초록 ▼

Si 계의 광전자공학(Si-based opto-electronics)를 구현하기 위해서는 광방출소자들이 Si으로 만들어져야 하며, 또한 모든 광학 및 전자 소자 성분들이 Si 집적 회로 제조공정과 호환되어 Si 기판 위에 제조될 수 있어야 할 것이다. 본 논문에서는 실리콘계의 광전자 소자 개발을 향한 가능성을 조사하기 위해 UHV (ultrahigh vacuum)-CVD (chemical vapor deposition) 시스템으로 형성된 다층의 나노결정 (nano-crystalline) Si-O 초격자의 구조적인 특성과 전기적 특성

Si 계의 광전자공학(Si-based opto-electronics)를 구현하기 위해서는 광방출소자들이 Si으로 만들어져야 하며, 또한 모든 광학 및 전자 소자 성분들이 Si 집적 회로 제조공정과 호환되어 Si 기판 위에 제조될 수 있어야 할 것이다. 본 논문에서는 실리콘계의 광전자 소자 개발을 향한 가능성을 조사하기 위해 UHV (ultrahigh vacuum)-CVD (chemical vapor deposition) 시스템으로 형성된 다층의 나노결정 (nano-crystalline) Si-O 초격자의 구조적인 특성과 전기적 특성에 대해 연구하였다.
본 과제에서 제안하는 Epi-SOI 응용을 위한 새로운 형태의 초격자 구조인 SAS는 Si/O 초격자가 주기적으로 반복 형성된 것으로 산소 단원자 층은 산소 흡착에 의해 분리된 에피택셜 성장된 1 ∼ 2 nm의 박막 실리콘 층을 갖는 구조이다.
Si/O 초격자 다이오드는 단원자의 산소 흡착층 사이에 샌드위치된 박막의 실리콘층으로 구성되어 있고, 제작을 위한 중요한 요소는 비정질인 산소 흡착층 위에 에 피택셜 실리콘 층이 방해받지 않고 계속 성장되어야 한다는 것이다. 실험결과에 의하면 제작된 다층의 nc-Si/O 초격자 소자는 다공성 실리콘 보다 더 안정하고, 실온에서도 가시광 영역의 포토루미네슨스 및 일렉트로루미네슨스 특성을 나타내었다.
따라서 본 연구에서는 1단계에 에피택셜 나노구조 Si/O 초격자 성장 실험을 진행하고, RHEED 회절분석, HR-TEM 분석 등을 통해 물성을 규명한다. 2단계에서는 라만 scatrering, 포토루미네슨스, 일렉트로루미네슨스 분석 등을 수행하여 Si/O 초격자 구조의 기초물성 및 광방출 특성을 확립한다. 마지막으로 에피택셜 성장된 나노 결정 Si/O 초격자 다이오들을 제작하여 전기적 특성을 고찰, 분석함으로써 미래 광전자칩의 실현 가능성과 기존의 SOI 구조의 대체 가능성을 밝히고자 한다.
본 연구에서 제작된 다층의 Si-O 초격자 장벽은 Si 소자를 위한 isolation용으로 이용할 수 있음을 제시하였다. 60V 이상까지도 브레이크다운 현상은 나타나지 않았으며, 계단 특성은 전기적으로 활성화된 결함들(defects)과 트랩의 존재를 의미하는 것이다. 이는 oxygen exposure뿐만 아니라 나노크기의 epi-Si층의 두께와 같은 파라 메터의 최적화 및 새로운 패시베이션 공정과 같은 지속적인 연구를 통해 감소시킬 수 있을 것으로 생각된다. 즉, Si-O 초격자는 미래의 Si-based quantum field effect transistor(Q-FET)를 위한 SOI를 가능하게 하는 에피택셜 장벽으로도 사용할 수 있으며, Si-based optoelectronic IC(OEIC) 칩의 응용에도 기여할 것이다.

Abstract ▼

In this work, the monolayers of oxygen atoms sandwitched between the adjacent epitaxial silicon layers fabricated in order to investigate the possible replacement of silicon-on-insulator (SOI) for nano-CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) device of future generation. This multi-layer Si-O

In this work, the monolayers of oxygen atoms sandwitched between the adjacent epitaxial silicon layers fabricated in order to investigate the possible replacement of silicon-on-insulator (SOI) for nano-CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) device of future generation. This multi-layer Si-O superlattice forms a new type of superlattice, semiconductor-atomic superlattice (SAS).
Multilayer nc-Si/adsorbed oxygen superlattice, up to five periods, have been prepared using alternative layers of ultra thin epitaxial silicon film and oxygen monolayer adsorbed by oxygen exposure. A HRTEM images of epitaxially grown nc-Si/adsorbed oxygen monolayers were measured. The epitaxial Si layer was continuously grown beyond the adsorbed disordered oxygen, and have a nanocrystalline structure. The I-V characteristics of forward and reverse stress were compared. During the first measurement, as the voltage increases, the current showed staircase-like features due to resonant tunneling and quantum confinements. However, after the second measurement, the steps disappeared and the current was exponentially increased. Up to a bias of -60 V, there is no sign of breakdown, which indicates that this multilayer Si-O superlattice barrier can be used for isolation of Si devices. Although we cannot provide the quantitive data on the amount of oxygen incorporated at the Si-O superlattice layers due to the difficulties of secondary ion mass spectroscopy (SIMS) analysis of a monolayer of oxygen buried under undoped capping Si region of about ~ 7 nm, the qualitative presence of oxygen is confirmed by the above-described I-V characteristics, none of which could have been observed without the presence of superlattice.
HRTEM image shows epitaxial system. Also, the I-V measurement results show the stable and good insulating behavior with high breakdown voltage. It is apparent that the system may form an epitaxially grown insulating layer as possible replacement of SOI, a scheme investigated as future generation of high efficient and high density CMOS on SOI. Since our scheme is epitaxial, three-dimensional integrated circuits (3D-ICs) may finally be realized in silicon-based technology. Therefore it is important to determine how good is the epitaxially grown silicon beyond a Si-O superlattice. In conclusion, semiconductor-atomic-superlattices form new types of superlattice. In particular, the Si-O superlattice gives an epitaxial barrier possibly replacing SOI for future silicon based quantum field effect transistors (Q-FET) and can be contribute the applications of Si-based optoelectronic IC (OEIC) chip.

목차 Contents

• Ⅰ. 연구계획 요약문...3
• 1. 국문요약문...3
• Ⅱ. 연구결과 요약문...4
• 1. 국문요약문...4
• 2. 영문요약문...5
• Ⅲ. 연구내용...6
• 1. 서론...6
• 2. 연구방법 및 이론...6
• 3. 결과 및 고찰...7
• 4. 결론...12
• 5. 인용문헌...12