$SiN_x$박막을 $200^{\circ}C$의 저온에서 $SiH_4$ 가스의 흐름 비율을 바꾸어 가며 PECVD 기법으로 성장하였다. 시료의 광 특성을 규명하기 위하여 상온 광 발광 스펙트럼을 측정하였다. 성장 시 $SiH_4$ 가스의 흐름 비율이 증가함에 따라 시료의 발광 최대치 파장이 장파장으로 이동하였으나, $SiH_4$ 가스의 흐름 비율과 무관하게 모든 시료에서 1.8, 1.9, 2.2, 2.4, 그리고 3.1 eV 에너지의 발광 현상을 관찰하였다. $N_2$, $H_2$, 그리고 $O_2$ 가스 분위기에서 후열처리를 거친 후, 발광 스펙트럼의 변화를 조사하였다. 열처리 후의 발광 세기는 증가하였고, 특히, $H_2$ 및 $O_2$가스 열처리로 인하여 발광 최대치 파장이 단파장으로 이동하였으나, 특정한 파장에서 발광효과는 여전히 존재하였다. 발광 메카니즘에 대하여, $SiN_x$ 박막의 에너지 갭 내에 Si와 N 원자의 비결합 결함에 의한 에너지 준위 모델을 설정하였고, 이 에너지 준위의 천이에 의한 발광으로 이해하였다. 그리고 저온에서 성장한 $SiN_x$ 박막의 발광 효과는 앞으로 구부러짐이 가능한 Si 계 광소자 개발 가능성을 보여주고 있다.
$SiN_x$ 박막을 $200^{\circ}C$의 저온에서 $SiH_4$ 가스의 흐름 비율을 바꾸어 가며 PECVD 기법으로 성장하였다. 시료의 광 특성을 규명하기 위하여 상온 광 발광 스펙트럼을 측정하였다. 성장 시 $SiH_4$ 가스의 흐름 비율이 증가함에 따라 시료의 발광 최대치 파장이 장파장으로 이동하였으나, $SiH_4$ 가스의 흐름 비율과 무관하게 모든 시료에서 1.8, 1.9, 2.2, 2.4, 그리고 3.1 eV 에너지의 발광 현상을 관찰하였다. $N_2$, $H_2$, 그리고 $O_2$ 가스 분위기에서 후열처리를 거친 후, 발광 스펙트럼의 변화를 조사하였다. 열처리 후의 발광 세기는 증가하였고, 특히, $H_2$ 및 $O_2$가스 열처리로 인하여 발광 최대치 파장이 단파장으로 이동하였으나, 특정한 파장에서 발광효과는 여전히 존재하였다. 발광 메카니즘에 대하여, $SiN_x$ 박막의 에너지 갭 내에 Si와 N 원자의 비결합 결함에 의한 에너지 준위 모델을 설정하였고, 이 에너지 준위의 천이에 의한 발광으로 이해하였다. 그리고 저온에서 성장한 $SiN_x$ 박막의 발광 효과는 앞으로 구부러짐이 가능한 Si 계 광소자 개발 가능성을 보여주고 있다.
We deposited $SiN_x$ thin films by using PECVD technique at $200^{\circ}C$ with various flow ratios of the $SiH_4/N_2$ gases. The photoluminescence measurements revealed that the maximum emission wavelength shifted to long wavelength as the ratio increased, however, ...
We deposited $SiN_x$ thin films by using PECVD technique at $200^{\circ}C$ with various flow ratios of the $SiH_4/N_2$ gases. The photoluminescence measurements revealed that the maximum emission wavelength shifted to long wavelength as the ratio increased, however, positions of the several peak wavelengths, such as 1.9, 2.2, 2.4, and 3.1 eV, were independent on the ratio. Changes of the photoluminescence spectra were measured in the $N_{2}-$, $H_{2}-$, and $O_2$-annealed films. The luminescence intensities increased after the annealing process. In particular, the maximum emission wavelength shifted to short wavelength after $H_{2}-$ or $O_2$-annealing. But there were still several peaks on the spectra of all annealed films, several peak positions remained to be unchanged after the annealing. As for the light emission mechanism, we have considered the defect states of the Si- and N- dangling bonds in the $SiN_x$ energy gap, so that the energy transitions from/to the conduction/valence bands and the defect states in the gap were attributed to the light emission in the $SiN_x$ films. The experimental results point to the possibility of a Si-based light emission materials for flexible Si-based electro-optic devices.
We deposited $SiN_x$ thin films by using PECVD technique at $200^{\circ}C$ with various flow ratios of the $SiH_4/N_2$ gases. The photoluminescence measurements revealed that the maximum emission wavelength shifted to long wavelength as the ratio increased, however, positions of the several peak wavelengths, such as 1.9, 2.2, 2.4, and 3.1 eV, were independent on the ratio. Changes of the photoluminescence spectra were measured in the $N_{2}-$, $H_{2}-$, and $O_2$-annealed films. The luminescence intensities increased after the annealing process. In particular, the maximum emission wavelength shifted to short wavelength after $H_{2}-$ or $O_2$-annealing. But there were still several peaks on the spectra of all annealed films, several peak positions remained to be unchanged after the annealing. As for the light emission mechanism, we have considered the defect states of the Si- and N- dangling bonds in the $SiN_x$ energy gap, so that the energy transitions from/to the conduction/valence bands and the defect states in the gap were attributed to the light emission in the $SiN_x$ films. The experimental results point to the possibility of a Si-based light emission materials for flexible Si-based electro-optic devices.
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문제 정의
3 eV 피크를 보여 준다고 추론하였다. 그리고 이와 같은 결함 밀도의 감소를 O2 가스 후열처리 공정 결과에도 그대로 적용하여 그 광 발광 특성의 변화를 이해하고자 하였다. 그러나 새롭게 생성된 2.
가설 설정
우리는 지난번 PECVD 기법의 SiNx 박막의 광 발광 실험 결과를 참고문헌 [29,30]에서 계산된 SiNx 밴드갭 내의 결함 에너지 준위를 가지고 설명하였다 [19]. 그러나 지금은 박막 내에서 Si와 N의 비결합이 서로 가까이 존재하고, 이 비결합들과 Si-Si 결합이 거리상 멀리 존재한다는 가정 하에, SiNx 밴드갭 내의 결함 에너지 준위 사이의 천이에 의한 발광 파장의 원인을 재구성하였다. 즉, 결함의 에너지 준위와 컨덕션/발랜스 밴드 사이의 천이는 쉽게 일어날 수 있으며, 또한 Si 비결합 에너지 준위와 N 비결합 에너지 준위 사이의 천이도 다른 천이 보다도 쉽게 일어난다고 가정하였다.
그러나 지금은 박막 내에서 Si와 N의 비결합이 서로 가까이 존재하고, 이 비결합들과 Si-Si 결합이 거리상 멀리 존재한다는 가정 하에, SiNx 밴드갭 내의 결함 에너지 준위 사이의 천이에 의한 발광 파장의 원인을 재구성하였다. 즉, 결함의 에너지 준위와 컨덕션/발랜스 밴드 사이의 천이는 쉽게 일어날 수 있으며, 또한 Si 비결합 에너지 준위와 N 비결합 에너지 준위 사이의 천이도 다른 천이 보다도 쉽게 일어난다고 가정하였다. 이에 따라 에너지 준위 사이의 천이에 따른 광 발광 파장을 Fig.
제안 방법
Fig. 1(a)와 Fig. 2의 스펙트럼에서 나타난 여러 개의 피크를 포함하고 있는 광 발광 특성이 박막 내의 Si 나노입자에 의한 것인지 또는 이러한 결함에 의한 것인지 규명하기 위하여, N2 가스 분위기에서 열처리를 하여 광 발광 특성의 변화를 살펴보았다. 그 결과는 Fig.
본 실험에서는 구부러짐이 가능한 Si 계 광소자의 구현을 위하여, 200℃의 저온 기판 온도에서 PECVD 기법에 의해 SiNx 박막을 성장하였다. SiH4와 N2 원료 가스 흐름량 변화에 따른 박막의 가시광선발광 특성을 측정하였으며, 박막의 발광효율을 증가시키기 위하여 N2, O2, 그리고 H2 가스 분위기에서 후열처리(post annealing)를 거친 다음 발광 특성의 변화를 조사하였다. 그리고 발광 메카니즘에 관하여, Si 나노구조의 양자역학적 효과를 비교 설명하고, 기본적으로는 SiNx 박막 내의 결함 에너지 준위 간의 천이로 설명하였다.
그리고 Si와 N 원자의 비결합의 특성과 H2 및 O2 가스 열처리시, H 및 O 원자와 ≡Sio과 결합을 통하여 ≡Sio 결함 밀도의 감소를 가지고 스펨트럼의 변화를 이해하였다.
열처리 전의 시료와 이와 같은 증착 후열처리 과정을 거친 시료들을 He-Cd 레이져(325 nm)를 역이 소스로 사용하여 상온에서 광 발광(Photoluminescence; PL)스펙트럼을 측정하였다. 또한 열처리 후의 표면 상태를 AFM (Atomic Force microscope)로 관찰하였으며, 시료의 구조 및 재료적 물성 분석을 위하여 FE-TEM (Field Emission Transmission Electron Microscope; Tecnai G2 F30 S-Twin (300 kV)) 이미지 관찰을 시도하였다.
1 eV 에너지의 발광 효과를 관찰하였다. 또한, N2, H2, 그리고 O2 가스 분위기에서 후열처리를 거친 다음 발광 스펙트럼의 변화를 조사하였다. N2 열처리의 경우, S3 시료에서 스펙트럼의 변화와 발광 세기의 증가를 관찰하였으나, 이외 시료에서는 스펙트럼의 큰 변화 없이 여전히 1.
시료의 광 특성 변화를 유도하기 위하여 SiH4와 N2의 반응 가스 흐름 비율을 여러 가지로 다르게 하여 SiNx 박막을 증착하였으며, 시료의 광 특성을 규명하기 위하여 상온 광 발광 스펙트럼을 측정하였다. 박막 성장 시 SiH4가스의 흐름 비율이 증가함에 따라 발광 최대치 파장이 장파장으로 이동하였으나, SiH4 가스의 흐름 비율과 무관하게 모든 시료에서 1.8, 1.9, 2.2, 2.4, 그리고 3.1 eV 에너지의 발광 효과를 관찰하였다. 또한, N2, H2, 그리고 O2 가스 분위기에서 후열처리를 거친 다음 발광 스펙트럼의 변화를 조사하였다.
한편, H2 및 O2 가스 열처리로 인하여 발광 최대치 파장이 단파장으로 이동하였으나, 특정한 파장에서 발광효과는 여전히 존재하였다. 발광 메카니즘에 대하여, 열처리 전후의 특정한 파장에서 발광현상은 SiNx 박막 내에 Si 나노입자의 생성과 양자구속 효과에 의한 발광 메카니즘을 부정적으로 생각하게 만들었다. 반면에, PECVD 기법으로 성장한 SiNx 박막의 경우 많은 결함들이 존재하고, 이들 결함의 에너지 준위들은 전자의 에너지 천이를 통하여 가시광선발광 효과를 나타낼 가능성이 매우 크다고 생각하였다.
박막의 저온 성장 기법 연구도 그 중 하나이다 [26]. 본 실험에서는 구부러짐이 가능한 Si 계 광소자의 구현을 위하여, 200℃의 저온 기판 온도에서 PECVD 기법에 의해 SiNx 박막을 성장하였다. SiH4와 N2 원료 가스 흐름량 변화에 따른 박막의 가시광선발광 특성을 측정하였으며, 박막의 발광효율을 증가시키기 위하여 N2, O2, 그리고 H2 가스 분위기에서 후열처리(post annealing)를 거친 다음 발광 특성의 변화를 조사하였다.
박막 성장 실험을 하였다. 시료의 광 특성 변화를 유도하기 위하여 SiH4와 N2의 반응 가스 흐름 비율을 여러 가지로 다르게 하여 SiNx 박막을 증착하였으며, 시료의 광 특성을 규명하기 위하여 상온 광 발광 스펙트럼을 측정하였다. 박막 성장 시 SiH4가스의 흐름 비율이 증가함에 따라 발광 최대치 파장이 장파장으로 이동하였으나, SiH4 가스의 흐름 비율과 무관하게 모든 시료에서 1.
마지막으로 H2 열처리는 H2 (Ar에 5%로 희석) 가스를 흘려주면서(1,000 cc/min) 온도를 200℃까지 올리고 30분간 온도를 유지시킨 후 상온으로 온도를 낮추었다. 열처리 전의 시료와 이와 같은 증착 후열처리 과정을 거친 시료들을 He-Cd 레이져(325 nm)를 역이 소스로 사용하여 상온에서 광 발광(Photoluminescence; PL)스펙트럼을 측정하였다. 또한 열처리 후의 표면 상태를 AFM (Atomic Force microscope)로 관찰하였으며, 시료의 구조 및 재료적 물성 분석을 위하여 FE-TEM (Field Emission Transmission Electron Microscope; Tecnai G2 F30 S-Twin (300 kV)) 이미지 관찰을 시도하였다.
반면에, PECVD 기법으로 성장한 SiNx 박막의 경우 많은 결함들이 존재하고, 이들 결함의 에너지 준위들은 전자의 에너지 천이를 통하여 가시광선발광 효과를 나타낼 가능성이 매우 크다고 생각하였다. 이에 따라, 기존에 발표된 SiNx 박막의 에너지 갭 내에 Si와 N 원자의 비결합 결함에 의한 에너지 준위를 가지고 그 에너지 준위를 통한 천이 모델을 설정하였고, 이러한 천이에 의한 발광으로 스펙트럼의 피크 파장를 일치시켰다. 그리고 Si와 N 원자의 비결합의 특성과 H2 및 O2 가스 열처리시, H 및 O 원자와 ≡Sio과 결합을 통하여 ≡Sio 결함 밀도의 감소를 가지고 스펨트럼의 변화를 이해하였다.
이후 SiNx 밴드갭 내의 Si와 N 원자의 비결합 결함에 의한 광 발광 스펙트럼이 H2 및 O2 가스 후열처리 공정으로 어떻게 변화하는지 살펴보았다. 그 결과는 Fig.
증착 후, 각 시료는 열처리 전기로를 이용하여, N2, O2, 그리고 H2 가스 분위기에서 열처리하였다. N2 열처리는 N2 (99.
H2 열처리 후의 표면의 돌기 부분이 길게 늘어나 것처럼 보이나, 이는 AFM이미지 측정 시 스캔 속도와 관련된 것으로 추정한다. 한편, TEM 실험의 경우 모든 시료를 관찰하는 것은 불가능하여 대표적으로 광 발광 세기가 가장 큰 S3 시료를 관찰하였다. 여러 번의 측정에도 불구하고 Si 나노점 등의 특이한 구조를 관찰하지 못했다.
후열처리를 거친 SiNx 박막의 표면 변화와 재료 및 구조적인 변화를 조사하기 위하여 AFM과 TEM을 이용하였다. Fig.
대상 데이터
SiNx 박막은 (100)방향의 p-형 Si 기판(0.02 Ωcm) 위에 질소 N2(99.9999%)와 SiH4 가스(아르곤(Ar)으로 5% 희석)를 반응 가스로 하여 PECVD 기법으로 증착하였다.
본 실험에서는 4개의 SiNx 박막 시료가 각기 다른 반응 가스 흐름 비율 [R=5%×SiH4(sccm)/N2(sccm)]로 증착하였고, 그 두께는 시료마다 약간의 차이는 있으나 약 300 nm였다.
이론/모형
구부러짐이 가능한 Si 계 광소자의 구현을 위하여, 200℃의 저온에서 PECVD 기법으로 SiNx 박막 성장 실험을 하였다. 시료의 광 특성 변화를 유도하기 위하여 SiH4와 N2의 반응 가스 흐름 비율을 여러 가지로 다르게 하여 SiNx 박막을 증착하였으며, 시료의 광 특성을 규명하기 위하여 상온 광 발광 스펙트럼을 측정하였다.
성능/효과
이미 알려진 바와 같이 나노미터 급 크기의 Si 입자들은 양자구속 효과에 의하여 그 크기에 따라 광 발광 파장이 변화 하게 되는데, 크기가 클수록 광 발광 파장이 장파장으로 이동한다 [8,9]. 결과적으로 SiH4 가스의 흐름양이 증가함에 따라 증착한 SiNx 박막 내의 Si 나노입자의 크기가 증가한 다고 생각할 수 있으며, SiH4 가스의 흐름양에 따른 시료의 광 발광 스펙트럼의 변화 특성은 증착한 SiNx 박막 내의 Si 나노입자의 생성과 양자구속 효과에 기인한다고 가정할 수도 있다.
가스 후열처리 공정으로 어떻게 변화하는지 살펴보았다. 그 결과는 Fig. 4에 잘 나타나 있으며, 이 두 가지 가스에 의한 열처리 공정으로 S1, S2, 그리고 S3 시료에서는 1.8, 1.9, 2.2, 그리고 2.4 eV의 피크가 상대적으로 약하게 관찰되었으며, 3.3 eV 피크가상대적으로 강하게 관찰되었다. 그리고 2.
SiH4 가스의 흐름양이 증가할수록 광 발광 스펙트럼의 최대값 파장 위치가 장파장으로 이동함을 분수 있다. 또한, 광 발광의 세기는 R이 6.7%인 시료에서 가장 큰 값을 나타냈으며, 이 때 최대값 파장은 576 nm이다. 이미 알려진 바와 같이 나노미터 급 크기의 Si 입자들은 양자구속 효과에 의하여 그 크기에 따라 광 발광 파장이 변화 하게 되는데, 크기가 클수록 광 발광 파장이 장파장으로 이동한다 [8,9].
그리고 Si와 N 원자의 비결합의 특성과 H2 및 O2 가스 열처리시, H 및 O 원자와 ≡Sio과 결합을 통하여 ≡Sio 결함 밀도의 감소를 가지고 스펨트럼의 변화를 이해하였다. 이러한 실험 결과와 해석으로, 200℃의 저온에서 PECVD 기법으로 증착된 SiNx 박막의 발광 메카니즘에서 Si와 N 원자의 비결합 결함이 중요한 역할을 하고 있음을 알게 되었다. 그리고 저온에서 성장한 SiNx 박막의 발광 효과는 앞으로 구부러짐이 가능한 Si 계 광소자 개발 가능성을 보여준다.
5는 [SiH4/N2]의 흐름 비율(R)에 따라 증착한 시료에서 최대 광 발광 파장의 변화를 보여주고 있다. 증착 그대로인 시료 및 후열처리를 거친 모든 시료에서 R이 증가 함에 따라 장파장으로 변화하는 것을 알 수 있었으며, H2또는 O2 후열처리 공정의 모든 시료의 최대 광 발광 파장은 증착 그대로인 시료 및 N2 후열처리를 거친 시료의 것에서 약 150 nm 정도 단파장 쪽으로 이동하였다. 이러한 변화를 Fig.
후속연구
이러한 실험 결과와 해석으로, 200℃의 저온에서 PECVD 기법으로 증착된 SiNx 박막의 발광 메카니즘에서 Si와 N 원자의 비결합 결함이 중요한 역할을 하고 있음을 알게 되었다. 그리고 저온에서 성장한 SiNx 박막의 발광 효과는 앞으로 구부러짐이 가능한 Si 계 광소자 개발 가능성을 보여준다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
기존 실리콘 벌크는 어떤 한계가 있었는가?
광전 소자의 응용으로 자체 발광의 디스플레이와 광통신용 소스가 거론되고 있으며, Si 광전 집적회로는 Si 의 발광 특성과 전계 전류 특성을 혼합하여 나타나는 다기능성을 이용하고자 하는 특징이 있다. 기존의 Si 벌크는 간접천이 형 반도체 특성을 가지고 있기 때문에 임의의 에너지 준위 역이(excitation) 기법으로도 가시광선 및 적외선을 방출하는데 어려움이 있었으나, 근래에 이르러는 나노 미터 크기의 여러 가지 Si 구조에서 효율적으로 빛을 방출 하는 것이 여러 차례 보고되고 있다 [3-5]. 이는 물질의 나노미터 크기에서 나타나는 양자역학적 구속효과와 이러한 크기 구속에 따른 전자 및 홀의 위치 불확실도(uncertainty)의 감소에 의한 것으로, 전자/홀의 웨이브 벡터 (wavevector)의 불확실도의 증가로 이어져 전자-홀 쌍의 직접천이 형 발광 재결합(radiative recombination) 효율이 높아지며, 이에 의하여 가시광선 및 적외선의 방출효율을 증가시키는 효과에 기인한 것으로 보고되고 있다.
유전체의 형성 방법은 어떤 것이 있는가?
Si계 유전체 박막 물질에서 박막 물질의 선택과 다양한 형성 기법에 따라 발광 효과를 규명하고 있으며, Si 나노점을 포함하는 SiO2 [3-7] 및 Si3N4 박막 [8,9], Si/SiO2 다층 박막 [10,11]에서 가시광선 방출의 연구 결과가 보고되고 있다. 이러한 유전체의 형성 방법으로, Si 산화물에 Si 이온 주입 방법 [6,7], Si 과포화 유전체 박막을 위한 플라즈마 증착법 [8,9,12,13], 이온 빔 또는 화학 기상 증착법[14-17], 레이저 기화 증착법 [18], 그리고 다층 Si/Si 산화물 형성의 스퍼터링 기법 [10,11]이 사용되고 있다. 이러한 방법으로 생성된 Si 계 유전체 박막에서 빛의 방출은 Si 나노구조의 양자역학적 효과가 주된 원인으로 생각하고 있다.
PECVD기법으로 증착한 SiNx 박막의 경우, 무엇이 밴드갭 내에 결함 상태로 존재하고 있는가?
그러나 일부 플라즈마 화학기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD)에 의해 증착된 SiNx 박막의 경우 가시광선 발광의 원인이 박막 내의 결함이라는 연구 결과도 보고되었다 [19,20]. 특히 PECVD기법으로 증착한 SiNx 박막의 경우 다량의 Si와 N 원자의 비결합 본드(dangling bond) 및 ≡Si-Si≡ 결합 등이 밴드갭 내에 결함 상태로 존재한고 있다는 것이 잘 알려져 있다 [21-23]. 이와 같은 결함의 에너지 준위들은 전자의 에너지 천이를 통하여 가시광선 발광 효과를 나타낼 가능성이 매우 크다 [24,25].
참고문헌 (30)
Light Emission in Silicon: From physics to Device, edited by D. J. Lockwook (Academic Press, SanDiego, 1998), Chapter 1.
K. -M. Lee, T. -H. Kim, J. -D. Hwang, S. H. Jang, K. Y. Jeong, M. S. Han, S. H. Won, J. H. Sok, K. W. Park, and W. -S. Hong, Scripta. Mater. 60, 703 (2009).
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