[논문 리뷰] The Effect of Different Wavelengths on Porous Silicon Formation Process

Oday A. Al‐Owaedi, Abbas H. Rahim외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 02.

Silicon Nanostructures and Photoluminescence참고 문헌 9인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 텅스텐 램프에서 유도된 파장(450 nm, 535 nm, 700 nm)이 24.5% 희석황산(HF)에서 n형 실리콘(0.8 Ω·cm)의 광전화학적(PEC) 에칭에 미치는 영향을 조사한다. 결과적으로 짧은 파장(450 nm)에서 에칭 속도와 다공성이 크게 향상되는 것으로 나타났으며, 긴 파장(700 nm)에서는 둘 다 감소함을 보여, PEC 에칭을 통한 다공성 실리콘층 형성에 있어 파장에 따라 강력한 제어가 가능함을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다양한 파장의 빛이 n형 실리콘의 광전화학적(PEC) 에칭 과정에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 조명 파장이 다공성 실리콘(PS) 층의 미세구조적 및 구조적 특성에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 다른 조명 조건에서의 에칭 속도, 다공성 및 층 두께의 변화를 정량화하기 위해.
• 제어 가능한 다공성 실리콘 형성에 가장 효과적인 파장을 규명함으로써 PEC 에칭 공정을 최적화하기 위해.

제안 방법

• 0.8 Ω·cm 저항율을 가진 n형 실리콘 웨이퍼를 텅스텐 램프를 사용해 450 nm, 535 nm, 700 nm의 세 가지 파장으로 조명한다.
• 에칭 시간(5~25분)을 변화시켜 24.5% 희석황산(HF) 전해질에서 광전화학적(PEC) 에칭을 수행한다.
• 표면 미세구조와 층의 균일성을 분석하기 위해 광학현미경을 사용한다.
• 에칭 중 질량 손실 기반으로 질량 측정법을 이용해 에칭 속도와 다공성을 측정한다.
• 다른 파장 조건에서 형성된 다공성 실리콘 층의 미세구조적 및 구조적 결과를 비교한다.
• 입사 광자 에너지와 다공성 실리콘 특성 간의 상관관계를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 24.5% HF 전해질을 사용한 PEC 공정에서 입사 빛의 파장이 n형 실리콘의 에칭 속도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 조명 파장과 형성된 다공성 실리콘 층의 다공성 간의 관계는 무엇인가?
• RQ3 다른 파장은 PEC 에칭을 통해 형성된 다공성 실리콘 필름의 두께와 표면 미세구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 다공성과 에칭 효율 측면에서 가장 유리한 다공성 실리콘 구조를 형성하는 파장은 무엇인가?

주요 결과

• 450 nm 조명에서 모든 시험 파장 중에서 가장 높은 에칭 속도를 기록하여 실리콘 표면의 강한 광활성화를 시사한다.
• 450 nm 조명 조건에서 다공성 실리콘 층의 다공성이 최대에 도달하였으며, 짧은 파장과 다공성 증가 사이의 직접적인 상관관계를 입증한다.
• 700 nm 조명에서는 에칭 속도와 다공성이 뚜렷이 낮아, 실리콘 내에서 광자 흡수와 정공 생성이 감소함을 시사한다.
• 광학현미경을 통한 표면 미세구조 분석 결과, 450 nm 조명 조건에서는 더 균일하고 미세한 다공 구조가 관찰되었으며, 더 긴 파장보다 우수한 결과를 보였다.
• 에칭 시간이 증가함에 따라 층 두께가 증가하였지만, 450 nm 조명 조건에서 두께 증가율이 가장 높았다.
• 입사 빛의 파장은 PEC 에칭을 통한 다공성 실리콘의 미세구조 및 형성 동역학을 제어하는 데 핵심적인 매개변수임을 결과가 확인한다.