イオン注入、紫外光照射による可視発光シリコンクラスター構造制御と発光素子への応用

通过离子注入和紫外光照射控制可见光发射硅团簇结构及其在发光器件中的应用

• 批准号: 11740171
• 负责人: 岩山 勉
• 金额: $ 1.34万
• 依托单位: Aichi University of Education
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• 财政年份: 1999
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1999 至 2000
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-11740171/
• 关键词: シリコン; ナノクリスタル; イオン注入; 発光; 酸化効果; サイズ効果; 希土類元素; エルビウム; 半導体; 可視発光; 二酸化シリコン; 界面

本研究は私たちの研究グループがはじめて報告し、最近特に注目されているイオン注入法によるシリコンナノクラスターの二酸化シリコン中での形成とその物性、特に発光特性、さらにはその微細構造との相関を中心とした。以下で本研究で実施した内容を記載する。1.シリコンナノクラスターの構造の均一化:注入時の基板温度を厳密に制御し、さらに加速エネルギーを変化させ(6段階)シリコンを多重注入することにより注入イオ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た。注入後の試料のRBS測定、断面TEM観察の結果、過剰シリコンが試料内に均一に分布し、シリコンナノクラスターが熱処理後形成されることがわかった。さらに、この手法によりシリコンナノクラスターの「サイズ」と「クラスター密度(クラスター間の距離)」を独立に制御することが可能であることがわかった。2.シリコンナノクラスターの発光機構の本質的な解明:発光のイオン注入量、注入後の熱処理時間、励起波長依存性、酸化効果、さらにはそれらと注入層の微細構造の相関を詳細に調べた。その結果、発光のピークエネルギーは熱処理時間、励起波長には依存せず、高濃度注入時に注入量に強く依存することがわかった。また、シリコンの酸化に伴い発光のピークエネルギーが高エネルギー側にシフトすることもわかった。これらの結果から励起光がシリコンナノクラスターにより吸収され、発光は界面の部位で起こり、さらにそのエネルギー準位はクラスター間の相互作用、界面の酸化状態により強く影響を受けるとする新たな発光のモデル(Interactive Nanocluster Model)を提唱した。3.光電子機能デバイス開発へのアプローチ:上記の研究結果を総合的に整理し、それらに基づきシリコンナノクラスターの実用的なデバイスを開発する上で重要な問題となる発光効率の向上の方法、発光波長の連続可変性などを詳細に検討した。前者は水素をイオン注入することにより、また、後者はクラスター密度、酸化状態を変化させることにより可能であることがわかった。さらにエルビウムなどの希土類元素をシリコンナノクラスターにイオン注入によりドープすることにより光通信分野で重要な高輝度安定赤外発光が効率良く観測されることがわかった。

This study focuses on the study of the formation, physical properties, optical properties, and microstructure of the silicon nitride by the injection method. The actual implementation of this research is recorded below. 1. Homogenization of the structure of the sample: the substrate temperature at the time of implantation is controlled closely, and the acceleration is changed (6 steps). The sample is controlled by multiple injections. RBS measurement of the sample after injection, TEM observation of the cross section, uniform distribution in the sample, formation of the sample after heat treatment In addition, this method can be controlled independently by the "service" and "density" of the service. 2. Explanation of the nature of the light-emitting mechanism: the injection amount of light emission, the heat treatment time after injection, the dependence of excitation wavelength, the acidification effect, and the correlation between the fine structure of the injection layer and the injection layer are carefully adjusted. The results of the laser irradiation depend on the heat treatment time and excitation wavelength, and strongly depend on the injection amount at high concentration. The acid reaction of the acid reaction in the reaction medium is very high. These results include excitation of light, absorption of light, emission of light at the interface, generation of light at the interface level, interaction between light and light, and acidification of the interface. A new light emission model (Interactive Nanocluster Model) is proposed. 3. Optoelectronic function development and optimization: The research results described above are summarized in this paper, and the important problems in the development of optoelectronic function development, the improvement of emission efficiency, and the variability of wavelength of emission are discussed in detail. The former is a mixture of water and nitrogen, and the latter is a mixture of water and nitrogen. In addition, it is important for optical communication to have high brightness, stable red light emission and good efficiency.

项目成果

T.S.Iwayama: "Characteristic photoluminescence band in Si^+-implanted SiO_2 grown on Si wafer"Microelectronics Reliability. 40. 849-854 (2000)

T.S.Iwayama：“在 Si 晶圆上生长的 Si 注入 SiO_2 中的特征光致发光带”微电子可靠性。

N.Sharma: "Characterisation of silicon nanocrystals in silica and correlation with luminescence"Inst.Phys.Conf.Ser.. 161. 589-591 (1999)

N.Sharma：“二氧化硅中硅纳米晶体的表征及其与发光的相关性”Inst.Phys.Conf.Ser.. 161. 589-591 (1999)

T.S.Iwayama: "Optical properties of interacting Si nanoclusters in SiO_2 fabricated by ion implantation and annealing"Nucl.Instrum.Methods B. 147. 350-355 (1999)

T.S.Iwayama：“通过离子注入和退火制造的 SiO_2 中相互作用的 Si 纳米团簇的光学性质”Nucl.Instrum.Methods B. 147. 350-355 (1999)

T.S.Iwayama: "Mechanism of photoluminescence of Si nanocrystals in SiO_2 fabricated by ion implantation : the role of interactions of nanocrystals and oxygen"J.Phys.: Condens.Matter. 11. 6595-6604 (1999)

T.S.Iwayama：“离子注入制备的 SiO_2 中硅纳米晶体的光致发光机制：纳米晶体与氧相互作用的作用”J.Phys.：Condens.Matter。

C.E.Chryssou: "Evidence of energy coupling between Si nanocrystals and Er^<3+> in ion implanted silica thin films"Appl.Phys.Lett.. 75. 2011-2013 (1999)

C.E.Chryssou：“离子注入二氧化硅薄膜中 Si 纳米晶体和 Er^<3> 之间能量耦合的证据”Appl.Phys.Lett.. 75. 2011-2013 (1999)