금속-유기 분해 방식으로 제작된 실리콘 기판 위의 Bi:YIG 박막의 자기광학 특성 분석

초록

본 연구에서는 집적형 광 아이솔레이터의 핵심 구성 요소 중의 하나인 집적형 비-가역적 편광회전기를 구현하기 위해 실리콘 광도파로의 외부 클래드로 활용될 자기광학 물질로 비스무트가 포함된 이트륨-철 가넷(bisbuth substituted yttrium-iron garnet; Bi:YIG)박막을 실리콘 기판 위에 금속-유기 분해(metal-organic decomposition; MOD) 방식으로 형성하여 자기광학 특성을 측정하였다. Bi:YIG 박막은 실리콘 기판 위에 비스무트(Bi), 이트륨(Y), 네오디뮴(Nd), 갈륨(Ga) 그리고 철(Fe)의 금속-카르복시산염(metal- carboxylate) 혼합 용액을 스핀-코팅(spin-coating)하여 120도 온도에서 30분간 건조하고 450도 온도에서 30분간 사전 열처리(pre-annealing)하는 과정을 20에서 30회 반복하여 적절한 두께로 형성한 후, 650도에서 800도 사이의 온도에서 주요 열처리(main annealing) 과정을 거쳐 제작되었다. 이 주요 열처리 과정에서는 박막을 상기된 온도로 올린 후 분당 1도와 분당 10도 사이의 냉각 속도로 조절하였으며, 이 최고 열처리 온도와 냉각속도 조건에 따른 박막의 자기광학 특성을 비교하였다. Bi:YIG박막은 Bi:Y:Fe=1:2:5 (Bi1:YIG)의 비율로 이루어진 주요 박막을 Bi:Y:Fe=2:1:5 (Bi2:YIG) 및 Bi:Nd:Ga:Fe=1:4:1:2 (Bi1:NIGG)의 비율로 이루어진 완충층(buffer-layer) 위에 반복 형성하였으며, 완충층이 없는 조건과 함께 제작하여 완충층의 유무에 따른 특성도 비교하였다. 제작된 박막의 형태학 및 결정특성은 X선 회절분석(X-ray diffraction; XRD), 원자현미경(atomic force microscope; AFM) 및 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM)을 이용하여 측정하였으며, 다결정 양상의 결과를 확인하였다. 박막의 자기광학특성은 포화자화도 이하인 약 100 Gauss의 제곱평균제곱근 값으로 유도된 교류 자기장과 록-인 증폭(lock-in amplification)을 이용한 자기광학 상수(Verdet constant) 측정 체계를 통해 1550-nm 파장 영역에서 측정되었다. 측정된 Bi:YIG 박막의 자기광학 상수는 제작 조건에 따라 상이하였으며, 최대값은 700도의 주요 열처리 온도 및 1도/분의 냉각속도 조건과 Bi2:YIG의 완충층 위에 제작된 조건에서 으로 측정된 결과를 보고한다.