Ｓｉ量子ドット集積構造による弾道電子制御と低電圧駆動高効率電子放出デバイスの創成

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本年度は、前年度に考察したSi量子ドット多重集積構造の電圧印加時のエネルギーバンド構造について知見を深めるため、大型放射光施設SPring-8を利用し、Si量子ドット多重集積構造における電圧印加時の各Siドット層の電位状態を評価した。Si量子ドット6層積層構造に0Vから-6Vを印加し、光電子脱出角度87度で測定したSi1s内殻光電子スペクトルから、Si基板およびSi量子ドットに相当するSi-Si結合成分およびSiO2に相当するSi-O結合成分ともにエネルギーシフトおよび半値幅の増加が観測された。また、Si-Si結合成分に関しては、印加電圧の増加に伴い、スペクトル形状の変化が認められた。これは、電圧印加による基板および各ドット層の電位変化を反映し、それらが重畳した結果として解釈できる。次に、広角対物電子レンズを用いて、光電子脱出角度の異なる光電子を同時に取り込み、得られたSi1sスペクトルのSi-Si結合成分をピーク分離することで、各Si量子ドット層の電位変化を調べた。ピーク分離は、6層のSi量子ドットおよびSi基板の7成分を用い、Si量子ドットに相当する半値幅は一定とした。また、各層のSi量子ドットの信号強度はSi1s信号の光電子脱出深さを11nmとして、Pt上部電極、Si量子ドット、相間絶縁膜の各膜厚より求めた信号強度の深さ方向に対する減衰率を考慮して決定した。ピーク分離の結果、光電子脱出角度を浅くし、表面敏感測定するに伴い、高結合エネルギー側の強度が相対的に増大することが確認でき、表面側では各ピークのエネルギー差が広く、基板側に向かってエネルギー差が小さくなることが分かった。この結果は、基板側に比べ上層側のSi量子ドットに電界集中が起きていることを示唆しており、前年度の考察が概ね正しいことを実証できた。