npsm 새물리 New Physics : Sae Mulli

pISSN 0374-4914 eISSN 2289-0041
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Article

Research Paper

New Phys.: Sae Mulli 2021; 71: 1018-1026

Published online December 31, 2021 https://doi.org/10.3938/NPSM.71.1018

Copyright © New Physics: Sae Mulli.

Light Emitting Properties of Si Micro Single Crystal Grown by Mixed-Source HVPE Method

Kyoung Hwa KIM1, Gang Seok LEE1, Jung Hyun PARK1, So Yoon KIM1, Hyung, Soo AHN1*, Jae Hak LEE1, Young Tea CHUN1, Min YANG1, Sam Nyung YI, Sun-Lyeong HWNAG2, Hunsoo JEON3, Ho-Young CHA4, Dong Han HA5, Sanghoon RYU6, Suck-Whan KIM7

1Department of Electronic Material Engineering, Korea Maritime and Ocean University, Busan 49112, Korea
2Kangnam University, Yongin 16979, Korea
3Busan Techno Park, Power Semiconductor Commercialization Center, Busan 46239, Korea
4School of Electronic and Electrical Engineering, Hongik University, Seoul 04066, Korea
5Korea Research Institute of Standards and Science, Daejeon 34113, Korea
6Center for Scientific Instruments, Andong National University, Andong 36729, Korea
7Department of Physics, Andong National University, Andong 36729, Korea

Correspondence to:ahnhs@kmou.ac.kr

Received: October 22, 2021; Revised: November 5, 2021; Accepted: November 8, 2021

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

The light-emitting property of Si micro single crystals was investigated. A Si micro single crystal grown by using the atmospheric-pressure, mixed-source hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method has a hexagonal cross-section and has a form of microneedle with an aspect ratio (length/diameter) of 140 or more. Through measurements using field-emission scanning electron microscope (FE-SEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and high-resolution X-ray diffraction (HR-XRD), the grown Si micro crystals were found to be pure single crystals. The electroluminescence (EL) characteristics were investigated by designing a structure of a Si micro single crystal light-emitting device by using a submount substrate. In addition, the cathodoluminescence (CL) and the photoluminescence (PL) were measured and compared to investigate the optical properties. These results are expected to contribute to the application of optoelectronic devices and to the growth of a new Si structure.

Keywords: Si micro single crystal, Light-emitting device, Cubic Si, Mixed-source HVPE, Si allotrope, Quasi-direct bandgap Si

Si 마이크로 단결정의 발광 특성을 조사하였다. 상압 혼합소스 수소화물기상법으로 성장된 Si 마이크로 단결정은 단면의 모양은 육각형을 가지며, 종횡비 (길이/직경)가 140 이상의 마이크로 바늘형태 구조이다. 주사 전자 현미경 (FE-SEM), 에너지 분산형 X 선 분광법 (EDS), 엑스선 광전자분광법 (XPS) 그리고 고해상도 X-선 회절 (HR-XRD)을 통하여 성장된 Si 마이크로 결정이 순수한 단결정임을 확인하였다. 보조기판을 이용하여 Si 마이크로 단결정 발광소자의 구조를 설계하여 전계발광 (EL) 특성을 조사하였다. 또한 광학적 특성을 조사하기 위하여 음극선발광 (CL) 그리고 광발광 (PL)을 측정하여 비교하였다. 이러한 결과는 새로운 Si 구조의 성장과 더불어 광전소자의 응용에 기여할 것으로 기대된다.

Keywords: Si 마이크로 단결정, 발광소자, 큐빅Si, 혼합소스 수소화물기상법, Si 동소체, 준직접 밴드갭 Si

일반적으로 Si 반도체는 간접 밴드갭 반도체이다. 반면 GaAs 혹은 GaN와 같은 화합물 반도체는 직접 밴드갭 화합물 반도체이다. 직접 밴드갭 반도체는 전자의 운동이 에너지 밴드 내에서 에너지 보존 법칙과 운동량 보존 법칙을 동시에 만족하기 때문에 여기된 전자가 직접 가전자대에서 전도대로 천이한다. 즉, 가전자대의 꼭대기에서 전도대의 가장 낮은 바닥으로 천이가 가장 잘 일어나 주로 광소자에 이용된다. 이와 반대로 간접 천이는 전도대의 최저 준위와 가전자대의 최대 준위가 같은 축상에 존재하지 않는 것으로 가장 대표적인 것이 Si 반도체이다. 직접 천이와 달리 간접천이는 광과 전자만으로는 운동량 보존 법칙이 성립하지 않는다. 결국 격자 진동에 해당하는 포논이라는 양자량을 도입하여 운동량 보존 법칙을 성립시키게 된다. 따라서 광이 바로 전자의 천이에 활용되지 못하고 격자의 진동에너지로 변형되어 천이하는 구조를 가지고 있다. 결국 전자는 에너지 손실이 발생하여 Si과 같은 반도체는 광소자로 활용되기 어려운 것으로 일반화 되어지고 있다 [1]. 따라서 원재료인 SiO2 가 지구 지각의 60%를 차지하고 있으며, 독성이 없는 매우 친환경적인 소재로서 Si의 역할이 매우 한정적이기 때문에 Si 광전지 (photovoltatic)의 단점을 획기적으로 대체 할 수 있는 새로운 구조의 Si 재료 연구가 반드시 필요하다.

론스달라이트 (lonsdaleite) 다이아몬드는 운석이 지구에 충돌했을 때 생기는 엄청난 열과 압력에 의해 운석 중의 흑연 구조가 변화하여 생성된다 [25]. 기존의 다이아몬드와 같은 탄소 원자로 구성되어 있으며, 그 결정 구조의 모양 때문에 “육각형 다이아몬드”라고 한다. 론스달라이트 다이아몬드의 발견에 의해 21세기는 탄소의 시대가 되었다. 이후 그래핀, 탄소나노튜브를 비롯한 다양한 연구가 지속되고 있다. 탄소가 주성분으로 이들은 일종의 동소체 (allotrope)라고 할 수 있다. 한편 론스달라이트 다이아몬드와 같은 육각형이지만, 탄소가 아닌 실리콘으로 구성되는 물질을 론스달라이트 Si 혹은 육각형 (hexagonal) Si (2H Si)이라 한다. 이러한 새로운 구조 Si 은 현재 사용되고 있는 큐빅 (cubic) Si 보다 빛을 더 많이 흡수하여 태양광의 효율을 높일 수 있고, 빛을 낼 수 있어 AI 시대의 광 정보처리에 이용되는 초고밀도집적회로 (ULSI) 에도 응용이 가능하다. 흑연과 같은 특성을 가지고 있으나 흑연보다 10배 이상의 에너지 밀도를 가지므로 2차 전지의 음극에 사용되어 전지의 수명을 늘리고 충전 시간을 단축할 수 있다. 또한 전기적 특성과 열에 의한 내구성이 뛰어나 전력소자의 재료로도 사용될 수 있다 [613]. 따라서 새로운 구조 Si 으로 기존의 큐빅 Si 산업을 크게 변화시킬 수 있다.

일반적으로 발광소자 (light emitting diode, LED)는 p-n 접합 다이오드의 일종으로, 순방향으로 전압이 걸릴 때 빛이 방출되는 현상인 전장발광 효과를 이용한 반도체 소자이다. 발광소자로 많이 사용되는 GaN는 밴드갭 에너지 3.4 eV의 직접 천이형 반도체이다 [14,15]. AlN의 경우 밴드갭 에너지는 6.2 eV로 GaN에 비해 넓은 밴드갭을 가지며 GaAs와 InN는 1.4 eV와 0.65 eV의 밴드갭을 각각 가진다 [1618]. 발광 재료로 많이 사용되고 있는 이들 III-V 족 반도체는 가시광 범위에서 고출력 기능, 내열성, 내방사성, 내마모 성 등을 갖춘 특성이 있어 전자소자 (electronic devices)와 광소자 (optoelectronic devices)등 다양한 분야에서 많이 사용되고 있다 [19]. 반면 큐빅 Si과 다른 육각형 Si은 준직접밴드갭 구조로 0.61 – 1.69 eV의 에너지 밴드를 가지고 있다고 알려져 있어 새로운 광전소자의 재료로서 주목받고 있다 [2024].

일반적으로 수소화물기상법 (hydride vapor phase epitaxy, HVPE) 방법은 유기금속화학증착 (MOCVD; metal organic chemical vapor deposition) 방법 혹은 분자선 에피탁시 (MBE; molecular beam epitaxy) 방법과 다르게 에피성장속도가 시간당 수십 m 혹은 수백 m로 나타나 성장률이 다른 장비에 비하여 매우 빠르다는 장점을 가지고 있다 [2530]. 본 논문에서는 혼합소스 HVPE 방법을 이용하여 새로운 구조의 Si 결정을 성장 하였으며, 이를 전계 방출주사전자현미경 (field emission scanning electron microscope, FE-SEM), 에너지 분산형 X-선 분광법 (energy dispersive X-ray spectroscopy, EDS) 그리고 고해상도 X-선 회절 (high resolution X-Ray diffraction, HR-XRD)을 통하여 Si 결정이 순수한 단결정임을 확인하였다. 특히 서브마운트 (submount) 기판을 이용하여 Si 마이크로 단결정 발광소자를 제작하였으며 이를 이용하여 전계발광 (EL) 특성을 조사하였다. 또한 음극선 발광 (cathodoluminescence, CL)과 광발광 (photoluminescence, PL)을 측정하여 비교하였다.

Figure 1은 혼합소스 HVPE 장비의 개략도를 나타내었다. 일반적인 HVPE와는 다르게 성장하고자 하는 금속 원소들을 하나의 보트에 혼합하며, 기체 형태의 금속-염화물 (metal-chloride)을 만들기 위하여 HCl 기체가 혼합된 금속 물질 위로 흐르게 구성되어있다. 혼합된 소스는 Ga, Al, Si 의 일정한 비율 (10 g : 10 g : 20 g) 로 혼합되며 HCl을 이용하여 GaCln, AlCl 그리고 SiCln 과 같은 금속-염화물을 형성하고, NH3 기체는 5족 원소인 N의 물질로 사용된다. 형성된 금속-염화물 기체와 N의 물질은 같은 보트 내에서 반응하며 아래 방향으로 향하고 있는 Si 기판 위에 시드 (seed) 형성과 함께 Si 마이크로 단결정을 성장한다. 수평형 혼합소스 HVPE 장비는 3개의 히터 퍼니스로 구성되어 온도를 조절한다. NH3 기체는 별도의 석영관을 통해 일정하게 성장 영역으로 공급해 주며 분위기 기체는 질소를 사용하였다.

Figure 1. (Color online) Schematic drawing of the reactor including three-zone furnace used for the growth of Si micro single crystals by mixed-source HVPE method.

Figure 2(a)는 전체 장비 사진을 나타내었으며 Fig. 2(b)와 같이 1200 °C 의 고온에서 반응 가스의 급격한 형성에 의해 최대한 높은 분압이 성장 보트에 작용할 수 있도록 석영관은 설계되었다. 혼합소스 HVPE 방법에서 금속-염화물 형성은 금속 물질의 반응에 대한 온도와 평형 상수 값으로 추정할 수 있다. 1200 °C를 성장온도로 이용하게 되면 GaCln 의 경우 GaCl3 의 금속-염화물 형성이 유력하며, 금속 Al의 경우는 AlCl3 보다 금속-염화물 형성 분압 (partial pressure) 이 가장 높은 AlCl의 생성이 우세하다 [31]. Si의 경우 SiHmCln (Si + xHCl → SiHmCln + yH2) 의 형태로 금속-염화물을 형성하며 혼합소스의 특징인 소스 공급의 제한에 따라 Ga과 Al의 고갈에 의해 급격히 분압을 증가 시키는 주된 소스로 작용하게 된다 [32]. Figure 2(c)는 전체 Si 기판에 형성된 Si 단결정의 FE-SEM 결과이다. Ga은 가장 먼저 Al 표면과 Si 표면에 용융되어 확산되고, Al 표면과 Si 표면에 생긴 산화막을 제거하게 된다. 또한 GaCl3 로 치환되어 아래로 향하고 있는 Si 기판 표면에서 meltback 효과에 의해 기판을 에칭하게 되고 이와 동시에 AlCl 과 함께 재성장 과정을 거처 시드 (seed)를 형성하게 된다. 이 과정에서 혼합된 Ga에 의해 활성화된 Al은 AlN과 관련된 시드 생성이 용이해진다. Si 은 Ga을 사용하지 않을 경우 표면의 산화막과 질화막으로 인하여 HCl 기체와의 반응이 일어나기 어렵다. 따라서 Ga에 의해 SiCln 의 생성이 용이하게 하며, 충분한 시드를 형성시키는데 필수적이라 할 수 있다. 다른 결과에서 시드의 EDS 측정 결과 대부분의 Si 원소와 함께 Al, N, O 의 원소가 측정되었다. 혼합소스 HVPE방법은 소스의 공급이 연속적으로 되지 않으므로 일정한 소스를 혼합하여 성장하면 소스가 고갈된 상태까지 Si 마이크로 단결정을 성장한다. 시드가 형성되면 소스로 혼합한 Ga과 Al은 빠른 소모율로 완전히 고갈된 다음부터는 순수한 Si에 의해서 소스 공급이 일어나게 되고 Fig. 2(d)와 같이 Si 마이크로 단결정의 성장이 주된 성장모드로 진행된다. 본 논문에서는 흑연 보트의 체적과 면적을 고려하고 성장 온도를 1200 °C로 하여 상태방정식을 적용하여 압력을 계산하면 0.1 – 0.15 GPa의 압력이 발생하는 것으로 예측되었다. 성장된 Si 마이크로 단결정은 성장기판으로부터 분리되며 이때 2.67 × 10−8 N 이상의 무게 정도에서 분리가 발생하는 것으로 계산되었다. 이는 평균적인 머리카락 10 mm의 무게 1 × 10−8 N 과 비교해보면 매우 큰 무게로 Si 마이크로 단결정이 기판에서 성장되어 2 mm 이상이 되면 성장 기판으로부터 분리되는 것으로 판단된다. Figure 2(d)에서와 같이 성장용 기판으로부터 떨어진 Si 마이크로 단결정은 아래 수집용 기판에 모이게 된다.

Figure 2. (Color online) (a) photograph of the mixed-source HVPE. (b) furnace, (c) formation of Si micro single crystals on substrate, (d) optical image of the Si micro single crystal.

Figure 3은 성장된 Si 마이크로 단결정을 FE-SEM과 EDS로 분석한 결과이다. Figure 3(a)는 성장된 Si 마이크로 단결정의 전체 FE-SEM 결과이다. 3 mm 정도의 시료를 측정 한 것으로 대부분의 시료에서 끝부분 (tip)은 6개의 육각면들이 모여져 뽀쪽한 바늘과 같은 형태로 관측이 되었다. Figure 3(b)는 중간 부분을 절단 (cleaving)한 것으로 육각형 모습을 볼 수 있다. 시료에 따라 조금의 차이는 있지만 6개의 각은 약 120° 정도로 육각형을 형성하고 있으며, 직진성 (straightness)을 보여준다. Figure 3(c)는 끝부분의 EDS 스펙트럼의 결과이다. 98 At% 이상의 Si으로 구성되어 있어 순수한 Si 결정임을 알 수 있다. Al과 O의 경우는 EDS 피크를 확인 하지 못하였으며, 성장 후 잔여물과의 접촉 및 산화의 영향으로 판단된다. Figure 3(d)는 Si 결정 조각 5개를 모아 측정한 XRD 2theta/omega 결과이다. Rigaku사의 Smartlab HR-XRD를 사용하여 2θ 값이 20°에서 120° 범위에서 스캔한 결과이다. 114.12° 피크가 관측되었다. Fd3m 공간 그룹의 data base (the international centre for diffraction data, ICDD; 03-065-1060)를 이용하면 114.12° 는 큐빅 Si (111)의 (531) 면에 해당된다. 또한 P36/mmc (D64 h) 공간 그룹의 data base (ICDD; 01-080-0005) 를 이용하면 114.12° 는 육각형 Si (2H-Si) 의 (116) 면에 해당된다. 따라서 Si 결정의 구조는 판단할 수 없으나 반치폭 (full width at half maximum, FWHM)이 187 arcsec (0.052°) (Fig. 3(d) 내부그림) 정도 관측되었으므로 매우 양질의 Si 단결정임이 분명하다 [33]. 따라서 EDS 결과와 함께 혼합소스 HVPE에 의해 대량으로 순수한 Si 마이크로 단결정을 성장할 수 있음을 확인하였다.

Figure 3. (Color online) (a) FE-SEM images of a Si micro single crystal. (b) plane-view image of FE-SEM image of the Si micro single crystal. (c) EDS spectrum of the Si micro single crystal. (d) XRD results measured for 5 grown Si micro single crystals (The inset shows FWHM).

Figure 4(a) 는 Si 마이크로 단결정이 성장되는 메커니즘을 개략적으로 나타내었다. Figure 4(a) 에서 (1) 은 Si 기판이며 표면이 아래를 향하고 있다. (2)는 GaCl3 와 AlCl에 의해 시드가 형성되며 (3)은 SiCln 의 영향으로 초기 Si 단결정이 성장되며, (4)는 소스로 혼합한 Ga과 Al은 빠른 소모율로 고갈된 다음부터는 순수한 Si에 의해서 길이를 증가시킬 수 있는 소스로 작용하게 되어 최종 Si 마이크로 단결정이 성장 된다. Figure 4(b)는 Thermo-Fisher-Scientifics의 K-Alpha model (Al Kα X-ray : spot size 50 – 400 µm)인 XPS를 사용하여 성장된 Si 마이크로 단결정의 단면을 절단하여 성분을 조사하였다. XPS의 빔 크기 (beam size)를 50 µm 로 하였다. 단면 절단 후 60 초 (표면에서 6 nm) 표면을 스퍼터링 에칭 (sputtering etching) 하여 측정된 것으로 Si 2p 궤도의 결합 에너지 (binding energy, BE)는 99.14 eV와 Si 2s 궤도의 결합 에너지 150.25 eV를 가지며 Si의 함유량은 97% 이상으로 나타났다. O의 경우는 Si 단면의 산화 영향으로 판단된다. 따라서 성장된 Si 결정은 순수한 Si 단결정으로 판단된다 [3436].

Figure 4. (Color online) Schematic drawing of the growth process for the Si micro single crystal by mixed-source HVPE method : (1) bare Si (111) growth substrate, (2) formation of seed on the Si (111) growth substrate, (3) and (4) growth of the Si micro single crystal. (b) XPS results of cross-sectional Si micro single crystal after sputtering etching.

Si 마이크로 단결정의 광특성을 조사하기 위하여 발광 소자를 제작하였다. Figure 5는 발광 소자 제작공정을 나타내었다. 성장된 Si 마이크로 단결정은 폭 100 µm, 길이 5 mm – 7 mm의 마이크로 단위의 시료이므로 이를 장착 할 수 있는 보조기판을 제작하였다. 보조기판은 절연성 GaAs 기판 (semi-insulating, SI GaAs)을 이용하였다. 기판은 절연성을 확보하기 위하여 RF-sputter 장비를 이용하여 SiO2 를 증착하였다. 진공은 5 × 10−6 Torr 정도로 한 후 Ar을 65 sccm 정도 흘려 진공도를 약 3 × 10−3 Torr로 맞추고 power를 증가시켜 212 W에서 증착 하였다. pre-sputtering을 약 30분 정도 유지한 후 SiO2 를 2000 Å증착 하였다. SiO2 가 증착된 기판은 일반적인 photolithography 공정을 통하여 디자인된 패턴을 형성하였다. e-beam증착기를 이용하여 Al 금속을 5 × 10−6 Torr 이하의 진공상태에서 2500 Å 정도의 두께로 증착하였다. 금속 증착이 끝난 후 시료는 초음파 세척기를 이용하여 아세톤으로 lift-off하고 메탄올로 cleaning한 뒤 DI water로 rinse하여 N2 로 건조하였다. 절단과정을 거처 단위 보조기판으로 분리하였으며 1 mm × 1 mm의 Indium (In) 박편을 이용하여 Si 마이크로 단결정을 접착하였다. Figure 6(a)는 보조 기판의 디자인 개략도이다. 다양한 길이의 Si 마이크로 단결정을 장착할 수 있으며 패드 크기는 3 mm × 3 mm 정도이다. 본 논문에서는 Si 단결정의 길이가 5 mm – 7 mm 를 이용하여 Si 마이크로 단결정 발광 소자를 제작하였다. Figure 6(b) 는 실제 사진으로 10 mm × 10 mm 크기의 보조 기판을 나타낸다. Figure 6(c) 는 In 박편이 붙은 광학현미경 사진이며 Fig. 6(d) 는 Si 마이크로 단결정이 완전히 장착하여 열처리된 Si 마이크로 단결정 발광소자의 광학현미경 결과를 보여준다. In 열처리는 100 °C 에서 5분간 N2 분위기에서 실시하였다. Si 마이크로 단결정 발광소자 제작 후 발광 특성을 확인하기 위하여, 실온에서 주입 전류 50 mA에서 측정하였다. Figure 7(a)는 Si 마이크로 단결정 발광소자의 발광 현상을 측정한 사진으로 매우 강한 빛의 발광을 관찰할 수 있었다. 일반 형광등 아래 (in fluorescent) 에서의 사진과 (Fig. 7(b)) 암실에서의 사진 (in the darkness) (Fig. 7(c))에서 확인할 수 있듯이 발광 중심의 크기는 거의 변화가 없이 비교적 안정적인 발광특성을 보였다.

Figure 5. Flow chart for the fabrication processes of Si micro single crystal light emitting device.

Figure 6. (Color online) (a) schematic diagram of the design of the submount substrate for Si micro single crystal light emitting device. (b) photograph of the submount substrate. (c) optical image with Indium flakes attached. (d) optical image of Si micro single crystal light emitting device.

Figure 7. (Color online) (a) optical image of luminescence of the Si micro single crystal light emitting device. (b) in fluorescent (c) in the darkness.

Figure 8(a) 는 Si 마이크로 단결정 발광소자의 EL 스펙트럼이다. AvaSpec-2048-USB2-VA (파장 범위 : 200-1100 nm) 장치와 코사인 코렉터 (cosine correctors, CCUV/VIS, Avantes BV co., LTD)를 사용하였다. 주입 전류가 50 mA에서 744 nm (1.66 eV)의 주 피크가 관찰되었다. 주입 전류를 90 mA로 증가하면 740 nm (1.67 eV) 의 주피크가 관측되었다. 주입전류가 증가함에 따라 중심파장의 값이 약간의 청색이동 (blue-shift) 하는 경향을 보이는데, 이는 band-filling의 영향으로 발생한 것으로 판단된다 [37]. 따라서 Si 마이크로 단결정 발광소자는 필라멘트와 같은 줄열에 의한 발광이 아니라 전계 발광의 EL 스펙트럼으로 판단된다. 본 논문에서 제작된 Si 마이크로 단결정 발광소자의 전극은 In과 Si 단결정의 금속-반도체 접촉인 쇼트키 접촉 (Schottky contact)으로 형성되었다. Si 마이크로 단결정은 p-n 접합을 이루지 않은 상태이므로 낮은 전류에서는 발광하지 않고 턴온 (turn on) 전압에서 급격히 전류가 증가한 후 안정된 상태에서 발광이 시작되는 일종의 금속-반도체 소자 (metal semiconductor device) 형태의 발광 메커니즘이라고 판단된다. Figure 8(b)는 발광 강도를 측정한 결과이다. 2개의 기울기를 확인할 수 있으며, 주입 전류 80 mA 이상부터는 매우 안정되고 선형적으로 증가하는 양상을 보였다. Figure 8(c)는 – 20 V 에서 + 20 V 까지 측정된 I-V 곡선으로 50 mA (역방향은 – 50 V) 이상에서 부터 발광현상이 나타났다. Si 마이크로 단결정 발광소자는 방향성이 없는 구조이지만 “+” 전압을 순방향으로 그리고 “-” 전압을 역방향이라고 정의하였으며, 이에 따라 항복전압과 턴온전압이라고 표현하였다. 항복전압은 – 12 V 이며 턴온 전압은 10.6 V 근처 (Fig. 8(d))에서 측정되었다. 한편 Si 마이크로 단결정 발광소자의 양단을 Al을 사용하여 오믹접촉 (Ohmic contact) 으로 형성하면, 2–5 V 정도의 턴온전압을 가지며 열에 의한 영향이 최소화 될 것으로 예상된다. 그러나 작은 시료에 의한 공정상의 어려움에 의해 본 논문에서는 In 조각을 사용하여 열처리하였다. 항복 전압과 턴온 전압에서 50 mA까지의 기울기는 거의 1.271 V/A 정도로 작았으며 급격한 전류 증가 후 매우 안정적으로 발광현상을 관측할 수 있었다. 발광 현상이 나는 구간의 전류는 I-V 측정장치의 제한 전류로 인하여 포화상태가 되는 것으로 확인된다. 이러한 특성은 본 논문에서 제작된 Si 마이크로 단결정 발광소자가 일정한 턴온 전압을 가지며 발광하는 형태의 금속-산화물 반도체 소자임을 확인할 수 있다.

Figure 8. (Color online) (a) EL spectrum (b) irradiance intensity curve vs incident current for the Si micro single crystal light emitting device. (c) I-V characteristic of the Si micro single crystal light emitting device. (d) forward I-V characteristic of the Si micro single crystal light emitting device.

Figure 9(a)는 Si 마이크로 단결정 EL 발광특성과 CL과 PL의 결과를 비교하였다. CL 측정은 XCLent V Pro가 장착된 JXA-8530F Plus 주사 전자 현미경을 사용하였으며, 스펙트럼 범위가 300-900 nm 범위에서 측정되었다. CL 측정은 Si 단결정의 c축에 대해 거의 수직 방향으로 측정되었다. 상온에서 1 µA의 프로브 전류와 15 kV의 가속 전압으로 수행되었다. 약 707 nm (1.75 eV)에서 메인 피크가 관측되었다. 주요 피크는 이론적으로 육각형 Si (2H) 구조의 특성에 대한 준직접적 밴드갭으로 예측된 약 1.70 eV과 유사한 특성으로 보여주고 있다 [7,35,38]. PL 스펙트럼은 여기광으로 532nm의 레이저를 사용하여 후방 산란 구성의 Horiba Jobin Yvon LabRAM HR 분광기를 사용하여 분석하였다. PL 매핑은 아크릴 베이스 내에서 에폭시로 고정하고 연마한 후 축의 단면에 대해 수행되었다. PL 스펙트럼은 약 728 nm (1.70 eV)에서 매우 강한 피크를 관측하였다. 따라서 EL, CL 그리고 PL 결과에서 볼 수 있듯이 측정 특성상 약간의 주 피크의 이동이 발생 할 수 있으나 대체로 1.66 eV 에서 1.75 eV 의 주피크는 육각형 Si (2H) 구조의 준직접적밴드갭에서 비롯된 것으로 판단된다 [35,3942]. Figure 9(b)는 Si 마이크로 단결정의 가시광선 방출에 대한 CIE (commission international de l’Eclairage) 색좌표를 보여준다. CIE 색좌표는 x = 0.33, y = 0.33의 자연백색을 기준으로, 50 mA에서 (0.56, 0.36)에서 90mA의 (0.6, 0.37) (색온도: 1500 K) 범위를 나타내었다. Si 은 1.1 eV의 간접밴드갭과 3.2 eV의 직접밴드갭을 가진 간접 천이형 반도체이다. 두 간극 사이에 2.1 eV의 에너지 차로 인해 비효율적인 빛의 흡수제 (absorbers)라고 알려져 있으며, 동소체의 연구에 의해 Si 광전지 (photovoltatic)의 단점을 획기적으로 대체 할 수 있는 새로운 Si 재료가 반드시 요구된다. 따라서 본 논문에서와 같이 큐빅 Si과 비교하여 1.66 eV – 1.75 eV 부근에서 준직접밴드갭을 가지는 특성은 앞으로 광전지 소자와 발광 소자의 응용성이 기대된다.

Figure 9. (Color online) (a) result of comparing CL, PL and EL of the Si micro single crystal light emitting device. (b) CIE 1931 chromaticity of the Si micro single crystal light emitting device.

본 논문에서는 보조 기판을 사용하여 Si 마이크로 단결정의 발광 특성을 조사하였다. 상압 혼합소스 수소화물 기상법으로 Si 마이크로 단결정을 성장하였다. FE-SEM, EDS, XPS을 통하여 Si 의 원자 함유량이 97% 이상이며, XRD 2theta/omega 측정에서 성장된 Si 마이크로 단결정의 FWHM값은 187 arcsec로 관측되었다. 이 값은 Si 단결정에서 관측되는 범위를 잘 만족하는 값으로 혼합소스 HVPE에 의해 순수한 Si 단결정이 성장되었음을 확인하였다. 성장된 Si 마이크로 단결정의 광특성은 보조기판을 이용하여 제작되었으며, 발광특성으로 740 nm의 주 피크가 측정되었다. 발광 메커니즘은 일정한 턴온 전압을 가지며 발광하는 형태의 금속-산화물 반도체 소자로 판단된다. 또한 광학적 특성을 조사하기 위하여 CL, PL, 그리고 EL을 비교하였다. 그 결과 1.66 eV – 1.75 eV의 주피크가 관측되었으며 이는 육각형 Si (2H) 구조의 준직접적밴드갭에서 비롯된 것으로 판단된다. Si 마이크로 단결정의 가시광선 방출에 대한 CIE 색좌표로부터 (0.6, 0.37)의 색좌표와 1500 K 정도의 색온도 범위가 측정되었다. 이 결과로부터 준직접밴드갭을 가지는 Si 마이크로 단결정의 광학적 특성은 새로운 Si 관련 광전자 소자의 적용에 기여할 것으로 기대된다.

이 논문은 2020년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업입니다 (No.NRF-2020R1I1A3A04036567). 이 논문은 2020년도 정부(산업통상자원부)의 재원으로 한국산업기술진흥원의 지원을 받아 수행된 연구입니다 (P0012451, 2020년 산업전문인력역량강화사업).

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