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単結晶絶縁体中に形成されたナノ微結晶シリコンを用いた量子効果光素子の研究

研究課題

研究課題/領域番号 09650348
研究種目

基盤研究(C)

配分区分補助金
応募区分一般
研究分野 電子・電気材料工学
研究機関東京工業大学

研究代表者

渡辺 正裕  東京工業大学, 量子効果エレクトロニクス研究センター, 助教授 (00251637)

研究期間 (年度) 1997 – 1998
研究課題ステータス 完了 (1998年度)
配分額 *注記
3,400千円 (直接経費: 3,400千円)
1998年度: 1,300千円 (直接経費: 1,300千円)
1997年度: 2,100千円 (直接経費: 2,100千円)
キーワード絶縁体半導体ヘテロ構造 / ナノクリスタルシリコン / 弗化カルシウム / 量子閉じこめ効果 / フォトルミネッセンス / 電流注入発光 / 絶縁体半導体へテロ構造 / photonic materal
研究概要

本研究は、シリコン基板上にエピタキシャル結晶形成可能な絶縁体及び半導体超格子を用いた発光・受光デバイスを実現するための基礎研究として、これまで報告者らにより開拓されたシリコン基板上へのナノクリスタルシリコン/弗化カルシウム(絶縁体)ヘテロ構造形成技術を確立し、さらに、その新しい材料系の光物性を明らかにするとともに、発光素子応用への基礎となる実験的・理論的研究を目的とする。
平成9年度〜平成10年度の研究により以下の成果を得た。
半導体/絶縁体へテロ構造形成に用いる材料として、薄膜エピタキシャル成長の条件が既に明らかとなっているシリコン(Si)、絶縁体として弗化カルシウム(CaF_2)を用いた。シリコンと弗化カルシウムの結晶結合様式の相違によって生じる偏析効果を利用して、単結晶弗化カルシウム中へのシリコンのナノクリスタル形成を温度と同時蒸着レートを制御することにより半導体ナノ微結晶を形成する。本研究では、この結晶からバルクCaF_2およびSiでは見られないフォトルミネッセンス発光が観測されることをはじめて見い出した。また、CaF_2/Si(111)中に形成したナノクリスタルSiの発光強度を向上させるため、ナノクリスタルシリコンの急速アニール(Rapid thermal annealing=RTA)プロセスを試み、これまで非常に微弱で、面内不均一の激しかった室温におけるフォトルミネッセンス発光において、均一かつ安定な発光を室温において実現する条件が明らかとなった。この過程で、RTAプロセスにおける温度、雰囲気、アニール時間とナノクリスタルシリコンの形成条件との関係が明らかとなり、本結晶を電流注入素子に応用するうえでの加工プロセスにも耐えうる結晶の形成法が確立された。本年度は、この方法を用いて形成された結晶を、トンネル注入型の電子およびホール注入機構を装荷して電流注入型発光素子を作製した。フォトリソグラフィーと選択エッチングを用いることにより、ナノクリスタルシリコン層へ透明導電膜ITOをパターニングしてコンタクト電極を形成した。この構造の室温電流注入発光を観測し、始めて電極全面にほぼ均一で6時間以上安定な電流注入発光を観測した。
本研究の成果は、シリコン基板上の単結晶ヘテロ構造を用いた新たな光機能材料の提案であり、今後、基礎物性的な知見とともに、素子応用の観点からも広大な学問分野が開ける可能性を有する。

報告書

(3件)
  • 1998 実績報告書   研究成果報告書概要
  • 1997 実績報告書
  • 研究成果

    (16件)

すべて その他

すべて 文献書誌 (16件)

  • [文献書誌] M.Watanabe, T.Matsunuma, T.maruyama, Y.Maeda: "Electroluminescence of Nanocrystal Si Embedded in Single-Crystal CaF_2/Si(111)" Jpn.J.Appl.Phys.37巻5B号. L591-L593 (1988)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      1998 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] M.Watanabe, T.Maruyama, S.Ikeda: "Light emission from Si nanocrystals embedded in CaF_2 epilayers on Si(111): effect of rapid thermal annealing" Journal of Luminescence, to be published.(1999)

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      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      1998 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] M.Watanabe, W.Saitoh, Y.Aoki, J.Nishiyama: "Epitaxial growth of nanometer-thick CaF_2/CdF_2 heterostructures using partially ionized beam epitaxy" Solid State Electronics. 42巻7-8号. 1627-1630 (1998)

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      「研究成果報告書概要(和文)」より
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      1998 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] M.Watanabe, Y.Aoki, W.Saitoh and M.Tsuganezawa: "Negative Differential Resistance of CdF_2/CaF_2 Resonant Tunneling Diode on Si(111) Grown by Partially Ionized" Jpn.J.Appl.Phys.38巻2A号. L116-L118 (1999)

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      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      1998 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] M.Watanabe, T.Maruyama, S.Ikeda: "Light Emission from Nanocrystal Si Embedded in CaF_2 Epilayers on Si(111): Effect of Rapid Thermal Annealing" E-MRS 1998 Spring Meeting. B-II/P.10. (1998)

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      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      1998 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] M.Watanabe, T.Matsunuma, T.Maruyama, Y.Maeda: ""Electroluminescence of Nanocrystal Si Embedded in Single-Crystal CaF_2/Si(111)"" Jpn.J.Appl.Phys.vol.37, no.5B. L591-593 (1998)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      1998 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] M.Watanabe, T.Maruyama, S.Ikeda: ""Light emission from Si nanocrystals embedded in CaF_2 epilayers on Si(111) : effect of rapid thermal annealing"" Journal of Luminescence. (to be published).

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      1998 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] M.Watanabe, W.Saitoh, Y.Aoki, J.Nishiyama: ""Epitaxial growth of nanometer-thick CaF_2/CdF_2 heterostructures using partially ionized beam epitaxy"" Solid State Electronics. vol.42, no.7-8. 1627-1630 (1998)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      1998 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] M.Watanabe, Y.Aoki, W.Saitoh, and M.Tsuganezawa: ""Negative Differential Resistance of CdF_2/CaF_2 Resonant Tunneling Diode on Si(111)Grown by Partially Ionized Beam Epitaxy"" Jpn.J.Appl.Phys.vol.38, no.2A. L116-L118 (1999)

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      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      1998 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] M.Watanabe, T.Matsunuma, T.maruyama, Y.Maeda: "Electroluminescence of Nanocrystal Si Embedded in Single-Crystal CaF_2/Si(111)" Jpn.J.Appl.Phys.37巻5B号. L591-L593 (1998)

    • 関連する報告書
      1998 実績報告書
  • [文献書誌] M.Watanabe, T.Maruyama, S.Ikeda: "Light emission from Si nanocrystals embedded in CaF_2 epilayers on Si(111): effect of rapid thermal annealing" Journal of Luminescence. (to be published.). (1999)

    • 関連する報告書
      1998 実績報告書
  • [文献書誌] M.Watanabe, W.Saitoh, Y.Aoki, J.Nishiyama: "Epitaxial growth of nanometer-thick CaF_2/CdF_2 heterostructures using partially ionized beam epitaxy" Solid State Electronics. 42巻7-8号. 1627-1630 (1998)

    • 関連する報告書
      1998 実績報告書
  • [文献書誌] M.Watanabe, Y.Aoki, W.Saitoh and M.Tsuganezawa: "Negative Differential Resistance of CdF_2/CaF_2 Resonant Tunneling Diode on Si(111) Grown by Partially Ionized" Jpn.J.Appl.Phys.38巻2A号. L116-L118 (1999)

    • 関連する報告書
      1998 実績報告書
  • [文献書誌] M.Watanabe, T.Maruyama, S.Ikeda: "Light Emission from Nanocrystal Si Embedded in CaF_2 Epilayers on Si(111): Effect of Rapid Thermal Annealing" E-MRS 1998 Spring Meeting. B-II/P.10. (1998)

    • 関連する報告書
      1998 実績報告書
  • [文献書誌] M.Watanabe, W.Saitoh, Y.Aoki, J.Nishiyama: "Epitaxial growth of nanometer-thick CaF_2/CdF_2 heterostructures using partially ionized beam epitaxy" Solid State Electronics. 掲載予定. (1998)

    • 関連する報告書
      1997 実績報告書
  • [文献書誌] M.Watanabe, T.Matsunuma, T.Maruyama, and M.Asada: "Electroluminescence from silicon nanoparticles embedded in CaF_2 on Si (111)" Phantoms Strategic Domain Meetings (PHASDOM97). D2.23c. (1997年3月12日)

    • 関連する報告書
      1997 実績報告書

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公開日: 1997-04-01   更新日: 2016-04-21  

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