We have fabricated 4 Er doped silicon-rich silicon nitride thin films with different excess Si content. Thin films were deposited by ion beam sputtering deposition method. And, post thermal annealing process at 1050℃ in Ar atmosphere for 20 min was done for sensitization effect. The excess Si content which is characterized by Rutherford backscattering spectroscopy varied gradually from 13 at.% to 18 at.%. On the order hand, the Er content was nearly the same at 2.6??1020cm-3 for all samples. And the film thickness was also nearly the same, being around 370nm for all samples. With these Er doped SRSN thin films, we performed photoluminescence (PL) experiment and measured lifetime at 1536 nm under 477 nm non-resonant pumping. All samples have relatively strong PL, with intensities that are up to 10 times larger than previous sample with 100% optically active. This indicates that the sensitization is well done rather than previous sample. On the order hand, the lifetime was lower than previous sample, indicating presence of defects and order non-radiative decay paths. Based on these Er doped SRSN thin films, we have fabricated single-mode rib-type Er doped SRSN waveguides. All waveguides were pumped with co-propagating 1480nm resonant pumping to investigate optical activity and inversion level of samples. The signal enhancement at 1536nm was 7 dB for the sample with the lowest excess Si content. And signal enhancements at 1536 nm decreased by increase of excess Si. By comparing with theoretical inversion level, we confirmed that the samples with 13at.% , 14 at.%, 16 at.%, and 18at.% excess Si content have inversion levels of 44 %, 34 %, 26 %, and 28 %, respectively. With increase of excess Si content, inversion level got lower. We cannot observe the population inversion from SRSN with strong sensitization, even under direct pumping. This indicates that with increase of excess Si, Si-related non-radiative decay path also increase. So, with further optimization of excess Si content, sensitized Er population inversion in SRSN may be achieved for Si based light source application.
CPU 의 성능을 높이기 위해 많은 코어 (core)들을 연결하는 방법을 사용하고 있는데, 이렇게 더욱 빠른 정보 처리 능력을 위한 금속연결 기반의 소자 집접화는 신호지연 및 열 발생과 같은 문제점이 있기 때문에 CPU의 속도를 향상시키는데 있어서 한계가 있습니다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 실리콘 포토닉스가 제시되었는데, 이것은 현재의 금속연결을 실리콘을 기반으로 한 광연결로 대체시키는 것으로, 기본적으로 광자를 사용하기 때문에 신호지연도 없고 열 발생을 줄일 수 있습니다. 이러한 광연결은 실리콘을 기반으로 만든 광원소자, 광도파로, 변조기, 검진기와 같은 광학소자들이 필요한데, 현재까지 실리콘을 기반으로 한 광원소자에 대한 뚜렷한 연구성과는 없습니다.
실리콘은 간접전이형 반도체이기 때문에 광원소자로의 응용에 제한을 받는데, 이러한 한계를 극복하기 위한 방법 중 하나로 희토류 원소인 어븀을 도핑하는 것이 있습니다. 어븀은 광통신에서 중요한 파장인 1.54??m의 빛을 방출하는데, 가장 많이 연구된 물질로 실리콘 옥사이드 안의 실리콘 나노클러스터와의 도핑이 있습니다. 이러한 실리콘 나노크러스터를 생성시키기 위해서는 고온의 열처리 과정이 필요한데, 이러한 열처리가 오히려 발광하는 어븀의 수를 줄인다는 보고가 있었습니다. 그에 따른 대안으로 실리콘 나이트라이드가 제안되었습니다. 이러한 실리콘 나이트라이드 안에서 고온의 열처리 후에도 발광하는 어븀의 수가 100%에 가깝다는 보고가 있었습니다. 하지만 상대적으로 약한 sensitization효과를 보였습니다.
따라서 본 연구에서는 기존의 실리콘 나이트라이드보다 더 많은 양의 실리콘을 주입시켜 어븀의 optical activity와 population inversion을 분석하였습니다. 총 4개의 각기 다른 양의 실리콘을 갖는 어븀을 도핑한 실리콘 나이트라이드 박막을 Ion beam sputter를 이용하여 증착 하였습니다. 그 후 아르곤 가스를 주입시켜 1050℃에서 20분간 열처리를 진행하였습니다. 만들어진 박막은 13 at.% 부터 18 at.% 까지 각기 다른 양의 excess 실리콘을 갖습니다. 하지만 어븀의 농도는 대략 2.6??1020cm-3정도로 모든 샘플에서 일정한 것을 확인하였습니다. 만들어진 박막들의 sensitization정도를 확인하기 위해 477 nm 파장의 Ar레이저를 이용하여 PL 실험을 실시하였고, 기존의 샘플보다 강한 sensitization효과를 보인 것을 확인하였습니다. 또한 1536 nm파장에서 어븀의 lifetime을 측정한 결과 기존의 샘플보다 짧은 것을 확인하였고, 이는 곧, 비발광 감쇄 경로가 존재한다는 의미합니다.
이러한 어븀을 도핑한 실리콘 나이트라이드 박막의 optical activity와 밀도반전을 분석하기 위하여 rib type의 광도파로를 제작하였습니다. 만들어진 광도파로를 1480 nm로 pumping을 하여 1536 nm에서의 신호 증가분을 구하였습니다. 13 at.%의 excess 실리콘을 갖는 샘플에서 7 dB/cm의 신호 증가를 확인하였고, excess 실리콘의 양이 증가함에 따라 신호 증가가 낮아지는 것을 확인하였습니다. 이러한 1536 nm에서의 신호 증가는 이론적인 transmission spectrum과 비교했을 때 대략 inversion level이 44%가 되는 것을 확인할 수 있었고, 이는 곧 44%의 어븀이 optically active하다는 것을 의미합니다. 이번 실험에서는 비교적 높은 sensitization효과를 보인 반면 population inversion을 확인할 수 없었습니다. 또한 실리콘의 양이 증가함에 따라 inversion level이 낮아지는 경향을 확인할 수 있었는데, 이는 실리콘과 관련된 비발광 감쇄경로가 증가하여 optically active한 어븀의 숫자가 감소한 것으로 생각됩니다. 따라서 실리콘의 양을 최적화를 통해 sensitization효과를 통한 population inversion이 가능할 것으로 기대가 되고 이러한 어븀이 도핑된 실리콘 나이트라이드를 통한 높은 광이득을 갖는 광원소자로의 응용이 가능할 것으로 기대됩니다.
