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Siナノ結晶では、電子-正孔の空間的な閉じ込め(量子サイズ効果)により、光学遷移時の運動量保存則が部分的に緩和される。その結果、バルク結晶に比べて発光再結合レート(振動子強度)が大きくなる。本研究では、Siナノ結晶中に等電子トラップを形成し、結晶格子の並進対称性の崩れを導入することにより、振動子強度のさらなる増大を実現する。また、量子サイズ効果により、不純物に対する励起子の束縛エネルギーが増大することが期待され、その結果、高温において束縛励起子からの強い発光が期待できる。本年度は、PとBを同じ濃度だけドーピングしたSiナノ結晶を形成し、その発光特性について研究を行った。PもしくはBのみをドーピングしたナノ結晶では、不純物が関与したAuger再結合のレートが発光再結合のレートより数桁大きいため、不純物をドープしないナノ結晶に比べ、発光強度が非常に小さかった。ところが、PとBを同時ドーピングしたナノ結晶では、不純物をドープしないナノ結晶と同程度、もしくはそれ以上の発光強度がえられた。同時ドープしたナノ結晶は、バルクSi結晶のバンドギャップより低エネルギーである0.9eV付近にピークをもつ発光を示した。この発光は、不純物に束縛された励起子、もしくは不純物によるバンドテールからの発光であると考えられる。以上の結果は、サイズ制御と不純物制御を組み合わせることにより、Siナノ結晶の発光エネルギーをより広範囲に制御できることを示しており、Siナノ結晶の光学素子への応用を考えた場合、非常に重要である。
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