论文研究-Control technology of pore dimension in the photo-electroch...

宏孔硅阵列（Macroporous Silicon Arrays，简称MSA）在光电领域，尤其是在高长径比的应用中，近年来受到了广泛的关注。MSA因其独特的孔结构和光学性能，在光子晶体、硅微通道板、微机电系统（MEMS）器件等高科技领域拥有广泛的应用前景。本文着重研究了光电化学腐蚀技术在制备高长径比MSA结构中的孔径控制技术，旨在制备出理想的宏孔硅阵列结构。 光电化学腐蚀（Photo-Electrochemical Etching，简称PEC）是一种利用光生载流子参与电化学反应的过程。在PEC腐蚀中，光照能够影响腐蚀过程的动态平衡，进而改变腐蚀速率和孔径大小。为了制备出理想的MSA结构，本研究详细研究了MSA的PEC腐蚀过程以及孔径控制技术。 实验中，首先对抛光后的n型硅片进行了电流-电压（Current-Voltage，简称I-V）曲线的测试，使用的环境是含水HF溶液，利用背面光照的方式。通过实验得到了腐蚀过程中的关键电流密度JPS，并据此提出了稳定MSA生长所需的基本腐蚀电流密度条件。 研究者们提出了一种间接测量方法，用以确定孔尖端的JPS与腐蚀时间的关系。根据JPS的测量结果，通过改变腐蚀电流密度来控制孔径大小，最终实现了高长径比MSA的生长。研究中制备的MSA达到了317微米的深度和105的长径比。 关键词中的“高长径比（high aspect ratios）”指的是孔的深度与孔径的比值很大，这在微电子和光电子器件的制造中非常重要。由于高长径比孔具有较大的表面积与体积比，其在功能上具备更高的敏感性和反应性，因此在上述提到的硅微通道板、MEMS器件、光子晶体等应用中具有特殊的地位。 文章在引言部分回顾了宏孔硅阵列的形成历史和相关研究，指出宏孔硅的形成可以追溯到上世纪70年代初期。宏孔硅的分类依据孔径的大小，小于2纳米宽的孔被称为微孔，2至50纳米宽的孔被称为介孔，而大于50纳米宽的孔则被称为宏孔。本研究的重点在于宏孔硅的制造技术，特别是通过PEC技术来实现高长径比MSA的生长。 研究中提到了1990年代初期，Lehmann和Föll首次报告了使用有初始孔洞阵列的n型硅片背面光照的方法，成功制造出笔直、光滑且间距良好的宏孔硅阵列。这一技术在90年代得到广泛研究，人们普遍认为通过PEC蚀刻技术制造宏孔硅设备具有很大的潜力，并对其进行了深入的探讨。 由于PEC技术能够精准控制孔径和孔深，使得MSA的制备更加高效且可重复。这对于硅基微纳加工技术的发展具有重要意义，特别是在制作硅微通道板和硅基微机电系统（MEMS）等精细结构时，能够达到更高的精度和复杂的结构设计。通过精密的电流密度控制，使得孔径均匀性和孔壁的光滑度得到保障，为光电系统提供了高质量的光学界面。 在讨论部分，研究者们还强调了初始孔洞（initial pits）在形成MSA中的作用。初始孔洞为宏孔的形成提供了基础，使得后续的PEC腐蚀过程能在有序的条件下进行，从而有效控制孔径的大小和形状。通过优化初始孔洞的尺寸和分布，可以在一定程度上控制MSA的最终结构特征。 光电化学腐蚀技术在高长径比宏孔硅阵列的制造中发挥着关键作用。通过精细调控电流密度、光照条件以及孔洞的初始尺寸，能够制备出具有优异特性的高长径比MSA，这对光电领域和微纳加工技术的进步有着重要的推动作用。随着研究的深入和技术的不断成熟，预计宏孔硅及其相关技术将在未来的高科技领域中占据更加重要的地位。