In this thesis, we tried to observe near-intrinsic avalanche breakdown phenomena in bulk silicon crystals. We wanted to know how external factors like defects and impurities in crystal influence the phenomena and measure the intrinsic breakdown field of the silicon. We thought that the probability of having defects and impurities decreases as the size of crystal decreases. Based on this idea, we fabricated nanodevices which can effectively measure breakdown voltages of micrometer-sized silicon crystals. Contrary to our expectations that the size of the crystal will influence the breakdown phenomena, the experimental results showed that the breakdown is independent on the sample width. On the other hand, the breakdown fields decrease as the sample thickness increases. These results suggest that there are some factors related only with the sample thickness but not with the sample width which influence the magnitude of the breakdown voltage. The obtained breakdown field in our experiments were higher than the previous experimental data but still below the theoretical breakdown field limits.
이 논문에서 우리는 실리콘 결정의 고유한 전자 사태 항복 현상을 관찰하고자 하였다. 우리는 실리콘 결정 안에 있는 결함이나 불순물 같은 외부적인 요소들이 전자 사태 항복 현상에 얼마나 영향을 끼치는지 알고 싶었고, 또한 이러한 요소들로부터 자유로운 실리콘의 고유한 전자 사태 항복 현상을 관찰하고 싶었다. 우리는 실리콘 결정의 크기가 줄어들면 그 안에 포함된 결함이나 불순물 수가 줄어들어 좀 더 고유한 현상을 관찰할 수 있을 것이라 생각하였고, 이러한 아이디어를 바탕으로 마이크로미터 스케일의 아주 작은 실리콘 결정의 항복 전압을 간접적으로 측정할 수 있는 디바이스를 제작하였다. 실험 결과, 결정의 크기가 전자 사태 항복 현상에 영향을 미칠 것이라는 우리의 예상과는 다르게 항복 전압이 실리콘 샘플의 넓이와는 무관하였고, 샘플의 두께의 경우에는 두께가 넓어질수록 항복 전압이 작아지는 현상을 보였다. 이를 통해 샘플의 넓이와는 무관하지만 두께와는 관계가 있는 어떠한 다른 요소가 항복 전압의 크기에 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다. 그것이 결함인지 아니면 다른 요소인지는 알기 위해서는 더 많은 연구가 필요해 보인다. 우리 실험에서 측정된 항복 전계값들은 기존의 실험 데이터보다는 더 높은 값을 보였지만, 이론적인 고유 항복 전계값에는 아직 못 미치는 것을 확인하였다.
