【公開日：2023.07.31】【最終更新日：2023.10.23】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
22WS0045
利用課題名 / Title
Er:O共添加Siナノピラーからの室温フォトルミネッセンス計測
利用した実施機関 / Support Institute
早稲田大学
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）その他/Others（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
シリコンナノピラー、フォトルミネッセンス、エルビウム,リソグラフィ/Lithography,膜加工・エッチング/Film processing and Etching
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
高橋 勇磨
所属名 / Affiliation
早稲田大学理工学術院
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
石井智己,内田 海成,圖師拓海
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
加藤 篤,野崎 義人
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
WS-007：ICP-RIE装置
WS-015：電子ビーム描画装置
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
Si中のErは内殻電子遷移に伴い、シリカ系光ファイバの最低伝送損失波長である1.5 μm帯の光子を放出する。また、CMOSデバイスと互換性を持つイオン注入によりErをSi中に導入できる。それゆえに、Si中のEr のSiフォトニクスや量子通信への応用が期待されている。しかしながら、Si中のErからの室温発光強度は極めて低いことが課題となっている。高屈折率材料であるSi/air界面で蛍光が内部に全反射されることがair側で計測される強度が低いことの要因の１つである。一方、高屈折率材料でも、ナノ構造中に発光センターを埋め込むことによりair側への放出率を向上できることが知られている。そこで、私たちはSilicon-on-insulator (SOI) 基板の表面近傍にErが注入されたナノピラーを形成し、このナノピラーによってフォトルミネッセンス計測強度を向上できるかを実験的に検証した。
実験 / Experimental
ナノピラーは220 nm厚のSOI層（n型）にErとOをイオン注入で共注入した後、電子線リソグラフィとドライエッチングを施すことにより作製した。イオン注入後、窒素雰囲気下900 ℃で30分の熱処理を施した。作製したナノピラーからののフォトルミネッセンス（レーザ走査共焦点顕微鏡、室温、励起波長785 nm）を計測し、ナノピラーによるフォトルミネッセンス強度の増強効果を調べた。
結果と考察 / Results and Discussion
作製したナノピラーのフォトルミネッセンス測定結果をFig. 1に示す。Fig. 1を解析したところ、Erを注入していないナノピラーに比べて、Erを注入したナノピラーからの近赤外発光強度が高いことが分かった。Erを注入したナノピラーからは最大27000 cts/secの近赤外発光を観測されており、これはナノピラーを形成していないSi基板表面に同条件でErとOをイオン注入した場合の約6倍の発光強度である。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
Fig.１ (a) Er：O共注入ナノピラーの顕微鏡像．(b) Er：O共注入ナノピラーのフォトルミネッセンス測定結果.
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
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Yuma Takahashi, Enhancing Room-temperature Photoluminescence from Erbium-doped Silicon by Fabricating Nanopillars in a Silicon-on-Insulator Layer, e-Journal of Surface Science and Nanotechnology, 21, 262-266(2023).
DOI: doi.org/10.1380/ejssnt.2023-041
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- 石井智己, 高橋勇磨, 内田海成, 圖師拓海, 佐藤真一郎, Enrico Prati, 品田高宏, 谷井孝至： Er:O共添加Siナノピラーからの室温フォトルミネッセンス計測，第83回応用物理学会秋季学術講演会
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件