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研究生： 阮治鈞
Chih-Chun Juan
論文名稱： 利用交流電流製備多孔矽結構
Using AC Current to Fabricate Porous Silicon
指導教授： 蔡哲正
Cho-Jen Tsai
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 材料科學工程學系
Materials Science and Engineering
論文出版年： 2006
畢業學年度： 94
語文別： 中文
論文頁數： 86
中文關鍵詞： 多孔矽 、多層結構 、交流電流 、頻率
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    • 製作多孔矽大多以直流電流製備，固定電流密度以獲得所要的微結構。而影響結構的參數不外乎電流密度、基板參雜濃度、電解液濃度或者是製備時溫度等等。然而過去的文獻較少討論到使用交流電流所製備出的多孔矽，其輸出的頻率以及波形對於多孔矽結構的影響。

    本實驗使用蝕刻、SEM 圖、TEM圖及曲率的方法直接或間接觀察多孔矽的孔洞型態以及微結構，並觀察隨著頻率的改變。實驗過程中同時探討交流電流形成之多孔矽與直流電流間的差異。

    實驗最後的部分利用交流電流製備多層多孔矽結構，以製作高反射率的試片。雖然這部分因為實驗變因尚未掌控好，反射率的無法最佳化，但仍製作出多層結構。這與過去使用電腦控制直流電流與時間不同。

    總目錄 總目錄 I 圖目錄 III 表目錄 VII 誌謝 VIII 摘要 IX 第一章 文獻回顧 1 1.1 多孔矽的I-V特性 1 1.1.1 P型矽 2 1.1.2 N型矽 3 1.2 多孔矽表面溶解機制 5 1.3 多孔矽形成模型 6 1.4 直流電流生成多孔矽的基本性質 8 1.4.1 基板種類對多孔矽生成的影響 9 1.4.2 影響多孔矽生成參數 10 1.5 多孔矽之光學性質 10 1.5.1 單層多孔矽 11 1.5.2 多層多孔矽 13 第二章 實驗流程 15 2.0 簡介 15 2.1 多孔矽製備 15 2.1.1試片準備 15 2.1.2 電路設備 16 2.1.3 電解液配製 18 2.1.4 製備過程 19 2.2 多孔矽試片分析 20 2.2.1 光譜儀 20 2.2.2 場發掃描式電子顯微鏡 20 2.2.3 穿透式電子顯微鏡 21 2.2.4 曲率量測 21 第三章 結果討論 22 3.1 交流電對多孔矽形成之影響 22 3.1.1 時間及頻率對P型多孔矽折射率的影響 22 3.1.2 頻率與電流密度對P+型試片的影響 24 3.1.3 氫氟酸濃度對P+型試片的影響 25 3.1.4 大範圍改變頻率對多孔矽折射率的影響 26 3.2 交流頻率下微觀結構分析 27 3.2.1 蝕刻對不同頻率的影響 27 3.2.2 曲率量測方式觀察微結構 28 3.2.3 TEM觀察多孔矽的微結構 30 3.3 以交流電流製作多孔矽多層膜結構 31 3.3.1 定義電流密度所造成的折射率 31 3.3.2 製作多層多孔矽 32 第四章 結論 39 參考文獻 41 圖..............................................................................................................44 表……………….……………………………………………………….83 圖目錄 圖1.1.1 P型與N型矽在照光與不照光下之I-V曲線。 44 圖1.1.2 矽溶解時的I-V特性圖。 44 圖1.2.1 矽表面蝕刻機制 45 圖1.4.1 電流密度及電解液濃度對多孔矽生成的影響。 45 圖1.4.2 不同參雜濃度下多孔矽結構。(a)為P型基板，(b)為N型基板，(c)為P+型基板，(d)N+型基板。這些是試片都是在49%氫氟酸溶液以10mA的電流密度電解而成的。 46 圖1.5.1 單層多孔矽示意圖。 47 圖1.5.2 矽單晶折射率與波長的關係。 47 圖1.5.3 不同電流密度下多孔矽的反射圖，左圖為24.5%氫氟酸濃度，右圖為32.67%。 48 圖1.5.4 不同電流密度下多孔矽的折射率。 48 圖1.5.5 多孔矽supperlattice 結構。 49 圖1.5.6 不同條件下Bragg reflector與Fabry Perot filters的反射圖。 49 圖2.1.1 交流頻率電流調整電路 50 圖2.1.2 波形產生器輸出正三角波、正弦波以及方波。 51 圖2.1.3 高低電流密度頻率比改變 51 圖2.1.4 波形產生器輸出電壓與電解槽實際通過電流圖。 52 圖2.2.1 光譜儀示意圖 53 圖2.2.2 曲率量測示意圖 53 圖3.1.1　P型試片光譜圖。(試片條件A01-A04) 54 圖3.1.2 P型試片光譜圖。(試片條件A05-A06)。 55 圖3.1.3 時間對折射率的關係圖。(a)試片條件A01-A04，(b)試片條件A05-A08。 56 圖3.1.4 P+型試片光譜圖。(試片條件B01-B03) 57 圖3.1.5　P+型試片光譜圖。(試片條件B04-B06) 58 圖3.1.6 厚度在不同頻率下隨時間的變化。(試片條件B01-B06) 59 圖3.1.7 各個頻率時間與折射率的相對關係。(試片條件B01-B06) 59 圖3.1.8 P+型試片光譜圖。(試片條件B07-B09) 60 圖3.1.9 P+型試片光譜圖。(試片條件B10-B12) 61 圖3.1.10 厚度在不同頻率下隨時間的變化。(試片條件B07-B12) 62 圖3.1.11 各個頻率及時間與折射率關係。(試片條件B07-B12) 62 圖3.1.12 P+型試片光譜圖。 (試片條件C01-C04) 63 圖3.1.13 厚度隨時間的變化。(試片條件C01-C04) 64 圖3.1.14 不同時間的折射率。(試片條件C01-C04) 64 圖3.1.15 24.5%氫氟酸電解液下之planeview及cross-section圖。(試片條件C04) 65 圖3.2.16 10.0%氫氟酸電解液下之planeview及cross-section圖。(試片條件C05) 65 圖3.1.17頻率與多孔矽厚度的關係。(試片條件D01-D05) 66 圖3.1.18 不同頻率下之折射率。(試片條件D01-D05) 66 圖3.2.1 不同頻率下SEM之cross-section圖。(試片條件D01-D05) 67 圖3.2.2 不同頻率製備的試片浸泡在蝕刻溶液對折射率的影響。氫氟酸：硝酸：水=1:1:8。(試片條件D04、D06) 68 圖3.2.3 不同頻率下之曲率變化。(試片條件E01-E04) 69 圖3.2.4 試片經由800℃退火後的planeview及crossection圖。(試片條件E01-E04) 70 圖3.2.5 不同頻率下HRTEM圖。(試片條件E02、E03、E04)。 71 圖3.3.1 低頻率所造成之多層多孔矽結構。(試片條件E05) 72 圖3.3.2 多層多孔矽之光譜圖。(試片條件E05) 72 圖3.3.3 直流電流製作不同電流密度之多孔矽 73 圖3.3.4 電流密度與折射率孔洞率的關係 74 圖3.3.5 固定波形改變頻率所得到之多層多孔矽結構(試片條件F01-F03) 75 圖3.3.6 固定頻率改變波形所得到之多孔矽結構。(試片條件F04-F06) 76 圖3.3.7 方波輸出下不同頻率下反射與SEM圖。(試片條件F07) 77 圖3.3.8 高低電流時間比改為1：4。(試片條件G01) 78 圖3.3.9高低電流時間比為1:4，改變頻率所得之光譜圖形。(試片條件G02-G05) 79 圖3.3.10 時間比為1:4，改變頻率所得SEM cross-section圖。試片條件G02-G05) 80 圖3.3.11 將厚度前1/3模擬為氧化矽層。 81 圖3.3.12 厚度以gradient的方式模擬 82 表目錄 表2.1.1波形產生器輸出電壓與電解槽實際通過電流。 83 表2.1.2 試片條件 (Ⅰ) 83 表2.1.3 試片條件 (Ⅱ) 84 表2.1.4 試片條件 (Ⅲ) 84 表2.1.5 試片條件 (Ⅳ) 85 表2.1.6 試片條件 (Ⅴ) 85 表2.1.7 試片條件 (Ⅵ) 85 表2.1.8 試片條件 (Ⅶ) 86 表3.1.1時間對折射率的關係圖。 86 表3.3.1直流電流製作不同電流密度之多孔矽 86 表3.3.2電流密度與折射率孔洞率的關係 86

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