多孔質シリコンの可視発光機構の解明とシリコン光集積への展開

1996 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 07405016
• 研究機関: 東京農工大学
• 研究代表者: 越田 信義 東京農工大学, 工学部, 教授 (50143631)
• 研究分担者: 小山 英樹 東京農工大学, 工学部, 助手 (40234918) ; 須田 良幸 東京農工大学, 工学部, 助教授 (10226582)
• キーワード: 多孔質シリコン / シリコンナノクリスタリット / 量子閉じ込め効果 / 可視発光 / シリコン発光ダイオード / シリコン光集積 / コールドカソード / 双安定メモリ

研究概要

「多孔質シリコンの可視発光機構の解明」および「シリコンを基本とした新しい光集積光学の学術基盤の確立」を目的とする研究を初年度に続けて行い,今年度には以下の成果を得た。
1.PL発光機構の解析
試料作成中の磁界印加および試料作成後の光照射という外部効果の支援に基づく構造制御法を発展させ、発光効率の向上と発光色の可視域(赤〜青)連続制御性を明確に示した。また、表面電子構造、表面終端とバルクの相互作用の点から、発光機構の解明にとって重要な情報を得た。
2.EL発光機構の解析と発光ダイオードの効率向上
シリコン発光ダイオードの発光機構を、キャリアの注入・輸送の面から詳細に検討し、発光効率をきめる要因を明らかにした。それを基に、外部量子効率が0.1%に近いレベルの発光ダイオードを実現できた。また、注入コオンタクト形成技術として、イオン注入の適用可能性を検証した。
3.シリコン光集積の基礎的検討
初年度に確立したシリコン光導波路・光共振器の基礎技術をふまえて素子を作製し、可視域の動作を確認するとともに、多孔質シリコンが光集積のコンポーネントとしての高い制御性を備えていることを示した。さらに、キャリア注入による共振器動作も実証できた。
4.新規の光・電子機能の解析
シリコン発光ダイオードの面放出形コールドカソードとしての特性を、発光特性と関連させてくわしく解析し、強電界とシリコンナノクリスタリットが関与した現象であることをつきとめた。またシリコン発光ダイオードの電気的・工学的特性の解析の過程で、負性抵抗や双安定メモリ効果など、今後の進展につながる新しい機能を見いだした。

研究成果

• [文献書誌] M.Araki,H.Koyama,and N.Koshida: "Precisely Tuned Emission from Porous Silicon Vertical Optical Cavity in the Visible Region" J.Appl.Phys.80. 4841-4844 (1996)
• [文献書誌] N.Koyama,N.Shima,and N.Koshida: "Large and Irregular Shift of Photoluminescence Excitation Spectra Observed in Photochemically Etched Porous Silicon" Phys.Rev.B. 53. 13291-13294 (1996)
• [文献書誌] Y.Suda,T.Koizumi,K.Obata,Y.Tezuka,S.Shin,and N.Koshida: "Surface Electronic Structures and Luminescence Mechanisms of Porous Si" J.Electrochem.Soc.143. 2502-2507 (1996)
• [文献書誌] M.Araki,H.Koyama,and N.Koshida: "Controlled Electroluminescence Spectra of Porous sSlicon Diodes with a Vertical Optical Cavity," Appl.Phys.Lett.52. 2956-2958 (1996)
• [文献書誌] T.Nakagawa,H.koyama,and N.Koshida: "Control of structure and optical anisotropy of luminescent porous silicon by magnetic-field assisted anodization," Appl.Phys.Lett.69. 3206-3208 (1996)
• [文献書誌] H.Mizuno,H.Koyama,and N.Koshida: "Oxide-Free Blue Photoluminescence from Photochemicall Etched Porous Silicon" Appl.Phys.Lett.69. 3779-3781 (1996)
• [文献書誌] T.Oguro,H.Koyama,T.Ozaki,and N.Koshida: "Mechanism of the Electroluminescence from Metal/Porous Si/n-Type Si" J.Appl.Phys.81. 1407-1412 (1997)
• [文献書誌] K.Ueno,H.Koyama,and N.Koshida: "Nonlinear Electrical Functions of Porous Silicon Light-Emitting Diodes" Mat.Res.Soc.Symp.Proc.458(in press). (1997)