2014 Fiscal Year Annual Research Report
革新的半導体プロセス：大気圧非平衡プラズマを用いた酸化亜鉛発光素子の開発
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14J11730
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
野瀬 幸則 大阪府立大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)
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| Project Period (FY) |
2014-04-25 – 2016-03-31
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| Keywords | 大気圧非平衡プラズマ / 酸化亜鉛 / ドーピング / 結晶成長 / 化学気相成長 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
独自開発した大気圧プラズマCVD装置を用いて発生させたプラズマの分光測定を行った。装置に供給する窒素/酸素混合ガス中の酸素流量比を変化させることによって分子状窒素や原子状酸素活性種の密度を制御できることが明らかになった。更に、酸素流量比が1%以下という非常に酸素の少ない時にはNO-gamma systemの発光が観測された。このプラズマをZnO薄膜の低温成長に用いた結果、c軸配向性の強いZnO薄膜が形成できることがわかった。（図1）更に、ZnO薄膜の成長形態の位置依存性を詳細に評価した結果、プラズマ発生用電極内から拡散したプラズマ（リモートプラズマ）を用いることで、ZnO薄膜が高度に結晶化することが明らかになった。以上2点から、原料ガスが基板に到達する前の不要な気相反応を抑制することが薄膜の物性向上の鍵を握っていることが判明した。そこで、大気圧リモートプラズマを用いたCVD装置を新たに開発し、リモートプラズマを用いることで非常に緻密なZnO薄膜の形成に成功した。（図2）大気圧プラズマ中には従来の減圧プラズマ中には観測されない特有の窒素活性種が高密度に存在する。そのような活性種が窒素ドーピングに及ぼす影響を調査するためにプラズマを発生させずに成長を行った試料との比較を行った。その結果、プラズマを発生させずに作製した試料では窒素の取り込みが確認されなかったのに対し、大気圧プラズマを用いることで1%弱もの高濃度な窒素がZnO中に取り込まれていることが明らかになり、ZnO中への窒素ドーピングにおける本手法の有用性を初めて実験的に確かめることが出来た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
今年度は、大気圧非平衡プラズマを用いた酸化物薄膜のCVD成長装置の開発指導指針を得るために、気層・表面反応機構について検討を行い、低酸素濃度下での成長、リモートプラズマの利用が薄膜の物性向上に有効であることを示した。さらにリモートプラズマを用いて作製したZnO薄膜には非常に高濃度な窒素が取り込まれていることが明らかとなり、ZnOのp型化に向けた重要な知見を得た。更に、近年パワー半導体材料として注目を集め出したβ-Ga2O3薄膜のエピタキシャル成長及び2次元成長にも成功した。本手法の長年の課題であった高品質結晶の成長に新たな道筋を開く成果だと言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
リモートプラズマを用いて作製したZnO薄膜には非常に高濃度な窒素が取り込まれていることが明らかとなった。一方、本手法を用いて作製したZnO薄膜は既存の減圧プロセスの試料に比べ、非常に高抵抗である。また、窒素と同時に炭素が混入していることも明らかになっている。一般にZnO薄膜は残留電子濃度が非常に高く、その応用範囲はバリスタ、蛍光体、一部の透明導電膜など非常に限定的になっており、その優れた機械的・光学的特性を十分にデバイスに利用できていない。従って、ワイドギャップZnO系材料の半導体電子デバイスや圧電デバイス応用を考え、窒素や炭素、その複合体の電子状態を解明することは非常に有意義だと考えられる。ホール測定やCV測定、DLTS測定を駆使し、キャリアを静的・動的に評価することで、ZnO薄膜の電子状態解明を行う。
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