希土類元素添加Siナノ構造を用いた光メモリーに関する研究

1996 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 08650415
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Research Institution: The Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 趙 新為 理化学研究所, ナノ電子材料研究チーム, フロンティア研究員 (50260211)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 一色 秀夫 理化学研究所, ナノ電子材料研究チーム, フロンティア研究員 (60260212)
• Keywords: ナノ構造Si材料 / Er / ルミネセンス / 光メモリー

Research Abstract

半導体に添加されたErは1.54μmで発光し、光ファイバー通信への応用が大きく期待される。一方、ナノ微結晶Si(nc-Si)は、量子サイズ効果により室温で強い青色発光を示す。この青色発光の寿命が数百ピコ秒と非常に速いため、超高速な励起が可能である。一方のErは発光寿命が1ミリ秒と長いため、Er準位を光のメモリーとして用いることは十分可能である。本研究では、ポーラスSiやnc-SiへErを添加し、Er添加したnc-Si発光素子、光メモリー素子を試作することを目的とし、以下の成果を得た。
(1)ポーラスSiにErを添加し、室温においてポーラスSiによる可視発光とErからの1.54μm発光を同一試料で実現した。本研究では、ポーラスSiに添加したErの発光メカニズムをはじめて明らかにしたとともに、Er発光は母体結晶の吸収端を測る良いプローブであることを提案し、実証した。このことは他の母体に応用することもでき、特にナノ構造の母体では結晶サイズのプローブに用いられる。
(2)nc-Si:Er薄膜材料を作製した
本研究では、高純度のアモルファスSi薄膜の中にErを添加し、Erを結晶の核にし、Er添加のnc-Si材料を作製した。この方法ではSi微結晶のサイズが制御でき、結晶サイズを変えずに(最小2.7nm)結晶相のシェアを増やすことができる。本研究では、結晶サイズ3、4、5、6、7、8、などから15nmまでの試料が制御性良く製作できた。結晶サイズ7nm以下の試料では、室温の青色発光とEr発光が観測されている。本研究ではまた、レーザー・アブレーション法を用いて、結晶サイズが30nmのEr添加微結晶Siも製作した。
(3)nc-Si:Er、ポーラスSi:Erの発光特性
Er発光中心の励起は、母体のnc-Siの量子準位に励起された電子からのエネルギー伝達によって起こり、またその逆の過程も存在すると考えられる。本研究では、この相互作用を評価し、Erの再励起が可能であることを明らかにした。
(4)発光素子の試作
本研究ではnc-Si:Erを用いた発光ダイオードを製作し、その発光特性を評価した。1.54μm近辺に電流注入による発光が観測された。まだ発光がブロードで、素子の電気的特性も改善する余地があるが、十分応用できることが明らかである。

Research Products

• [Publications] X.Zhao et al.: "Formation and electronic States of Si nanocrystallites in amorphoas Si." J.Noncrystal Solids. Vol 198-200. 847-852 (1996)
• [Publications] X.Zhao.et al.: "To probe the absorption edge of porous Silicon by erbium" MRS Symposium proceedings. Vol.422. 143-148 (1996)
• [Publications] X.Zhao et al.: "Positron/Positronium Annihilation in Nanocrystalline Silicon Thin Films." J.Rodiaanylytical and Nuclear Chemistry. Vol.211. 31-38 (1996)
• [Publications] S.Komuro and X.Zhao et al.: "Roim-Temperature Luminescence from erbium-doped silicon thinfilms preparel by laser ablation" Applied physics Letters. Vol 69. 3896-3898 (1996)
• [Publications] S.Nomura and X.Zhao et al: "Electronicstructares of a model nanocrystalline/amorphous mixed-phase silicon" Puysical Review B. Vol.54 No.19. 13974-13979 (1996)
• [Publications] X.Zhao et al: "photoluminescence and probe effect of Er-doped nanometer-Sized Si materials" Applied Surface Science. (1997)