Investigación

FTIR and photoluminescence studies of porous silicon layers oxidized in controlled water vapor conditions

M.A. Vásquez–A.ª, G. Águila Rodríguez ª, G. García–Salgado^b, G. Romero–Paredes ª, and R. Peña–Sierra ^{a *}

ª Departamento de Ingeniería Eléctrica, SEES, CINVESTAV–IPN, Av. IPN 2805, Col. Zacatenco, 07000, México, D.F., e–mail:* rpsierra@cinvestav.mx

^bCentro de Investigación en Dispositivos Semiconductores, BUAP, Puebla, Pue. 14 Sur y Av. San Claudio C.U., 72570, e–mail: godgarcia@yahoo.com

Recibido el 29 de noviembre de 2006
Aceptado el 28 de noviembre de 2007

Abstract

A study is presented on the evolution of the FTIR features and the changes in the photoluminescence (PL) spectra of chemically oxidized porous silicon layers (PSLs) successively aged under controlled conditions. The PSLs were prepared by the electrochemical method to guarantee uniformity over extended areas. Just after the silicon porification process, the FTIR spectra of the PSLs show silicon–hydrogen bands related to the hydrogen terminated porous silicon surface. As the PSLs oxidized, various vibrational modes were modified. The new observed vibrational frequencies are related to the defective silicon oxide formed at the porous silicon surface. The room temperature PL spectra of freshly prepared PSLs show a characteristic peak located at ~700 nm. The intensity of the PL signal on chemically oxidized samples increased by an order of magnitude; afterwards, when the samples were aged in saturated water vapor conditions, the PL spectra were strongly modified. These changes indicated that the PSL structure is modified by the oxidization processes applied. Analysis of the FTIR data and the behavior of the PL signal enable us to interrelate the quantum size related effects and the formation of some kind of defect in the silicon oxide film over the PSLs. The characteristics of the PSLs reported in this paper are perfectly reproducible in the conditions used for the sample preparation; therefore, these films can be used in different applications.

Keywords: Porous silicon; FTIR spectra; photoluminescence; silicon oxide; structure defects.

Resumen

Se presenta un estudio de la evolución de las características de los espectros de FTIR y la respuesta de fotoluminiscencia (PL) en películas de silicio poroso (PSL) oxidadas químicamente y envejecidas en condiciones controladas. Las PSL se obtuvieron por el método electroquímico para obtener buena uniformidad en grandes áreas. Las mediciones de FTIR en las PSL recién preparadas manifiestan bandas de silicio–hidrogeno asociadas con la terminación en hidrogeno de superficie de silicio poroso justo después del proceso de purificación. Al oxidar las películas, los distintos modos de vibración se modifican. Esos modos de vibración se relacionan con los defectos en el óxido de silicio que recubre la superficie del silicio poroso. Los espectros de PL en muestras recién preparadas presentan un máximo en ~700 nm. El espectro de PL en las PSL oxidadas químicamente y luego envejecidas, en condición de vapor de agua saturado, se modifica fuertemente con respecto a las muestras recién obtenidas. Estas variaciones están asociadas con los cambios en la estructura de las PSL inducidos por los procesos de oxidación. Los datos de FTIR y el comportamiento de la señal de PL nos permiten relacionar estas señales con los efectos de cuantización por pequeñas dimensiones e indicar que las transiciones a altas energías las produce algún centro de defecto en la película de óxido de silicio que se forma en su superficie. Las características de las PSL reportadas en este trabajo son perfectamente reproducibles en las condiciones que se utilizaron para prepararlas; por ello, las películas pueden usarse en distintas aplicaciones.

Descriptores: Silicio poroso; FTIR; fotoluminiscencia; óxido de silicio; defectos de estructura.

PACS: 81.05.Cy, 78.30.–j, 78.55.Mb, 68.47.Gh, 68.55.Ln

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Acknowledgements

This work is supported in part by CONACYT–México under contract 47104–Y. The technical support of Benito Nepomuceno and M. Avendano is acknowledged.

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