Siナノ結晶中への量子閉じ込め等電荷トラップの形成と高効率発光

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15510091
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 藤井 稔 神戸大学, 工学部, 助教授 (00273798)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 林 真至 神戸大学, 工学部, 教授 (50107348)
• Keywords: シリコン / ナノ結晶 / ドーピング / 発光

Research Abstract

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。

Research Products

• [Publications] Minoru Fujii: "Below Bulk-bandgap Photoluminescence at Room Temperature from Heavily P and B Doped Si Nanocrystals"Journal of Applied Physics. 94・3. 1990-1995 (2003)
• [Publications] Egon Gross: "Spectrally Resolved Electronic Energy Transfer from Silicon Nanocrystals to Molecular Oxygen Mediated by Direct Electron Exchange"Physical Review B. 68・115405. 1-11 (2003)
• [Publications] Minoru Fujii: "Coexistence of Two Different Energy Transfer Processes in SiO_2 Films Containing Si Nanocrystals and Er"Journal of Applied Physics. 95・1. 272-280 (2004)