[論文レビュー] The Effect of Different Wavelengths on Porous Silicon Formation Process

Oday A. Al‐Owaedi, Abbas H. Rahim+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2016

Silicon Nanostructures and Photoluminescence参考文献 9被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、タングステンランプからの波長を変化させた（450 nm、535 nm、700 nm）条件下で、24.5% HF酸中におけるn型シリコン（0.8 Ω·cm）の光電化学的（PEC）エッチングに及ぼす影響を調査した。結果として、短い波長（450 nm）ではエッチング速度と多孔性が顕著に向上し、長い波長（700 nm）では両者とも低下することが示された。これは、PECエッチングによる多孔性シリコン層形成において、波長依存的な制御が可能であることを示している。

ABSTRACT

Porous silicon layers (PS) have been prepared in this work via Photoelectrochemical etching process (PEC) of n type silicon wafer of 0.8 ohm.cm resistivity in hydrofluoric (HF) acid of 24.5 precent concentration at different etching times (5 to 25 min.). The irradiation has been achieved using Tungsten lamp with different wavelengths (450 nm, 535 nm and 700 nm). The morphological properties of these layers such as surface morphology, Porosity, layer thickness, and also the etching rate have been investigated using optical microscopy and the gravimetric method.

研究の動機と目的

• 異なる波長の光が光電化学的（PEC）エッチングプロセスに及ぼす影響を分析すること。
• 照射波長が多孔性シリコン（PS）層の形態的・構造的特性に与える影響を特定すること。
• 異なる照照明条件下でのエッチング速度、多孔性、層厚さの変動を定量すること。
• 最適な波長を同定することで、制御された多孔性シリコン形成のためのPECエッチングプロセスを最適化すること。

提案手法

• 0.8 Ω·cmの抵抗率を有するn型シリコンウェハを、タングステンランプを用いて450 nm、535 nm、700 nmの3つの異なる波長で照射する。
• 24.5%水酸化ホウ素酸（HF）電解質中で、時間（5～25分）を変化させながら光電化学的（PEC）エッチングを実施する。
• 表面の形態および層の均一性を評価するため、光学顕微鏡を用いて分析する。
• 質量損失に基づく重量測定法を用いて、エッチング速度と多孔性を測定する。
• 異なる波長で形成された多孔性シリコン層の形態的・構造的結果を比較する。
• 入射光子エネルギーと得られる多孔性シリコン特性との相関関係を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 24.5% HF電解質を用いたPECプロセスにおいて、入射光の波長がn型シリコンのエッチング速度にどのように影響するか？
• RQ2 照射波長と得られる多孔性シリコン層の多孔性との関係は何か？
• RQ3 異なる波長が、PECエッチングによる多孔性シリコン膜の厚さおよび表面形態にどのように影響するか？
• RQ4 多孔性とエッチング効率の観点から、どの波長が最も望ましい多孔性シリコン構造を生成するか？

主な発見

• 450 nmの照射条件下で、全テスト波長中で最も高いエッチング速度が得られ、シリコン表面の光励起が強力であることが示された。
• 450 nm照射下では多孔性シリコン層の多孔性が最大に達し、短い波長と多孔性の増大との直接的な相関関係が確認された。
• 700 nmでは、エッチング速度と多孔性が顕著に低下しており、シリコン内での光子吸収および電荷キャリア生成が減少していることが示唆された。
• 光学顕微鏡による表面形態の観察で、450 nm照射下ではより均一で微細な孔構造が観察されたのに対し、長波長ではそれらが不均一であった。
• エッチング時間の経過に伴い層厚さは増加したが、その増加速度は450 nm照射下で最も高かった。
• 結果から、入射光の波長がPECエッチングによる多孔性シリコンの微細構造および生成動力学を制御する上で極めて重要なパラメータであることが確認された。