Siナノ結晶へのn、p型不純物同時ドーピングによるナノpn接合の形成

将 n 型和 p 型杂质同时掺杂到 Si 纳米晶中形成纳米 pn 结

基本信息

批准号：
11750017
负责人：
藤井稔
金额：
$ 1.54万
依托单位：
Kobe University
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-11750017/
关键词：
Si ナノ結晶 SiGe 不純物発光欠陥 ESR ドーピング

项目摘要

本研究は、直径数ナノメートル程度のSiナノ結晶に、PやBをドーピングしナノメートルスケールのpn接合を形成することを最終目的としている。前年度までは、Pを低濃度にドープすると欠陥が解消し発光効率が改善すること、及び、ある濃度以上にドープすると、ナノ結晶内部で、Pドーピングにより供給された電子と光励起された電子-正孔対の間でAuger相互作用が可能になり、発光効率が急激に低下することを見出した。本年度は主にSi_<1-x>Ge_x混晶ナノ結晶に対して、不純物ドーピングの影響について研究を行なった。フォトルミネッセンス及び電子スピン共鳴(ESR)測定より、Si_<1-x>Ge_x混晶ナノ結晶の発光効率がSiナノ結晶に比べて非常に低いこと、及びSi_<1-x>Ge_x混晶ナノ結晶の表面には、Geダングリングボンド(Ge Pbセンター)が多数存在し、このダングリングボンドが発光効率低下の原因であることが明らかになった。Si_<1-x>Ge_x混晶ナノ結晶にPをドープすると、欠陥が劇的に解消され、発光効率が10倍以上改善することを見出した。これは、Pにより供給された電子がダングリングボンドを不活性化するためであると考えられる。さらにESR測定より、Pドーピングにより供給された電子は、Ge Pbセンターを優先的に不活性化した後、Si Pbセンター(Si、SiO2界面の酸素欠損欠陥)を不活性化することを明らかにした。可視-赤外光吸収測定を行なったところ、Pを高濃度にドープした試料で、赤外領域に単調に増加する吸収を見出した。この吸収は、伝導帯内の電子の遷移によるものであることから、すべての欠陥が解消すると、Pドーピングにより供給された電子は、自由電子としてふるまうことが明らかになった。本研究により、ナノメートルサイズのSi_<1-x>Ge_x混晶に不純物ドーピングによりキャリア制御が可能であることがはじめて明らかになった。

这项研究的最终目标是通过在直径数纳米的硅纳米晶中掺杂P和B来形成纳米级的p-n结。直到前一年，我们才了解到，低浓度的P掺杂可以消除缺陷并提高发光效率，而超过一定浓度的掺杂会导致P掺杂提供的电子和光激发电子在纳米晶体内部消失。空穴对之间可能发生俄歇相互作用，导致发光效率迅速下降。今年我们主要研究了杂质掺杂对Si_<1-x>Ge_x混合纳米晶的影响。光致发光和电子自旋共振（ESR）测量表明，与Si纳米晶相比，Si_<1-x>Ge_x混晶纳米晶的发光效率非常低，并且Si_<1-x>Ge_x混晶纳米晶的发光效率表明：表面存在许多Ge悬键（Ge Pb中心），这些悬键是导致发光效率下降的原因。我们发现，用P掺杂Si_<1-x>Ge_x混合纳米晶可以显着消除缺陷，并将发光效率提高10倍以上。这被认为是因为P提供的电子使悬空键失活。此外，ESR 测量表明，P 掺杂提供的电子优先使 Ge Pb 中心失活，然后使 Si Pb 中心失活（Si、SiO2 界面处的氧空位）。当我们进行可见-红外光吸收测量时，我们发现在掺杂高浓度P的样品中观察到在红外区域单调增加的吸收。由于这种吸收是由于电子在导带内的跃迁所致，因此研究表明，一旦消除了所有缺陷，P 掺杂提供的电子就会表现为自由电子。该研究首次揭示了通过掺杂杂质可以在纳米尺寸Si_<1-x>Ge_x混晶中控制载流子。