JP2011178585A - Si NANOWIRE IN WHICH ZERO-DIMENSIONAL STRUCTURE IS SCATTERED IN ONE-DIMENSIONAL STRUCTURE AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME - Google Patents

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Inventor
Naoki Fukada
Koichi Murakami
浩一 村上
直樹 深田
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National Institute For Materials Science
独立行政法人物質・材料研究機構
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a silicon nanowire in which spherical silicon nanocrystals are scattered internally and which can be used as a luminescent material.
SOLUTION: The silicon nanowire is obtained by implanting O2+ ions into a crystalline silicon nanowire of a one-dimensional structure, depositing silicon nanocrystals within the nanowire by annealing the nanowire in an inert gas atmosphere, and carrying out hydrogen plasma treatment with heating.
COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、高輝度発光材料としての応用が可能な、一次元構造内にゼロ次元構造が点在する新規なSiナノワイヤ、及びその製造法に関する。 The present invention is capable of application as a high-brightness light-emitting material, a novel Si nanowires zero-dimensional structures are interspersed in one-dimensional structure, and a manufacturing method.

従来から、Siナノワイヤについてはよく知られており、溶融法、蒸発法(アブレーション法)、触媒法、化学気相堆積法(CVD法)等の種々の方法により製造することができる(特許文献1〜4)。 Conventionally, Si are well known in the nanowire, melting method, evaporation (ablation), catalyst, chemical vapor deposition can be produced by various methods (CVD method) (Patent Document 1 to 4).
しかし、一次元構造内にゼロ次元構造が点在するSiナノワイヤについては、知られていない。 However, the Si nanowires zero-dimensional structures are interspersed in one-dimensional structure, not known.

また、Siは間接半導体であるため、発光素子には適していないと言われる。 Further, Si is because an indirect semiconductor, the light-emitting element is said to be unsuitable. しかし、Siのサイズが小さくなると、バンド構造の変化ならびに電子−正孔対の再結合確率が増大するため、発光素子として利用できるようになる。 However, when the size of Si is reduced, the change of the band structure and electron - for recombination probability of hole pairs is increased, it will be available as a light emitting element.
これまで、Siナノ構造を利用した発光の研究・開発は様々行われているが、ほとんどの研究・開発は、Siウェハー等のSi基板上に、 Previously, research and development of light-emitting using Si nanostructures have been made various research and development of almost, on the Si substrate such as Si wafer,
1)SiOx(x<2)の膜を堆積させ、 1) depositing a film of SiOx (x <2),
2)適度な温度でアニールし、 2) annealing at moderate temperature,
3)それによって、膜内にSiナノ結晶を析出させるもの(すなわち、二次元方向の形成・制御)、であった(特許文献5参照)。 3) whereby, those precipitating Si nanocrystals in the membrane (i.e., formation and control of the two-dimensional directions), was (see Patent Document 5).
ここで、Si−O系では、SiO がエネルギー的に最も安定であるため、熱アニールにより、SiOxはSiO とSiとに相分離し、Siナノ結晶が析出することを利用している。 Here, the SiO-based, since SiO 2 is energetically most stable, thermally annealing, SiOx is based on the fact that phase separation and SiO 2 and Si, Si nanocrystals are precipitated.

また、本発明者らは、これまでに、Siナノワイヤへの不純物ドーピングの研究過程で、ホウ素(B)やリン(P)をイオン注入し、熱処理(アニール)すると、Siナノワイヤの結晶性が回復し、PやBが電気的に活性化することを明らかにしている。 Further, the present inventors have so far, in the research process of impurity doping into Si nanowires, boron (B) or phosphorus (P) ions are implanted, heat treatment (annealing) Then, Si nanowire crystallinity recovery and, it has revealed that P and B are of electrically active. 更に、本発明者らは、イオン注入前のSiナノワイヤ(原料Siナノワイヤ)とイオン注入後にアニールしたSiナノワイヤとを比べると、前者ではSiナノワイヤの内部が単結晶であるが、後者では多結晶化することを見出している(非特許文献1参照)。 Furthermore, the present inventors have compared the Si nanowires annealed and after ion implantation the ion implantation before the Si nanowires (raw material Si nanowires), the interior of the Si nanowires with former is a single crystal, polycrystalline in the latter have found that (see non-Patent Document 1).

〔発明の目的又は動機〕 [Purpose or motive of the invention]
本発明者らは、上記したSiナノワイヤにおける処理前後の内部構造の変化に注目し、種々検討した。 The present inventors have focused on changing the internal structure before and after the treatment in the Si nanowires described above, various studies. そして、Siナノワイヤに対して適量のO イオン注入を行い、その後に熱処理(アニール)すると、意外にも、一次元構造内にゼロ次元構造が点在するSiナノワイヤを得ること、及びこれが発光材料となりうることを見出し、本発明を完成した。 Then, a suitable amount of O 2 + ion implantation with respect to Si nanowires, followed by heat treatment (annealing) Then, surprisingly, to obtain a Si nanowires zero-dimensional structures are interspersed in one-dimensional structure, and this light-emitting found that that can be the material, the present invention has been completed.
本発明は、一次元構造を有するSiナノワイヤをテンプレートとして、その内部にゼロ次元のSiナノ結晶を高密度に形成したSiナノワイヤとその製造法を提供することを目的とし、ひいては、Siナノ結晶からの発光を利用した高輝度発光材料を提供することを目的とする。 The present invention, as a template Si nanowires having a one-dimensional structure, and Si nanowires zero order of Si nanocrystals formed at a high density therein and an object of the invention to provide a manufacturing method, therefore, the Si nanocrystals and to provide a high-luminance light-emitting material utilizing the emission.

〔発明の要旨〕 [Summary of the Invention]
すなわち、本発明は、一次元SiO 構造内にゼロ次元Siナノ結晶構造が点在するSiナノワイヤを提供する。 That is, the present invention provides a Si nanowires zero-dimensional Si nanocrystals structure is dotted with a one-dimensional SiO 2 structure.

また、本発明は、一次元SiO 構造内にゼロ次元Siナノ結晶構造が点在するSiナノワイヤの製造法も提供する。 Further, the present invention is zero-dimensional Si nanocrystals structure also provides Si nanowire production methods that dot the one-dimensional SiO 2 structure. その製造法は、次の工程(i)〜(iii)を含むことを特徴とする。 Its preparation, characterized in that it comprises the following steps (i) ~ (iii).
(i)一次元構造の結晶Siナノワイヤに、O イオン注入する工程; (I) a crystalline Si nanowire of the one-dimensional structure, the step of O 2 + ion implantation;
(ii)次いで、これを不活性ガス雰囲気下に、熱処理(アニール)する工程; (Ii) It is then under an inert gas atmosphere, heat treating (annealing);
(iii)次いで、これを加熱と共に、水素プラズマ処理する工程。 (Iii) Then, the same time heating, hydrogen plasma processing step.

本発明の、一次元SiO 構造内にゼロ次元Siナノ結晶構造が点在するSiナノワイヤは新規なSiナノワイヤである。 Of the present invention, Si nanowires zero-dimensional Si nanocrystals structure is dotted with a one-dimensional SiO 2 structure is a novel Si nanowires. このPLスペクトルは、ゼロ次元ナノ結晶のサイズに応じて、約400〜950nmに強い発光ピークをもつので、発光素子としての応用が可能である。 The PL spectrum, depending on the size of the zero-dimensional nanocrystals, since having a strong emission peak at about 400~950Nm, is applicable as a light emitting element.
本発明の製造法により、一次元SiO 構造内にゼロ次元Siナノ結晶構造が点在するSiナノワイヤを再現性よく得ることができる。 The production method of the present invention, it is possible to obtain good reproducibility Si nanowires zero-dimensional Si nanocrystals structure is dotted with a one-dimensional SiO 2 structure.

実施例1(O イオン注入量は1×10 16 cm −2 )における各工程のサンプルのラマンスペクトル。 Raman spectrum of the sample of Example 1 (O 2 + ion implantation dose is 1 × 10 16 cm -2) in each step. (a)原料Siナノワイヤ(成長直後の結晶Si)、(b)O イオン注入後のSiナノワイヤ、(c)1000℃でアニールした後の(再結晶化)Siナノワイヤ。 (A) the raw material Si nanowires (as-grown crystal Si), (b) O 2 + ion implantation after the Si nanowire, (c) after annealing at 1000 ° C. (recrystallization) Si nanowires. 比較例1(O イオン注入量は5×10 15 cm −2 )における各工程のサンプルのラマンスペクトル。 Raman spectrum of the sample of Comparative Example 1 (O 2 + ion implantation dose is 5 × 10 15 cm -2) in each step. (a)原料のSiナノワイヤ(成長直後の結晶Si)、(b)O イオン注入後のSiナノワイヤ、(c)1000℃でアニールした後の(再結晶化)Siナノワイヤ。 Si nanowires (as-grown crystal Si) of (a) raw material, (b) O 2 + ion implantation after the Si nanowire, (c) after annealing at 1000 ° C. (recrystallization) Si nanowires. 実施例1(O イオン注入量は1×10 16 cm −2 )において、O イオン注入後に1000℃でアニールしたSiナノワイヤのTEM像。 In Example 1 (O 2 + ion implantation dose is 1 × 10 16 cm -2), O 2 + Si nanowires TEM images was annealed at 1000 ° C. after the ion implantation. 比較例1(O イオン注入量は5×10 15 cm −2 )において、O イオン注入後に1000℃でアニールしたSiナノワイヤのTEM像。 In Comparative Example 1 (O 2 + ion implantation dose is 5 × 10 15 cm -2), O 2 + Si nanowires TEM images was annealed at 1000 ° C. after the ion implantation. イオン注入後に1000℃でアニールし、更に水素プラズマ処理を行ったSiナノワイヤのPLスペクトル。 O 2 + was annealed at 1000 ° C. After the ion implantation, Si nanowires of the PL spectrum is further subjected to hydrogen plasma treatment. (1)は実施例1(O イオン注入量は1×10 16 cm −2 )で得られた目的物についてのもの、(2)は比較例1(O イオン注入量は5×10 15 cm −2 )で得られたSiナノワイヤについてのもの。 (1) those for Example 1 (O 2 + ion implantation dose is 1 × 10 16 cm -2) in the obtained object, (2) Comparative Example 1 (O 2 + ion implantation amount is 5 × 10 15 cm -2) for the obtained Si nanowires one in. 実施例1(O イオン注入量は1×10 16 cm −2 )における(a)1000℃アニール後のPLスペクトル、(b)その後、水素プラズマ処理(500℃、30分)を行った後のPLスペクトル。 Example 1 (O 2 + ion implantation dose is 1 × 10 16 cm -2) in (a) 1000 PL spectrum ℃ after annealing, (b) Thereafter, a hydrogen plasma treatment (500 ° C., 30 minutes) after the PL spectra of. 実施例1(O イオン注入量は1×10 16 cm −2 )における(a)1000℃アニール後のESRシグナル、(b)その後、水素プラズマ処理(500℃、30分)を行った後のESRシグナル。 Example 1 (O 2 + ion implantation dose is 1 × 10 16 cm -2) in (a) 1000 ° C. ESR signal after annealing, (b) Thereafter, a hydrogen plasma treatment (500 ° C., 30 minutes) after the ESR signal.

〔発明の更に詳しい説明〕 [A more detailed description of the invention]
先ず、本発明の製造法について説明する。 First, description will be given of a manufacturing method of the present invention.
本発明の製造法は、上で述べたように、次の工程(i)〜(iii)を含んでいる。 Production method of the present invention, as discussed above, includes the following steps (i) ~ (iii).
(i)一次元構造の結晶Siナノワイヤに、O イオン注入する工程; (I) a crystalline Si nanowire of the one-dimensional structure, the step of O 2 + ion implantation;
(ii)次いで、これを不活性ガス雰囲気下に、熱処理(アニール)する工程; (Ii) It is then under an inert gas atmosphere, heat treating (annealing);
(iii)次いで、これを加熱と共に水素プラズマ処理する工程。 (Iii) Next, a step of hydrogen plasma treatment this with heating.

ここで、工程(i)で用いる「一次元構造の結晶Siナノワイヤ」は、公知の方法、すなわち、溶融法、蒸発法(アブレーション法)、触媒法、化学気相堆積法(CVD法)等により調製することができる。 Here, "crystalline Si nanowire of the one-dimensional structure" used in the step (i), a known method, i.e., melting method, evaporation (ablation), catalyst, chemical vapor deposition method by chemical vapor deposition (CVD) or the like it can be prepared. この結晶Siナノワイヤの太さ(径)は、通常3〜500nmの範囲であり、この太さ(径)が目的物である「一次元SiO 構造内にゼロ次元Siナノ結晶構造が点在するSiナノワイヤ」の太さ(径)を左右することになる。 The thickness of the crystalline Si nanowires (diameter) is usually in the range of 3 to 500 nm, the thickness (diameter) of zero-dimensional Si nanocrystals structure dotted an objective compound "one-dimensional SiO 2 structure so that the influence Si nanowires "thickness (the diameter).

Siナノワイヤ中にSiナノ結晶を形成する上で重要なことは、直径が2〜5nm(更に好ましくは2〜3nm)のSi球状ナノ結晶を高密度に形成することで、そのために、工程(i)におけるO イオン注入量(ドーズ量)の最適化、及び工程(ii)における熱アニール条件の最適化が重要である。 Importantly in forming the Si nanocrystals in Si nanowires, by diameter 2 to 5 nm (more preferably for 2 to 3 nm) to form a Si spherical nanocrystals with high density, in order that, step (i optimization of O 2 + ion implantation amount (dose) in), and are important optimization of the thermal annealing conditions in the step (ii).
工程(i)におけるO イオン注入量は、好ましくは0.8×10 16 〜2×10 16個/cm とする。 O 2 + ion implantation amount in the step (i), preferably 0.8 × 10 16 ~2 × 10 16 pieces / cm 2. この処理により、ナノワイヤの中はアモルファス状態となる。 This process, the amorphous state in the nanowire. イオン注入量が0.8×10 16個/cm 未満の低い量では、Siナノワイヤ中の結晶をゼロ次元に変えることはできない。 O The 2 + ion implantation amount less an amount of less than 0.8 × 10 16 pieces / cm 2, it is not possible to change the crystal in Si nanowire zero dimension. 注入量の増大に伴って、Siナノワイヤ中にSiナノ結晶の析出が開始する。 With the injection amount of the increase, deposition of Si nanocrystals starts in Si nanowire. 本発明の「一次元SiO 構造内にゼロ次元Siナノ結晶構造が点在するSiナノワイヤ」を、発光材料に用いる場合には、析出するSi球状ナノ結晶の直径が3nm以下(2nm以上)となるように調整する。 The "Si nanowires zero-dimensional Si nanocrystals structure is dotted with a one-dimensional SiO 2 structure" of the present invention, when used for the light-emitting material, the diameter of Si spherical nanocrystals precipitated 3nm follows (or 2 nm) so as to adjust. これが3nmを越えるとほとんど発光しないからである。 This is because little emission exceeds 3 nm. また、注入量が2×10 16個/cm を越えて多すぎても、Siナノワイヤの結晶内部の殆どが酸化物になり、やはり発光しない傾向になる。 Further, even if too much amount of implanted over a 2 × 10 16 pieces / cm 2, most of the interior of the crystal Si nanowires become oxide, also tend to not emit light. 最適ドーズ量の範囲は比較的狭いものである。 Optimal dose range is relatively narrow.
なお、O イオン注入する際の温度は、適度に加温してもよいが、通常は室温で構わない。 Note that a temperature at the O 2 + ion implantation may be moderately heated but typically may at room temperature.

工程(ii)で用いる不活性ガスとしては、Ar、窒素等が用いられる。 The inert gas used in step (ii), Ar, nitrogen or the like is used.

また、工程(ii)における熱処理(アニール)では、一次元構造ナノワイヤ内にSiナノ粒子を析出させ、その析出物が完全に結晶化するような温度及び時間(保持時間)を選んで行なう。 Further, the heat treatment in step (ii) (annealing), to precipitate Si nanoparticles in one-dimensional structure nanowire performs select the temperature and time (retention time) as the precipitate is completely crystallized. その温度及び時間は、概ね500〜1200℃、10〜60分である。 Temperature and time, generally 500 to 1200 ° C., 10 to 60 minutes. 熱処理の温度が高すぎたり、あるいは、処理時間が長すぎたりすると、Siナノ結晶同士が凝集して大きくなり、直径3nm以下のSi球状ナノ結晶を形成できない。 Or the temperature is too high heat treatment, or the treatment time is too long, large and aggregated Si nanocrystals each other, it can not form the following Si spherical nanocrystal diameter 3 nm.

工程(iii)の「加熱と共に行なう水素プラズマ処理」は、工程(ii)で析出したSiナノ粒子の周りに存在するダングリングボンド型(未結合手型)欠陥を完全に水素原子で終端させるために行なうものである。 "Hydrogen plasma treatment performed with heating" of the step (iii), to terminate dangling bonds types present around the precipitated Si nanoparticles in step (ii) (the dangling bonds type) defects completely hydrogen it is intended to be performed. 加熱温度及び時間は、概ね300〜600℃、5〜60分であり、加熱温度が高いほど処理時間は短く済む傾向となる。 The heating temperature and time, generally 300 to 600 ° C., 5 to 60 minutes, the more processing time the heating temperature is high, tends to need shorter.

かくして、本発明の、一次元SiO 構造内にゼロ次元Siナノ結晶構造が点在するSiナノワイヤが得られる。 Thus, the present invention, Si nanowires can be obtained zero-dimensional Si nanocrystals structure is dotted with a one-dimensional SiO 2 structure.

ここで、前記一次元SiO 構造は、好ましくは、3〜500nmの径を有し、その長さは径の3倍以上を有するSiO ワイヤである。 Here, the one-dimensional SiO 2 structure, preferably, has a diameter of 3 to 500 nm, its length is SiO 2 wire having more than three times the diameter.
また、前記一次元SiO 構造内に点在するゼロ次元Siナノ結晶構造は、前記一次元SiO 構造内に収まる大きさでなければならないことは勿論であるが、好ましくは直径2〜5nm、更に好ましくは直径2〜3nm、の球状ナノ粒子である。 Further, zero-dimensional Si nanocrystals structure that dot to the one-dimensional SiO 2 structure is the fact must be sized fit into one-dimensional SiO 2 structure is as a matter of course, preferably has a diameter of 2 to 5 nm, more preferably the diameter 2 to 3 nm, a spherical nanoparticle.

本発明の典型的な例では、Si基板に無数のSiナノワイヤを垂直に成長させたあと、そのSiナノワイヤへ酸素イオンを注入して、これをSiOxナノワイヤ(ナノワイヤの中はアモルファス状態となる)へと変化させ、次いでこれを不活性ガス雰囲気下に熱処理(アニール)することで、SiOxをSiO とSiとに相分離させて、一次元構造ナノワイヤ内にSiナノ結晶粒子を析出させている。 In a typical example of the present invention, after grown vertically countless Si nanowires Si substrate, by implanting oxygen ions into the Si nanowires, which to the SiOx nanowires (the amorphous state in the nanowire) and changing, which is then by a heat treatment (annealing) in an inert gas atmosphere, by phase separation SiOx on SiO 2 and Si, and to precipitate Si nanocrystalline particles in one-dimensional structure nanowire. 更には、これを加熱と共に水素プラズマ処理し、析出したSiナノ粒子の周りに存在するダングリングボンド(未結合手)型欠陥を完全に水素原子で終端させている。 Furthermore is it a hydrogen plasma treatment with heating, allowed to fully terminated with hydrogen atom dangling bonds (uncombined bonds) type defects existing around the precipitated Si nanoparticles. このように、Siナノ結晶を基板の面内から垂直方向へもスタックすること(すなわち、三次元方向の形成・制御)ができるため、従来のSi系発光材料に比べ高輝度の新材料の創製が可能となる。 Thus, it is stacked also in the vertical direction of Si nanocrystals from the plane of the substrate (i.e., formation and control of a three-dimensional directions) since it is, creation of new materials with high brightness compared to conventional Si based light emitting material it is possible.

<実施例1> <Example 1>
(1)Siナノワイヤ(原料Siナノワイヤ)は次のようにして調製した。 (1) Si nanowire (raw material Si nanowires) was prepared as follows. すなわち、金属触媒としてのNiを含有するSi(Ni含有量:1at%)をターゲットとし、Arガス500Torr、50sccmの雰囲気中、1200℃で、Nd:YAGレーザー(532nm,10Hz,1.6W)によるアブレーションを行ない、ターゲットの下流に置かれたSi基板上にSiナノワイヤを堆積させた。 That, Si (Ni content: 1 at.%) Containing Ni as a metal catalyst to a target, Ar gas 500 Torr, in an atmosphere of 50 sccm, at 1200 ° C., Nd: by YAG laser (532nm, 10Hz, 1.6W) performs ablation, was deposited Si nanowires on Si substrate placed downstream of the target.
(2)基板上に堆積したSiナノワイヤに対し、加速エネルギー:80keV,注入量:1×10 16 cm −2 ,平均飛程Rp:100nmの条件で、O イオン注入を行った。 (2) to Si nanowires deposited on the substrate, acceleration energy: 80 keV, implantation dose: 1 × 10 16 cm -2, the average range Rp: under the conditions of 100 nm, was O 2 + ion implantation.
(3)その後、Arガス 200Torr、100sccm雰囲気中で、1000℃で30分間、熱処理(アニール)を行なった。 (3) Thereafter, Ar gas 200 Torr, in 100sccm atmosphere, for 30 minutes at 1000 ° C., was conducted a heat treatment (annealing).
(4)その後、500℃で水素プラズマ処理を30分間行ない、目的とする「一次元構造内にゼロ次元構造が点在するSiナノワイヤ」を得た。 (4) Then, performed 30 minutes hydrogen plasma treatment at 500 ° C., to obtain a "Si nanowires zero-dimensional structures are interspersed in one-dimensional structure" of interest.

<比較例1> <Comparative Example 1>
SiナノワイヤへのO イオン注入量を、1×10 16 cm −2に代えて5×10 15 cm −2としたほかは、実施例1と同様に操作し、比較のためのSiナノワイヤを得た。 The O 2 + ion implantation amount into the Si nanowires, 1 × 10 16 cm well was of 5 × 10 15 cm -2 instead of -2, the same operation as in Example 1, the Si nanowires for comparison Obtained.

(評価) (Evaluation)
目的物及び比較品の評価は、顕微ラマン散乱測定、TEM観察、フォトルミネッセンス(PL)測定等により行なった。 Evaluation of the object and the comparative product, microscopic Raman scattering measurement, TEM observation was performed by photoluminescence (PL) measurement, and the like.
図1は、実施例1における各工程のサンプルのラマンスペクトルで、上から、(a)原料Siナノワイヤ(成長直後の結晶Si)、(b)O イオン注入後のSiナノワイヤ、及び(c)1000℃でアニールした後の(再結晶化)Siナノワイヤ、についてのものである。 Figure 1 is a Raman spectra of samples of each step in Example 1, from the top, (a) the raw material Si nanowires (as-grown crystal Si), (b) O 2 + ion implantation after the Si nanowires, and (c ) after annealing at 1000 ° C. (recrystallization) Si nanowires are for. また、図2は、比較例1における各工程のサンプルについてのラマンスペクトルである。 2 is a Raman spectrum of a sample of each process in Comparative Example 1. イオン注入前(原料Siナノワイヤ)のラマンスペクトル(a)はいずれの図も、結晶Siの光学フォノンに由来する520cm −1付近のピークを示している。 Both figures Raman spectrum (a) is the O 2 + ion implantation before (raw material Si nanowires) also shows a peak around 520 cm -1 derived from the optical phonons of the crystal Si. 一方、O イオン注入後のラマンスペクトル(b)では、いずれの図も480cm −1付近にアモルファスSiに由来するブロードなピークが観測されているが、520cm −1付近のピークについて見れば、実施例1(O イオン注入量:1×10 16 cm −2 )では殆ど観測されてない(すなわち、結晶Siは殆ど残っていない)のに対して、比較例1(O イオン注入量:5×10 15 cm −2 )では、520cm −1付近のピークを観測でき、結晶Siが残っていることを示している。 On the other hand, the O 2 + ion implantation after the Raman spectrum (b), but broad peak derived from an amorphous Si in the vicinity of any of the figures also 480 cm -1 is observed, if you look at the peak near 520 cm -1, example 1 (O 2 + ion implantation amount: 1 × 10 16 cm -2) at not observed almost (i.e., crystal Si is almost remained not) whereas, Comparative example 1 (O 2 + ion implantation amount: the 5 × 10 15 cm -2), can be observed a peak around 520 cm -1, which indicates that the remaining crystal Si. 1000℃でアニール後のラマンスペクトル(c)では、アモルファスSiのピークが消え、光学フォノンに由来する520cm −1のピークがいずれの図も観測されており、これは結晶性の回復を示すものである。 In the Raman spectrum after annealing (c) at 1000 ° C., it disappeared peak of amorphous Si is one peak of 520 cm -1 originating from the optical phonon Figure has also been observed, which indicates the crystallinity of recovery is there.

図3は、実施例1で、O イオン注入後に1000℃でアニールしたSiナノワイヤのTEM像である。 3, in the embodiment 1, is a TEM image of Si nanowires annealed at 1000 ° C. After O 2 + ion implantation. Siナノワイヤの内部に、球状のSiナノ結晶粒子が点在するように生成していることを証する結果である。 Inside the Si nanowires, the result of certifying that spherical Si nanocrystalline particles are generated as dotted. なお、図3においては、この球状のSiナノ粒子の位置を見やすくするため、夫々の粒子とその周囲との境界を黒い線で示している。 In FIG. 3, this for clarity the position of the Si nanoparticles spherical, represents the boundary of each of the particles and the surrounding black lines. 粒子は球状であるため、この境界線は図3では黒い円となっている。 Since the particles are spherical, the boundary has a black circle in FIG.
図4は、比較例1で、O イオン注入後に1000℃でアニールしたSiナノワイヤのTEM像である。 Figure 4 is a comparative example 1 is a TEM image of Si nanowires annealed at 1000 ° C. After O 2 + ion implantation. Siナノワイヤ中には、図3で観測されたような球状のSiナノ結晶粒子は観測されず、O イオン注入前の元の状態に近い構造となっている。 During Si nanowire, Si nanocrystalline particles spherical, as observed in Figure 3 is not observed, and has a O 2 + ion implantation near the front of the original state structure.

図5に、実施例1で得られた目的物(O イオン注入後に1000℃でアニールし、更に水素プラズマ処理を行ったSiナノワイヤ)及び比較例1で得られたSiナノワイヤ(比較品)のPLスペクトルを示した。 5, Example 1 in the obtained object (O 2 + ions and annealed at 1000 ° C. After the injection, further Si nanowires were subjected to hydrogen plasma treatment) and Comparative Example 1 obtained in Si nanowires (comparative) It showed the PL spectrum. 実施例1(O イオン注入量は1×10 16 cm −2 )で得られたSiナノワイヤでのみ強い発光が観測されたが、これは図3で示したような、Siナノワイヤ内部に点在する球状のSiナノ結晶粒子が発光に起因していると考えている。 Example 1 (O 2 + ion implantation dose is 1 × 10 16 cm -2) but only a strong light emission was observed with Si nanowire obtained in which as shown in FIG. 3, Si nanowires inside point Si nanocrystalline particles spherical is standing is believed to be due to light emission. なお、ここで、水素プラズマ処理前のものについては、発光がほとんど観測されないことは図6の結果からも確認できる。 Note that, for the one before the hydrogen plasma treatment, the emission is hardly observed can also be confirmed from the results of FIG.
また、実施例1における水素プラズマ処理前後の各々のESRシグナルを示した図7の結果から、水素プラズマ処理により、g=2.005の位置に観測された欠陥のシグナルが減少したこと、つまり、水素プラズマ処理によって上記欠陥を水素で終端し、その欠陥が電気的に不活性化されたことが分かる。 From the results of Figure 7 showing the ESR signal of each of the front and rear hydrogen plasma treatment in Example 1, the hydrogen plasma treatment, that a signal observed defects in the position of g = 2.005 was reduced, that is, the defect was terminated with hydrogen by the hydrogen plasma treatment, it is understood that the defect is electrically deactivated. 欠陥の不活性化により、非発光再結合中心が減少して発光効率が上がったといえる。 Inactivation of the defect, it can be said that the non-radiative recombination centers luminous efficiency rises decreases.

特開2003−142680 Patent 2003-142680 特開2004−296750 Patent 2004-296750 特開2006−117475 Patent 2006-117475 特開2007−055840 Patent 2007-055840 特開平7−237995 JP-A-7-237995

Claims (6)

  1. 一次元SiO 構造内にゼロ次元Siナノ結晶構造が点在するSiナノワイヤ。 Si nanowires zero-dimensional Si nanocrystals structure is dotted with a one-dimensional SiO 2 structure.
  2. 前記一次元SiO 構造は3〜500nmの径を有し、前記ゼロ次元Siナノ結晶構造は径2〜5nmの球状ナノ粒子である、請求項1のSiナノワイヤ。 The one-dimensional SiO 2 structure has a diameter of 3 to 500 nm, the zero-dimensional Si nanocrystals structure is spherical nanoparticles size 2 to 5 nm, according to claim 1 Si nanowires.
  3. 次の工程(i)〜(iii)を含むことを特徴とする、一次元SiO 構造内にゼロ次元Siナノ結晶構造が点在するSiナノワイヤの製造法: The next step (i) ~ characterized in that it comprises a (iii), Si nanowire production methods zero-dimensional Si nanocrystals structure is dotted with a one-dimensional SiO 2 structure:
    (i)一次元構造の結晶Siナノワイヤに、O イオン注入する工程; (I) a crystalline Si nanowire of the one-dimensional structure, the step of O 2 + ion implantation;
    (ii)次いで、これを不活性ガス雰囲気下に、熱処理する工程(iii)次いで、これを加熱と共に水素プラズマ処理する工程; (Ii) It is then under an inert gas atmosphere, heat treating (iii) Next, a step of hydrogen plasma treatment this with heating;
  4. 工程(i)におけるO イオン注入量は0.8×10 16 〜2×10 16個/cm である、請求項3の製造法。 O 2 + ion implantation amount in the step (i) is 0.8 × 10 16 ~2 × 10 16 pieces / cm 2, process of claim 3.
  5. 工程(ii)における熱処理の温度及び時間は、500〜1200℃で10〜60分である、請求項3の製造法。 Temperature and time of the heat treatment in step (ii) is 10 to 60 minutes at 500 to 1200 ° C., process of claim 3.
  6. 工程(iii)における加熱温度及び時間は、300〜600℃で5〜60分である、請求項3の製造法。 The heating temperature and time in the step (iii), 5 to 60 minutes at 300 to 600 ° C., process of claim 3.

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