| 研究課題/領域番号 |
08455152
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 研究機関 | 理化学研究所 |
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研究代表者 |
青柳 克信 理化学研究所, 半導体工学研究室, 主任研究員 (70087469)
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| 研究分担者 |
蓮見 真彦 理化学研究所, ナノ電子材料チーム, フロンティア研究員 (60261153)
野村 晋太郎 理化学研究所, 半導体工学研究室, 研究員 (90271527)
趙 新為 理化学研究所, ナノ電子材料チーム, フロンティア研究員 (50260211)
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| キーワード | ナノ微結晶Si / 青色発光 / 量子サイズ効果 / 量子ドットシステム |
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| 研究概要 |
原子の数が数百から数千、結晶の寸法が3〜5nmのナノ微結晶Si(nc-Si)では、電子の動きが制限され、量子サイズ効果が現れ、室温において強い青色発光を示す。本研究では、nc-Siのサイズなどを制御することにより、nc-Si材料を製作するプロセスを確立し、ゼロ次元の量子サイズ効果、nc-Si材料系の特徴的な性質(量子準位間の直接遷移、大きな表面積、微結晶間の電子トンネルなど)を明らかにし、これを用いて新しい機能を持つ光学素子、電子素子を試作することを目的とし、下記の研究成果を得た。
(1)nc-Si薄膜の作製と微結晶のサイズ制御に成功した
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を結晶の核にしてnc-Si材料を作製するプロセスを開発した。この方法ではErの添加濃度を制御することによりSi微結晶のサイズが制御でき、結晶サイズを変えずに結晶相のシェアを増やすこともできる。このプロセスにより、nc-Si材料のアモルファス領域を減らすことができたとともに、平均結晶サイズを最小2.7nmまで製作できた。本研究では、結晶サイズ2.7nm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。本研究では現在、nc-Siの青色発光の波長と結晶サイズの関係を評価している。
(2)nc-Si内の量子サイズ効果の理論解析を行った
nc-Si材料は微結晶とアモルファス相が混在する系であり、量子サイズ効果により、結晶相に電子の共鳴状態ができる。これらの共鳴状態間の直接遷移が青色発光の起源である。今までの理論計算がnc-Siのような原子が数千個の系では有効性を失う。本研究ではnc-Si/a-Si量子ドットモデルを提案し、新しい計算法を開発した。この計算法はSi原子を1万個も扱うことができ、nc-Si材料の電子状態を明らかにできる。本研究では現在、計算結果と結晶サイズによる発光エネルギーのシフトとの関係を評価している。
(3)nc-Si材料の光学的、電気的特性の評価と素子の開発
本研究では、nc-Si材料の光学特性と電気的特性を評価したとともに、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。
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