臺灣博碩士論文加值系統

我們利用多孔矽經過快速熱氧化製造出奈米矽晶體(Silicon nanocrystals, nc-Si)，經由穿透式電子顯微鏡(TEM)、拉曼散射光譜(Raman)、可見光激發光(Photoluminescence)確定奈米矽晶體存在，並研究奈米矽晶體平均尺寸與發光特性光譜之間關係。最後再摻雜鉺原子於含有奈米矽晶體的結構，成功地量測到鉺原子在1.54μm紅外光激發光，並探討鉺原子發光與奈米矽晶體關係。
此篇論文，我們將以不同的電流密度製造出不同孔隙度(porosity)之多孔矽，經過快速熱氧化後形成不同平均尺寸的奈米矽晶體。藉由拉曼散射光譜紅位移及可見光激發光藍位移，可以發現它們位移量隨奈米矽晶體尺寸變小而增大。當將奈米矽晶體之樣品中摻雜鉺原子，發現鉺原子在1.54μm螢光發光強度隨著奈米矽晶體尺寸變小而增強。如同其它文獻所證實，奈米矽晶體的存在的確可以加強激發鉺原子發光，且發光效益也和奈米矽晶體尺寸有密切關係。

We successfully employed rapid thermal oxidized porous silicon (PS) to create silicon nanocrystals (nc-Si). In order to observe the size and the characteristics, experiments on different samples were investigated via transmission electron microscope (TEM)、Raman scattering and photoluminescence. After that, we doped Er ions into silicon rich SiO2 (SRSO) structure and successfully observed the infrared photoluminescence at 1.54μm from Er ions. The relations between infrared photoluminescence and average size of nc-Si were discussed in this study.
In this work, we controlled different current density to vary the silicon porosity. The different average size of nc-Si were formed by changing the silicon porosity and rapid thermal oxidization. We observe the red-shift of Raman scattering and the blue-shift of visible photoluminescence from the average size of nc-Si. The intensity of infrared photoluminescence at 1.54μm from Er ions would increase as the decreasing of the average size of nc-Si. This fact means that the Er ions are excited by energy transfer process from the excited nc-Si and the conversion efficiency has relations with the average size of nc-Si.

論文目錄
中文摘要………………………………………………………. i
英文摘要……………………………………………………… ii
論文目錄………………………………………………………iii
圖目錄………………………………………………………….v
表目錄………………………………………………………..viii
第一章 研究背景介紹………………………………………...1
1.1多孔矽及奈米矽晶體介紹……………………………...1
1.2多孔矽摻雜鉺原子發光介紹………………………….. 1
1.3 各類製作SRSO製程介紹……………………………..2
1.4 各類摻雜鉺原子製程介紹……………………………..3
1.5 論文動機………………………………………………..4
1.6 論文組織架構……...…………………………………...5
第二章 理論介紹..…………………………………………… 6
2.1 多孔矽形成機制……………………………...………...6
2.2 孔隙度及蝕刻深度量測.………………...…………… 9
2.3 拉曼散射………………………………… ..………….10
2.4 光激發光………………………………… ..………….13
2.5 鉺原子經由奈米矽晶體傳遞能量發光……...……….15
2.6 穿透式電子顯微鏡………...………………………….18
第三章 實驗架構…………………………………………….19
3.1 實驗樣品製作…………………………………………19
3.2 量測系統架設…………………………………………24
第四章 實驗結果與討論…………………………………….26
4.1 孔隙度及蝕刻深度量測結果與討論…………………26
4.2 穿透式電子顯微鏡結果與討論………………………29
4.3 拉曼散色光譜結果與討論……………………………34
4.4 室溫可見光激發光結果與討論………………………43
4.5 紅外光激發光結果與討論……………………………48
第五章 結論與未來展望…………………………………….55
5.1 結論……………………………………………………55
5.2 未來展望………………………………………………57
參考文獻……………………………………………………...58





圖目錄
圖2.1 矽原子溶解機制圖……………………………………..6
圖2.2 孔隙度量測……………………………………………..9
圖2.3 拉曼散射示意圖………………………………………10
圖2.4 公式(2.13)奈米矽晶體尺寸與拉曼位移關係…..……12
圖2.5 公式(2.15)奈米矽晶體尺寸與能隙關係………..……14
圖2.6(a) 鉺原子在含有奈米矽晶體結構中被激發………...15
圖2.6(b) 鉺原子有無能量傳遞之奈米矽晶體……………...15
圖2.7 鉺摻雜在含奈米矽晶體薄膜內可能反應過程之一…17
圖2.8 鉺摻雜在含奈米矽晶體薄膜內可能反應過程之二…17
圖2.10 穿透式電子顯微鏡………..…………………………18
圖3.1矽基板的蝕刻模具組………….………………………19
圖3.2 陽極氧化反應製作多孔矽設備圖……………………20
圖3.3 快速熱氧化及快速熱退火設備圖……………………23
圖3.4 拉曼散射實驗設備圖…………………………………24
圖3.5 紅外光激發光實驗設備圖……………………………25
圖4.1 蝕刻深度對時間之變化………………………………27
圖4.2 孔隙度對時間之變化…………………………………28
圖4.3 Sample # 1在不同放大倍率下TEM圖…..………….29
圖4.4 Sample # 4在不同放大倍率下TEM圖……………….30
圖4.5 Sample # 6在不同放大倍率下TEM圖…………….…31
圖4.6 Sample # 7在不同放大倍率下TEM圖……………….32
圖4.7 c-Si 拉曼散射分析結果……………………………....36
圖4.8 Sample # 1 拉曼散射分析結果….…………….…....36
圖4.9 Sample # 2 拉曼散射分析結果….……………..…...37
圖4.10 Sample # 3 拉曼散射分析結果……………………37
圖4.11 Sample # 4 拉曼散射分析結果……………………38
圖4.12 Sample # 5 拉曼散射分析結果……………………38
圖4.13 Sample # 6 拉曼散射分析結果……………………39
圖4.14 Sample # 7 拉曼散射分析結果……………………39
圖4.15 拉曼散射位移對孔隙度之變化….………………...40
圖4.16 半高寬對孔隙度之變化….………………………...41
圖4.17 c-Si可見光激發光結果…………………………….44
圖4.18 Sample # 7可見光激發光結果…………………….44
圖4.19 Sample # 6可見光激發光結果………………….....45
圖4.20 Sample # 5可見光激發光結果……….……………45
圖4.21(a) Sample 1-1紅外光激發光光譜………………...….48
圖4.21(b) Sample 2-1紅外光激發光光譜…………………...49
圖4.21(c) Sample 3-1紅外光激發光光譜……..……………..49
圖4.21(d) Sample 4-1紅外光激發光光譜………..………….50
圖4.21(e) Sample 5-1紅外光激發光光譜…………………....50
圖4.21(f) Sample 6-1紅外光激發光光譜……………………51
圖4.21(g) Sample 7-1紅外光激發光光譜……..…………….51
圖4.22各孔隙度摻鉺紅外光激發光光譜…………………...52
圖4.23紅外光激發光信號積分面積隨不同孔隙度變化…...52
圖4.24 Sample#7及 #7-1可見光激發光光譜………………53
圖4.25 Sample#6及 #6-1可見光激發光光譜………………53

表目錄
表3.1 用來量測孔隙度及蝕刻深度的多孔矽製作參數…....21
表3.2 用來量測拉曼的多孔矽基板製作參數……………....21
表3.3 不同多孔矽製作及快速熱氧化參數表……………....23
表4.1 平均孔隙度量測…..……………………………...…...26
表4.2 蝕刻深度量測…………………………………………27
表4.3 由公式計算拉曼位移和奈米矽晶體尺寸比較…..…..42
表4.4 公式計算能隙變化和奈米矽晶體尺寸比較……...….46

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