非平衡透明酸化物のパラレル合成による光・電子・磁気機能の高効率探索とデバイス実証

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14GS0204
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 川崎 雅司 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (90211862)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 阿藤 敏行 東北大学, 金属材料研究所, 助手 (40241567) ; 松倉 文礼 東北大学, 電気通信研究所, 助手 (50261574) ; 川添 良幸 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (30091672) ; 大谷 啓太 東北大学, 電気通信研究所, 助手 (40333893) ; 福村 知昭 東北大学, 金属材料研究所, 助手 (90333880)
• Keywords: 結晶工学 / ワイドギャップ光学体 / 酸化物半導体 / トランジスタ / スピントロニクス / セラミックス / 光物性 / コンビナトリアル

Research Abstract

本研究では、透明酸化物新材料やデバイス構造をパラレル合成し、物性やデバイス特性の高速評価を通じて、透明酸化物群を用いた新規な光・電子・磁気デバイスを構築することを目標としている。今年度は、それぞれの機能開発を深化させることに重点を置き、さらに、光・電子・磁気の相互作用に関して予備的な検討を加えた。
1.磁気機能開発に関して、既存物質の物性解明と新規パラレル合成法の確立を行った。(1)CoドープTiO_2においてバンド端付近で強磁性的な巨大磁気光学応答の観測に成功し、キャリア誘起強磁性発現の可能性を指摘した。(2)透明酸化物半導体へ2種類の磁性不純物をコドープ系について、第一原理計算によりドーパント磁性不純物の種類によるスピン相互作用や生成エネルギーについて予備的な検討を開始すると共に、試料合成を漏れなく網羅的に行うパラレルエピタキシー技術を確立した。
2.電界効果デバイスについては、実用を睨んだ透明トランジスタと物性研究を睨んだエピタキシャルMIS構造の形成について進展があった。(1)実用液晶ディスプレーに使われている非晶質シリコン薄膜トランジスタと同じデザインルールで電界効果移動度が10倍以上優れた透明トランジスタの作製に成功した。(2)ZnO/MgZnO界面を原子平坦化する技術を確立し、今後の変調ドープデバイスへ大きな足がかりをつかんだ。(3)LiGaO_2のヘテロエピタキシーを最適化し、MV/cm級の耐圧を有するMIS構造の形成に成功した。
3.発光デバイスについては、ZnOベースの超格子物性研究を総括し、P型ZnOの実現に向け、さらなる結晶の高品質化に取り組んだ。(1)陽電子消滅や時間分解PLなどを用いて、さらに厳しい結晶の品質評価が可能であることを示した。(2)高品質バファー層の開発により、世界最高品質と言われるイーグルピチャー社のZnOバルク単結晶を凌駕する品質の薄膜成長に成功した。

Research Products

• [Publications] T.Makino: "Effect of MgZnO-layer capping on optical properties of ZnO epitaxial layers"Appl. Phys. Lett.. 81. 2172-2174 (2002)
• [Publications] T.Makino: "Radiative recombination of electron-hole pairs spatially separated due to quantum-confined Stark and Franz-Keldish effects in ZnO/Mg_<0.27>Zn_<0.73>O quantum wells"Appl. Phys. Lett.. 81. 2355-2357 (2002)
• [Publications] Y.-Z.Yoo: "S doping in ZnO film by supplying ZnS species with pulsed-laser-deposition method"Appl. Phys. Lett.. 81. 3798-3800 (2002)
• [Publications] T.Makino: "Size dependence of exciton-longitudinal-optical-phonon coupling in ZnO/Mg_<0.27>Zn_<0.73>O quantum wells"Phys. Rev. B. 66. 233305 (2002)
• [Publications] T.Koida: "Correlation between the photoluminescence lifetime and defect density in bulk and epitaxial ZnO"Appl. Phys. Lett.. 82. 532-534 (2003)
• [Publications] C.H.Chia: "Confinement-Enhanced Biexcition Binding Energy in ZnO/ZnMgO Multi-Quantum Wells"Appl. Phys. Lett.. (in press). (2003)
• [Publications] A.Uedono: "Defects in thin ZnO films grown on ScAlMgO_4 substrates probed by a monoenergetic positron beam"J. Appl. Phys.. 93. 2481-2485 (2003)
• [Publications] M.Sumiya: "Quantitative control and detection of heterovalent impurities in ZnO thin films grown by pulsed laser deposition"Appl. Phys. Lett.. 93. 2562-2569 (2003)
• [Publications] T.Makino: "Temperature Quenching of Exciton Luminescence Intensity in ZnO/(Mg, Zn)O Multiple"J. Appl. Phys.. (in press). (2003)
• [Publications] T.Fukumura: "Magneto-Optical Spectroscopy of Anatase TiO_2 Doped with Co"Jpn. J. Appl. Phys.. 42. L105-L107 (2003)
• [Publications] K.Shibuya: "Growth and structure of wide-gap insulator films on SrTiO_3"Solid. State. Elec.. (in press). (2003)
• [Publications] K.Shibuya: "Materials selection for SrTiO_3-based epitaxial oxide field-effect devices"Mat. Res. Soc. Symp. Proc.. (in press). (2003)
• [Publications] Y.Yonezawa: "Growth and Electrical Properties of Fe doped (Ba,Sr)TiO_3 Thin Films Deposited By Pulsed Laser Deposition"Mat. Res. Soc. Symp. Proc.. 688(in press). (2003)
• [Publications] 福村知昭, 川崎雅司: "応用物理ハンドブック レーザー蒸着法;酸化物/半導体系"応用物理学会. 1100 (2002)