電気化学的原子層エピタキシーによる半導体超格子構造の作製と光電気化学特性

通过电化学原子层外延和光电化学特性制备半导体超晶格结构

基本信息

批准号：
12750733
负责人：
鳥本司
金额：
$ 1.41万
依托单位：
Hokkaido 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：
2000
资助国家：
日本
起止时间：
2000 至 2001
项目状态：
已结题

项目摘要

高効率な光-電気エネルギー変換素子の構築を目的とし、半導体薄膜の作製に関する研究が種々の手法を用いて活発に行われている。中でもアンダーポテンシャル析出(UPD)を利用した電気化学的原子層エピタキシー(ECALE)法は、得られた半導体薄膜の膜厚や表面形態を原子レベルで制御できることから特に注目されている。本研究では、エネルギーギャップおよび電子・正孔の有効質量が他の半導体と比較して非常に小さいことから、より大きな量子サイズ効果が期待される硫化鉛(PbS)薄膜をECALE法により作製し、その光電気化学特性について検討した。(111)面を有する金電極に定電位を印加することにより、硫黄および鉛のUPDを交互に行い、PbS薄膜を電極上に積層した。硫黄および鉛原子層のUPDの際に流れた電気量から、これら元素の析出量を計算したところ、PbSの積層数が2層目以降で、析出する元素の種類に関わらず、約1.1nmol cm^<-2>となり、PbS薄膜が電極上にエピタキシャル成長していることが示唆された。このことは、PbS薄膜断面のTEM像から確認され、PbSが金電極表面でPbS[001]方向にエピタキシャル成長していることが分かった。正孔捕捉剤の存在下、PbS薄膜に光照射を行ったところ、いずれの膜厚においてもアノード光電流が観測され、n型半導体類似の光応答を示した。光電流のアクションスペクトルを測定し、その立ち上がり波長から求めたPbS薄膜のエネルギーギャップ(Eg)は、積層数が25層のPbS薄膜において約1.5eVとなり、バルクPbSの値(0.41eV)よりも非常に大きな値を示した。以上のことより、厳密に膜厚が制御されたPbS超薄膜の作製は、ECALE法により可能であること、さらに得られた薄膜は量子サイズ効果によってバルクとは大きく異なった光電気化学特性を示すことが分かった。

为了构建高效的光电能量转换装置，正在积极地利用各种技术进行半导体薄膜的生产研究。其中，使用欠电势沉积（UPD）的电化学原子层外延（ECALE）引起了特别关注，因为它允许在原子水平上控制所得半导体薄膜的厚度和表面形貌。在这项研究中，我们使用ECALE方法制备了硫化铅（PbS）薄膜，由于与其他半导体相比，电子和空穴的能隙和有效质量非常小，因此有望具有更大的量子尺寸效应。性质进行了调查。通过对具有(111)面的金电极施加恒定电位，交替进行硫和铅的UPD，并在电极上沉积PbS薄膜。这些元素的析出量是根据硫原子层和铅原子层UPD时流过的电量来计算的，结果发现，当堆叠的PbS层数从第二层开始时，无论析出元素的类型如何，约为1.1 nmol cm ^ -2 ，表明PbS薄膜是在电极上外延生长的。这从PbS薄膜的截面的TEM图像得到证实，并且发现PbS在金电极表面上沿PbS[001]方向外延生长。当在空穴捕获剂存在下用光照射PbS薄膜时，在任何膜厚度下都观察到阳极光电流，显示出与n型半导体相似的光响应。通过测量光电流的作用光谱，根据上升波长确定 PbS 薄膜的能隙 (Eg)，对于 25 层的 PbS 薄膜来说，约为 1.5 eV，这比块状 PbS 的值大得多（ 0.41 eV）显示出很大的值。综上所述，我们得出结论，使用 ECALE 方法可以制备厚度严格控制的超薄 PbS 薄膜，并且由于量子尺寸效应，所得薄膜表现出与体材料显着不同的光电化学性能。我发现了什么。