光照射によるポーラスシリコン/電解液界面の構造制御と光機能性

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シリコンウエハ-をフッ酸中で電気化学エッチングするには、正孔がシリコン基板からポーラス層へと注入される必要があるため、p型シリコンウエハ-を用いてポーラスシリコンを作製した。作成直後のポーラスシリコン試料と作成後2週間さらに約1年間空気中に放置した試料のFTIRスペクトルを測定した。作成直後の試料表面は、完全に水素で覆われている。一方、長い間放置した試料表面は徐々に酸化され、約1年間後には完全に酸化されており、表面構造の制御された試料が得られた。高いエネルギーを持つフォトンで励起した場合、試料中に存在する発光中心(主にシリコンナノクリスタル)をすべて励起するために非常にブロードなスペクトルとなる。この場合両者の試料におけるスペクトルに顕著な差はない。一方、共鳴励起発光スペクトル(発光スペクトル内を共鳴的にレーザーで励起)では、発光するナノクリスタルのサイズを選択的に励起できるため発光に微細構造が現われる。水素終端ポーラスシリコンでは、結晶シリコンのTOフォノンに対応した微細構造が現われた。しかし、酸化したポーラスシリコンの構造は複雑で、簡単には説明することができなかった。さらに非常に薄いポーラスシリコン試料は、基板の結晶方向を反映した発光偏光特性を示した。作成直後のポーラスシリコンは水素終端されており、偏光発光特性は<100>軸方向と<110>軸方向では大きく異なった。一方、表面酸化ポーラスシリコンの偏光発光特性の面内異方性は、観測されなかった。表面構造の違いにより発光メカニズムが異なっていることを示している。これら共鳴励起発光特性の結果は、水素終端ポーラスシリコンの発光は内部の結晶的な振る舞いを示し、酸化されたポーラスシリコンは、乱れた界面構造を反映した発光特性を示すことを示唆していることがわかった。