第四章 實驗結果與討論
4.4 室溫可見光激發光結果與討論
這裡我們將用多孔矽，經過快速熱氧化及快速熱退火後所產生之奈米矽晶
體做室溫可見光激發光量測，並利用第二章公式(2.15)，由其發出之峰值波段估 計奈米矽晶體的平均尺寸。
4.4.1 c-Si
此為未經蝕刻的矽晶圓，經過室溫光激發光後並無量測到任何螢光訊號。圖 4.17 為 c-Si 室溫光激發光量測結果。
4.4.2 Sample # 7
此量測結果是由 CCD 訊號每段連接而成，每段 CCD 積分時間設定為 60 秒，
激發光源功率為 100mW。經過室溫光激發光後可發現奈米矽晶體發出之可見光 波段。圖 4.18 為量測結果，峰值在 700.5 nm，半高寬 126.7 nm。奈米矽晶體大 小為 2.5nm。
4.4.3 Sample # 6
經過室溫光激發光後可發現奈米矽晶體發出之可見光波段。圖 4.19 為量測 結果，峰值在 722.2 nm，半高寬 114.4 nm。奈米矽晶體大小為 2.62nm。
4.4.3 Sample # 5
此量測每段 CCD 積分時間由 60 秒增加至 120 秒，激發光源功率由 100mW 增加至 200mW。經過室溫光激發光後由於訊號仍然太弱，造成 CCD 每段銜接容 易形成不連續的崎嶇現象。圖 4.20 為量測結果。表 3.2 樣品編號 1∼5 由於訊號 都過於微弱，我們皆不容易分辨出奈米矽晶體發光之峰值及半高寬。
500 550 600 650 700 750 800 850 900 950
-2 -1 0 1 2 3 4
a.u.
Wavelength (nm)
c-Si
500 550 600 650 700 750 800 850 900 950
0 50 100 150
200 resitivity 0.004 ohm-cm
porosity 61.93%
RTO 10000C 30sec 02/N2 = 20%/80%
RTA forming gas 3500C 60sec
a.u.
Wavelength (nm) 700.5 nm
FWHM = 126.7 nm
圖 4.17 c-Si 可見光激發光結果
圖 4.18 Sample # 7 可見光激發光結果
600 650 700 750 800 850 900
-10
resitivity 0.004 ohm-cm porosity 54.63%
RTO 10000C 30sec 02/N2 = 20%/80%
RTA forming gas 3500C 60sec
640 660 680 700 720 740 760 780 800 820
-20
160 resitivity 0.004 ohm-cm
porosity 49.65%
RTO 10000C 30sec 02/N2 = 20%/80%
RTA forming gas 3500C 60sec
a.u.
Wavelength (nm)
圖 4.19 Sample # 6 可見光激發光結果
圖 4.20 Sample # 5 可見光激發光結果
4.3.5 室溫可見光激發光與奈米矽晶體尺寸關係
由圖 4.17 可知只有矽晶圓存在時，在 550∼900nm 波段是完全無螢光發光信 號的。由圖 4.18、4.19 可知當蝕刻電流密度越大製作出來的多孔矽，經過熱退 火後，可見光激發光會有較大的藍位移且強度較大。這也代表著所含的奈米矽晶 體尺寸隨著蝕刻電流增大而減小，這趨勢和 TEM 及拉曼散射光譜是一致的。這 裡我們利用第二章公式(2.15)來估算奈米矽晶體尺寸與可見光激發光的關係。表 (4.4) 即為公式(2.15)計算能隙變化、奈米矽晶體尺寸及 TEM 比較結果。
樣品編號 PL 峰值(nm) 尺寸(nm) 由拉曼光譜計算(nm) TEM 幾何平均 (nm)
7 700.5 2.5 3.04 3.85
6 722.2 2.62 3.43 4.12
5 3.91
由於矽為非直接能隙且室溫能隙約 1.12eV，因此室溫矽的光激發光除了效 率非常差外，發出之波段也在紅外光譜的範圍。但是形成奈米矽晶體後，光激發 光會有明顯的改變。由於量子侷限效應，奈米矽晶體隨著尺寸越小，能隙會越大，
於是發出之波段從原本的紅外光區，藍位移至可見光區。
由可見光激發光結果與 TEM 結果比較，發現由 TEM 所觀察之結果皆較大。
但與拉曼散射結果比較，樣品編號 7 由光激發光公式(2.15)計算 2.5 nm 與拉曼散 射公式(2.13)估算之奈米矽晶體 3.04nm，相差 0.54 nm。樣品編號 6 由光激發光 公式(2.15)計算 2.62 nm 與拉曼散射公式(2.13)估算之奈米矽晶體 3.43 nm，相差 0.81 nm。樣品編號 5 孔隙度已低於 50%以下，光激發光信號微弱。因此，孔隙
表 4.4 公式計算能隙變化和奈米矽晶體尺寸比較
度 50%以上利用拉曼散射光譜與可見光激發光預估奈米矽晶體平均尺寸兩者差 異尚未太大。若由λ =1.24/(1.12+3.73/d1.39)[24]公式計算，其中λ是奈米矽晶體 發出波長(μm)，d 為奈米矽晶體直徑(nm)，可得樣品編號 7 奈米矽晶體尺寸約 為 3.50nm，由拉曼散射公式(2.13)估算之奈米矽晶體 3.04nm，相差 0.46 nm。樣 品編號 6 奈米矽晶體尺寸約為 3.73nm，由拉曼散射公式(2.13)估算之奈米矽晶體 3.43nm，相差 0.30 nm。因此，可見光激發發光與拉曼散射公式的選擇，也有可 能影響估計奈米矽晶體尺寸大小。
但由 TEM 結果觀察尺寸較大的原因，可能是多孔矽本身製作的奈米矽晶體 除了形狀極不規則外，並且有高低分佈，當由 TEM 照片截面積所觀察的奈米矽 晶體與實際上的平均尺寸會有所出入。