高効率・高安定ナノ結晶シリコン発光素子の開発と光増幅への展開

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量子サイズナノ結晶シリコン(nc-Si)の可視発光効果を本質的に解明し、素子化へ発展させるための学術課題に取り組んだ。前年度の結果をふまえ、nc-Si素子の可視発光特性を輝度・安定性の両面で飛躍的に向上させるプロセス技術を検討し、光励起一緩和過程の解析を行った。また発光の短波長化、光増幅性の検証に向けた基礎的知見を得た。主な成果を以下に示す(1)可視域フォトルミネセンス(PL)の高効率化と安定化に対して有効な高圧水蒸気アニール(HWA)を最適化することで、安定な青色発光が得られることを見いだした。発光強度・スペクトルの温度依存性、励起強度依存性、励起光の偏光メモリ、発光寿命特性などにより、青色発光を従来の赤色発光と比較して詳細に解析した。その結果、ナノドット内の励起子に起因する赤色発光とは異なり、青色発光が表面酸化膜における特異な再結合機構に由来することをつきとめた。(2)HWAにより発光効率を高めた試料にレーザー色素を含浸させたナノコンポジットを作製してPLの偏光メモリ効果の解析を行い、ナノドットにおけるエネルギー伝達過程の存在を実証した。またHWAをシリコンナノワイヤの安定化プロセスにも適用し、発光増強の効果を確認した。さらに、HWAがエレクトロルミネセンス(EL)の長期安定性にも大きく寄与することを示した。(3)HWA処理によるnc-Si界面トラップの低減が多重トンネルによるホットエレクトロンの生成を効率化することに着目し、電子励起機能を内蔵した発光素子を作製した。無機蛍光体薄膜を金属薄膜ミラーで挟んだ共振器を装荷した素子において、駆動電圧の低減と発光スペクトルの狭帯化を確認した。また、nc-Si励起不揮発メモリにおいてもHWAは有効で、情報保持特性を著しく向上させることがわかった。