Nanocrystalline Si formation inside SiNx nanostructures usingionized N2 gas bombardment

Nanostructures of $SiN_x$ were made by bombardment of ionized $N_2$ on Si surface and subsequent annealing. Atomic force micrograph showed the density of $SiN_x$ nanostructures was $3\times10^{10}/cm^2$. Their lateral size and height were 40$\sim$60 nm and 15 nm, respectively. The chemical state of the nanostructure was measured using X-ray photoelectron spectroscopy, which changed from $SiN_x$ to $Si_3N_4\;+\;SiN_x$ as the bombarding ionized gas current increases. Upon annealing, transmission electron micrograph showed a clear evidence for crystalline Si phase formation inside the $SiN_x$ nanostructures. Photoluminescence peak observed at around 400nm was thought to be originated from the interface states between the nanocrystalline Si and surrounding $SiN_x$ nanostructures.

이온화 N2 가스 입사를 이용한 SiNx 나노구조 내부의 Si 나노결정 형성

실리콘 표면에 이온화된 $N_2$ 가스를 입사한 후 어닐링을 통해서 $SiN_x$ 나노구조를 형성하였다. 원자힘 현미경으로 관찰한 결과 이 나노구조의 밀도는 $3\times10^{10}/cm^2$였으며, 가로 크기는 40$\sim$60 nm 이고 높이는 약 15 nm 임을 알 수 있었다. 엑스선광전자 분광기술을 이용하여 이 나노구조의 화학상태를 측정하였는데, 입사하는 이온화된 $N_2$의 단위시간당 양이 증가함에 따라서 화학상태가 $SiN_x$에서 $Si_3N_4\;+\;SiN_x$형태로 변화함을 알 수 있었다. 열처리를 한 시료를 투과전자 현미경으로 측정된 결과는 $SiN_x$ 나노구조를 내부에 Si 나노 결정이 형성된 것을 보여주었다. 광여기 발광특성에서 관찰된 400 nm파장의 스펙트럼은 Si 나노결정의 크기를 고려할 때 나노결정과 $SiN_x$ 나노구조 사이의 계면상태에서 기인한 것으로 생각된다.