酸化亜鉛の価電子制御とp-n接合発光素子の作成

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11450007
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 川崎 雅司 東京工業大学, 大学院・総合理工学研究科, 助教授 (90211862)
• キーワード: 酸化亜鉛 / 室温励起子紫外光レーザー発振 / 価電子制御 / p-n接合 / 残留ドナー濃度 / ScA1MgO_4 / 電流注入 / パルスレーザー堆積法

研究概要

我々は、酸化亜鉛から非常に効率の良い室温励起子紫外光レーザー発振を4年前に初めて観測した。以来、この分野をリードしており、学会で分野が形成されつつある。しかし、この現象は、光励起により観測されたもので。これを工学的に意味のあるものにするには、電流注入による発光を可能にする必要がある。そのためには、天然にn型である酸化亜鉛をp型に価電子制御し、p-n接合を形成する技術を確立する必要がある。本年度は、天然にn型となる酸化亜鉛薄膜を高純度化、高品質化し、どこまで残留ドナー濃度を低減できるかを調べた。
従来は、基板としてサファイアを用いていたが、粒界などの結晶欠陥が不可避的に導入され、欠陥がドナーとして作用することを明らかにした。そこで、格子整合基板であるScAlMgO_4を新たに基板として用いることを提案した。この基板上では、X線回折のロッキングカーブで評価した結晶性が従来より2桁程度向上した。また、レーザーアブレーションのターゲットとして、従来の焼結体セラミックスから気相輸送合成法で成長したZnO単結晶を用いることで、Si,Al,アルカリ金属などの不純物濃度を1桁以上改善した。結果、従来は10^<17>cm^<-3>程度存在した電子濃度は10^<15>cm^<-3>以下に低減でき、p型化を試みるには十分な品質の薄膜を得た。現在、窒素等のアクセプターを酸化亜鉛薄膜に添加した実験を開始しており、窒素濃度が10^<17>〜10^<21>cm^<-3>で制御できることを確認した。今後は電気・光学物性を詳細に調べ、p型酸化亜鉛の形成を試みる。

研究成果

• [文献書誌] A.Ohtomo et.al.: ""Thermal stability of supersaturated Mg_xZn_<1-x>O alloy films and Mg_xZn_<1-x>O/ZnO heterointerfaces""Appl.Phys.Lett.. 75. 4088-4090 (1999)
• [文献書誌] A.Ohtomo et.al.: ""Single crystalline ZnO films grown on lattice matched ScAlMgO_4(0001) substrates""Appl.Phys.Lett.. 75. 2635-2637 (1999)
• [文献書誌] A.Ohtomo et.al.: ""Structure and optical properties of ZnO/Mg_<0.2>Zn_<0.8>O superlattices""Appl.Phys.lett.. 75. 980-982 (1999)
• [文献書誌] I.Ohkubo: ""In-plane and polar orientations of ZnO thin films grown on atomically flat sapphire""Surf.Sci.Lett.. 443. L1043-L1048 (1999)
• [文献書誌] Y.Oumi: ""Periodic Boundary Quantum Chemical Study on ZnO Ultra-Violet Laser Emitting Materials""Jpn.J.Appl.Phy.. 38. 2603-2605 (1999)
• [文献書誌] Y,Matsumoto: ""Combinatorial Laser Molecular Beam Epitaxy (MBE) Growth of Mg-Zn-O Alloy for Band Gap Engineering""Jpn.J.Appl.Phy.. 38. L603-L605 (1999)
• [文献書誌] A.Ohtomo: ""Epitaxial growth of single-crystalline ZnO films towards novel transparent opt-electronics""Proceedings of the third Symposium on Atomic Scale Surface and Interface Dynamics. 3. 147-150 (1999)
• [文献書誌] A.Ohtomo: ""ZnO/Mg_xZn_<1-x>O Quantum Structures""Abst.Int'l Workshop on ZnO. 17 (1999)
• [文献書誌] A.Ohtomo: ""Novel Semiconductor Technologies of ZnO films towards Ultraviolet LEDs and Invisible FETs""Abst.The 6^<th> Int'l Display Workshop. 881-884 (1999)
• [文献書誌] 田村謙太郎: "酸化亜鉛紫外レーザー"マテリアルインテグレーション. 12〔12〕. 9-14 (1999)
• [文献書誌] I.Ohkubo: ""Investigation of ZnO/sapphire interface and formation of ZnO nanocrystalline by laser MBE""Appl.Surf.Sci.. (in press).
• [文献書誌] T.Makino: ""Optical spectra in ZnO thin films on lattice-matched substrates grown with Laser-MBE method""J.Cryst.Growth. (in press).
• [文献書誌] A.Ohtomo: ""Lateral grain size and electron mobility in ZnO epitaxial films grown on sapphire substrates""J.Cryst.Growth. (in press).
• [文献書誌] K.Tamura: ""Epitaxial growth of ZnO films on lattice-matched ScAlMgO_4(0001) substrates""J.Cryst.Growth. (in press).
• [文献書誌] T.Makino: ""Temperature dependence of four-wave-mixing spectra in ZnO thin films on sapphire substrates grown with laser-MBE""J.Lumin.. (in press).