Tổng quan về vật liệu SiC và SiCxốp
1.2.1.Đại cương về vật liệu bán dẫn xốp
Vật liệu xốp là vật liệu mà trong lòng “khối” của nó chứa rất nhiều các “hốc rỗng”, còn được gọi là các lỗ xốp, phần vật liệu ngăn giữa các lỗ xốp (đươc gọi là “vách ngăn”) tạo thành bộ khung của lớp xốp. Vách ngăn có thể có dạng tường (wall), dây (wire) và/hoặc hạt (particle).
Do đặc điểm cấu tạo nên vật liệu xốp có diện tích bề mặt hiệu dụng vượt trội so với vật liệu khối. Ngoài ra, phần khung của khối vật liệu xốp có thể có kích thước rất nhỏ, chỉ vài chục đến vài nano mét. Với kích thước này hiệu ứng giam giữ lượng tử (QCE) có thể xảy ra và vật liệu sẽ trở nên có các tính chất vật lý rất khác so với vật liệu khối, đặc biệt là tính chất quang.
Hình 1.10. Ảnh SEM mặt cắt các hình thái cơ bản của vật liệu xốp [7, 37, 44, 71].
Hình thái của lớp vật liệu bán dẫn xốp rất đa dạng nhưng được chia làm bốn nhóm chính là bọt biển (sponge-like), cành lá (dendritic), đám rễ cây (cluster-root- like) và cột xốp (porous columnar), các hình thái này được chỉ ra trên Hình 1.10. Vật liệu xốp còn thường được phân chia theo đường kính lỗ xốp thành ba nhóm cấu
a) b)
c) d)
19
trúc là micro xốp (hoặc nhiều tác giả còn gọi là nano xốp), meso xốp và macro xốp, với các đặc điểm cấu trúc được thể hiện trên Bảng 1.2. Ngoài ra, hiện nay người ta cũng còn hay sử dụng khái niệm vật liệu nano xốp để chỉ các vật liệu xốp có các lỗ xốp có kích thước từ 100 nm (hoặc thậm chí vài trăm nm) trở xuống.
Bảng 1.2. Đặc điểm của các nhóm cấu trúc khác nhau của vật liệu xốp [44].
Cấutrúc Đặc điểm
Micro xốp Meso xốp Macro xốp
Đường kính lỗ
xốp < 10 nm 10-50 nm > 50 nm
Diện tích bề mặt
hiệu dụng > 200 m2/cm3 200 - 50 m2/cm3 < 50 m2/cm3
Mật độ lỗ xốp > 5000/µm2 5000 - 200/µm2 < 200/µm2
Vật liệu bán dẫn xốp thường được chế tạo chủ yếu bằng phương pháp ăn mòn, trong đó phương pháp ăn mòn điện hóa được sử dụng nhiều nhất. Công nghệ cũng như cơ chế ăn mòn xốp vật liệu bán dẫn nói chung và SiC nói riêng sẽ được trình bày cụ thể trong chương 2. Hình thái và tính chất của vật liệu bán dẫn xốp phụ thuộc rất nhiều vào các thông số chế tạo. Ví dụ, nếu xét trường hợp Si xốp - PSi (đây là vật liệu có rất nhiều điểm tương đồng với PSiC cả về phương pháp chế tạo, hình thái và tính chất) thì:
-Hình thái của lớp PSi chế tạo bằng phương pháp ăn mòn điện hóa phụ thuộc vào nồng độ HF trong dung dịch ăn mòn, dung môi [44, 50], mật độ dòng điện hóa [37], thời gian ăn mòn và vật liệu ban đầu [95]… Trên Hình 1.11 là ảnh SEM mặt cắt của các mẫu PSi xốp loại n được chế tạo bằng phương pháp ăn mòn anốt trong dung dịch HF với dung môi là ethanol với các điều kiện chế tạo như trên chú thích hình. Ở đây ta thấy rõ ràng là hình thái của lớp PSi rất khác nhau và thay đổi theo điều kiện chế tạo: 1) ở cùng một nồng độ tạp, khi mật độ dòng điện hóa tăng thì hình thái của lớp PSi chuyển từ dạng bọt biển (cấu trúc xốp không có trật tự) sang dạng cột xốp (cấu trúc xốp có trật tự), đồng thời tốc
20
độ ăn mòn tăng; 2) ở cùng một mật độ dòng điện hóa, khi nồng độ tạp càng cao thì kích thước lỗ xốp càng nhỏ.
Hình 1.11. Ảnh SEM mặt cắt của các mẫu PSi loại n được chế tạo bằng phương pháp ăn mòn anốt ở chế độ ổn dòng trong dung dịch HF với các mật độ dòng điện hóa, thời gian
ăn mòn và nồng độ tạp khác nhau (như chú thích trên hình) [95].
-Huỳnh quang (PL) của Si khi được làm xốp được cải thiện rất nhiều so với Si khối, cường độ PL của PSi có thể mạnh hơn vài trăm lần so với Si khối [22], với dải bước sóng phát quang khá rộng từ tử ngoại [97, 150] đến hồng ngoại [46], và thông thường vị trí đỉnh phổ huỳnh quang của PSi nằm ở bước sóng có năng lượng cao hơn so với độ rộng vùng cấm của Si tinh thể khối [22, 37, 46, 97, 150]. Các tính chất huỳnh quang của các PSi như cường độ, vị đỉnh phổ, dải phát quang, độ ổn định của phổ PL thay đổi khá nhiều khi thay trí đổi các điều kiện chế tạo và bước sóng kích thích [34, 37, 86, 107, 161, 186]. Ví dụ, Hình 1.12 cho ta thấy rõ điều này. Hình 1.12a cho thấy sự phụ thuộc của cường độ,
21
đỉnh phổ PL vào mật độ dòng điện hóa, còn Hình 1.12b cho ta thấy nồng độ HF cũng ảnh hưởng tới PL của PSi.
Hình 1.12. Phổ PL của các mẫu PSi được ăn mòn điện hóa:(a) với các mật độ dòng khác nhau (5 (1), 10 (2), 25 (3), 50 (4) và 75 (5) mA/cm2) trong khi các điều kiện khác được
giữ không đổi [161]; (b) với các mật độ dòng và nồng độ HF khác nhau [86].