研究経歴

 
 

 非晶質シリコンの物性の研究においては非晶質シリコンを用いた薄膜トランジスタの高性能化を目指し、その基本構成要素である非晶質シリコンと非晶質シリコン化合物の絶縁膜の基礎物性を解明するとともに界面の電子的・光学的な特性を明らかにしてきた。薄膜トランジスタを構成するゲート絶縁膜にはa-SiNx:H やa-SiOx:Hが用いられている。これらの混晶系において組成比xが小さいときにはSi-Siボンドが物性を支配しており、バンドギャップの変化は電気陰性度の違いによるSi-Siボンドの強度変化が原因であることを明らかにした。これらの材料を半導体素子として作用させるためには界面の電子状態を把握することが重要である。そこで非晶質シリコンと金属、及び単結晶シリコンと非晶質絶縁膜の界面に注目し、界面の欠陥準位が電流電圧特性、電気容量電圧特性に与える影響を明らかにしてきた。 しかし電気的測定からは界面欠陥準位に関する直接的な情報を得ることは容易ではない。そこで光学的な手法を用い界面欠陥の密度とエネルギーを測定した。この結果から界面欠陥はa-Si:H層に絶縁層を堆積させる際のプラズマによる表面反応に依存していることを明らかにした。またこのプラズマ表面反応モデルを単結晶シリコン表面に適用し、アルゴンと水素のプラズマが表面欠陥を誘発することを確認した。さらにこの表面反応による欠陥生成モデルを発展させバルク非晶質薄膜の成長に適用して非晶質シリコンの欠陥が薄膜堆積中の表面反応過程の発熱エネルギーによって生成されることを明らかにした。非晶質シリコンに見られる結晶にはない特性のひとつとして発光現象がある。梅津助教授はスパッタリング法で作製した非晶質シリコンが欠陥密度が大きいにもかかわらず高い発光効率を持つことを発見し、その原因が非発光再結合確率の減少にあることをつきとめた。この非晶質シリコンをナノ構造化すればさらなる発光効率の増大が期待できる。そこで原子間力顕微鏡を用いた陽極酸化によってナノ構造化を試み、陽極酸化された細線の幅が印加電圧と薄膜の厚さに依存することを明らかにし、この方法を用いたナノ構造の設計指針を与えた。

 非晶質シリコンの研究が進展するにつれて研究の対象をシリコンナノ結晶に移していった。シリコンは間接遷移型半導体であるため、バルクでの発光効率は極めて低い。これに対してナノ結晶シリコンからは強い発光が見られることが大きな話題となった。そこでヘリウムガス中でパルスレーザーアブレーションを行うことによって作製されたナノ結晶シリコンに対して発光特性の温度依存性を調べ、シリコンナノ結晶においても発光効率の増大を決定している要因の一つは非発光再結合の減少であることを明らかにした。

 シリコンナノ結晶からの強い発光の原因は量子サイズ効果であるという説と表面効果であるという説があり、当時議論が混沌としていた。この原因の一つは表面構造の制御された試料の作成が困難であったからである。パルスレーザーアブレーション法を用いれば表面の制御されたシリコンナノ結晶の形成が可能であることに着目し、表面の制御されたシリコンナノ結晶の作製を行い表面の効果を議論することを試みた。通常パルスレーザーアブレーション法でナノ結晶を作製する場合は雰囲気ガスとの反応をおさえるために不活性ガス中でレーザーアブレーションを行うのが常識となっている。今までの常識を破り、あえて反応性の高い水素ガス中でレーザーアブレーションを行うことによって表面水素化を試みた。その結果、表面が水素で覆われ、コアがナノ結晶である理想に近いナノ結晶を作製することに成功した。このようにして得られた表面水素化されたナノ結晶シリコンの発光を測定したところ、発光は表面吸着物に敏感であり,表面での自己束縛励起子と見られる発光の存在を示唆した。この試料を自然酸化させ発光特性を調べたところ発光波長は表面状態に強く依存し、表面酸化過程で形成される欠陥が発光中心となっていることを明らかにした。この研究によって発光波長の変化は酸化によるサイズの変化が原因ではなく、酸化の進行によって形成される発光中心の変化であることに対して決定的な証拠を与えた。表面の重要性に着目しプラズマ処理によってより積極的に表面状態を制御することを試みた。その結果表面の酸化や窒化によって光学ギャップが減少する現象も見いだしている。

 反応性のバックグラウンドガスを用いることのメリットは表面制御のとどまらない。堆積中あるいは堆積後の反応生成物を分析すればレーザーアブレーション過程の情報が得られる。水素ガス及び窒素ガス中でのシリコンのレーザーアブレーションの生成物とプルームの発光分析からナノ結晶生成と表面反応の時間的、空間的発展を明らかにした。最近ではナノ結晶の凝集構造を解析することによって表面の水素がナノ結晶の構造を安定化させフラクタル的な凝集メカニズムで凝集体が形成されていることを明らかにしている。ナノ結晶シリコンの性質は当然その構造が決定するがナノ結晶の生成メカニズムから表面形成メカニズムまでを解明し、その表面構造が発光に与える現象を議論している。このように特に表面に着目しナノ結晶生成メカニズムから発光特性まで統一的に説明し、生成過程と物理的特性の全貌を明らかにしてきた。

 シリコンは最も代表的な半導体材料であるが光学特性の研究には直接遷移型の半導体を用いるのが適切である場合が多い。そこで梅津助教授はII-VI族およびIII-V族化合物半導体のナノ結晶の研究も行っている。II-VI族半導体のナノ結晶は高い発光効率を持つことが知られており、その原因の一つとして振動子強度の増大が指摘されている。しかしながらナノ結晶化による非発光再結合過程の変化に関してはあまり議論されていなかった。光音響分光法を用いてCdSナノ結晶の非発光再結合の大きさを直接的に求めた。その結果、ナノ結晶化による発光効率の増大には非発光再結合の減少も大きく影響していることを指摘した。溶液中のCdSナノ結晶の場合には分散性を維持するのが重要で、そのために表面に有機分子を結合させることが有用である。この有機分子が表面に結合した試料の再結合過程は表面状態に敏感であることを発見し、表面敏感な発光を利用したセンサー応用の可能性を指摘した。そこでCdSナノ結晶に有機色素を結合させ、その間の共鳴エネルギー移動割合を見積もることによってバイオセンサーとしての設計指針を与えた。

III-V族半導体ナノ結晶に関してはナノ結晶間の相互作用に関して研究を行っている。ナノ結晶間に相互作用が存在すれば発光スペクトルに非対称性をもたらすことを見いだしナノ結晶集合体として発現する機能性の存在を示唆した。そこでInAsナノ結晶集合体に対し電流—電圧特性を測定したところ特徴的な構造を見いだし、これが結合したナノ結晶間の電子輸送によるものであることを明らかにした。

これまでの研究の概要