Great interest lies in hydrogenated amorphous silicon (α-Si:H) as the host matrix for erbium-doped silicon-based semiconductor. But so far, preparation methods used have made it difficult to produce erbium-doped α-Si:H films with the good electrical quality. Here we report on the electrical and optical properties of hydrogenated amorphous silicon deposited and doped with erbium by using electron cyclotron resonance plasma enhanced chemical vapor deposition (ECR-PECVD) of silane with concurrent sputtering of erbium. A-Si:H without erbium shows photosensitivity greater than $10^5$, demonstrating the good electrical quality. Doping with erbium increases the room temperature conductivity by $10^3$. The activation energy for conductivity also changes from 0.9eV to 0.5eV. Taken together, the data indicate that erbium works as an active dopant. And room temperature photoluminescence at 1.54㎛, due to an intra-4f transition in $Er^{3+}$, is observed. Excitation of $Er^{3+}$ is shown to be mediated by photocarriers.
희토류 원소인 어븀을 실리콘에 도핑하면 1.54㎛의 파장을 갖는 광발광을 얻을 수 있다. 그런데 1.54㎛는 현재 상용화되어 있는 광파이버에서 빛의 통과손실이 최소가 될 때의 파장과 일치하는 값이다. 따라서 어븀이 도핑된 실리콘은 기존의 실리콘 관련 기술을 그대로 이용할 수 있다는 장점과 함께 1.54㎛의 파장을 갖는 광발광을 얻을 수 있으므로 그 응용가치가 상당히 크다고 할 수 있다. 우리는 기존의 ECR-PECVD 시스템내에 어븀 타겟을 집어넣고 여기에 네가티브 바이어스를 걸어 주어 플라즈마 내의 양이온에 의한 스퍼터가 일어나도록 하였다. 이와 같은 방법으로 어븀을 in-situ로 도핑하여, 어븀이 도핑된 수소화된 비정질 실리콘 박막을 제작하였다. 우리의 증착시스템으로 350도에서 증착되어진 수소화된 비정질 실리콘 박막은 $10^5$이상의 광감응도를 보여 주는데, 이것은 전기적 성질이 상당히 좋음을 의미한다. 여기에 어븀을 도핑하면 실온에서의 암전기전도도가 $10^3$정도 증가하고 전도도에 대한 활성화 에너지는 0.9eV에서 0.5eV로 감소한다. 이러한 점들을 감안할 때, 어븀이 활성화된 도판트로 작용한다는 결론을 얻을 수 있다. 광발광 측정에서, 어븀이 도핑된 박막으로부터는 1.54㎛의 파장을 갖는 광발광이 관측 되었다. 아울러 PLE 측정으로부터 carrier-mediated process에 의한 excitation이 주도적임을 볼 수 있었다. 이러한 excitation process에서는 발광효율이 carrier의 lifetime에 의해 결정되며 lifetime은 박막의 갭 내에 있는 디펙의 수에 반비례한다. 따라서 디펙의 수가 적은, 전기적 성질이 가장 좋은 박막에서 가장 큰 광발광이 관측 되리라고 기대할 수 있다. 예측한 바와 같이 350도에서 증착된-전기적 성질이 가장 좋은-박막으로부터 가장 센 광발광이 관측되었다. 아울러 열처리 후의 광발광 세기와 광전기전도도의 감소 역시 이러한 예측을 뒷받침해 준다.
