レーザーアブレーション法による表面制御されたナノ結晶シリコンの創成と発光過程

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13650021
• 研究機関: 甲南大学
• 研究代表者: 梅津 郁朗 甲南大学, 理工学部, 助教授 (30203582)
• 研究分担者: 杉村 陽 甲南大学, 理工学部, 教授 (30278791) ; 稲田 貢 甲南大学, ハイテクリサーチセンター, 博士研究員 (00330407)
• キーワード: レーザーアブレーション / シリコン / ナノ結晶 / 表面 / 光学ギャップ / 発光 / 水素化 / 窒化

研究概要

本研究はレーザーアブレーション法で作成されたシリコンナノ結晶に表面処理を施し表面制御したシリコンナノ結晶を創成しその光学的特性を制御しようと言うものである。ヘリコン波ラジカルガンを用いナノ結晶シリコン表面に水素及び窒素ラジカルを照射し、赤外吸収やXPS等で表面が水素化及び窒化していることを確認した。シリコンナノ結晶は通常、表面の占める割合が多いため自然酸化しやすい。しかし表面を水素化又は窒化した試料では自然酸化をかなり低減できることが分かった。これはこの技術が安定なナノ結晶を作成する上で有効であることを示す。この表面処理した試料に対して光学ギャップ、ESR,発光特性の測定を行った。その結果水素化と窒化では異なる傾向が見られた。表面を水素化した場合には光学ギャップが広がり、未処理膜に比較して発光強度は増大した。ESR信号に特に顕著な差が見られなかったことからこれは水素が発光中心を作ったことになる。窒化した場合には光学ギャップは狭くなりESR信号と発光強度の増大が見られた。窒化した場合には水素化と同様に強いSi-Nボンドによって光学ギャップが増大するのが普通である。この結果は表面の窒素によってSi-Siボンドの強度が弱まる等、表面によるナノ結晶の物性の変化の現れである。発光の変化は発光中心の生成消滅が原因と考えられるが光学ギャップの変化はナノ結晶自体の物性の変化であり重要である。またこれらの試料の発光波長は自然酸化膜をもつのとは異なるため窒化、水素化によって新たな発光準位が生成されたものと考えられる。今後はこれらの新しい現象の原因を究明し表面によるナノ結晶シリコンの光学物性制御をめざす。

研究成果

• [文献書誌] I.Umezu, K.Kohno, K.Aoki, Y.Kohama, A.Sugimura, M.Inada: "Effects of Argon and hydrogen plasmas on the surface of silicon"Vacuum. 66/3-4. 453-456 (2002)
• [文献書誌] I.Umezu, T.Yamaguchi, K.Kohno, M.Inada, A.Sugimura: "Preparation of SiNx film by pulsed laser ablation in nitrogen gas ambient"Appl. Surf. Sci.. 197-198C. 314-316 (2002)
• [文献書誌] I.Umezu, K.Yoshida, N.Sakamoto, T.Murota, Y.Takashima, M.Inada, A.Sugimura: "Photoluminescence Properties of Amorphous Silicon-based Oxygen and Hydrogen Alloys"J Appl. Phys.. 91. 2009-2014 (2002)
• [文献書誌] I.Umezu, K.Kohno, T.Yamaguchi, A.Sugimura, M.Inada: "Deposition of silicon nitride films by pulsed laser ablation of Si target in nitrogen gas"J. Vac. Sci. and technol.. A20. 30-32 (2002)
• [文献書誌] I.Umezu, M.Inada, H.Nakagawa, K.Matsumoto, A.Sugimura: "Correlation between structure and nonradiative recombination process in silicon nanocrystallites"Proceedings of The 26 th International Conference on Physics of Semiconductors. (to be published). 2002
• [文献書誌] K.Yoshida, I.Umezu, N.Sakamoto, M.Inada, A.Sugimura: "Effect of Structure on Radiative Recombination Process in Amorphous Silicon Suboxide Prepared by RF Sputtering"Journal of applied physics. 92. 5936-5941 (2002)