Electroluminescence (EL) from nc-Si embedded in both silicon oxide and silicon nitride matrix was demonstrated. Nc-Si embedded in silicon oxide was formed by depositing silicon rich silicon oxide (SRSO) thin films with electron cyclotron resonance plasma enhanced chemical vapor deposition system and post thermal annealing at high temperature. We found that the luminescence peak wavelength ranged from 750 nm to 900 nm could by controlled by the change of deposition condition and the optimum annealing parameter for nc-Si luminescence was thermal annealing of SRSO film at 1100℃, for 30 minutes. The origin of the luminescence was attributed to the radiative recombination of electron-hole pairs formed in nc-Si. Light-emitting device (LED) based on SRSO films with various structures was demonstrated and we concluded that the EL from nc-Si embedded in $SiO_2$ was mainly originated from the impact excitation via hot carriers. Nc-Si embedded in silicon nitride matrix was prepared by conventional plasma enhanced chemical vapor deposition system. We observed visible luminescence extended from red to blue region from nc-Si embedded in silicon nitride and the origin of the visible luminescence was attributed to the radiative recombination of electron-hole pairs formed in nc-Si. We demonstrated efficient LED based on nc-Si embedded in silicon nitride matrix by introducing the transparent doping layer of n-type SiC and ITO layer. We suggested that excitation occur by the tunneling of electrically inject carriers into nc-Si and the subsequent radiative recombination of electron-hole pairs in contrast to the case of SRSO. In addition, we demonstrated that the nc-Si LED with spacer layer of undoped SiC layer between active layer and n-type SiC layer shows enhanced carrier injection and increased output power above twofold compared to the device without undoped SiC layer.
실리콘을 기반으로 하는 마이크로포토닉스에 응용될 수 있는 실리콘 옥사이드와 실리콘 나이트라이드 안에 들어있는 실리콘 나노결정의 전기발광에 대한 연구를 수행하였다. 실리콘 옥사이드 안에 들어 있는 나노결정은 silicon rich silicon oxide (SRSO) 박막을 electron cyclotron resonance plasma enhanced chemical vapor deposition 방법으로 성장한 후 고온 열처리를 통해 형성하였다. 박막 성장 조건을 조절함으로써 나노결정의 광발광 파장을 750 nm에서 900 nm 까지 조절 할 수 있었으며 1100℃에서 30 분 동안 열처리하는 것이 나노결정 광발광의 최적 열처리 조건임을 알았다. 또한 실리콘 옥사이드 안에 들어있는 실리콘 나노결정의 광발광은 실리콘 나노결정 안에 형성된 전자-정공 쌍의 radiative recombination에 의한 것임을 알았다. SRSO 박막을 활성층으로 하여 상온에서 작동하는 전기발광 를 제작하였으며 전기발광은 hot carrier에 의한 impact excitation 기작에 의한 것이라는 결론을 얻었다. 실리콘 나이트라이드 안에 들어있는 실리콘 나노결정은 conventional plasma enhanced chemical vapor deposition 방법으로 성장하였다. 실리콘 나이트라이드 안에 들어있는 실리콘 나노결정으로부터 가시광 전영역에 걸치는 광발광을 관측할 수 있었으며 광발광은 SRSO와 마찬가지로 실리콘 나노결정에 형성된 전자-정공 쌍의 radiative recombination임을 알았다. 실리콘 나이트라이드 안에 들어있는 실리콘 나노결정을 활성층으로 사용하여 n-type SiC 층과 ITO 층을 투명 도핑층으로 사용하는 전기발광 소자를 제작하여 상온에서 오랜지색의 전기발광을 관측하였으며 전기발광은 실리콘 나노결정으로 터널링한 전자-정공 쌍의 radiative recombination임을 알았다. 또한 활성층과 n-type SiC층 사이에 도핑이 되지 않은 SiC 층을 끼워 넣음으로써 활성층으로 주입되는 전하 양을 두 배 이상 개선하였으며 그 결과 같은 전압에서 전기발광의 세기가 두 배 이상 향상되는 것을 확인하였다.
