Fotoluminescência do silicio poroso e dinâmica dos processos de recombinação e condução eléctrica

Abstract

Neste trabalho apresenta-se o resultado da investigação sobre as propriedades estruturais, ópticas e eléctricas do silício poroso (SP). As propriedades ópticas foram estudadas em estado estacionário, transiente e vibracional. As propriedades eléctricas foram estudadas em regime contínuo e alternado. Partindo destes estudos, é sugerido um novo modelo que permite descrever a dinâmica de recombinação e transporte eléctrico em camadas porosas de baixa dimensão. A tese está organizada em quatro partes que contêm seis capítulos. A parte I é dedicada à física do estado sólido (capítulo I) e ao movimento aleatório (capítulo II) introduzindo conceitos relativos a estruturas de baixa dimensão. A parte II (capítulo III) descreve as técnicas de espectroscopia óptica bem como as técnicas de deposição, análise eléctrica, microscopia e modelização computacional. O capítulo IV (parte III) aponta os factos conhecidos aquando do inicio do trabalho e estabelece a orientação da investigação. A produção de amostras é descrita no capítulo V. Ainda no capítulo V mostra-se que as camadas de SP têm uma estrutura fractal composta por colunas de microcristalites de c-Si entrelaçadas. As colunas têm diametro superior a 20 nm e crescem perpendicularmente ao substracto. No Capítulo VI discutem-se os resultados experimentais que mostram que a banda de emissão do SP tem uma largura a meia altura de 0.3 eV e que o máximo de intensidade se encontra a 1.8 eV. A banda de emissão do SP é o resultado de uma contribuição com decaimento exponencial e tempo de vida médio inferior a 100 ns, e outra, na forma de exponencial estendida, com decaimento que pode atingir as unidades de milisegundo. A parte da banda com decaimento mais longo é a que domina em estado estacionário. O máximo de intensidade da banda de emissão tem uma energia superior ao máximo da banda de fotoluminescência uma vez que apenas as maiores cristalites, que estão ligadas à estrutura do SP, contribuem para a condução eléctrica. As junções electroluminescentes têm uma característica I/V que obedece ao modelo de Poole-Frenkel. Um modelo computacional permite concluir que a activação térmica de excitões (com energia de activação igual a 0.36 eV) num fio quântico de largura variável é responsável pela dinâmica de recombinação, sendo os pares electrão-buraco e os electrões responsáveis pela dinâmica de transporte eléctrico. Medidas eléctricas da condutividade em regime alternado permitem confirmar estes resultados. Para melhorar a eficiência de injecção nas amostras usa-se o ataque químico selectivo a substractos com zonas de diferentes dopagens. No final do capítulo VI é discutida a integração do SP com diamante e com microcristais de silício, o que confere novas características ao SP, nomeadamente mais dureza, melhor estabilidade físico-química e melhor condutividade eléctrica, sem afectar significativamente as suas propriedades ópticas. Na parte final da tese, parte IV, são reunidas as principais conclusões e apontadas as perspectivas futuras.

In this work it is presented the result of the study about the structural, optical and electrical proprieties of porous silicon (PS). The optical proprieties were studied in vibrational, steady and transient state. The electrical proprieties were studied in continuos and alternated regime. From this studies a new model to describe the recombination dynamics and electrical conduction in low dimensional layers is suggested. The thesis is organised in four parts that contain six chapters. Part I its dedicated to solid state physics (chapter I) and to random walk (chapter II) introducing concepts related with low dimensional structures. Part II (chapter III) describes the spectroscopy, deposition, electrical analysis, microscopy and computational techniques. The fourth chapter (part III) establish the state of the art in the beginning of this work and points the direction of the investigation. The production of samples is described in chapter V. Still in chapter V it is shown that the PS layers have a fractal structure composed by columns of c-Si microcrystallites. The columns have a diameter bigger than 20 nm and grow perpendicularly to the substract surface. In the chapter VI the experimental results are discussed. Experimental results show that PS emission band have a full width at half maximum of 0.3 eV and the intensity maximum at 1.8 eV. The PS emission band its the result of one contribution with exponential decay and mean life time smaller then 100 ns and another with stretched exponential decay that can have a mean life time of several milliseconds. The contribution with longer decay time is dominant in steady state. Only the biggest crystallites, the ones that are connected to the silicon structure, contribute to the electrical conductivity. Hence the maximum of intensity of the electroluminescence band have a smaller energy then the maximum of intensity of the photoluminescence band. Using a computational model it is possible to show that excitons activation (with an activation energy of 0.36 eV) in a quantum wire of fluctuating width is responsible for the recombination dynamics and the electrical conductivity is due to electron-hole pairs and electrons movement. Electrical conductivity experimental results in AC regime allow to confirm this model. To improve the injection efficiency in the samples it is used a selective chemical attack to substracts with different doping. In the final part of chapter number VI the integration of PS with diamond and silicon microcrystallites is discussed. Integrated samples have a bigger hardness, a better physical and chemical stability and a higher electrical conductivity without significantly affecting PS optical characteristics. In the final part of the thesis (part IV) the main conclusions are summarised and the future perspectives are pointed.