We have realized $Si/SiO_2$ microcavity consisting of λ/2 SRSO active region deposited by ECR-PECVD system and two $Si/SiO_2$ distributed Bragg reflectors deposited by sputter system. Photoluminescence at room temperature reveals an enhancement of the luminescence intensity emitted along the optical axis of the cavity, and a decrease of the FWHM of resonant peak. The intensity of the cavity structures is typically one order of magnitudes higher as compared to structures without cavity. Furthermore, the emission wavelength and the intensity decrease for off-normal detect angles. The change in emission wavelength can be quantitatively described by assuming the on-axis component of the optical wave is resonant with the cavity. These PL enhancement, spectral sharpness, and directionality of the microcavity demonstrate the very high potential of $Si/SiO_2$ microcavities for optoelectronic applications.
실리콘을 기반으로 하는 발광 시스템을 디바이스에 이용하지 못하게 만드는 공통적인 문제점으로, (1) 실리콘 나노 클러스터의 경우와 같은 방사되는 빛의 폭 넓은 스펙트럼, (2) 약한 발광 세기, (3) 발광의 방향성 부재 등을 들 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 많은 연구가들이 마이크로 공진기 구조에 대해 연구해왔다. 이 논문에서는 Fabio Icona가 제작한 바 있는 $Si/SiO_2$ 공진기를 우리시스템을 이용하여 제작해보고, 그 광학적 성질을 알아보았다.
ECR-PECVD 시스템으로 증착한 반파장 두께의 SRSO 활성 층과, sputter 시스템으로 증착한 두개의 $Si/SiO_2$ DBR로 구성된 $Si/SiO_2$ 마이크로 공진기를 제작하였다. SEM 이미지를 통해, 증착된 샘플들이 활성 층과 두 개의 DBR이 있는 공진기 구조를 가짐을 확인하였다. RBS 분석을 통해 실험에 사용된 마이크로 공진기는 10.3 at. %의 excess Si 을 가지는 SRSO 활성 층을 가짐을 알았고, 계산을 통해 활성 층의 굴절률 1.62를 얻었다. 상온에서 PL을 측정한 결과 공진기 구조를 가질 때 발광 세기가 대략 7.5배 정도 증가함을 확인하였고, 스펙트럼의 폭은 감소함을 보았다. PL로부터 마이크로 공진기의 Q 팩터 52를 얻었다. 또한 PL의 측정 각도를 수직방향으로부터 증가시켜갈 때, 나오는 빛의 파장과 세기가 감소함을 확인하였는데, 이러한 파장 변화는 광파의 축 방향 성분이 공진기와 공진한다고 가정하여 설명할 수 있다. SRSO를 활성 층으로 가지는 $Si/SiO_2$ 마이크로 공진기의 PL 세기의 증가, 스펙트럼 폭의 감소, 방사하는 빛의 방향성 등은 이러한 공진기가 광전기적 적용에 이용될 수 있는 가능성을 보여준다.
