ナノ結晶シリコンの弾道電子現象と素子化に関する研究

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15201031
• 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: GELLOZ Bernard 東京農工大学, 工学部, 助手 (40343157)
• キーワード: ナノ結晶シリコン / 多重トンネル効果 / 弾道電子伝導 / 飛行時間解析 / 電子放出 / 弾道電子励起発光 / 単純マトリクス駆動 / 平面ディスプレイ

研究概要

研究計画に記載の項目に沿って得られた成果をまとめる。
A.弾道電子生成の検証と機構の解析
(1)構造制御したナノ結晶シリコン(nc-Si)を電子ドリフト層としたMIS形ダイオードを真空中で動作させ,放出電子のエネルギー分布およびその温度依存性の解析により,nc-Si層内で電子が弾道化していることを裏付けた。また酸化薄膜を介して連結したnc-Siチェーン構造をモデルとした電子輸送の理論解析を行い、電子-格子散乱が抑制されることを確認した。
(2)nc-Si層内の電子伝導過程を、ピコ秒パルスUVレーザ励起による飛行時間法(TOF)により測定し,nc-Si層に特有の弾道電子伝導モードが存在することが判明した。そのTOF信号解析から、ドリフト速度および平均自由行程の電界依存性に、多重トンネルによる弾道電子生成から予測される挙動が現れることが確認された。
B.弾道特性応用の基礎的検討
(1)nc-Si弾道電子源の特長を定量的に提示した。また,安定で指向性のある選択的面放出形電子ビーム源,薄型自発光平面ディスプレイなどへ応用する駆動方式等の基盤技術を固めた。さらに,ダイオードの素子表面に積層した蛍光体膜を、真空を介さず弾道電子によって直接、励起発光させる新しい固体面発光素子を試作し,蛍光体の選択によって赤・緑・青の多色発光が得られることを実証した。
(2)nc-Siダイオードを面放出形の弾道電子エミッタとして動作させる上で重要な電子放出の効率・安定性とnc-Si層のナノ構造・界面制御との相関を明らかにした。
(3)多結晶シリコン膜を堆積したガラス基板上にエミッタをアレイ化した大面積素子の低温プロセスを開発した。それを基に対角7.6インチの真空封止形フラットパネルディスプレイを試作し、単純マトリクス駆動方式により解像度がQVGAレベルのフルカラー映像表示を確認した。

研究成果

• [文献書誌] T.Ichihara, T.Hatai, K.Aizawa, T.Komoda, A.Kojima, N.Koshida: "Key role of nanocrystalline feature in porous polycrystalline silicon diodes for efficient ballistic electron emission"J.Vac.Sci.Technol.B. 22・1. 57-59 (2004)
• [文献書誌] S.Uno, K.Nakazato, S.Yamaguchi, A.Kojima, N.Koshida, H.Mizuta: "New insights in high-energy electron emission and underlying transport physics of nanocrystalline Si"IEEE Trans.Nanotechnology. 2・4. 301-307 (2003)
• [文献書誌] B.Gelloz, H.Sano, R.Boukherroub, D.D.M.Wayner, D.J.Lockwood, N.Koshida: "Stabilization of porous silicon electroluminescence by surface passivation with controlled covalent bonds"Appl.Phys.Lett.. 83. 2342-2344 (2003)
• [文献書誌] N.Koshida, N.Matsumoto: "Fabrication and quantum properties of nanostructured silicon"Mater.Sci.& Eng.R. 40. 169-205 (2003)
• [文献書誌] A.Kojima, N.Koshida: "An analysis of electron transport in surface-passivated nanocrystalline porous silicon"Jpn.J.Appl.Phys.. 42. 2395-2398 (2003)
• [文献書誌] Y.Nakajima, H.Toyama, T.Uchida, A.Kojima, N.Koshida: "Characteristics of light emission by ballistic electron excitation in nanocrystalline silicon device formed on a p-type substrate"Jpn.J.Appl.Phys.. 42. 2412-2414 (2003)
• [文献書誌] B.Gelloz, N.Koshida: "Handbook of Luminescence, Display Materials, and Devices Vol.3, Chap.5 "Electroluminescence of nanocrystalline porous silicon devices""American Science Publishers. 127-156 (2003)