Spektroskopische Charakterisierung von Schichten und Schichtsystemen aus porösem Silicium im Hinblick auf optische und optoelektronische Anwendungen

Investigations were made on both, single layers and layer systems of porous silicon, using optical spectroscopy, gravimetry, diffractrometry and topographic methods, and REM and TEM aswell. Main emphasis of the investigations was concentrated to the optimization of single layers and layer systems with a view to application and basic studies, aiming at an industrial applicability in optical and opto-electronic components. The results of the investigations presented here show new ways of applications by using porous silicon, e.g., electrically controllable filter structures on the basis of liquid crystals, diffraction gratings of porous silicon and spectral sensitive photodiodes

Spektroskopische Charakterisierung von Schichten und Schichtsystemen aus porösem Silicium

In dieser Arbeit wurden Schichten und Schichtsysteme aus porösem Silicium spektroskopisch charakterisiert. Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag dabei auf der Analyse des Einflusses der beleuchtungsunterstützten Herstellung auf die Mikrostruktur von PS sowie auf der Analyse einer periodischen Modulation der Mikrostruktur. Die mit Hilfe der aus RAMAN-Spektren gewonnenen Kristallitgrößenverteilungen zeigen für unter Beleuchtung hergestellte, poröse Silicium-Proben einen eindeutigen Trend in ihrer Morphologie: Bei Verwendung hochenergetischeren Lichtes bei der Herstellung ist eine Abnahme der Anzahl größerer Kristallite zugunsten kleinerer zu beobachten. Dies läßt sich durch eine Erzeugung photogenerierter Ladungsträger erklären, die ein elektrochemisches Atzen der ansonsten an Ladungsträgern verarmten Kristallite ermöglicht. Die festgestellte energetische Verschiebung des PL-Intensitätsmaximums belegt zusammen mit der geänderten Mikrostruktur die Richtigkeit des Quanten-confinement Modelles. Es läßt sich außerdem ein Memory-Effekt der Herstellungs-Beleuchtungswellenlänge auf die Lage des Photolumineszenzmaximums beobachten. Die Kristallitgrößenverteilung von porösen Silicium-Proben, die sowohl auf p- als auch auf n-dotiertem Ausgangsmaterial hergestellt wurden, lassen sich in einem erweiterten Quantenmodell zur Beschreibung des Bildungsprozesses von PS verstehen. Ein wichtiges Kriterium für dasVerständnis des Beleuchtungseinflusses im erweiterten Quantenmodell ist der an den unterschiedlichen Schichten, wie z. B. mikro- oder makroporöser Schicht, stattfindende Spannungsabfall, mit Hilfe dessen Aussagen über topologische Anderungen getroffen werden können. Die aus den Auswertungen der RAMAN-Daten für beleuchtungsinduziertes Atzen von p-dotiertem Substrat gewonnenen Ergebnisse stehen in guter Übereinstimmung mit XRD- und tendenziellen Aussagen aus Ellipsometrie-Messungen : Sowohl die mit zunehmender Beleuchtungsenergie ansteigende Fehlanpassung des Gitters senkrecht zur Probenoberfläche als auch die aus gravimetrischen Untersuchungen ermittelte anwachsende Porosität korrespondiert mit der in den Kristallitgrößenverteilungen gefundenen Reduktion der Beiträge von größeren Kristalliten zugunsten von kleineren. Die Reduktion in der Höhe des lm der pseudodielektrischen Funktion konnte mit einer Erhöhung der Porosität der Proben mit zunehmender Beleuchtungsenergie erklärt werden. XPS-Untersuchungen weisen auf einen wesentlichen Einfluß der Oxidation auf die beleuchtungsunterstützt hergestellten PS-Proben hin. Für technologische Applikationen müssen diese Einflüsse auf die porösen Strukturen im Hinblick auf eine durch die Beleuchtung hervorgerufene Desorption von Wasserstoffbindungen, die sich sofort bei Entnahme aus dem Elektrolyten mit Sauerstoff absättigen, beachtet werden. Dabei konnte nachgewiesen werden, daß das Oxidationsverhalten von n-Material gegenüber dem von beleuchtetem p-Material grundsätzlich verschieden ist . Während beim n-Material das Oxid SiO$_{2}$ dominiert, bildet sich bei p-Material vornehmlich der Si$^{+1}$-Oxidationszustand aus. Gerade bei hochenergetischer Beleuchtungsenergie von ca. 3 eV muß ein Aufbrechen der Si-H Bindungen (Bindungsenergie [...