[招待講演]一次元縦積みシリコン系量子ドットの形成と発光ダイオードへの応用

摘要

熱SiO_2膜上のSi-QDs上にGeを選択成長させ、酸化•高温熱処理を施した後、SiH_4-LPCVDを行うことによって、自己整合的に一次元連結したSi-QDsを形成することができ、n-Si(100)上に形成した半透明Auゲート一次元連結ドットダイオード構造において、Auゲートから正孔、基板から電子を注入することで、閾値電圧～1.2V以上を印加した場合、近赤外光領域での明瞭な室温発光が認められた。さらに、極薄熱SiO_2膜上に縦積連結したSi系量子ドットを超高密度形成(～10~(13)cm~(-2))することで、高効率キヤリァ注入が実現でき、竃流密度～0.15A/cm~2においてEL強度を連結ドット密度〜10~(11)Cm~(-2)の場合と比べて～425倍増大させることが出来た。これは、連結ドット内へ高効率キャリア注入されるためEL効率が向上するとともに、1層目のドット表面熟酸化に伴う膨張によって、隣接するドット間がシリコン酸化物で充填され、ドットが埋め込まれた構造となるため、ドットを介さない電流成分が抑制された結果で解釈できる。%Self-aligned Si quantum dots (Si-QDs) have been successfully fabricated on ultrathin SiO_2 by controlling low-pressure chemical vapor deposition (LPCVD) using pure SiH_4 and/or Si_2H_6, selective Ge LPCVD from 5％ GeH_4 diluted with He, thermal oxidation of the dots and subsequent thermal desorption of Ge oxide. In semitransparent Au-gate diodes with self-aligned dots so-prepared, when carriers were injected to the self-aligned Si-QDs from the n-Si(100) substrate for electrons and from the Au top electrode for holes, electroluminescence (EL) in the near-infrared region at room temperature becomes observable with an increase in current at positive biases over a threshold voltage as low as 〜1.2 V at the Au top electrode. Note that, in the case of an areal dot density of 〜10~(13) cm~(-2), the emission intensity was enhanced markedly by a factor of 〜425 in comparison with the case of 〜10~(11) cm~(-2) under the same current density at 〜0.15A/cm~2. This is clear evidence of not only an increase in radiative recombination rate in the self-aligned structure but also an improvement of recombination efficiency due to a decrease in current leakage with increasing dot density.