酸化亜鉛電界効果ドーピングと紫外発光素子

• 研究課題/領域番号: 15685011
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 機能材料・デバイス
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 大友 明 東北大学, 金属材料研究所, 助手 (10344722)
• 研究期間 (年度): 2003 – 2004
• 研究課題ステータス: 完了 (2004年度)
• 配分額: 25,350千円 (直接経費: 19,500千円、間接経費: 5,850千円); 2004年度: 8,840千円 (直接経費: 6,800千円、間接経費: 2,040千円); 2003年度: 16,510千円 (直接経費: 12,700千円、間接経費: 3,810千円)
• キーワード: 酸化亜鉛 / 電界効果トランジスタ / 電子デバイス・機器 / 結晶工学 / 光物性 / 発光ダイオード / 透明エレクトロニクス / ワイドギャップ半導体

研究概要

本研究の目標は、p型酸化亜鉛の形成技術の確立と紫外発光素子の開発である。第一の目標を電界効果ドーピングによって実現するというのが研究計画の一番大きな特徴であった。しかし、むしろさらに困難であると考えていた不純物ドーピングによって再現性の高いp型酸化亜鉛の作製技術を確立することに成功した(1)。これに続いて、第二の目標である発光素子の開発にも成功した(2)。さらに世界最高移動度(70cm^2/Vs)の酸化亜鉛電界効果トランジスタの開発も行った(3)。結果的には、当初の計画とは異なる方法で予想以上の成果が得られた。それぞれの研究内容の詳細を以下にまとめる。
(1)反復温度変調法の開発によって、窒素ドーピングによるp型化に成功した。パルスレーザ堆積法と半導体レーザ加熱を用いて低温高濃度ドープ層と高温低濃度ドープ層を繰り返し成長する方法で非平衡欠陥を低減しキャリアの補償を抑制することができた。平成15年度に確立した原子層平坦バッファー層技術との併用で高い再現性が得ることに成功した(Nature Materialsに報告)。
(2)酸化亜鉛p-i-n接合を作製し、ホモ接合としては世界初の成功例となる電流注入による青色発光を室温で観測した。
(3)格子整合基板上に成長した酸化亜鉛単結晶薄膜がチャネル層、基板そのものが下部ゲート構造として働くトランジスタを作製し、ヘテロ界面が高移動度チャネルとして機能することを確かめた(Advanced Materialsに報告)。
電界効果ドーピングによって単極性材料の価電子制御を可能にする汎用性のある技術は極めて重要と捉えており、本研究で得られた知見をもとに取り組む予定である。

研究成果

• [雑誌論文] High-throughput synthesis and characterization of Mg_<1-x>Ca_xO films as a lattice and valence-matched gate dielectric for ZnO based field effect transistors (2005)
  • 著者名/発表者名: J.Nishii et al.
  • 雑誌名: Applied Surface Science (印刷中)
• [雑誌論文] Exciton-polariton spectra and limiting factors for the room-temperature photoluminescence efficiency in ZnO (2005)
  • 著者名/発表者名: S.F.Chichibu et al.
  • 雑誌名: Semiconductor Science and Technology 20
• [雑誌論文] Repeated temperature modulation epitaxy for p-type doping and light-emitting diode based on ZnO (2005)
  • 著者名/発表者名: A.Tsukazaki et al.
  • 雑誌名: Nature Materials 4 ページ: 42-46
• [雑誌論文] Hall and field-effect mobilities of electrons accumulated at a lattice-matched ZnO/ScAlMgO_4 heterointerface (2004)
  • 著者名/発表者名: T.I.Suzuki et al.
  • 雑誌名: Advanced Materials 16 ページ: 1887-1890
• [雑誌論文] Gallium concentration dependence of room-temperature near-bandedge luminescence in n-type ZnO:Ga (2004)
  • 著者名/発表者名: T.Makino et al.
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 85 ページ: 759-761
• [雑誌論文] Emission from the higher-order excitons in ZnO films grown by laser molecular-beam epitaxy (2004)
  • 著者名/発表者名: A.Tsukazaki et al.
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 84 ページ: 3858-3860
• [雑誌論文] Second harmonic generation in self-assembled ZnO microcrystallite thin films (2004)
  • 著者名/発表者名: X.Q.Zhang et al.
  • 雑誌名: Thin Solid Films 450 ページ: 320-323
• [雑誌論文] Modeling of grain boundary barrier modulation in ZnO invisible thin film transistors (2004)
  • 著者名/発表者名: F.M.Hossain et al.
  • 雑誌名: Physica E 21 ページ: 911-915
• [雑誌論文] Internal electric field effect on luminescence properties of ZnO/(Mg,Zn)O quantum wells (2004)
  • 著者名/発表者名: T.Makino et al.
  • 雑誌名: Physica E 21 ページ: 671-675
• [雑誌論文] Pulsed laser deposition of thin films and superlattices based on ZnO (2003)
  • 著者名/発表者名: A.Ohtomo et al.
  • 雑誌名: Semiconductor Science and Technology 20
• [図書] コンビナトリアルテクノロジー-明日を開く"もの作り"の新世界(6.3.1項 ZnO量子井戸構造の迅速最適化) (2004)
  • 著者名/発表者名: 大友 明(分筆)
  • 総ページ数: 222
  • 出版者: 丸善株式会社
• [文献書誌] F.M.Hossain, A.Ohiomo et al.: "Modeling of grain Boundary barrier modulation in ZnO invisible thin film transistors"Pliysica E. (印刷中).
• [文献書誌] T.Makino, A.Ohtomo et al.: "Internal electric field effect on luminescence properties of ZnO/(Mg, Zn)O quantum wells"Physica E. (印刷中).
• [文献書誌] M.Sumiya, A.Ohtomo et al.: "SIMS analysis for ZnO films co-doped with N and Ga by using temeprature gradient method in pulsed laser deposition"Applied Surface Science. 223. 206-209 (2004)
• [文献書誌] F.M.Hossain, A.Ohtomo et al.: "Modeling and simulation of polycrystalline ZnO thin film transistors"Journal of Applied Physics. 94. 7768-7777 (2003)
• [文献書誌] A.Tsukazaki, A.Ohtomo et al.: "Layer-by-layer growth of high-optical-quality ZnO film on atomically smooth and lattice relaxed ZnO buffer layer"Applied Physics Letters. 83. 2784-2786 (2003)
• [文献書誌] T.Makino, A.Ohtomo et al.: "Temperature quenching of exciton luminescence intensity in ZnO/(Mg, Zn)O multiple quantum wells"Journal of Applied Physics. 93. 5929-5933 (2003)
• [文献書誌] J.Nishii, A.Ohtomo et al.: "High mobility thin film transistor with transparent ZnO channels"Japanese Journal of Applied Physics. 42. L347-L349 (2003)
• [文献書誌] C.H.Chia, A.Ohtomo et al.: "Confinement-enhanced biexciton binding energy in ZnO/ZnMgO multi-quantum wells"Applied Physics Letters. 82. 1848-1850 (2003)
• [文献書誌] M.Sumiya, A.Ohtomo et al.: "Quantitative control and detection of heterovalent impurities in ZnO thin films grown by pulsed laser deposition"Journal of Applied Physics. 93. 2562-2569 (2003)