Si-nanocluster (nc-Si) luminescence and $Er^{3+}$ luminescence in silicon-rich silicon nitride (SRSN), which consists of nc-Si embedded inside a silicon nitride matrix are investigated. First, we report on the origin of visible light emission by comparing the photoluminescence (PL) properties of SRSN with those of similarly prepared silicon-rich silicon oxide (SRSO), which consists of nc-Si embedded inside a $SiO_2$ matrix. Based on the dependence of PL intensity and peak position on the film compostion, anneal temperature and hydrogenation, we identify that visible luminescence originates from nc-Si. The results indicate that nitride passivation of nc-Si leads to increased PL energy over SRSO. Second, we further investigate the role of nitrogen passivation of nc-Si by continuously tuning the passivating dielectric from pure silicon dioxide through oxynitride to pure silicon nitride while keeping the size of nc-Si and the fabrication procedure constant. We find that the observed nonlinear variation of the nc-Si luminescence peak energy agrees well with theoretical predictions about the effect of oxygen coverage on nc-Si bandgap. Such results support that strain relief by nitride passivation results in suppressing the nc-Si bandgap reduction. Finally, we report on $Er^{3+}$ luminescence in SRSN. We find that nc-Si in Er doped SRSN can act as efficient sensitizers for $Er^{3+}$, allowing off-resonant broadband pumping of $Er^{3+}$. Comparison with a similarly prepared Er doped SRSO shows that nitride offers both more effective nc-Si sensitization and higher optical activation of Er than oxide.
현재의 실리콘 전자공학은 더 빠르고 많은 정보를 전달하기 위해 고집적을 요구하고 있는데 금속연결 소자의 병목현상으로 인해 신호지연, 열손실, 정보잠식, 혼선 등의 문제점이 나타나고 있다. 이를 해결하기 위해 실리콘 기판 위에 광연결 소자를 집적하려는 실리콘포토닉스(Si photonics)가 최근 각광을 받고 있다. 이러한 실리콘 포토닉스의 광원 소자에 응용할 수 있는 실리콘 기반의 발광물질에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있으며, 실리콘 옥사이드 안의 나노클러스터의 발광(SRSO)과 이 물질 안에서의 어븀 발광(SRSO:Er)에 대한 연구가 주된 관심사였다.
그러나 본 연구에서는 실리콘 옥사이드 물질의 대안으로 실리콘 나이트라이드(SRSN) 안의 실리콘 나노클러스터(Si-nanocluster)와 어븀(Er)의 발광특성 대한 연구를 수행하였다. 첫번째로 같은 이온빔 스터퍼링(Ion beam sputtering) 증착챔버에서 증착된, 실리콘 옥사이드(SRSO)와 실리콘 나이트라이드(SRSN)의 발광특성을 비교함으로써 발광의 원인을 관찰하였다. 고온 열처리한 후, 나노클러스터 형성에 기인하여 발광이 증가됨을 확인하였으며, 실리콘 조성조절을 통해 실리콘 옥사이드와 실리콘 나이트라이드의 발광특성이 주목할 만큼 비슷함을 확인하였고, 또한 양자구속효과에 의한 청색전이도 확인하였다. 또한 수소화 처리를 통해 발광모양에 어떤 변화없이, 발광세기만 증가하는 결과을 발견했다. 이러한 결과는 실리콘 나이트라이드에서의 발광이 실리콘 나노클러스터로 인한 것임을 증명한다. 실리콘 옥사이드의 발광과 비교하여, 실리콘 나이트라이드의 발광은 가시광 영역에서 0.6 eV 이상의 청색전이(Blueshift)를 보여주었는데, 이 결과는 나노클러스터의 나이트라이드 표면절연(nitride passivantion)은 나노클러스터의 에너지띠의 증가에 중요한 영향을 미친다는 것을 의미한다.
두번째로 나노클러스터 크기를 같게 유지한 채, 나노클러스터의 표면절연막을 옥사이드에서 옥시나이트라이드를 통해 나이트라이드로 가는 연속적인 조절을 통해 발광특성의 변화안에서 질소의 역할을 자세히 살펴보았다. 초기에 산소가 20 %까지 감소하더라도 발광위치는 1.4 eV에서 변화가 없으나, 산소가 완전히 줄어들게 되어 나노클러스터의 표면절연막이 나이트라이드로 가게되면 발광위치는 2.0 eV까지 이동하게 된다. 이러한 에너지띠(bandgap)의 비선형적 변화는 질소의 증가에 따라 나노클러스터 표면에서 변형(strain)이 풀어짐으로 인해 나타난 결과로 생각되며, 이것은 현재 제안된 이론적 결과 (산소의 변화에 따른 비선형적 에너지띠 감소)와 잘 부합됨을 확인하였다. 또한 나노클러스터의 표면절연막을 조절함에 있어서 나이트라이드 절연막은 가시광영역의 발광을 효과적으로 얻을 수 있는 방법이라는 것을 관찰하였다.
세번째로 실리콘 나이트라이드 안에 나노클러스터를 경유한 어븀의 발광(SRSN:Er)에 대한 연구에서, 나노클러스터가 어븀에 효율적인 감각제 역할을 하며 발광세기의 열적 감소현상도 적다는 것을 확인하였다. 무엇보다도 실리콘 나이트라이드는 실리콘 옥사이드 안의 어븀 발광(SRSN:Er)과 비교하여 실리콘 나노클러스터의 에너지 전달(nc-Si sensitization)과 어븀의 광학적 활성도(optical activation)가 효과적임을 발견하였다. 이러한 결과는 최근 각광을 받고 있는 실리콘포토닉스 광원소자의 응용에 있어 발광효율의 개선과 저렴한 가격에 소형화 할 수 있는 어븀 광원소자의 구현 가능성을 제시해 준다.