ヘリコン波励起プラズマスパッタエピタキシー法の提案と酸化物半導体ナノ構造の形成

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13750264
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 秩父 重英 筑波大学, 物理工学系, 助教授 (80266907)
• キーワード: 酸化亜鉛 / ヘリコン波励起プラズマ / エピタキシャル成長 / プラズマ分光 / 原子層 / 紫外線発光 / フォトルシネセンス / 励起子ポラリトン

研究概要

本研究は、独自に開発した「ヘリコン波励起プラズマスパッタエピタキシー(HWPSE)法」を用いて新機能性材料として期待される酸化亜鉛(ZnO)単結晶薄膜およびナノ構造を形成し、光エレクトロニクスデバイスへの応用を図ろうとるものである。
HWPSE法は、高密度かつ低エネルギーなヘリコン波励起プラズマ(HWP)をリモートプラスマ源として用いる新しい半導体薄膜形成技術である。しかし、特に化合物半導体ターゲットを用いたHWPスパッタ製膜の報告は現在でもほとんど無く、本手法による薄膜形成プロセスの詳細は明らかになっていなかった。そこで、ZnO薄膜成長中のHWP分光測定を初めて行い、ZnO薄膜形成過程を詳細を調査た・サファイアA面上へのZnO薄膜成長を試みた。ターゲットには無添加ZnO(5N)を用い、スパッタガスとしてAr/O_2混合ガスを導入した。
分光の結果、HWP中からはArおよびO原子からの発光の他に、波長320nm付近にZn原子からの強い発光が観測された。同時にZnO分子からの弱い発光も観測した。これはZnO薄膜形成の主なプロセスがMBE法などと同様Zn+O→ZnOの化学反応であることを示すものである。
基板温度700℃でサファイアA面上に成長したZnO薄膜は完全c軸配向し、面内においてもa軸がロックされた単一ドメインのエピタキシャル薄膜であった。原子間力顕微鏡による表面観測から、表面には原子レベルで平坦なテラスが特定の方位に幅100nm以上に拡がっており、各々のテラスが段差約3.04nmのステップを持って並ぶ構造であることがわかった。また、室温においてバンド端領域の紫外線発光(半値幅110meV程度)が支配的なPLスペクトルが得られた。
バルクZnO結晶を用いて励起子と電磁波の連成波の観測も行なった。今後は超薄膜・テヘロ構造・量子構造の形成を行い、FIB加工によるナノ構造導入を検討する予定である。

研究成果

• [文献書誌] SF.Chichibn, T.Yoshida, T.Onuma, H.Nakanishi: "Helicon-wave-excited-plasma sputtering epitaxy of ZnO on sapphire (0001) substrates"Journal of Applied Physics. 91(2). 874-877 (2002)
• [文献書誌] SF.Chichibu, A.Tsukazaki, M.Kawasaki, K.Tamura, Y.Segawa, T.Sota, H.Koinuma: "Photoreflectance spectra of a ZnO heteroepitaxial film on the nearly lattice-matched ScAlMgO4 substrate grown by laser molecularbeam epitaxy"Applied Physics Letters. 80(16). 2860-2862 (2002)
• [文献書誌] SF.Chichibu, T.Sota, PJ.Fons, K.Iwata, A.Yamada, K.Matsubara, S.Niki: "Observation of Exciton-Polariton Emissions from a ZnO Epitaxial Film on the a-Face of Sapphire Grown by Radical-Source Molecular-Beam-Epitaxy"Japanese Journal of Applied Physics. 41,Part2(8). L935-L937 (2002)
• [文献書誌] SF.Chichibu, T.Sota, G.Cantwell, D.B.Eason, C.W.Litton: "Polarized photoreflectance spectra of excitonic polaritons in a ZnO single crystal"Journal of Applied Physics. 93(1). 756-758 (2003)
• [文献書誌] T.Koida, SF.Chichibu, A.Uedono, A.Tsukazaki, M.Kawasaki, T.Sota, Y.Segawa, H.Koinuma: "Correlation between the photoluminescence lifetime and defect density in bulk and epitaxial ZnO"Applied Physics Letters. 82(4). 532-534 (2003)
• [文献書誌] SF.Chichibu, T.Sota, PJ.Fons, K.Iwata, A.Yamada, K.Matsubara, S.Niki: "Photoreflectance and photoluminescence of exciton-polaritons in a ZnO epilayer grown on the a-face of sapphire by RS-MBE"Physica Status Solidi(a). 192(1). 171-176 (2002)