多孔硅電容變化規(guī)律及相關探測器研究(編輯修改稿)
2025-07-15 08:31 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 準，多孔硅按照孔的大小分為宏多孔硅（macro porous silicon）、中孔多孔硅（meso porous silicon）和微孔多孔硅（micro porous silicon）三種。IUPAC classification of porous materialsDominant pore width(nm)Type of materials≤2Micro porous250Meso porous50Macro porous 多孔硅的制成多孔硅是孔狀生長的。要對此作出解釋需考慮下述三個方面：硅表面的初始凹坑產(chǎn)生的原因，孔尖易被腐蝕及多孔硅壁不易腐蝕的原因。目前，已有較多的模型來描述多孔硅的生長。被大家所認可的相互獨立的模型有三種：(I)Beale模型，(2)擴散限制模型，(3)量子力學模型。其余的模型均是在這三種模型的基礎上加以補充而成的。(1) Beale模型[5]等通過用TEM研究制備條件的改變對多孔硅微結構的影響，提出材料中只有陽極氧化電流流經(jīng)處的硅才會被溶解。在陽極氧化開始時，半導體與電解液交界區(qū)的不均勻性導致電流流動的局域性，并由此產(chǎn)生了初始的孔?？组g半導體的電阻率比電解液和體硅的電阻率高得多，這樣電流優(yōu)先流經(jīng)孔中的電解液，從而導致電化學腐蝕反應主要發(fā)生在孔底。(2)限制擴散模型[6]等的限制擴散模型是基于標準的擴散物理而構成的。即引入有限的和可變的擴散長度，使限制擴散聚集模型可以研究擴散粒子的隨機行走。對于多孔硅的形成過程，“擴散粒子”是硅中的電子或空穴(空穴擴散的硅的表面，對應于電子離開硅的表面)與表面的硅原子發(fā)生氧化反應，并指出孔底部是體硅中空穴最易擴散到的位置，以此解釋了多孔硅腐蝕的方向性。(3)量子模型[7]等提出了量子模型，即由于量子效應引起的硅能隙的加大，減小了硅中游離電荷的濃度并產(chǎn)生了類似于Beale模型中的耗盡層，這樣仿照Beale模型解釋孔的形成。 多孔硅的性質 目前多孔硅的應用研究領域有三個方向：光電子器件、傳感器件和光學器件。多孔硅的性質非常多，在光電子中運用到的電致發(fā)光效率，折射率的可調性，熱載流子發(fā)射和非線性的性質等。而在微光學中運用到其折射率的調制，整齊的大孔隙陣列和高度的非線性特征。多孔硅的低反射系數(shù)是在能量轉換中可用作抗反射涂層的根據(jù)。這里我們主要講在微電子學中所應用到得性質，因為其大的比表面積，所以多孔硅很適合做微型電容的原材料，它的多孔特征也為其物理作用提供了基礎，在我們所要研究的多孔硅電容探測器中就是應用了多孔硅對水的吸附特性改變結構的介電常數(shù)來達到電容大小變化的效果。第三章 多孔硅的濕敏傳感器原理 濕敏傳感器研究現(xiàn)狀濕度傳感器是基于其功能材料能發(fā)生與濕度有關的物理效應或化學效應的基礎上制造的，它具有可將濕度物理量轉換成可測量的電訊號的功能。這些功能可以通過與濕度有關的電阻值或電容值的變化、長度或體積的膨脹，以及結型器件或MOS器件的某些電參數(shù)的變化來得到實現(xiàn)。目前濕度傳感器的品種繁多，但就其所使用的感濕材料而言，主要有電解質和高分子化合物感濕材料、半導體陶瓷材料以及元素半導體和多孔金屬氧化物半導體材料等。電解質濕度傳感器具有測量范圍窄、可重復性差、使用壽命短等缺點；高分子化合物濕度傳感器具有感濕性好、靈敏度高等優(yōu)點，但在高溫和高濕條件下性能變差、穩(wěn)定性差、抗腐蝕和抗沾污能力差；半導體陶瓷材料濕度傳感器具有感濕性能較好、生產(chǎn)簡單、成本低、響應時間短、可加熱清洗等優(yōu)點，但準確度較低，高溫下性能差，難以集成化；多孔氧化物濕度傳感器具有響應速度快、化學穩(wěn)定性好、承受高溫和低溫能力強，以及可集成化等優(yōu)點。 多孔硅濕度傳感器的感濕機理多孔硅以硅為襯底，與硅集成電路兼容，又因其多孔結構和很大的比表面積而成為濕敏元件的理想材料。大多數(shù)研究認為多孔硅的感濕機理屬于多孔介質對水分子的吸附，一般分為物理吸附和化學吸附。水是強極性分子，多孔膜處于一定的適度環(huán)境下，多空造成很大的比表面積，孔越多，比表面積越大，表面的自由力場越強，吸附的水分子就越多，這是物理吸附。與此同時，還存在著化學吸附，吸附了水分子的孔壁表面出現(xiàn)負空間電荷層，為了平衡這種負電荷性，表面的空穴濃度增加，從而其電阻率隨濕度的增加而減少。因為水的介電常數(shù)比硅大得多，故多孔層的介電常數(shù)隨濕度的升高而增大。本實驗我們多考慮物理吸附。
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