Determination of the porosity and optical parameters

of oxidized porous silicon films characterized

by ellipsometry

 

Détermination de la porosité et des paramètres optiques des films de silicium poreux oxydé caractérisé

par ellipsométrie

 

N. Ghellai*, Z. Fekih, A. Chiali, M. Boukais, K. Rahmoun, F. Z. Otmani, N. E. Chabane-Sari

Unité de recherche des matériaux et des énergies renouvelables, Université Abou-bakr BELKAID. Tlemcen 13000. ALGERIE.

* Corresponding author. E-mail: na_ghellail@yahoo.fr

Received: 26 June 2008; revised version accepted: 06 October 2008

 

Abstract

     The anodization of porous silicon in hydrofluoric solutions HF is an acquired method in the preparation of porous silicon (PS), with potential applications in the fields such as electronics, optics as well as chemical technology as well as in and that of gas sensor and biosensors.

     The control of the current and the time of anodization make it possible to modify the thickness and the porosity of the PS layer thus formed. According to dimensions' of the pores, PS can be used like an anti reflective coating in the photodiodes with silicon or the solar cells.

     In our work we will be focuses on the characterization of PS films by ellipsometry, non destructive technique to analyze the optical and structural properties with high precision.

     To understand the optical behavior of this material, we used the theory of the approximation of the effective mediums (model of Bruggeman).

     The relation between the reactive index of porous silicon and its porosity and oxidation has been calculated by the method of the effective medium (model of Bruggeman with 3 components, Si, pores (vacuum) and oxidizes SiO2).The characterization of oxidized films PS shows that the index of refraction n and the index of extinction k decrease gradually when the thickness of film increases.

 

Keywords: Porous silicon; characterization; ellipsometry; model of Bruggeman; index of refraction; porosity; oxidation.

 

Résumé

     L'anodisation du silicium poreux dans des solutions hydrofluoriques HF est une méthode acquise dans la préparation du silicium poreux (SiP) avec des  applications potentielles dans les domaines tels que l'électronique, l'optique ainsi que la technologie chimique, celle des capteurs de gaz et bio-capteurs.

     Le contrôle du courant et du temps d'anodisation permet de modifier l'épaisseur et la porosité de la couche SiP ainsi formée. Selon les dimensions des pores, le SiP peut être utilisé comme un revêtement anti réflectif dans les photodiodes au silicium ou les cellules solaires.

     Dans notre travail on va s'intéresser à la caractérisation des films de SiP par ellipsométrie, technique non destructive qui permet  d'analyser les propriétés optiques et structurales avec haute précision.

     Pour comprendre le comportement optique de ce matériau, on a utilisé la théorie de l'approximation des milieux effectifs (modèle de Bruggeman). La relation entre l'indice de réfraction d'un film de SiP et de sa porosité, ainsi que son taux d’oxyde a été calculée par la méthode du milieu effectif (modèle de Bruggeman à 3 composantes, Si, pores (vide) et l'oxyde SiO2). La caractérisation des films de SiP  oxydé montre que l'indice de réfraction n et l'indice d'extinction k, diminuent graduellement quand l'épaisseur du film augmente.

 

Mots clés: Silicium poreux; caractérisation; ellipsometrie; modèle de Bruggeman; indice de réfraction; porosité; degrés d'oxydation.

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