2020 Fiscal Year Annual Research Report
Si-Ge系スーパーアトムの内部ポテンシャル変調による量子機能材料創成
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19H00762
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
牧原 克典 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (90553561)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大田 晃生 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (10553620)
洗平 昌晃 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 助教 (20537427)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | Si量子ドット |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、SiO2膜上に自己組織化形成したGeコア／Siシェル量子ドットにおいて、量子ドット形成後の低温水素アニールがGeコアからの発光特性に及ぼす影響を評価した。
Geコア／Siシェル量子ドットは、以下の手順で作成した。先ず、n-Si(100)基板を1000℃で酸化することにより~3.0nmのSiO2膜を形成し、希釈HF処理した後、pure SiH4ガスとH2希釈5%GeH4ガスのLPCVDにより、GeコアSi量子ドットを高密度・一括形成した。その後、リモートプラズマ酸化により、ドット表面に~1.0nmの酸化膜を形成した。GeコアSi量子ドット形成後、H2雰囲気350℃のアニール処理を行った。比較としてN2雰囲気中においても同様のアニール処理を行った。
GeコアSi量子ドットの室温PLスペクトル測定では、0.60~0.85 eVにブロードな発光が認められ、Siクラッドの伝導帯の量子準位からGeコアの価電子帯の量子準位への電子遷移に伴った発光成分(Comp. 1 : ~0.66 eV)とGeコアの量子準位間の発光再結合に起因する3成分(Comp. 2 :~0.70 eV, Comp. 3 :~0.74 eV, Comp. 4 :~0.79 eV)で分離できる。350℃でH2アニールした場合、PL強度の大幅な増大が認められ、アニール処理無しの場合と同じ成分(ピーク位置および半値幅)で分離できることが分った。波形分離した各成分のPL積分強度まとめた結果、Comp.1に比べてComp. 2~4の増加率が顕著であった。尚、350℃のN2アニールではPLスペクトルに顕著な変化は認められなかった。この結果は、Geコア内部およびSiクラッド／Geコア界面の欠陥が、水素パッシベーションされることによって非発光再結合レートが減少し、発光効率が向上したとして解釈できる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
新型コロナウィルスによる緊急事態宣言もあり、研究が進まない時期もあったが、宣言解除後には、試料作成や評価は当初の予定通り進めることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は、新たに電子系に対する深い閉じ込めポテンシャル井戸が実現できるGe合金（ジャーマナイド）コア／Siシェル量子ドット（ジャーマナイドコアSi量子ドット）を新たに創成し、均質ナノドットにない固有の物性・機能を探索する。これにより、特異な非線形誘電応答、多段階電荷輸送特性を示す新ナノ材料の創成を目指す。具体的な形成プロセスを下記に示す。SiO2上にP添加Si量子ドットを形成する。ドットへの不純物デルタドーピングは、SiH4-LPCVD中にPH3をパルス供給により行う。尚、Pデルタドーピング条件は既に得ている。次に、GeH4ガスの熱分解で、Si量子ドット上にGeを選択成長する。Ge内核形成後、金属(NiおよびW)のハロゲン化ガスまたは有機錯体を用いたCVD反応を精密制御して、金属(NiおよびW)をGe上に選択成長・合金化する。その後、SiH4-LPCVD を施して、NiGe表面をSiで被覆することでNiGe内核を有するSi量子ドット構造を形成する。これにより、電子に対する深い閉じ込めポテンシャルを有するショットキ型コア／シェル量子ドットが実現できる。
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