Size and dopant-concentration dependence of photoluminescence properties of ion-implanted phosphorus- and boron-codoped Si nanocrystals

リン及びホウ素をイオン注入したシリコンナノ結晶におけるフォトルミネッセンス特性のサイズ及びドーパンド濃度依存性

中村 俊博*; 安達 定雄*; 藤井 稔*; 杉本 泰*; 三浦 健太*; 山本 春也

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

半導体ナノ結晶は量子閉じ込め効果などサイズに起因したユニークな物性を示すことから、その不純物ドーピングによる新たな電気的及び光学的特性の発現が期待される。本研究では、発光素子への応用が期待されているシリコン(Si)ナノ結晶を対象に、イオン注入法によりリン(P)とホウ素(B)を共ドープし、フォトルミネッセンス(PL)特性のサイズ(平均値: 3.5, 4.4, 5.2nm)、ドープ量(0.1-4.510cm)依存性を調べた。その結果、Siナノ結晶のサイズや不純物のドープ量が増加するとともに、発光ピークの低エネルギー側へのシフトが観測された。したがって、このピークはバンド間遷移による発光と同定でき、サイズやドープ量の変化によりバンドギャップが減少していると考えることができる。このようなバンド間遷移に加え、イオン注入に伴い形成された欠陥を介した発光も見出し、Siナノ結晶における精密な発光特性制御の可能性を示した。

Semiconductor nanocrystals have unique electrical and optical properties, because of the quantum confinement effect, and the doping of impurities into nanocrystals. In this study, we investigated the photoluminescence (PL) properties of phosphorus- (P) and boron- (B) co-doped Si nanocrystals (Si NCs), which was synthesized using an ion implantation technique. The Si-NC size (average diameter: 3.5, 4.4, 5.2 nm) and the P and B ion doses (0.1-4.510 cm)values were systematically varied. We find that the PL peak energy shifts to lower values with increasing the average diameters of Si NCs and PB ion dose. The results of PL measurements indicate that the PL spectra are due to the band-to-band transition at the reduced Si-NC band gap caused by the formation of impurity and the radiative transitions between defect- and/or impurity-related localized states. It was found that the PL properties can be controlled by varying the Si-NC size as well as the dopant concentration.