❖ 1990年，Canham首先发现多孔硅(PS)在室 温下可以产生很强的光致可见光。并观察到 PS的结构是由一些直径小于5nm的晶丝所组 成。
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7
多孔硅(Porous Silicon)
❖ 硅在HF溶液中经电化学腐蚀，成为多孔 状——多孔硅。
❖ 孔度：电化学处理时，腐蚀掉的硅的质量分 数。
❖ 高孔度多孔硅(高于70％)：可用作发光材料， 孔度越高，发射光的波长就越短。
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研究硅基蓝光发射材料的意义
❖ 蓝光无论在光显示、光信息处理还是光通信等方面都是极 为重要的。从集成光电子学的要求来看，在硅基上实现蓝 光发射则意义更大。
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在直接带隙材料中，电子在价带和导带之间跃 迁符合动量守恒条件，因此具有较大的跃迁几率。
在间接带隙材料中，电子在价带和导带之间跃 迁不符合动量守恒条件，光子与电子的相互作用需 要在声子的作用下才能完成，因此跃迁几率非常低。
所以间接带隙材料发光效率比较低，不适合于制 作光源。因此多孔硅发光在光电技术中具有十分重 要的意义！
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多孔硅的结构
❖ 研究中发现，只有高孔度(高于70％)的多孔硅才能发光，而且孔度越高， 发射光的波长就越短。
❖ 当孔度达到80％以后，相邻的孔将连通，留下一些孤立的晶柱或晶丝； ❖ 鲍希茂等认为，多孔硅是由许多小颗粒组成，颗粒的内核是有序的，
外面覆盖一个无序壳层，这些颗粒在空间堆成无规则的珊瑚状，有序 晶核的排列保持原来单晶的晶向。
构型上主要表现在键长上。
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多孔硅发光的基本理论
分子在势能面间的“跳跃”过程称为跃迁，相应于电子从一个 轨道跳跃到另一个轨道。 辐射跃迁：即跃迁过程伴随着光子的放出，包括荧光和磷光过程； 非辐射跃迁：即跃迁过程没有光子参与，能量以热或者其他形式
耗散，包括内转换、系间窜越等。
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6. 文献报道多孔硅红光的瞬态时间常数为10～100us量级，而蓝 光的瞬态时间常数在1～10ns，相差3～5个量级。
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在上述几种发光带中．最重要的是S带(Slow Band， 它的衰变时间慢)，因为这种光可以通过电激发产生。
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多孔硅的发光机理－量子尺寸模型
❖ Canham提出，采用电化学腐蚀法制备的多孔硅是由密集的、具有 纳米量级线度和微米量级尺寸的硅丝构成，形成了所谓“量子线”， 当空隙密度达80％以上，硅丝之间是自由竖立的。
❖ 在光显示中，蓝色、绿色和红色是全色显示的三基色; ❖ 在光信息处理中，数据的存储量正比于1/λ; ❖ 因此在水下通信中如采用蓝光可以满足空间分辨率高、探
测范围广的要求;在光纤通信中，如采用蓝光，目前的石英 光纤有可能被普通廉价的塑料光纤所取代; ❖ 目前研制成功的GaN的制备需要MBE设备或金属有机物化 学气相沉淀(MOCVD)设备，成本高、技术难度大。
❖ 多孔硅的发光被认为是约束在这些量子线上激子的辐射复合。与体 材料相比，一维的量子线的量子尺寸效应导致能隙变大，这也是导 致激子结合能增大的一个重要原因。
❖ 显然在一维量子线上，载流子及激子等元激发态受周围环境的电屏 敞作用要弱得多，也就是说，介电常数ε要小得多，这也会导致激 子的结合能的增大，由此可以解释多孔硅发射可见光所表现出的宽 能隙效应。
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多孔硅的荧光特性
1. 多孔硅的孔度与荧光波长的关系
2. 荧光波长随多孔硅的孔度增加而移向短波段，即光子能量随孔度的 增加而增大。
低孔度
无荧光发射；
60％
近红外区
70％以上
荧光从红外区进入可见区；
80％以上，
橙光段
2. 蓝移现象
3. 多孔硅的电化学处理结束之后切断电源，继续在HF中进行化学腐 蚀，这被称作开路腐蚀，光谱可以继续向短波波段移动；
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多孔硅发光的基本理论
基态：原子分子的稳定态，即能量最低状态； 激发态：原子分子中电子处于能量相对较高状态，非稳定态； 基态 跃迁 激发态 对于一个给定的电子态，势能相对于分子的构型变化称为“势
能面” 。 基态和激发态的不同并不仅仅局限于能量的高低上，而是表 现在许多方面，例如分子的构型、构象、极性、酸碱性等。在
强度也往往随时间的推移而变化。一般光强随时间增加而减 弱，甚至淬灭；如果加温或有光照，这个退化过程进行得更 快。
5. 但是退化了的多孔硅经HF腐蚀，往往可以恢复部分发光强度； 氮气中进行处理后也可以在一定程度上恢复荧光发射。
4. 多孔硅荧光瞬态特性。
5. 多孔硅荧光瞬态衰减过程不是一个简单的指数过程。
多孔硅与纳米晶硅
半导体材料的光电子行为
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主要内容
▪ 多孔硅
1. 多孔硅的结构特征； 2. 多孔硅的发光机理；
▪ 纳米晶硅
纳米晶硅的发光特性
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Si
▪ 硅是当代微电子技术的核心材料，但硅是间 接带隙结构，发光效率很低(约为10-6)，因而 长期以来，被认为不能用于光子学中起关键 作用的光源。
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硅基发光材料的探索
❖ 集成电路以电子作为信息载体。与光子相比， 电子的传输速度极低，且受到很多因素的限 制。
❖ 人们希望以高速发展的微电子技术为基础， 在相同的半导体材料上同时将电路和光路集 成在一起，把光子引进来也作为信息的一种 载体。
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硅基发光材料的探索
❖ 硅是一种间接带隙材料，它的禁带宽度约为 1.12ev，仅在低温下才有极弱的光致发光。
4. 或者化学处理结束后，将样品从HF溶液中取出后，光谱也会移向 短波段。这是由于多孔硅的样品上吸附了大量的HF溶液，化学腐
2021/5蚀/8 依然在进行、这种现象称蓝移现象。
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多孔硅的荧光特性
3. 荧光的退化与恢复。 4. 多孔硅的荧光在空气中或氧气中不仅有篮移现象，它的发光
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直接带隙与间接带隙
根据能带结构的能量与波矢量关系(如下图所示)， 半导体材料可以分为光电性质完全不同的两类，即直 接带隙材料和间接带隙材料。
在直接带隙材料中，导带中的最低能量状态与价 带中的最高能量状态具有相同的波矢量，即位于动量 空间中的同带中的最高能量状态处在不同的波矢量位置上，即具 有不同的动量。
❖ 1990年，Canham首先发现多孔硅(PS)在室 温下可以产生很强的光致可见光。并观察到 PS的结构是由一些直径小于5nm的晶丝所组 成。
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多孔硅(Porous Silicon)
❖ 硅在HF溶液中经电化学腐蚀，成为多孔 状——多孔硅。
❖ 孔度：电化学处理时，腐蚀掉的硅的质量分 数。