Ever since the report on the luminescence of porous Si by Canham , the study of luminescent nanocrystalline Si (nc-Si) has been an extremely active field of research. In this thesis, we have discussed the effect of the excimer laser annealing and the Ni , which have been used in producing low temperature poly Si, on the formation of luminescent nanocrystal Si (nc-Si) embedded in Si/$SiO_2$ superlattice. Ni co-doped and Ni undoped amorphous Si/$SiO_2$ superlattices consist of 20 periods of 2nm thin Si layers and 5 nm thin $SiO_2$ layers. They were deposited on Si using electron cyclotron resonance plasma enhanced chemical vapor deposition, Ni co-doping was done with concurrent sputtering Ni. A thermal anneal of Ni undoped supelattice film at 1100℃ resulted in a weak nc-Si luminescence. Excimer laser anneal of the as-deposited Ni undoped superlattice film did not result in any nc-Si luminescence even though the energy density was sufficient to melt the Si layers. Excimer laser anneal following the thermal anneal resulted in a three-fold increase of the nc-Si luminescence intensity but a redshift of the luminescence peak by only 30 meV. The temperature dependence of the nc-Si luminescence spectra shape, lifetime, and intensity indicate that the primary effect of excimer laser anneal is the removal of defects and amorphous regions in thermally crystallized Si layers. And a thermal anneal of Ni co-doped superlattice film resulted in a two fold increase of the nc-Si luminescence intensity but a redshift of the luminescence peak by 100 meV. The temperature dependence of the nc-Si luminescence spectra lifetime and intensity indicate that the Ni increase crystal growth rate.
광성질이 좋지 않아, 실리콘은 포토닉스에서 큰 각광을 받아 오지 못하였다. 하지만 Canham이 Porous Si이 Quantum Confinement 효과에 의해 가시광 영역에서 강한 PL을 발생시킴을 관찰한 이후, 많은 연구가 이루어져 왔다. 그 결과 실리콘 나노크리스탈을 이용한 LED가 만들어지는 등, 실리콘 포토닉스는 비약적인 발전을 하였다.
실리콘 나노크리스탈에서 발생하는 빛이 LED 나 Si 레이저의 광원으로이용되기 위해서는, 실리콘 나노크리스탈을 석출 방식으로 형성시키는것이 가장 적합하나, 단순히 실리콘의 과포화량만 조절하는 방법으로는 높은 밀도의 실리콘 나노크리스탈을 만들 수 없다는 문제가 있다. 이런 문제를 해결하기 위해 Si/$SiO_2$ 초격자를 결정화 시켜 실리콘 나노크리스탈을 형성시키는 방법이 제안되었지만, 아주 작은 실리콘 나노크리스탈을 만들기 위해 Si층의 두께를 줄이면, 결정화 온도가 급격히 상승하고, 어느 이상의 온도에서는 실리콘 나노 크리스탈이 뭉쳐버리는 문제가 있었다.
그래서 낮은 온도에서, 아주 얇은 실리콘층을 갖는 Si/$SiO_2$ 초격자를 결정화 시켜 작은 크기의 나노크리스탈을 높은 밀도로 만들기 위해, Si 층을 충분히 녹일 정도의 에너지 밀도를 가진 엑시머 레이저(308nm, XeCl)로 어닐링을 하였으며, 니켈 도핑도 해 보았다.이는 저온에서 폴리 크리스탈 실리콘을 만드는 방법으로 널리 이용 되는 것들이다.
니켈이 도핑된 Si/$SiO_2$ , 니켈이 도핑되지 않은 Si/$SiO_2$ 를 20쌍 쌓았다. 실리콘 나노크리스탈을 만들기 위해서 1100℃ 에서 한 시간 동안 thermal 어닐링을 하였으며, 니켈이 도핑되지 않은 초격자는 엑시머 레이저 어닐링만 한 샘플과 thermal 어닐링을 한 후 엑시머 레이저 어닐링을 한 샘플들도 준비하였다. 샘플 모두 수소화 과정을 거쳤다. 모든 과정을 거친 후, TEM상을 통해, 샘플 모두 20쌍의 Si/$SiO_2$ 초격자 구조로, Si 층의 두께가 2nm, $SiO_2$의 두께가 5nm 임을 확인하였다.
니켈을 도핑하지 않은 초격자를 엑시머 레이저 어닐링만 하면, 아무런 PL도 관찰되지 않았고, 이를 통해 엑시머 레이저 어닐링만으로는 실리콘 나노 크리스탈을 만들 수 없음을 확인하였다. 1100℃ 에서 한 시간 동안 thermal 어닐링만 하면, 1.6eV에서 피크를 갖는 약한 PL이 관찰 되었다. 그런데 이를 엑시머 레이저 어닐링까지 하면, 피크의 위치는 거의 변화 없이 3배 정도 PL의 세기가 증가 하였다. 온도에 따라 PL과 라이프타임을 측정하여 본 결과, 우리가 관찰한 PL이 실리콘 나노크리스탈에서 발생하였음을 확인하였고, PL 세기의 증가는빛을 낼 수 있는 나노크리스탈 수의 증가에 의한 것임을 알 수 있었다.Calcott et al.이 제안한 two level model을 적용해 splitting 에너지를 구하면, 두 경우 모두 12meV 이었고, 이를 통해 엑시머 레이저가 나노크리스탈의 모양에 큰 영향을 미치지 않았음을 확인하였다. 따라서 엑시머 레이저 어닐링은, thermal 어닐링을 통해 만들어졌지만, 빛을 내지 못하는 실리콘 나노크리스탈이 빛을 내게 해주는 역활을 함을 알 수 있었다.
니켈이 도핑된 샘플을 1100℃에서 한 시간 동안 thermal 어닐링을 하면 니켈이 도핑되지 않은 샘플을 thermal 어닐링 했을때보다 2배정도 PL이 증가하였고, 피크 위치는 100meV정도 줄어든 곳에 위치하였다. 온도에 따른 PL과 라이프타임을 측정하여, 우리가 관찰한 PL이 나노 크리스탈에서 발생한 것임을 확인하였다. 낮은 온도에서 써멀 어닐링을 했음에도 불구하고, 니켈이 도핑된 샘플은 나노크리스탈을 잘 만들었으나, 피크 위치가 낮은 에너지에 위치함을 통해 알 수 있듯이, 나노크리스탈의 크기 또한 커져 버렸다. 니켈로 인해 결정화 속도가 증가하였음을 알 수 있었다.
Si 층의 두께가 2nm일 때, 나노크리스탈을 형성하기위해선 1200℃이상에서 thermal 어닐링을 해야 함에도 불구하고, 니켈을 도핑하거나 엑시머 레이저 어닐링을 하면, 낮은 온도에서도 충분히 많은 나노크리스탈을 형성시킬 수 있음을 확인하였다.
