%0 Thesis
%@rightsholder originalauthor yes locatedauthor no
%@holdercode {isadg {BR SPINPE} ibi 8JMKD3MGPCW/3DT298S}
%@nexthigherunit 8JMKD3MGPCW/3F358GL
%@usergroup administrator
%@usergroup jefferson
%@usergroup sergio
%@usergroup simone
%3 publicacao.pdf
%J Porous silicon obtained by chemical etching
%@secondarytype TDI
%2 sid.inpe.br/MTC-m13@80/2006/05.30.17.15.15
%A Abramof, Patrícia Guimarães,
%P 165
%@dissemination NTRSNASA; BNDEPOSITOLEGAL.
%@group CMS-SPG-INPE-MCT-BR
%K silício poroso, caracterização, espectroscopia Raman, difração de raios x, espectroscopia infravermelho, porous silicon, characterization, Raman spectroscopy, x ray diffaction, infrared spectroscopy.
%@documentstage not transferred
%I Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
%@copyholder SID/SCD
%@secondarykey INPE-14496-TDI/1176
%9 Tese (Doutorado em Ciência e Tecnologia de Materiais e Sensores)
%@area FISMAT
%8 2006-04-28
%X Este trabalho consiste em um estudo detalhado sobre camadas de Si poroso produzidas por ataque químico em lâminas de Si (001) do tipo p+ com soluções de HF:HNO_3 nas proporções de 50:1 e 500:1 e com adição de NaNO_2 na proporção de 0,1 g/L. Conjuntos de amostras com tempo de ataque de 1 a 30 min foram fabricados. As camadas produzidas com solução 500:1 e com duração de 1 a 10 min mostraram-se muito mais homogêneas, e por isso, tornaram-se objeto central de estudo. A espessura das camadas determinadas por imagens de microscopia eletrônica de varredura variou entre 1 e 4 µm, e a porosidade obtida por refletividade de raios X em ângulo rasante oscilou entre 35 e 55%. As análises por microscopia de força atômica revelaram a coexistência de pelo menos duas faixas de tamanhos de cristais de Si, entre 35 e 150 nm e de 9 a 15 nm, distribuídos tanto no topo quanto nos planos mais profundos da camada. Este comportamento está associado a um processo competitivo e simultâneo da formação do Si poroso, também confirmado pelas imagens de microscopia eletrônica de varredura. Espectros de infravermelho por transformada de Fourier apresentaram várias bandas de absorção correspondentes basicamente às ligações químicas superficiais com hidrogênio, SiH_x, e oxigênio, Si-O, e demonstraram a reprodutibilidade do processo de ataque químico. Espectros Raman medidos entre 300 e 8000 cm^-1, constituídos por um pico estreito em 520 cm^-1 devido ao Si cristalino e uma larga banda simétrica e centrada por volta de 4500 cm^-1 correspondente à resposta de fotoluminescência, foram analisados. Informações quantitativas sobre a fase cristalina e a fase amorfa das camadas foram obtidas do cálculo e do ajuste às medidas usando o modelo de confinamento de fônons. Assim, o tamanho de correlação dos cristalitos decresceu de 13 para 9 nm e o deslocamento da linha Raman aumentou de 0,9 para 1,5 cm^-1, correspondendo a valores de tensão residual de 250 a 400 MPa, em função do tempo de ataque. Após sofrerem processo de oxidação natural durante 750 dias, verificou-se que os tamanhos de correlação diminuíram e a tensão residual aumentou. Já a fase amorfa demonstrou ser sempre desprezível em relação à fase cristalina. A translação da banda de fotoluminescência para energias maiores e o aumento de sua intensidade em relação às amostras recém-formadas concordaram com o decréscimo dos tamanhos de correlação verificado nas análises Raman. Espectros de difração de raios X em alta resolução mostraram que a rede dos cristais que compõe a camada porosa encontra-se distorcida com uma distribuição de deformação expansiva perpendicular ao plano da amostra induzido pela tensão compressiva no plano devido à presença dos poros. Do ajuste dos espectros medidos na maior resolução por um conjunto de distribuições Voigt e Gaussianas foram encontradas três faixas de valores da deformação entre 4 - 9×10^-4, 1,0 - 2,5×10^-3 e 3,5 - 6,0×10^-3 em função do tempo de ataque. Valores de tensão da ordem de 10^2 MPa foram estimados para a faixa de maior deformação, em concordância com os obtidos por espectroscopia Raman para cristalitos de aproximadamente 10 nm.  Assim, esses resultados levaram à constatação que a deformação está relacionada com três populações de tamanhos de cristalitos que coexistem nas camadas. Finalmente, os mapas da rede recíproca mostraram que toda a distorção do Si poroso obtido por ataque químico está no parâmetro de rede, não apresentando sinais de mosaicidade. ABSTRACT: This work reports on a detailed study of porous Si layers produced by chemical etch in p^+-type (001) Si wafers with solutions of HF:HNO_3 at concentrations of 50:1 and 500:1 added with NaNO_2 diluted at 0.1 g/L. Sets of samples with etching times from 1 to 30 min were fabricated. Porous layers etched with the 500:1 solution during 1 to 10 min were found to be much more homogeneous, and for this reason, became the main object of study. The layer thickness determined by scanning electron microscope cross-section images varied from 1 to 4 µm, and the porosity obtained by grazing incidence x-ray reflection oscillated between 35 and 55%. Atomic force microscopy analysis revealed the coexistence of at least two ranges of crystal sizes, between 35 and 150 nm and from 9 to 15 nm, distributed both in the top and in the deeper planes of the layers. This behavior is associated with a competitive and  simultaneous process during de porous Si formation, also confirmed by scanning electron microscopy images. Fourier transform infrared spectra exhibited several absorption bands corresponding basically to superficial chemical bonds with hydrogen, SiHx, and oxygen, Si-O, and demonstrated the reproducibility of the chemical etching. Raman spectra were measured from 300 to 8000 cm^-1 and showed a narrow peak at 520 cm^-1 relative to the crystalline silicon and a large symmetrical band centered around 4500 cm^-1 corresponding to the photoluminescence response. Quantitative information about the crystalline and amorphous phases of the layers was obtained from calculations using the phonon confinement model and a best fit procedure to the measured spectra. From these analyses, the correlation length of the crystallites reduced from 13 to 9 nm and the Raman line shift increased from 0.9 to 1.5 cm^-1, which corresponds to residual stress values of 250 to 400 MPa, as a function of etching time. An increase in the correlation length and a decrease of the residual stress were observed after a natural oxidation process during 750 days. The amorphous phase demonstrated to be always negligible in relation to the crystalline one. The shift to higher energies and the increase in intensity of the photoluminescence band relative to the as-produced samples agreed with the decrease of the correlation length obtained from the Raman analysis. High-resolution xray diffraction spectra showed that the lattice of the crystals that compose the porous layers is distorted with a distribution of perpendicular tensile strain induced by a compressive stress in the layer plane due the presence of pores. From the fit of the more resolved spectra with a set of Voigt and Gaussian curves, three strain ranges at 4 - 9×10^-4, 1,0  2.5×10^-3 and 3.5  6.0×10^-3 were found as a function of etching time.  Stress values in the order of 102 MPa were estimated for the higher strain range, in agreement with the values obtained from Raman spectroscopy for crystallite sizes of 10 nm. Therefore, these results indicate that the strain is related to three populations of crystallite sizes that coexist in the layers. Finally, reciprocal space maps showed that all distortion in the porous Si obtained by chemical etches lies in the lattice parameter, with almost  no sign of mosaicity.
%@project CMS-SPG-INPE-MCT-BR
%E Beloto, Antônio Fernando (presidente),
%E Ferreira, Neidenei Gomes (orientadora),
%E Ueta, Antonio Yukio (orientador),
%E Corat, Evaldo José,
%E Morelhão, Sérgio Luiz,
%E Kleinke, Maurício Urban,
%T Silício poroso obtido por ataque químico
%4 sid.inpe.br/MTC-m13@80/2006/05.30.17.15
%D 2006
%C São José dos Campos