JP3600872B2 - 希土類元素ドープSi材料およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、希土類元素を添加(ドープ)したシリコン(Si)材料、即ち、希土類元素ドープSi材料およびその製造方法に関し、さらに詳細には、光メモリなどの光デバイスの製造を可能にする希土類元素ドープSi材料およびその製造方法に関する。
【0002】
【発明の背景および発明が解決しようとする課題】
従来より、半導体に添加された希土類元素の原子は、4f内殻遷移による鋭い赤外および可視発光を示すことが知られている。
【0003】
こうした希土類元素の原子の発光の波長位置や半値全幅は、半導体たる母体材料または温度にほとんど依存せず、一定の値を示すものである。
【0004】
特に、希土類元素の中で、例えば、エルビウム(Er)は、1.55μmの波長で発光するものであった。
【0005】
ここで、1.55μmという波長は、光ファイバーの最小伝達損失波長であるため、エルビウムの発光の光ファイバー通信への応用が大きく期待されている。即ち、現在においては、こうした希土類元素の光学特性を利用した光デバイスの開発が切望されている。
【0006】
本発明は、上記した背景に鑑みてなされたものであり、発光効率が高く、光メモリなどの光デバイスへの応用が可能な希土類元素ドープSi材料およびその製造方法を提供しようとするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のうち請求項1に記載の発明は、結晶の粒径が3〜5nmの大きさのナノ微結晶SiよりなるSi材料に、希土類元素としてエルビウムをドープし、上記ナノ微結晶Siによる青色発光と上記エルビウムによる1.55μmの波長の発光とを発現するようにしたものである。
【0008】
また、本発明のうち請求項2に記載の発明は、本発明のうち請求項1に記載の発明において、上記ナノ超微結晶Si一個に上記エルビウムが一個ドープされたものである。
【0009】
また、本発明のうち請求項3に記載の発明は、高純度のアモルファスSi薄膜の中に希土類元素としてエルビウムをイオン注入し、エルビウム原子を核にして一個のナノ超微結晶Siに一個のエルビウムがドープされた該ナノ超微結晶Siよりなる希土類元素ドープSi材料を製造するようにしたものである。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面に基づいて、本発明による希土類元素ドープSi材料およびその製造方法の実施の形態を詳細に説明するものとする。
【0013】
ところで、半導体における希土類元素の原子の発光メカニズムは、今だ明確には解明されていない。このため、エルビウムをSi材料に添加して発光特性を観測する研究は近年多く報告されているが、上記発光メカニズムの未解明のために、発光効率が低く、実用するまでに至っていないという問題点があった。
【0014】
しかしながら、出願人は、約10年前から希土類元素としてエルビウムをドープした半導体の光学特性の研究に取り組み、エルビウムが母体材料に占める位置やエネルギー伝達過程などを明らかにし、この系の試料作製と評価手段を熟知しており、発光効率の高い希土類ドープSi材料を得ることができた。
【0015】
即ち、結晶の寸法が3〜5nmの大きさの微結晶により構成されるSi(以下、「ナノ微結晶Si」と称す。)では、量子サイズ効果が現れることになり、電子の波としての性質が顕著に現れて、バルク状のSi材料とは異なる光学的、電気的特性を示すことになるものであり、出願人は、平均粒径3nmのナノ微結晶Si薄膜を製作し、世界ではじめてSi材料の青色の強い発光を室温で実現した(特開平7−237995号公報参照)。この発光は、室温でも極低温でも発光効率が極めて高く劣化しないが、この優れた光学特性は、量子準位間の直接遷移に基づくものである。
【0016】
ここで、Si材料にドープされた希土類元素の発光効率を高めるためには、母体結晶たるSi結晶にドープされる希土類元素と母体結晶との相互作用を如何に強くすることができるかが重要である。
【0017】
つまり、希土類元素としてエルビウムを選択した場合に、Si材料にドープされたエルビウムの発光効率を高めるためには、母体結晶たるSi結晶にドープされるエルビウムと母体結晶との相互作用を如何に強くすることができるかが重要である。
【0018】
エルビウム・イオンからの発光は、エルビウム原子の内殻にある4f軌道の電子の結晶場分裂準位間の遷移によって起こる。基本的には、結晶場によって、エルビウム原子の対称性が減り、遷移確率が上がる。また、遷移確率は、遷移する準位の状態密度に比例する。そこで、出願人は、一個のナノ微結晶に一個のエルビウムをドープし、超微細構造による結晶場対称性の低下をはかり、また、量子サイズ効果により、母体ナノ微結晶の量子準位の状態密度を格段に上げることに着目し、エルビウムのエネルギー伝達効率を高め、発光効率のよい材料作製に成功した。
【0019】
出願人の実験によれば、母体材料のSiをnmオーダーの超微結晶により形成したナノ微結晶Siとして形成し、4f電子とSi量子ドットに閉じこめられた電子との相互作用によって、エルビウム発光中心へのエネルギー伝達が効率よく行われ、発光の高効率化が可能となった。
【0020】
図1には、エルビウムをドープしたナノ微結晶Siの1.55μm発光スペクトルが示されている。本実験により、エルビウムの中心発光効率が高められ、図1に示すような鋭い発光は、室温まで観測できた。このエルビウム添加ナノ微結晶Si材料を用いれば、室温で動作する、Si発光素子をはじめて製作できる。こうしたエルビウムをドープしたナノ微結晶Siにおいては、ナノ微結晶Siによる青色発光とエルビウムによる1.55μmの波長の発光との双方を発現することができたものであり、エルビウムをドープしたナノ微結晶Siにおける発光メカニズムは、エルビウムの内殻準位と量子準位の相互作用によるものである。
【0021】
即ち、エルビウム発光中心の励起は、母体材料となるナノ微結晶Siの量子準位に励起された電子からのエネルギー伝達によって起こり、またその逆の過程も存在する。ナノ微結晶Siでは、量子サイズ効果により直接遷移が著しく増幅され、室温での可視青色発光が強く観測されている(特開平7−237995号公報参照)。
【0022】
こうしたエルビウムをドープしたナノ微結晶Siにおいて、ナノ微結晶Siからの青色発光は発光寿命が数百ピコ秒と非常に速いため、超高速な励起が可能である。一方、エルビウムによる1.55μmの波長の発光の発光寿命は1ミリ秒以上であり、ナノ微結晶Siからの青色発光より6桁も長い(図2参照)。つまり、可視青色発光準位への励起を用いて、エルビウム準位に書かれた情報は、1ミリ秒まで保持できる。つまり、エルビウムの発光寿命としての1ミリ秒は、コンピュータのDRAMのメモリー時間としては十分な長さであるので、エルビウム準位を光のメモリーとして用いることが十分可能である(図3(a)参照)。また、エルビウム準位に記録されたデータの読み出しはエルビウムを再励起し、母体材料の発光として取り出すことになる(図3(b))。エルビウム原子が励起準位にいる時間が1ミリ秒以上あるため、光データを記録する格好の媒体となりうる。
【0023】
即ち、エルビウムをナノ微結晶Siにドープすることにより、青色発光および1.55μmの波長で発光する光デバイスが作成可能であり、従って、エルビウムをドープしたナノ微結晶Siにより、Si基板に電子回路と光回路とを集積することが可能になる。
【0024】
つまり、エルビウムをドープしたナノ微結晶Si(ナノ微結晶Si:Er)は、Si基板上で構成することが可能であり、ナノ微結晶Si:Erにより構成した光メモリーでは、書き換えや読み出しの光を可視光とし、情報の出力は光ファイバーの最小伝達損失波長の1.55μmで行うことができる。即ち、単結晶のSiでは、発光的遷移の確率が極めて低く、エルビウム準位へのエネルギーの伝達も効率が低いため、エルビウムからの強い発光が期待できず、情報の読み書きもほぼ不可能である。しかしながら、ナノ微結晶Si:Erでは、量子準位とエルビウム内殻電子との相互作用により、エルビウム準位を高速に励起または再励起することができ、その情報を可視光の青色光で書いたり、読んだりすることができる。
【0025】
なお、ナノ微結晶Si:Erを用いて光デバイスとして光メモリを構成するには、例えば、図4(a)(b)に示すように、Si基板10上にナノ微結晶Si:Er(nc−Si:Er)のセル12のアレイ14を形成し(図4(a))、レーザー16を照射してナノ微結晶Si:Erの各セル12に情報を書き込むとともに、検出器18によりセル10からの発光を検出して情報を読み取るようにすればよい(図4(b))。
【0026】
また、図5に示すように、図4の場合と同様にSi基板10上にナノ微結晶Si:Er(nc−Si:Er)のセル12のアレイ14を形成し、電流によりセル10への情報の書き込みを行い、検出器18によりセル10からの発光を検出して情報を読み取るように構成してもよい。
【0027】
上記したように、ナノ微結晶Si:Erを用いて光デバイスとして光メモリを構成することができるが、光メモリ以外の光デバイスとしては、例えば、図6に示す波長変換器を構成することができる。
【0028】
即ち、図6に示す波長変換器においては、レーザーやLEDから出射される可視光情報をナノ微結晶Si:Er(nc−Si:Er)に入射することにより、可視光情報を1.55μm波長(光ファイバーの最小伝達損失波長)の光情報に変換して、光ファイバー・システムに入力することができる。
【0029】
上記したナノ微結晶Si:Erの薄膜を製造するには、以下の2種類の方法を用いることができる。
【0030】
即ち、第1の方法は、高純度のアモルファスSi薄膜の中にエルビウムをイオン注入し、エルビウム原子を核にするナノ微結晶Siを製作する方法である。この方法では、一個のSiドットに一個のエルビウム原子をドープすることができ、母体のナノ微結晶からのエネルギー伝達を良くする。
【0031】
第2の方法は、レーザー・アブレーションを用いて直接エルビウム添加のSiターゲットからSiの微結晶を作製する。この方法では、ナノ微結晶Si:Erを大面積かつ厚く製作することができる。
【0032】
なお、エルビウムについて説明すると、エルビウムの発光は極低温でも室温でも1.55μmで一定の値を示しており、この性質を利用すると、エルビウム発光を母体材料の物性を調べるためのプローブとして用いることができる。即ち、エルビウムは、母体からのエネルギー伝達により励起されるので、非発光な母体材料でも、エルビウムを発光させることができ、この発光をプローブに使用することができるものである。
【0033】
例えば、ポーラス・シリコンのような発光エネルギーと吸収端が一致しないような材料や、微結晶Siのようなアモルファス領域の存在によって微結晶の吸収が隠される場合、エルビウムの発光をプローブに、母体材料の吸収端あるいは禁制帯幅を測定できる。図7は、エルビウム発光の励起特性から母体ポーラス・シリコンの禁制帯幅Egを測定できることを示したグラフであり、図7(a)は試料1たるエルビウム(Er)を添加したポーラス・シリコンのエルビウム発光とポーラス・シリコンの可視発光との励起特性であり、図7(b)は試料2たるエルビウム(Er)を添加したポーラス・シリコンのエルビウム発光とポーラス・シリコンの可視発光との励起特性であり、エルビウム発光の励起エネルギー依存性と母体ポーラス・シリコンの励起エネルギーの依存性とが示されている。図7(a)(b)に示されているように、エルビウムとポーラス・シリコンとは同じ吸収端を持ち、エルビウム発光の吸収端が母体ポーラス・シリコンの禁制帯幅Egと一致する。従って、ポーラス・シリコンの発光が観測できなくても、この方法でEgを同定できる。ポーラス・シリコンに限らず、エルビウムのような発光エネルギーが0.8eV(1.54μm)と小さいプローブを用いれば、多くの材料、特に、混合材料のプローブとして有効である。
【0034】
即ち、図7(a)(b)は発光するポーラス・シリコンを例に示したが、発光しない母体材料でも、エルビウム発光の吸収端を測定すれば、母体材料の禁制帯幅Egが決まる。
【0035】
なお、上記においては、希土類元素としてエルビウムを用いた場合に関して説明したが、エルビウム以外の希土類元素を用いてもよいことは勿論である。
【0036】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、発光効率が高く、光デバイスへの応用が可能な希土類元素ドープSi材料およびその製造方法を提供することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】エルビウムをドープしたナノ微結晶Siの1.55μm発光スペクトルを示すグラフである。
【図2】エルビウムの発光の時間応答特性を示すグラフである。
【図3】光データの読み書きの原理を示す説明図であって、(a)は光データの書き込みの原理を示す説明図であり、(b)は光データの読み込みの原理を示す説明図である。
【図4】ナノ微結晶Si:Erを用いて構成した光メモリの説明図であって、(a)は光メモリの平面構成説明図であり、(b)は動作原理の断面説明図である。
【図5】ナノ微結晶Si:Erを用いて構成した光メモリの他の動作原理の説明図である。
【図6】ナノ微結晶Si:Erを用いて構成した波長変換器動作原理の説明図である。
【図7】エルビウム発光の励起特性から母体ポーラス・シリコンの禁制帯幅Egを測定できることを示したグラフであり、図7(a)は試料1たるエルビウム(Er)を添加したポーラス・シリコンのエルビウム発光とポーラス・シリコンの可視発光との励起特性であり、図7(b)は試料2たるエルビウム(Er)を添加したポーラス・シリコンのエルビウム発光とポーラス・シリコンの可視発光との励起特性であり、エルビウム発光の励起エネルギー依存性と母体ポーラス・シリコンの励起エネルギーの依存性とが示されている。
【符号の説明】
10 Si基板
12 ナノ微結晶Si:Er(nc−Si:Er)のセル
14 アレイ
16 レーザー
18 検出器
Claims (3)
- 結晶の粒径が3〜5nmの大きさのナノ微結晶SiよりなるSi材料に、希土類元素としてエルビウムをドープし、前記ナノ微結晶Siによる青色発光と前記エルビウムによる1.55μmの波長の発光とを発現する
ことを特徴とする希土類元素ドープSi材料。 - 請求項1に記載の希土類元素ドープSi材料において、
前記ナノ超微結晶Si一個に前記エルビウムが一個ドープされた
ことを特徴とする希土類元素ドープSi材料。 - 高純度のアモルファスSi薄膜の中に希土類元素としてエルビウムをイオン注入し、エルビウム原子を核にして一個のナノ超微結晶Siに一個のエルビウムがドープされた該ナノ超微結晶Siよりなる希土類元素ドープSi材料を製造する
ことを特徴とする希土類元素ドープSi材料の製造方法。
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