Rare earth luminescence from Si nanoclusters doped with RE ions for photonic applications is investigated. Er and Nd doped silicon rich silicon oxide (SRSO) thin films, which consist of Si nanoclusters embedded inside a $SiO_2$ matrix, were prepared by electron cyclotron resonance enhanced chemical vapor deposition with co-sputtering of rare-earth target. We find that the nanoscale structure of the SRSO films greatly influence the characteristics of the RE luminescence from RE doped SRSO films, and that the RE luminescence is dominated by RE ions located near the $Si/SiO_2$ interface that are excited via carriers generated in the Si nanoclusters. From the temperature and pump-power dependence of $Er^{3+}$ photoluminescence characteristics, we argue that the Er luminescence from properly optimized SRSO films are sufficiently efficient for practical applications. Detailed investigations of dependence of $Er^{3+}$ luminescence intensity and lifetime on pump pulse width indicate that the exciton-erbium coupling is dominant over carrier-exciton coupling, consistent with the above finding that the luminescent Er ions are at the interface between the Si nanoclusters and the $SiO_2$ matrix near the clusters. Luminescence properties of Nd-doped SRSO is similar to that of Er-doped SRSO, but the temperature dependence of $Nd^{3+}$ luminescence intensity is different from that of $Er^{3+}$ luminescence, an effect which we ascribe to its higher transition energy.
광전자 응용을 위한 희토류가 첨가된 규소 나노 클러스터에서의 희토류 발광을 연구하였다. Silicon rich silicon oxide (SRSO) 박막은 실리카 matrix 안에 나노 클러스터가 형성되어 있는 구조물로 Er 과 Nd 가 첨가된 이러한 SRSO 박막을 희토류 target의 cosputtering 과 electron cyclotron resonance enhanced chemical vapor deposition 을 이용하여 제작하였다. 우리는 이러한 희토류 첨가 SRSO 박막에서 희토류의 발광 성질이 박막내의 나노크기의 구조물에 크게 영향을 받음을 알아내었고, Si 나노 클러스터내에서 형성된 carrier들에 의해 여기된 $Si/SiO_2$ 의 경계면의 희토류가 희토류 발광을 주도함 또한 알아내었다. $Er^{3+}$발광 특성의 온도와 펌프 파워에 대한 의존도를 바탕으로, 적절하게 최적화된 SRSO 박막에서의 Er 의 발광이 실제적인 응용을 위해 충분히 효율적임을 논의했다. $Er^{3+}$의 발광 세기와 lifetime의 펌프 펄스의 시간간격의 효과에대한 자세한 조사를 통해, exciton-erbium 의coupling이 carrier-exciton coupling보다 우세한 것으로 파악되었다. 이는 빛을 내는 Er 이온들이 cluster근처의 Si 나노 클러스터와 $SiO_2$ matrix 의 경계면에 위치한다는 결과와 일치한다. Nd이 첨가된 SRSO의 박막의 발광특성은 Er 이 첨가된 SRSO 의 발광 특성과 비슷했으나, 하지만, $Nd^{3+}$ 발광 세기의 온도의존성은 $Er^{3+}$ 발광 과는 틀렸다. 이는 $Nd^{3+}$ 의 상대적으로 높은 전이 에너지에 기인하는 것으로 생각된다.
