研究課題
申請者らが開発を行ってきた大気圧下で大面積に亘り均一で原子レベルで高品質な機能薄膜作製手法「ミストCVD」は、環境負荷を減らせる次世代技術として大きく期待されている。本研究ではA. 酸化物量子発光デバイス作製への挑戦と、B. 高度な反応制御技術の挑戦的開発の両側面から、産業化に足るレベルまでミストCVDの技術レベルを向上させる事が目的である。A. 酸化物量子発光デバイス作製への挑戦ミストCVDによりサファイア基板と格子整合系にあるコランダム型結晶α-Ga2O3系金属酸化物薄膜を利用した酸化物量子発光デバイスを作製することが目的である。ミストCVDでα-Ga2O3薄膜やAl, Fe, In金属の酸化物との積層及び混晶膜を作製し、光学特性を東北大学にて評価した。α-Ga2O3はサファイア基板との大きな格子不整合のため多くの転移が発生しており単膜を発光させることは現時点ではできていない。そこで、格子不整合を緩和させるためバッファ層を導入し、さらに非発光因子へ電子が捕獲されることを抑制するために量子井戸(3[AlGaO/GaO]AlGaO/c-sapp.)を形成したところ、深紫外領域(4.9 eV)からの発光を確認することに成功した。B. 高度な反応制御技術の挑戦的開発ミスト同士の衝突までの時間を算出したところ、機能膜形成に至るまでの時間に比べ圧倒的に長いことが判明し複数成分の溶剤を別々に供給することにより複合反応を避けられるのではないかと予測された。その事実を確認するための実験を行ったところ、複雑な反応を抑制できていることが示唆されるデータを得られた。また、反応と作製膜特性にどのような関連がみられるのかを調査するため典型的な金属酸化物薄膜の作製を行った。昨年度は、溶媒を変更することにより反応を制御することができ、高品質な機能膜作製の指標を得られた。
1: 当初の計画以上に進展している
A. 酸化物量子発光デバイス作製への挑戦昨年度までに、Ga及びFe, In等コランダム型構造を有する金属酸化物薄膜の発光特性を調べた。その結果、α-Ga2O3やα-In2O3は欠陥由来の発光が主体的で、α-Fe2O3は発光しないことが判明した。一方、プロセスの改善、バッファ層の導入、量子井戸構造等により、昨年度末、半値幅はそれほど鋭くないが深紫外領域(4.9 eV)からの発光に成功した。これらの結果からミストCVDで作製したα-Ga2O3薄膜は、結晶性は非常に優れているにもかかわらず10^11cm^-2に至る格子不整合由来の転移欠陥のため、発光が阻害されていることが示唆された。欠陥を軽減させる技術の確立、不純物の特定、不純物混入を阻害させる反応技術の確立、表面荒さや接合界面の平滑性改善等を追求する必要がある。またそのためにガス供給を自動プログラム化させるなどの対策を検討する必要がある。B. 高度な反応制御技術の挑戦的開発昨年度、単相流系平衡反応プロセスが本質的に有する組成制御に関する問題を気液混相流系平衡反応プロセスであるミストCVDが解決できることを見いだした。より多くの実験を行い、本原理を明らかにする必要がある。また反応と作製した薄膜の特性が依存を持つ事を想定し、反応と結晶性の関係を見いだすに至った。配向性、伝導性、磁性、禁制帯の制御も反応と相関があると考えられるため、どのような条件(操作変数)がそれぞれの特性に影響を及ぼすのか、詳しく調査する。また、溶媒雰囲気下での反応解析実験に関しては、ミストを入れることによる反応の変化が見られており、より詳しい実験を継続する必要がある。
A. 酸化物量子発光デバイス作製への挑戦現在既により高品質なα-Ga2O3薄膜を作製するために、プロセスの根本的な見直しを図っている。本年度はまず、理論的に発案し実験により確認した組成制御技術を、より体系化し装置へ導入する。そのシステムを利用し、AlとGaの組成比を厳密に制御した金属酸化物混晶膜の作製を試み、α-Ga2O3とサファイア基板の間に存在する大きな格子不整合を緩和させる傾斜バッファ層を形成する技術の開発を行う。続けて、量子井戸を連続して形成する技術開発を行い、電子線などを利用して発光するデバイスの作製及び評価を進める。一方、ドーパントにより伝導型を制御する技術開発を行い、電流注入型の発光素子の開発を目指す。同時に、表面の平坦性を向上させるためのプロセス技術を開発する。また結晶性や不純物、内部欠陥準位、残留不純物等の評価と成膜条件とを相互に検証しながら、格子不整合由来の転移欠陥を軽減させるための技術開発を推進する。B. 高度な反応制御技術の挑戦的開発ミストCVDにおける反応は溶媒雰囲気下の反応が支配的であると考えられる。構築したTG-DTA等を用いて、原料の熱分解過程が不活性ガス雰囲気下と溶媒雰囲気下でどのような変化があるのかを調べる。同時に最適な溶媒の選定を行う。ミスト液滴の時間的・空間的隔たりを利用した新規組成制御技術に関してより詳しい実験を行い、複合反応の影響が薄膜特性にどのような影響を与えるかなどについてより詳しく評価する。また、これまで作製してきた機能膜に関する成膜条件と膜特性を検証し、反応と結晶性、配向性、伝導性、磁性、禁制帯の制御の間に存在する相関を明らかにする。
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https://www.kochi-tech.ac.jp/power/research/post_14.html
https://www.kochi-tech.ac.jp/news/2017/003283.html
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