半導体超微粒子表面層の分光学的研究

1989 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 01460078
• 研究機関: 神戸大学
• 研究代表者: 山本 恵一 神戸大学, 工学部, 教授 (80031087)
• 研究分担者: 青木 和徳 神戸大学, 工学部, 助手 (80112077) ; 林 真至 神戸大学, 工学部, 助教授 (50107348)
• キーワード: 半導体 / 超微粒子 / ラマン分光 / 赤外分光 / フォトルミネッセンス / ガス中蒸発法 / マトリックス法

研究概要

本年度は、自由表面を持つガス中蒸発微粒子と、固体マトリックス中に埋め込まれた固定表面を持つ微粒子の光学スペクトルを測定し、相互比較を行うことにより表面層の役割を明確にすることを試みた。その結果、主として次のような成果が得られた。
(1)Ge微粒子の光吸収とラマン散乱:ガス中蒸発で作製した微粒子は、約100Å以下のサイズになると結晶構造を持つにもかかわらず、アモルファス物質と同様のブロ-ドなラマンスペクトルを示す。これに反して、r.f.スパッタリング法で作製したSiO_2薄膜中に〓め込まれた、直径約60Åの微粒子はシャ-プな結晶と同様のピ-クを示す。この結果は、同じサイズの微粒子でも、表面の境界条件に依存して異なるラマンピ-クを示すことを物語っている。ガス中蒸発微粒子からは表面層からのラマン信号が、マトリックス中の微粒子からは粒子に閉じ込められたフォノンのラマン信号が観測されたものと考えられる。又光吸収の測定結果は、間接型半導体で始めて、量子サイズ効果の出現を示唆している。
(2)CdS微粒子の発光:ガス中蒸発CdS微粒子の発光スペクトルを詳しく測定した所、過去には報告されていない4つのピ-クが観測された。その内特に赤色発光ピ-クは、表面電子状態によるものであることが、種々の測定により明らかになった。固体マトリックス中のCdS微粒子でも同様の赤色発光が見られることから、自由表面でも固定表面でも表面準位が重要な発光中心になり得ることが判明した。
(3)Si、Ge微粒子の表面酸化層:ガス中蒸発Si、Ge微粒子の赤外吸収スペクトルを測定した所、表面酸化層による吸収が観測された。空気中で熱処理をするとスペクトルは変化するが、この変化は酸化層の組成(SiO_x GeO_xとしたときのx)の変化によるものであることが判明した。

研究成果

• [文献書誌] S.Hayashi,H.Sanda,M.Agata,K.Yamamoto: "Resonant Raman scattering from ZnTe microcrystals:Evidence for quantum size effects" Phys.Rev.B. 40. 5544-5548 (1989)
• [文献書誌] S.Hayashi,M.Fujii,K.Yamamoto: "Quantum Size Effects in Ge Microcrystals Embedded in SiO_2 Thin Films" Jpn.J.Appl.Phys.28. L1464-1466 (1989)
• [文献書誌] 林真至: "超微粒子・マイクロクラスタ-の光物性" 数理科学. 316. 18-20 (1989)
• [文献書誌] S.Hayashi,K.Yamamoto: "Raman Scattering from Microcrystals" Phase Transitions. (1990)
• [文献書誌] S.Hayashi,S.Tanimoto,K.Yamamoto: "Analysis of surface oxides of gas-evaporated Si small particles with infrared spectroscopy,high-resolution electron microscopy and X-ray photoemission spectroscopy" J.Appl.Phys.