The $Er^{3+}$ excitation mechanism was investigated using Er-doped $Si/SiO_2$ or $SiO_x/SiO_2$ superlattice (SL) structure. The Er-doped SL films were deposited by the two-target alternation UHV-ion beam sputtering method (IBSD). The carrier-Er interaction properties was determined using α-$Si/SiO_2$ SL films whose Er-doped $SiO_2$ layer thickness was controlled with sub-nm resolution. The dependence of $Er^{3+}$ photoluminescence intensity on the thickness of the Er-doped $SiO_2$ layer was well-described by carrier-Er interaction that decreases exponentially with a characteristic carrier-$Er^{3+}$ interaction distance to be 0.5±0.1 nm, indicating the likelyhood of an exchange interaction between carriers and $Er^{3+}$ ions. The effects of crystallinity on the $Er^{3+}$ excitation properties were investigated using Er-doped $SiO_x/SiO_2$ SL structure. The stoichiometries of $SiO_x$ layers of SL films were obtained by controlling oxygen partial pressure such that one SL film had $SiO_x$ layers with x=1.6 and the other with x=1.8. Deposited SL films were subsequently annealed at different temperatures up to 1100℃. The formations of well-ordered Si nanocrystals with size of 3-4 nm in film with x=1.6 and size of less than 2 nm in film with x=1.8 were observed after annealing at temperature of higher than 1050℃. The effective excitation cross sections for $Er^{3+}$ excitation were determined experimentally by measuring the rise traces of luminescence at 1.54 ㎛ as a function of excitation power. Based on the comparison both of the measured cross sections and Si contents between films, we conclude that the $Er^{3+}$ excitation is strongly related to the size of nc-Si and thus nc-Si with size of less than 2 nm are more important for achieving the efficient $Er^{3+}$ excitation than both α-Si clusters or nc-Si with size of larger than 2 nm.
어븀이 도핑된 실리콘/실리카 초격자 구조를 이용하여 어븀의 여기 현상의 원리에 관한 연구를 하였다. 어븀에서 나오는 1.54 ㎛ 파장은 현재 광통신에 널리 쓰이고 있는 광 파이버에서 가장 손실이 적은 파장이기 때문에 어븀이 도핑된 실리콘을 기반으로 하는 물질을 광소자로에의 응용하기 위한 연구가 전세계적으로 활발하게 진행되어 왔다. 실리콘이 어븀의 기반물질이 되어야 하는 이유는 실리콘이 반도체 산업에서 지배적인 물질이기 때문이며 최근에는 실리콘 기반 물질중 하나인 SRSO 구조에 어븀을 도핑하면 상온에서도 어븀의 강한 발광이 가능하며 이구조를 이용한 광소자로의 응용에 관한 연구가 전세계적으로 많이 진행되고 있다. 그러나 아직 실리콘 기반 물질에서의 어븀의 여기 현상에 관한 정확한 원리는 아직 밝혀지지 않고 있다. 우리는 초고진공 이온빔 SPUTTERING 박막 증착 장치를 이용하여 어븀이 도핑된 실리콘/실리카 초격자 구조를 증착하였고 이구조를 이용하여 어븀의 기본 여기 원리에 대한 연구를 하였다. 실리콘/실리카 초격자 구조를 이용한 이유는 SRSO 의 구조보다 어븀의 환경이나 위치를 조절하기 쉽기 때문이며 이러한 초격자 구조가 가지는 장점은 어븀의 기본적인 여기 현상에 관한 원리를 연구하는데 많은 도움이 된다. 어븀이 첨가된 비정질 실리콘/실리카 구조를 이용하여 어븀의 여기를 가능하게 하는 실리콘내의 carrier 들과의 상호작용에 관한 연구를 하였으며 어븀이 carrier들과 상호작용하는 거리가 거리에 따라 지수적으로 감소한다는 결과를 얻었다. 어븀과 carrier사이의 상호작용이 거리에 따라 지수적으로 감소한다는 결과로부터 상호작용 방식이 기존에 많은 논의가 되고 있는 두가지 주요 상호 방식중의 하나인 dipole-dipole 방식이 아닌 어븀이 carrier들과 exchange 상호작용에 의해 여기된다는 결과를 얻었으며 또한 exchange 상호작용 거리가 결정질 실리콘보다 짧은 약 0.5 nm 정도가 된다는 결과를 얻었다. 어븀이 carrier들의 의한 여기 원리가 비정질 실리콘과 결정질 실리콘에서의 차이점을 알아내기 위해서 어븀이 도핑된 실리콘 기반 물질의 구조를 옥사이드 ($SiO_x$)/실리카 초격자 구조를 가지게 하였다. 이구조는 기존의 실리콘/실리카 구조와 어븀의 환경이나 위치제어가 쉽다는 점이 동일할뿐만 아니라 실리콘을 결정화시키는데 있어서 많은 장점이 있다. 즉, 이구조를 이용하면 실리콘 옥사이드층의 실리콘의 양을 조절하여 열처리후 생성되는 결정질 실리콘의 밀도와 위치 그리고 결정질 실리콘의 크기 제어를 독립적으로 조절하는것이 가능하다. 실리콘 옥사이드 층의 실리콘양을 x=1.6 과 x=1.8 정도가 되게 정밀하게 조절 하였으며 증착한 sample들을 1050 도 이상 고온에서의 열처리후 실리콘 옥사이드층의 실리콘 양에 따른 크기가 다른 수 nm 크기를 가지는 실리콘 옥사이드층 내부에 비교적 위치가 잘 정열된 결정질 실리콘이 생성됨을 확인하였다. 열처리 온도에 따른 어븀의 상온 발광 측정실험으로부터 결정질 실리콘의 크기와 실리콘의 결정 상태가 어븀의 여기에 미치는 영향을 자세하게 조사하였다. 우리는 실험결과로부터 어븀을 가장 효율적으로 여기 시키기 위해서는 어븀이 실리콘 결정질이 2 nm 보다 작은 구조속에 있어야 된다는 결과를 얻었다.
