Phosphorus and boron codoping of silicon nanocrystals by ion implantation; Photoluminescence properties

イオン注入によりリンとボロンを共ドープしたシリコンナノ結晶; フォトルミネッセンス特性

中村 俊博*; 安達 定雄*; 藤井 稔*; 三浦 健太*; 山本 春也

Nakamura, Toshihiro*; Adachi, Sadao*; Fujii, Minoru*; Miura, Kenta*; Yamamoto, Shunya

石英母材中にナノサイズのシリコン粒子を埋め込んだシリコンナノ結晶やポーラスシリコンは、室温で強い可視光の発光特性を生じるため、発光素子などの応用が期待されている材料であり、そのフォトルミネッセンス特性に関する基礎的な研究が重要視されている。本研究では、イオン注入法によりn型及びp型の不純物元素としてリン及びボロンをそれぞれ単ドープ及び共ドープしたシリコンナノ結晶を作製して、そのフォトルミネッセンス特性について調べた。その結果、共ドープしたシリコンナノ結晶で、単ドープしたシリコンナノ結晶とは異なるフォトルミネッセンスが発現することを見いだし、その発光強度がリン及びボロンのドープ量に依存することから、このフォトルミネッセンスは、共ドープにより形成されたドナー-アクセプター対の再結合に起因する発光であることを明らかにした。

Silicon nanocrystals (Si-nc's) such as nanometer-sized Si dots embedded in a SiO matrix and porous Si have been intensively investigated because of their interesting photoluminescence (PL) properties. Si-nc's exhibit strong and visible emission at room temperature. Because of their compatibility with Si-based technology, light-emitting Si-nc's are an attractive candidate for materials used in various optoelectronic device applications. In this study, the PL properties of n- and p-type dopants phosphorus (P) and boron (B) co-doped Si-nc's prepared by the ion implantation were studied. For (P, B) co-doped Si-nc's, the donor-acceptor (D-A)-pair recombination emission was clearly observed on the long-wavelength side of the intrinsic Si-nc emission. The D-A-pair recombination energy is found to be smaller than the band-gap energy of bulk Si and is strongly dependent on the number of P and B impurities doped in a Si-nc's.