多孔硅的特性研究及一維多孔硅光子晶體的制備

趙楊

摘 ? ?要：本文主要對P型單晶硅片進(jìn)行電化學(xué)刻蝕，通過改變電流密度和腐蝕時(shí)間來控制多孔硅的孔隙度及多孔層厚度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著腐蝕時(shí)間與電流密度的增加，多孔硅的孔隙度逐漸增大，多孔層厚度逐漸增加。采用電流-時(shí)間調(diào)制，制備出一維多孔硅光子晶體，通過掃描電子顯微鏡測試其形貌。

關(guān)鍵詞：多孔硅;電化學(xué)腐蝕;孔隙度;多孔層厚度;一維多孔硅光子晶體

中圖分類號：TN304 ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1004-7344（2019）03-0267-02

引 言

21世紀(jì)將是光子時(shí)代，光子學(xué)與以光子物質(zhì)為基礎(chǔ)的光子材料的發(fā)展將極大地加快了人類邁入光子時(shí)代的步伐。光子晶體自誕生以來，各種光子器件及其光路集成可以用來控制光子行為，是開發(fā)新一代光子器件領(lǐng)域中最有前途的新型光子材料之一[1]。多孔硅是一種有著巨大比表面積的納米硅基材料，具有折射率調(diào)制范圍廣的特點(diǎn)。由于其具有很高的化學(xué)活性，是一種極具應(yīng)用價(jià)值的新材料。

一維多孔硅光子晶體是指多孔硅的折射率發(fā)生周期性變化的光子晶體，是一種多層的多孔硅結(jié)構(gòu)。目前，許多報(bào)道都集中于采用電化學(xué)方法來制備多層多孔硅結(jié)構(gòu)[2～3]。而電化學(xué)陽極氧化法制備一維多孔硅光子晶體是在硅襯底上制作出不同孔隙度周期交替性變換的多層多孔硅薄膜結(jié)構(gòu)，從而得到了由兩個(gè)不同的折射率周期性交替變換的多層多孔硅所構(gòu)成的光子晶體結(jié)構(gòu)。通過證實(shí)，采用該方法制備出來的光子晶體結(jié)構(gòu)在性能上完全可以與傳統(tǒng)的光學(xué)多層膜結(jié)構(gòu)相媲美，現(xiàn)己引起了國內(nèi)外眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注。

本文主要對P型單晶硅片進(jìn)行電化學(xué)刻蝕，通過改變電流密度和腐蝕時(shí)間來研究影響多孔硅孔隙度及多孔層厚度的具體因素。并且采用電化學(xué)陽極氧化法制備一維多孔硅光子晶體，利用掃描電子顯微鏡等儀器設(shè)備對所制備的樣品進(jìn)行測試與表征。

1 ?實(shí) 驗(yàn)

1.1 ?多孔硅的制備

實(shí)驗(yàn)選用重?fù)诫s硼的p型（100）單晶硅片，其電阻率為0.01～0.02Ω.cm，厚度為475μm。實(shí)驗(yàn)前，首先將硅片進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗，然后在HF與乙醇比例為1：1的電解液中，腐蝕電流密度分別為10mA/cm2、20mA/cm2和30mA/cm2條件下進(jìn)行電化學(xué)刻蝕，腐蝕時(shí)間分別為20min、40min、60min和80min，用來研究腐蝕時(shí)間與電流密度對多孔硅孔隙度及多孔層厚度的影響。對刻蝕后的多孔硅樣品用乙醇浸泡后氮?dú)獯蹈伞?/p>

1.2 ?多孔硅孔隙度及多孔層厚度的計(jì)算

孔隙度可以通過重量測量法進(jìn)行測量。測量電化學(xué)腐蝕前樣品的質(zhì)量為m1，腐蝕后樣品的質(zhì)量為m2，用氫氧化鉀和乙醇溶液浸泡多孔硅層對結(jié)構(gòu)釋放后的質(zhì)量為m3。則孔隙度的計(jì)算表達(dá)式為：Porosity=（m1-m2）/（m1-m3）。在電化學(xué)陽極氧化法制備多孔硅實(shí)驗(yàn)中，多孔硅多孔層厚度也是衡量多孔硅的一個(gè)重要參數(shù)。其表達(dá)式為：d=（m1-m3）/ρs。其中，s表示硅片與腐蝕溶液接觸的腐蝕面積;ρ表示硅片的密度。

1.3 ?一維多孔硅光子晶體的制備

實(shí)驗(yàn)選用重?fù)诫s硼的p型（100）單晶硅片，其電阻率為0.01～0.02Ω.cm。實(shí)驗(yàn)前，首先對硅片進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗，然后在HF與乙醇體積比為2：3的電解液中，用電流密度為10～100mA/cm2的正弦波對硅片進(jìn)行刻蝕制備一維多孔硅光子晶體，刻蝕時(shí)間為3000s。對刻蝕后的多孔硅結(jié)構(gòu)用乙醇浸泡10min后氮?dú)獯蹈伞Ｓ脪呙桦娮语@微鏡對一維多孔硅光子晶體的表面與橫截面進(jìn)行表征。

2 ?結(jié)果與討論

2.1 ?多孔硅孔隙度及多孔層厚度的影響因素分析

2.1.1 ?腐蝕時(shí)間與電流密度對多孔硅孔隙度的影響

如圖1所示為腐蝕時(shí)間與電流密度對多孔硅孔隙度的影響分析圖。圖1（a）為腐蝕時(shí)間對三種固定電流密度下的多孔硅樣品孔隙度的影響。從圖1（a）中可以看出，三種固定電流密度下多孔硅樣品的孔隙度由最初隨蝕刻時(shí)間為20min急劇增加，然后在達(dá)到40min后穩(wěn)定增加。圖1（b）為一定時(shí)間下，電流密度對多孔硅樣品孔隙度的影響。如圖1（b）所示，當(dāng)腐蝕時(shí)間隨著電流密度從10mA/cm2增加到50mA/cm2，孔隙度幾乎呈線性增加，從21.3%增加到37.9%，從42.1%增加60.7%，從47.8%增加到69.1%，從55.8%增加到79.3%。腐蝕時(shí)間分別為20min，40min，60min和80min。

其主要是由于腐蝕時(shí)間和電流密度對多孔硅孔隙度的變化起到了促進(jìn)的作用，當(dāng)腐蝕時(shí)間和電流密度逐漸增加，硅表面的空穴數(shù)目也隨之增加，對硅的刻蝕在橫縱兩個(gè)方向上一起進(jìn)行，這樣隨著腐蝕深度的逐漸加深，多孔硅的孔壁會漸漸變薄，最終導(dǎo)致多孔硅的孔隙度增大。

2.1.2 ?腐蝕時(shí)間與電流密度對多孔硅多孔層厚度的影響

如圖2所示為腐蝕時(shí)間與電流密度對多孔硅多孔層厚度的影響分析圖。圖2（a）為腐蝕時(shí)間對三種固定電流密度下的多孔硅樣品多孔層厚度的影響。從圖2（a）可以看出，隨著腐蝕時(shí)間的增加，多孔層厚度增量最初在腐蝕時(shí)間為20min時(shí)緩慢，但在40min后多孔層厚度快速增加，幾乎呈線性。結(jié)果表明，當(dāng)電流密度為10mA/cm2時(shí)，多孔層厚度從4.7μm增加到30.8μm;電流密度依次增加至20mA/cm2和30mA/cm2，多孔層厚度也逐漸增加，呈上升趨勢。圖2（b）為一定時(shí)間下，電流密度對多孔硅樣品多孔層厚度的影響。從圖2（b）中可以看到，隨著電流密度的增加，多孔層的厚度呈線性增加。結(jié)果表明，當(dāng)電流密度從10mA/cm2增加到50mA/cm2，腐蝕時(shí)間為20min，厚度從4μm增加到41.4μm。隨著電流密度的增加，腐蝕時(shí)間為40min、60min和80min時(shí)也會出現(xiàn)類似的趨勢。

2.2 ?一維多孔硅光子晶體掃描電子顯微鏡（SEM）分析

圖3為一維多孔硅光子晶體的表面與截面形貌圖。圖3（a）為一維多孔硅光子晶體的表面形貌圖，如圖所示，光子晶體表面隨機(jī)分布著大小不等的孔狀結(jié)構(gòu)。根據(jù)多孔材料的孔徑尺寸可知，本文所制備的多孔結(jié)構(gòu)屬于介孔硅，孔型是沿100晶軸的支鏈狀結(jié)構(gòu)。圖3（b）為電流-時(shí)間調(diào)制周期為30s時(shí)，刻蝕的厚度為89.59μm的一維多孔硅光子晶體的截面圖。如圖所示的多孔硅結(jié)構(gòu)，是由周期性變化的明暗相間條紋構(gòu)成的，其單個(gè)周期厚度為451.7nm。其中，產(chǎn)生暗條紋的多孔硅層具有較高的孔隙度，而產(chǎn)生明條紋的多孔硅層具有較低的孔隙度，由于高多孔度的多孔硅層折射率比較低，低多孔度的多孔硅層折射率比較高。因此，這種由兩種具有折射率差的多孔硅層構(gòu)成的結(jié)構(gòu)為一維多孔硅光子晶體。

3 ?結(jié) 論

通過對p型單晶硅片進(jìn)行電化學(xué)陽極氧化法刻蝕，改變電流密度和腐蝕時(shí)間來探究多孔硅的孔隙度及多孔層厚度的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著腐蝕時(shí)間與電流密度的增加，多孔硅的孔隙度逐漸增大，多孔層厚度逐漸增加。并采用電流-時(shí)間調(diào)制，制備出具有折射率差的多孔硅層構(gòu)成的一維多孔硅光子晶體。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2018-12-11