四光電三甲(羅章松)波導管:
電化學陽極化法溶解矽基板表面產生多孔矽,由於摻雜濃度、陽極化過程參數和周遭環境之不同將產生不同多孔率,多孔率的變化所造成的反射指數也將產生變化,因為在波導管的傳導區的基本條件為低光損失和低於包覆層反射之介質,吾將控制多孔矽之反射指數將為應用在波導管之一大課題。
多孔矽波導管製程技術:
近數十年來許多研究團體研究於WGs(Poros silicon waveguides)之製程已有了許多的實例與證實,而我們大致可分為:多孔矽做為被包覆層(Poro silicon cadding layers)和多孔矽自我的傳導層(Porous silicon itself as the guiding layer),而多孔矽做為被包覆層可分為3種(1)在多孔矽上成長磊晶層(2)與(3)皆為離子佈植法,差別於佈植過程不同和佈植之靶材不同,而多孔矽自我的傳導層是利用不同多孔率之複層結構所製成。
1.為被覆蓋層(Poro silicon cadding layers) (1)ESISOPS(Epitaxial Silicon On Porous Silicon)
於多孔矽上成長一層磊晶矽區(EPISOPS)為製作波導管是值得去思考的方法,由於磊晶矽區具有大於下部的多孔矽的反射指數,當X光在多孔矽中繞射時多孔矽可保持有原始的晶體結構[1],而使得磊晶矽所覆蓋較低反射指數的多孔矽將形成傳導的核心。成功的製作出波長在1.15,1.3和1.5μm的波導管,平面波導管為3μm的P-Si磊晶矽於1.52μm的多孔矽上 [2],如圖1所示。
圖1.
然而此方式可將形成波導管,分析之結果此方式具有高的損失,損失的來源為
磊晶表面缺陷密度所造成[3],由於表面缺陷不易去除也將限制了EPISOPS之發展潛力,而無論如何的是成長高反射指數之材料於多孔矽表面上形成光傳導之光波導管已有了證實。
由於EPISOPS具有高的損失,而去尋找較低的損失的覆蓋層為一項重要的工作,若將ITO(Indium Tin Oxide)成長於多孔矽之表面,ITO層厚度為2.5μm於2.5μm的n+多孔矽表面所形成之光波導管[4],將有高的吸收損失[5],而這材料為不切實際使用於光波導管。
在選取材料下將用氮化矽物於二氧化矽上再文獻中也已有了實證,波導管之損失較低約為0.1dB/cm[6],而氮化矽於多孔矽上之結構也開始實際去製成了。
(2)SIPS(Silicon Implanted Porous Silicon)
繼EPISOPS方法後所取用之第二種方式為將離子佈植於多孔矽層上之結構(SIPS),此方式為將給足夠之能量將矽原子佈植於p-多孔矽之表面,可將產生在多孔矽上之非晶矽層,吾將進行退火處裡可將非晶矽層形成在次結晶之作用[7],可由文獻中之實例了解之結構圖如圖2所示,但由研究於SIPS之結構至今還無法應用,因所備製之傳導層厚度無法大於0.8μm,使得無法有效將紅外線波長與結構做光學性之結合[2]。
圖2.
(3)NIPS(Full isolation by porous oxidized silicon)
最後所形成波導管之方法是將氮佈植於矽基板上,所要佈植區利用微影與黃光技術限制所要佈植之區域,而當佈植完成後,將產生間格的島狀佈植區,此區域具有高反射係數與高電阻率,其次之步驟,是為陽極電化學過程形成多孔矽做為島狀佈植區之隔離電介質,由於佈植區具有高電阻率可防止陽極電化學過程時孔洞
形成的限制,使得多孔矽有效作為包覆之作用形成波導管[2],如圖3所示。
圖3.
2.利用多孔矽做為傳導層之波導管
由於使用多孔矽做為包覆層的波導管需利用磊晶成長、沉積、離子佈植等複雜技術,而在這裡將考慮的是如何避免使用這些複雜之技術去產生多孔矽本身的傳導層的研究。
(1) DOPS(Densified oxidized porous silicon) (2) CLIPS(Controlled index porous silicon) 文獻索引:
[1]C. Oules, A. Halimaoui, J. L. Regolini, A. Perio, and G. Bomchil,“Silicon on insulator structures obtained by epitaxial
growth of siliconover porous silicon,” J. Electrochem. Soc., vol. 139, pp. 3595–3599,1992.
[2] H.F. Arrand, T.M. Benson, P. Sewell, A. Loni, R.J. Bozeat, R.Arens-Fischer, M. Kru¨ ger, M. Tho¨ nissen, H. Lu¨ th, The applica-tion
of porous silicon to optical waveguiding technology, IEEE.J. Selected Topic. Quant. Electron. 4 (1998) 975–982. [3] C. Oules, A. Halimaoui, J. L. Regolini, A. Perio, and G. Bomchil,“Silicon on insulator structures obtained by epitaxial growth of silicon
over porous silicon,” J. Electrochem. Soc., vol. 139, pp. 3595–3599,1992.
[4] A. Loni, A. J. Simmons, T. I. Cox, P. D. J. Calcott, and L. T. Canham,“Electroluminescent porous silicon device with an external quantumefficiency greater than 0.1% under CW operation,” Electron. Lett., vol.31, pp. 1288–1289, 1995. [5] F. T. J. Smith and S. L. Lyu, “Effects of heat-treatment on indium-tinoxide films,” J. Electrochem. Soc., vol. 138, pp. 2388–2394, 1981.
[6] W. Stutius and W. Streifer, “Silicon nitride films on silicon for opticalwaveguides,” Appl. Opt., vol. 16, pp. 3218–3222, 1977. [7] J. W. Mayer and S. S. Lau, Electronic Materials Science for IntegratedCircuits in Si and GaAs. New York: Macmillan, 1988.
多孔矽在發光二極體上之應用(張銘吉) 序言:
由於光電的急速發展，近年來半導體界研究多孔矽（Porous Silicon）材料，多希望藉由此材料之發光特性，做為發光二極體的材料。然而多孔矽尚有結構問題未能解決，使得該材料一直處於研究階段，許多技術問題有待解決。努力開拓更多新材料，以減低材料成本，提升產品特性，一直是半導體產業追求的課題，多孔矽即為研發中的半導體材料之一。雖然多孔矽可以應用於半導體之介電系數以及發光二極體材料，但由於一直存有技術上的問題，使得研究進度遲緩，保守估計未來十年內仍難以真正商品化。
應用最新科技研製之發光二極體:
此元件是利用最新的方法來結合多孔矽與非晶矽兩材料研製的發光二極體,使其可以在不同偏壓下發出紅、綠或藍等不同顏色的光
基本結構圖: