Rôle of dielectric effects in the red-green switching of porous silicon luminescence

(Received 10 March 1994, accepted in final form in 30 May 1994)

Abstract
Trapping of a carrier at an ionized impurity in porous silicon may be significantly hindered when the material is embedded in a high-dielectric-constant medium such as an aqueous electrolyte. This effect is estimated for a geometry of cylindrical silicon wires, and by modeling the two media with wavevector-independent dielectric constants. The self-image potential of the electron is taken into account, and the frequency dependence of the outer dielectric constant is treated in a simple manner. The results demonstrate that the impurity states are not accessible in the presence of the electrolyte, just due to the dielectric relaxation of the embedding medium. This result may apply to different kinds of localized electronic states, including those responsible for the red luminescence in dry porous silicon. This provides a plausible explanation for the red to green switching of the luminescence when the porous silicon is wet and suggests that using embedding media of intermediate dielectric constants should allow one to observe a progressive transition between red and green luminescence. Observation of porous silicon luminescence in solvents of various dielectric constants provides a preliminary test of this prediction.

Résumé
Le piégeage d'un porteur par une impureté ionisée dans le silicium poreux peut devenir inefficace lorsque le matériau est plongé dans un milieu de grande constante diélectrique tel qu'un électrolyte aqueux. Cet effet est estimé pour une géométrie de filaments cylindriques de silicium, les deux milieux étant modélisés par des constantes diélectriques indépendantes du vecteur d'onde. Le potentiel image de l'électron est pris en considération, et la dépendance en fréquence de la constante diélectrique du milieu extérieur est traitée de manière simple. Les résultats démontrent que les états liés sur l'impureté ne sont pas accessibles en présence de l'électrolyte, simplement en raison de la relaxation diélectrique de ce milieu. Ce résultat peut s'appliquer à différentes sortes d'états électroniques localisés, en particulier ceux responsables de la luminescence rouge du silicium poreux sec. Ceci founit une explication plausible du changement de la luminescence du rouge au vert lorsque le silicium poreux est mouillé, et suggère que l'utilisation de milieux extérieurs de constantes diélectriques intermédiaires devrait permettre d'observer une transition progressive entre les luminescences rouge et verte. L'observation de la luminescence du silicium poreux dans des solvants de diverses constantes diélectriques fournit un test préliminaire de cette prédiction.