효율적인 실리콘 헤테로구조 LED
실리콘은 간접형 반도체(indirect semiconductor)이고 매우 낮은 광방출 효율을 나타내지만 이런 문제점을 극복할 수 있는 방법이 있다. 연구진은 n형 ZnO/SiO2-실리콘 나노결정(silicon nanocrystal)-SiO2/p형 실리콘 헤테로구조(heterostructure)를 사용해서 효율적인 실리콘 LED를 제조하였다. 이 연구결과는 미래 포토닉스(photonic)에 적용하기 위한 효율적인 실리콘 LED의 개발에 기여할 수 있을 것이다.
대만 국립대학(National Taiwan University, NTU)의 연구진은 효율적인 실리콘 광방출 다이오드(light-emitting diode, LED)를 제조하는데 성공했다. 실리콘 나노결정은 SiO2 기질 속에 삽입되었고 n-ZnO/SiO2-실리콘 나노결정-SiO2/p-실리콘 LED에서 실리콘의 외부 양자 효율을 향상시키기 위해서 n-형 알루미늄 도핑된 ZnO (n-ZnO)과 결합되었다.
SiO2 기질 속에 삽입된 실리콘 나노결정은 저압 화학 기체 증착(low-pressure chemical vapour deposition, LPCVD)과 증착 후 열 산화(post-deposition thermal oxidation)를 이용해서 만들어졌다. 그림 (a)은 SiO2에 의해서 둘러싸여진 실리콘 나노결정의 고해상도 투과 전자현미경(high-resolution transmission electron microscope, HRTEM) 사진을 보여주고 있다. 둘러싸여진 SiO2에 의한 표면 보호(surface passivation) 및 캐리어의 공간 구속 때문에, SiO2 기질 속에 삽입된 실리콘 나노결정은 실리콘에서 상당한 광발광 효율 향상을 이끈다.
원자층 증착(Atomic layer deposition, ALD)은 n형 ZnO: 알루미늄 박막을 준비해서 만들어졌다. 이것은 광 추출 효율을 증가하기 위해서 전자 주입층, 투과 전도성 윈도우 그리고 반사 방지 코팅처리(anti-reflection coating, ARC)의 역할을 한다. 전자와 홀은 실리콘 나노결정 속의 n-ZnO 층과 p-실리콘 기판의 SiO2 층들을 통해서 터널을 통과한다. 캐리어는 전계발광(electroluminescence, EL)을 만들기 위해서 방사선으로 재결합한다.
그림 (b)은 실리콘의 포논(phonon) 간접형 캐리어 재결합에 해당하는 1140 nm에서 스펙트럼 피크를 가진 상온 EL 스펙트럼을 보여주고 있다. 그림 (c)은 상온에서 LED의 DC 주입 전류의 변화에 따른 광 전원의 변화량을 보여주고 있다.
상온에서 4.3 × 10–4까지의 외부 양자 효율을 얻었다. 이것은 벌크 실리콘보다 두 배 더 큰 크기이다. 내부 양자 효율은 10–3 정도로 추정되었다. 또한 구조와 제조 프로세스는 실리콘 기반 극초대규모 집적회로(Ultra-Large Scale Integration, ULSI) 기술과 완벽하게 호환이 된다. 이 연구결과는 실리콘 기반 포토닉스 집적 회로를 위한 효율적인 실리콘 LED의 제조에 기여할 수 있을 것이다.
이 연구는 대만 국립대학의 재료공학부의 연구진에 의해서 수행되었다. 연구진은 원자층 증착, 고유전체(high-K)/메탈 게이트(metal gate), 나노크기 재료, ZnO 기반 포토닉스 장치 그리고 효율적인 실리콘 광발광 다이오드와 관련된 과학 및 새로운 기술에 현재 초점을 맞추어서 연구를 진행하고 있다. 또한 합금의 상변화(phase transformation), 결정 형태, 결정 결함 그리고 반도체 물질의 투과전자현미경 관찰에 흥미를 가지고 있다.
이 연구결과는 Nanotechnology에 “An efficient Si light-emitting diode based on an n- ZnO/SiO2?Si nanocrystals-SiO2/p-Si heterostructure” 이라는 제목으로 게재되었다(Edward Sun et al 2009 Nanotechnology 20 445202 (7pp) doi: 10.1088/0957-4484/20/44/445202).
Efficient silicon heterostructure LEDs unveiled
Silicon is an indirect semiconductor and consequently exhibits very low light emission efficiency, but there are ways to get around the problem. Researchers have managed to fabricate efficient silicon LEDs by using an n-type ZnO/SiO2-silicon nanocrystals-SiO2/p-type silicon heterostructure. The result could contribute to the development of efficient silicon LEDs for future photonic applications.
Scientists at National Taiwan University (NTU) have successfully fabricated efficient silicon light-emitting diodes (LEDs). Silicon nanocrystals were embedded in a SiO2 matrix and combined with an n-type Al-doped ZnO (n-ZnO) layer to improve the external quantum efficiency of silicon in the n-ZnO/SiO2-silicon nanocrystals-SiO2/p-silicon LEDs.
The silicon nanocrystals embedded in a SiO2 matrix were prepared by low-pressure chemical vapour deposition (LPCVD) and post-deposition thermal oxidation. Figure (a) shows a high-resolution transmission electron microscope (HRTEM) view of the silicon nanocrystals enclosed by SiO2. Owing to the spatial confinement of carriers and surface passivation by the surrounding SiO2, the silicon nanocrystals embedded in a SiO2 matrix lead to significant enhancement of the light emission efficiency from silicon.
Atomic layer deposition (ALD) was used to prepare the n-type ZnO:Al film, which plays the roles of electron injection layer, transparent conductive window and anti-reflection coating (ARC) to increase the light extraction efficiency. The electrons and holes tunnel through the SiO2 layers from the n-ZnO layer and the p-silicon substrate into the silicon nanocrystals, where the carriers radiatively recombine to produce the electroluminescence (EL).
Figure (b) shows the room-temperature EL spectra with a spectral peak at 1140 nm, corresponding to the phonon-assisted indirect carrier recombination in silicon. Figure (c) gives the measured optical power as a function of the DC injection current from the LED at room temperature.
External quantum efficiency up to 4.3 × 10–4 at room temperature was achieved, which is two orders of magnitude greater than that of bulk silicon. The internal quantum efficiency was estimated to be of the order of 10–3. In addition, the structures and fabrication processes are fully compatible with silicon-based Ultra-Large Scale Integration (ULSI) technology. These findings could contribute to the fabrication of efficient silicon LEDs for silicon-based photonic integrated circuits.
The researchers presented their work in Nanotechnology.
About the author
The work was performed at the Department of Materials Science and Engineering, National Taiwan University, Taipei, Taiwan, Republic of China. Prof. Miin-Jang Chen currently focuses on the science and novel technology associated with atomic layer deposition (ALD), high-K/metal gate, nanoscaled materials, ZnO-based photonic devices and efficient silicon light-emitting diodes. Prof. Jer-Ren Yang's research interests include phase transformation of alloys, crystal geometry, crystal defects and transmission electron microscopy of semiconductor materials. From August 2007, he has been appointed as chairperson of the Department of Materials Science and Engineering, National Taiwan University.
Source : KISTI, nanotechweb.org
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