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シリコンフォトニクスの材料としてシリコンに着目し、シリコンをベースとした光電子機能デバイスの実現をめざし、発光現象を中心としたシリコンナノクリスタルの光学特性に関する基礎研究を行った。本研究の特徴は試料の作製方法で、従来の半導体プロセスと整合性を持つイオン注入により行ったことである。この手法による二酸化シリコン中のシリコンナノクリスタルの形成は私たちの研究グループが初めて行ったもので、清浄性、化学的安定性などの点で、近年特に注目されている。
今年度は以下の研究を中心として行い、次年度へ向けての準備を完了した。
(1)微細構造の均一化、及び熱処理条件による発光の高効率化
注入シリコンの分布状態は、注入量、加速エネルギーなどの条件に強く依存する。この研究では、加速エネルギーを変化させ、多重注入することにより注入シリコンが深さ方向に対して近似的に方形的な分布を持つ試料を作製し、過剰シリコン濃度の均一化をはかった。これまでは注入後、電気炉により高温アニールを行い、シリコンナノクリスタルを形成させていたが、その処理の前にランプアニールプロセスを追加し、界面状態、格子欠陥等を制御することにより発光強度が2倍程度になることが明らかになった。
(2)シリコンナノクリスタルの発光機構の本質的な解明
ナノクリスタルに固有の複雑な光学特性はそのサイズ、局所構造とクリスタル間の相互作用などその集合体としての構造の複雑性を反映している。本研究では(1)により制御された条件下で作製した、微細構造の明確に同定されたシリコンナノクリスタルを試料として用いた。また、ランプアニールの手法などを追加することにより、シリコンナノクリスタルの局所的な構造とその光学特性との相関から従来から私たちの提唱している、Cluster-Cluster Interactionモデルが極めて有力であることを実証することができた。
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