光学的手法によるナノスケールシリコン結晶中の不純物の電子状態に関する研究

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量子サイズ効果が顕著にあらわれるサイズ領域の半導体に不純物をドーピングすると、その振る舞いはバルク結晶にドーピングしたものと大きく異なる。特に、ドナー、アクセプターのイオン化エネルギーの増大等の本質的な変化が顕著に現れる。本研究は、ボトムアップ方式により不純物をドーピングしたシリコンナノ結晶を作成し、シリコンナノ結晶中の不純物原子の電子状態について基礎的な情報を得ることを目的とする。本研究が対象とするサイズ領域では電気的な評価が非常に困難であるため、光(電磁波)を用いた研究が重要になる。本年度は不純物をドーピングしたシリコンナノ結晶の電子スピン共鳴(ESR)測定よりその電子状態について知見を得ることを目的に研究を行った。その結果,以下のことが明らかになった。(1)シリコンナノ結晶では、不純物濃度が非常に高い状況においても、ESRの温度依存性はCurie則に従う。これは、シリコンナノ結晶が縮退半導体にならないことを示唆している。(2)P,B同時ドーピングシリコンナノ結晶のESRの線幅は単独ドーピングの場合に比べて広い。特に、キャリアが補償されているであろう状況において最大となる。これは、n型とp型の不純物をドーピングしたシリコンナノ結晶においては、キャリアが強く局在することを示唆している。これには、不純物の静電場による局在と量子閉じ込め効果による局在の両方が関与していると考えられる。(3)この強い局在が、室温におけるD-Aペアの強い発光の起源であると考えられる。