Ever since the first report by Canham, luminescence from nanocrystal Si (nc-Si) has been the subject of intense research. While there is a general agreement that quantum confinement plays an important role in determining the luminescence properties, it has proven difficult to obtain visible luminescence from oxide -passivated nc-Si.
On the other hand, other dielectrics such as $SiN_x$ are available to passivate nc-Si without introducing the oxygen-related states. So far there have been very little reports on nc-Si in $SiN_x$, and on the effect of the stoichiometry on the luminescence properties.
In this thesis, we report on tunable blue-green-red luminescence from nc-Si in $SiN_x$ films grown by ultra-high vacuum ion beam sputter deposition where only nitrogen gas was used as DC plasma source.
X-ray photoelectron spectroscopy, cross-section transmission electron microscopy, and Rutherford backscattering spectroscopy data were used for characterization of the composition, thickness, and growth mechanism.
After deposition, these films were rapid thermal annealed for 10 min at 950℃ in order to induce nucleation and growth of nc-Si, and hydrogenated for 1 hour at 650℃ in flowing $H_2$ forming gas to passivate defects. We confirmed the presence of 1-2 nm nanocrystal-Si embedded in $Si_3N_4$ matrix from HR-TEM image. By considering the enhancement by annealing, we understood that the origin of luminescence was not defects but nc-Si.
The room temperature PL spectra of $SiN_x$ films show strong luminescence in the range of 450-700 nm, visible to the naked eyes, that can be tuned by varying the excess Si content of the film. We also confirmed that this result was consistent with quantum confinement effect with decreased excess Si content.
Comparison of PL energy of $SiN_x$ with that of $SiO_x$ which has similar excess Si content shows a blue-shift of nearly 1 eV, consistent with the interface control over the nc-Si luminescence. The possibility of using nc-Si in $SiN_x$ film to realize full-color light emitting device was also discussed.
Canham의 다공성 실리콘 (porous-Si) 의 발광에 대한 첫번째 연구 이후로 나노크리스탈 실리콘 (nanocryatal-Si) 에서의 광발광은 현재까지 연구의 중요한 주제가 되어왔다. 또한 발광을 결정하는데 중요한 역할을 하는 것은 양자구속효과 (quantum confinement) 라고 일반적인 견해를 일치해 왔으나 일반적으로 많이 사용하는 oxide passivate nc-Si 에서는 가시광 영역의 full color를 얻기 어렵다는 것이 증명되었다. 그래서 oxide-passivated nc-Si 보다 더 좋은 대안으로 실리콘 질화물안의 nc-Si이 선택되었다. 아울러 실리콘 질화물 안의 비정질 실리콘 클러스터에서 가시광 영역의 발광이 얻을 수 있다는 결과가 보고되었다. 그러나 실리콘 질화물 안의 nc-Si 에서의 발광특성에 관한 연구와 화학성분(stoichiometry) 효과에 대한 연구가 매우 적다.
본 논문에서는 초고진공의 이온빔 스퍼터링 증착법을 이용하여 만든 실리콘 질화물안의 나노크리스탈에서 나오는 가시광 영역의 광발광에 대한 특성을 설명한다. 박막의 특성은 XPS, Cross-section TEM, RBS를 이용하여 두께와 조성과 성장 메카니즘을 분석하였다. 증착된 박막은 나노크리스탈의 핵형성을 유도하고 성장시키기 위해 950℃ 에서 10 분간 고온 열처리(annealing)를 하였으며 defect에 의한 발광을 줄이고 nc-Si 에 의한 발광을 향상시키기 위해 650℃ 에서 한시간 동안 수소화 (hydrogenation)를 하였다. 최적화한 조건을 이용하여 nc-Si을 형성하였는데 HR-TEM image로 확인하였다. 이때 열처리를 통한 발광의 향상을 고려해볼 때 nc-Si 이 발광에 중요한 영향을 미치는 것을 확인하였다. 초과된 실리콘 량(excess Si)이 감소함에 따라 nc-Si 크기는 작아지며, PL spectra 에서 peak position이 blue-shift을 보임을 관찰하였는데 이것은 양자구속효과와 잘 일치하는 결과임을 알 수 있다. 또한 강한 full color luminescence가 조정가능함을 확인하였다.
$SiO_x$ 박막과의 비교를 통해 $SiN_x$가 가시광영역을 포함하고 있으며, ns-Si의 크기나 밀도 뿐만아니라 표면 상태 또한 발광에 중요한 역할을 하는 것을 확인하였다. 마지막으로 초과된 실리콘 량을 조절함으로써 가시광 영역의 붉은색, 녹색, 파란색을 육안으로 관찰하였다. 또한 모든 색을 포함하는 구조를 만들어서 백색광도 육안으로 관찰하였다. 결국 nc-Si를 포함하는 실리콘 질화물이 발광소자의 응용에 유력한 물질이라는 것을 제시하였다.
