研究課題
本研究の全体構想は、ワイドギャップ半導体であるダイヤモンドライクカーボン(DLC)薄膜中にSiナノ粒子を分散させた新規3次元ナノ構造を開発し、これを用いた電流注入による次世代の環境調和型光デバイスを創製することである。DLC膜はsp^3結合炭素を主成分とする機械的強度および化学的安定性に優れた非晶質炭素膜であり、最大4eV程度のバンドギャップエネルギーをもつ半導体材料である。また、Siナノ粒子は量子サイズ効果により、近赤外から青色まで波長を変えて室温で発光させることができる。本研究では、プラズマ化学気相成長法を用いて、Siナノ粒子の粒径を精度よく制御することにより発光波長の精密制御を行い、ナノ粒子を炭素薄膜中に集積化しその発光特性を明らかにすることを目的とする。本研究は、(1)Si微粒子のサイズおよび構造制御法の開発、(2)Si微粒子のカーボン薄膜への分散技術の開発、および(3)Si微粒子を分散させた光機能性炭素系薄膜の発光特性の評価-からなる。平成21年度は研究課題(1)、(2)を中心に研究を実施した。微粒子含有薄膜の形成には、有機シランおよびメタンを用いた。電子線回折によって微粒子の一部は結晶化していることがわかった。また、基板パルスバイアスまたは原料ガスのパルス供給により、微粒子のサイズと密度の制御が可能であることを見出した。一方、微粒子の発生は気相中で起こるものの、薄膜上で形成時間と共にそのサイズが大きくなり、薄膜中へ埋め込まれることがわかった。その他、水素導入、圧力、基板温度によって微粒子のサイズや密度が変化し、これらのパラメータを制御することによっても微粒子の生成を制御することが可能であることを示した。本研究により、無害な半導体材料を利用した次世代光デバイスを創出するための新規プロセス技術を開拓することができた。
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