Over the past decade, germanium (Ge) has been regarded as a promising candidate for silicon (Si) compatible light-emitting material. Owing to its small energy difference between the direct and indirect valley, Ge can generate more efficient light emission in the presence of tensile strain. Moreover, as it can be directly grown on Si substrate, it is the most promising candidate for a monolithically integrated light source for Si photonics. This dissertation consists of two studies; the first part focuses on the influences of Si intermixing on the optical properties of Ge. To systematically analyze the influence of Si intermixing, both as-grown Ge on Si and thermally annealed Ge on Si are prepared. Each sample was chemically etched to study the depth dependence of optical properties after thermal annealing. The tensile strain measured to be higher at the deeper region of thermally annealed sample, while the PL wavelength turned out to be shorter. Such blue-shift of PL wavelength could be attributed to the thermally induced Si interdiffusion at the interface, which could be observed from energy-dispersive X-ray spectroscopy and micro Raman spectroscopy measurements. The temperature-dependent photoluminescence study revealed that the thermal activation energy of $\Gamma$ valley emission increases at the proximity of the Ge/Si interface. The temperature-dependent PL study also revealed that electron can be thermally activated not only to $\Gamma$ valley, but also $\Delta_2$ valley by observing distinctive peak at a higher energy. This implies that $\Delta_2$ valley is a possible carrier escape channel from $\Gamma$ valley. In the second part of this study, a monolithic fabrication and optical characterization of a germanium based 1-dimensional photonic crystal cavity on silicon will be presented. To realize a high quality factor and high modal gain cavity, a nano-fishbone (NFB) structure has been employed. Having advantage of strain-induced pseudo-heterostructure, NFB cavity is expected to realize high gain-mode overlap for $\Gamma$ valley electron. The NFB photonic crystal has been designed by finite-difference time-domain method (FDTD) and the designed model was computed by finite element method (FEM) to calculate strain distribution of the structure. The NFB cavities with a different value of strain are fabricated and optically characterized mainly by micro Raman and photoluminescence spectroscopy.
지난 10여년간 게르마늄은 실리콘 기반 광원의 후보물질로써 각광받아왔다. 게르마늄의 직접천이 밴드와 간접천이 밴드간의 작은 에너지 차이를 이용하면, 게르마늄은 인장력이 가해졌을 때 더 높은 발광효율을 가질 수 있다. 무엇보다 게르마늄은 실리콘 기판 위에 직접적으로 성장이 가능하기 때문에 실리콘 포토닉스를 위한 단일집적 광원으로써 유망한 후보물질이다.본 학위논문은 두 부분으로 구성되어있다. 첫 번째 연구에서는 실리콘의 확산 및 섞임이 게르마늄의 발광특성에 미치는 영향을 논한다. 실리콘의 섞임에 대한 체계적인 연구를 위하여 실리콘 기판 위에 성장한 게르마늄 시료와 실리콘 기판 위에 성장 후 열처리를 가한 게르마늄 시료를 비교하였다. 각 시료는 화학적 식각 방법을 통하여 다른 깊이를 가지는 두개의 시료로 다시 나뉘며, 이를 통해 열처리 후에 깊이에 따라 변화하는 광학적 특성을 연구하였다. 열처리를 한 시료에서는 깊은 곳에서 더 높은 스트레인이 측정되었으나 발광 파장은 더 높은 에너지에서 나타났으며, 이는 열처리에 의한 실리콘 확산의 결과로 볼 수 있다. 이는 에너지 분산 엑스선 분광법과 라만 분광법을 통하여 관측이 가능했다. 다음으로 온도변화에 따른 발광 특성의 변화를 측정하여 감마 밴드의 직접천이 발광특성에 대하여 논한다. 온도변화 연구를 통해 감마밴드의 발광은 게르마늄과 실리콘의 계면에서 더 높은 활성화 에너지를 가짐을 밝혔다. 같은 방식의 연구를 통하여 델타 밴드의 발광 역시 감마 밴드의 전자가 열적인 영향으로 델타 밴드로 활성화되어 나타나는 것을 확인하였으며, 이를 통해 델타 밴드로의 전자 유출이 감마 밴드 입장에서 손실 메커니즘이 됨을 밝혔다.두 번째 연구에서는 실리콘 기판 위에 단일 집적한 1차원 광결정 기반 게르마늄 광 공진기의 제작 및 광학적 특성 평가에 대하여 논한다. 높은 공진기 품위와 이득의 달성을 위하여 나노-생선뼈 (Nano-Fishbone) 형태의 공진기를 사용하였다. 스트레인에 의한 밴드구조 변화를 통해 만들어지는 전자우물을 통해 나노-생선뼈 공진기는 높은 이득물질-공진모드간 겹침을 달성할 것으로 기대하였다. 나노-생선뼈 광결정은 유한차분시간영역 방법을 이용한 맥스웰 방정식의 계산을 통하여 모델링 하였으며, 그 결과로 나온 형태에서의 스트레인 분포는 유한요소 방법을 이용하여 계산하였다. 다양한 스트레인 분포를 가지는 나노-생선뼈 공진기를 제작한 후 마이크로-발광 측정 및 라만 측정을 통하여 분석하였다.
