에르븀이 첨가된 나노결정형 실리콘박막의 제조공정에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 전자자기공명(electron cyclotron resonance ; ECR)을 플라즈마원으로 하는 플라즈마 강화형 화학기상증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition ; PECVD)과 동시 도핑법을 이용하여, 에르븀이 첨가된 실리콘 과다 실리콘 산화막(silicon rich silicon oxide ; SRSO)을 증착하였으며, 동시첨가원은 분산셀(effusion cell) 방법 이나 direct current (DC) 스퍼터 방법을 이용하였다. SRSO의 증착을 위하여 SiH4와 O2 가스를 이용 하였으며, 급속열처리(Rapid thermal annealing ; RTA)공정을 이용하여 SRSO을 나노결정형 실리콘화 하였다. 그리고 나노결정형 실리콘화 조건을 확인하기 위하여 투과전자현미경(transmission electron microscopy ; TEM), 전자분산형분광법(electron dispersive spectrometer ; EDS) 그리고 주사전자현미경(scanning electron microscopy ; SEM)을 이용하였다. 시료의 특성을 확인하기 위하여, 파장이 477 nm, 488 nm 그리고 980 nm인 펌핑광을 이용하여 포토루미네선스(photoluminescence ; PL)과 수명 (lifetime)을 측정하여 실리콘 함량이 34~36% 그리고 에르븀의 함량이 0.04~0.1 % 일 때 최적의 조건임을 보였으며 RTA 조건이 900~1000 ℃ 그리고 5~10분으로 열처리 하였을때 최적의 값을 갖는다는 것을 보였다. 최적 조건의 시료를 사용하여 상부 공기 클래딩 ridge형 광도파로를 구성하였으며, 광도파로에 488nm 파장의 레이저를 이용한 상부펌프 및 1480 nm 레이저 펌핑광을 이용하여 광특성을 분석하였다. 160 mW, 1480 nm 레이저를 순방향 펌핑 구조로 조사할 경우 대략 75 %의 밀도반전을 얻을 수 있었고, 1.1 dB/cm의 on-off 이득을 얻을 수 있음을 보였다. 그러나 33 W/cm2의 488 nm 아르콘 레이저를 상부펌프로 조사할 경우 80 %의 밀도반전을 얻을 수 있었고, 0.2 dB/cm의 on-off 이득을 얻을 수 있었다. 이러한 on-off 이득의 차이를 바탕으로 나노결정형 실리콘과 에르븀의 결합비율이 20 %임을 보였다. 발광다이오드(Light emitter diode ; LED)를 이용한 상부 펌핑이 가능한 에르븀이 첨가된 나노결정 실리콘 광도파로형 증폭기(nc-Si erbium doped waveguide amplifier ; EDWA)의 수치해석 모델을 제안 하였으며, 이 모델을 바탕으로 최적화된 광도파로 구조를 설계하였다. 수치해석 결과로 부터 5 cm 길이의 nc-Si EDWA에 상부 LED 펌프를 조사하면, 0 dBm 입력신호에 대하여 1536 nm에서 대략 12 dB의 이득 및 4.5 dB의 잡음 지수를 얻을 수 있음을 보였다. 본 연구에서는 나노결정형 실리콘과 에르븀간 상호결합효율, 신호 방출 단면적, 수명 (lifetime of meta-stable state of Er ions) 그리고, 펌프 흡수 단면적에 대한 최적 값을 제시하고 10 dB 이득 및 5.5 dB 잡음지수 요건을 만족하기 위한 최소 파라미터 값을 제안하여, 실제 nc-Si EDWA 개발을 위한 조건을 제시하였다.

In this study, we were deposited erbium doped silicon rich silicon oxide by using electron cyclotron resonance plasma enhanced chemical vapor deposition and co-doping method, which, effusion cell and DC sputter. We were used SiH4 and O2 gases to the deposition of silicon rich silicon oxide(SRSO). SRSO were transformed to a nano-crystal silicon by using RTA processor. It was investigated for deformation condition of nano-crystal silicon by used to transmission electron microscopy (TEM), electron dispersive spectrometer (EDS) and scanning electron microscopy (SEM). We showed that the optimum conditions, the wavelength of 477 nm, 488 nm and 980 nm by optical pumping of photoluminescence (PL) and lifetime (lifetime) characteristics of the samples was confirmed by measuring the condition of the silicon content from 34 to 36 % and the content of erbium from 0.04 to 0.1%. And, RTA heat treatment conditions were optimal value of 900 ~ 1000 ℃, and 5 to 10 minutes. It was used the sample of optimal condition for configure of ridge type waveguide with upper air cladding. It was analyzed to optical properties of waveguide by a 488nm upper pump laser and the a 1480nm pump. 160 mW, 1480 nm co-propagating pump gave 75% population inversion and 1.1 dB/cm on-off gain. In contrast, only 0.2 dB/cm on-off gain was achieved at 80% population inversion by 33 W/cm2 at 488nm Ar top pump. Comparing these two on-off gain values by different pumping scheme, we estimated about 20% coupled Er ratio. We suggested numerical model to analyze and estimate the perfomance of nc-Si sensitized EDWA with top pump LED array. Based on the numerical analysis, optimum device structure for the top pump scheme was provided. For optimally designed 5 cm nc-Si EDWA with the commercially available high intensity LED, 12 dB optical gain and 4.5 dB noise figure was estimated. In the dissertation, It was estimated that the coupling coefficient, signal cross-section, lifetime and pump absorption cross-section could be allowed to satisfy 10 dB gain and 5.5 dB noise figure. and It was suggested to development condition for commercial nc-Si EDWA.