2018 Fiscal Year Annual Research Report
ミストCVDによる超広バンドギャップ酸化物量子素子創出の為のナノ構造制御基礎研究
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18H01873
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| Research Institution | Kochi University of Technology |
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Principal Investigator |
川原村 敏幸 高知工科大学, システム工学群, 教授 (00512021)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ミストCVD / ミスト流 / 装置試作 / 超高品質化 / 反応制御 / デバイス試作 / α-Ga2O3 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これからの社会に関して必要な社会的要素を見据えると、世界的な安心・安全な生活環境の確立と、超高速・超大容量化する情報化社会への対応等を、地球環境保護を確保して達成させる事が必要不可欠であると申請者は考える。そこで本申請では、① 本質的に環境負荷の小さな大気圧下溶液系機能膜形成手法「ミストCVD」を用いて、② 超ワイドバンドギャップ金属酸化物薄膜の高品質化手段・性質制御手段を追求し、③ 超ワイドバンドギャップ金属酸化物量子デバイスの開発、を行う。具体的にはミストCVDによるα-Al2(1-x)Ga2xO3系深紫外発光素子と高移動度トランジスタ(HEMT)の作製であり、それらの高性能化のため、機能膜を高品質化(結晶・配向性向上、膜内欠陥・転移の特定・低減)する術および性質(組成や伝導・導電性)を高度に制御する術を追求する。そこで以下の3つに研究を分割し、申請の達成を試みる。
A. 機能膜のナノレベルでの構造制御を可能とするシステムの改良と機能膜形成・評価：ミストCVDはミスト(気液混層)流を利用する機能膜形成手法であるが、その特性を100％活かせる様に装置を設計・試作する。装置試作後Ga系の混晶酸化物(多元系機能膜)の厳密な組成制御を試み電気特性評価を行い、欠陥・転移を減らした超高品質な薄膜を形成する為の手段開発を行う。また量子井戸を形成し評価する。
B. 量子・光・電子デバイス形成・評価：Aの技術を元に量子井戸を冷陰極型(エミッタ)電子源と組み合わせたα-Ga2O3系深紫外発光素子を試作する。更にCの技術を用いてα-Ga2O3系高移動度トランジスタ(HEMT)を試作・駆動させる。
C. 導電性制御技術に関する研究：Aの技術を応用し、各種ドーピング剤を選定しα-Ga2O3系結晶膜の伝導型や導電性の制御を試みる。最終的に全ての技術を組み合わせ発光ダイオード(LED)の試作につなげる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
初年度はAの中で主に、①装置の設計・試作および③Ga2O3の表面荒さを改善させる技術の開発を行った。
① ミスト流の特性を100％活用し低環境負荷・大面積均一・高品質・組成制御の4点を同時に叶える装置のデザイン設計や材料選定(高温耐性、高熱伝導性、酸化反応耐性)を行った。申請時厳密に計画し予算を算出した上で本申請に備えたにもかかわらず交付金を申請額より減額されたので、高度な原料流の制御のみ可能で、高温仕様へ後日拡張可能な仕様の装置を改めて設計し直した。装置は、実験の手間の削減、装置の精度や実験者の熟練度の差に起因する信頼性(サンプル間特性差)問題の解決、本機器使用に精通してない人でも容易に利用しサンプル作製を可能とする事、等をコンセプトとし、浮き子式の流量計の代わりにマスフローコントローラーを用意し、システム半自動制御用プログラムの設計および導入をした。
③ 作製したα-Ga2O3は表面荒さが数nm程度と大きく各種デバイスを形成するには的さない荒さであった。加えて、欠陥および転移の少ない超高品質α-Ga2O3系結晶膜を形成する為の条件を見いだす必要があった。当初これらを目標にサファイア基板との格子不整合の緩和を目的とした傾斜バッファ層の作製を試みる予定であった。しかしながら、予算減額による装置設計見直しに時間をとられ遅れている。一方、現行装置を用いて、成膜条件等を変更しどの様な条件で荒さの小さな薄膜の形成が可能かを調べたところ、原料や支援剤の濃度を変更させることで表面荒さを低減させることを発見した。
厳密に計画したにもかかわらず予算を減額されたことで、高温仕様の導入を現状諦めざるをえず、実際進捗状況はかなり遅れているが、荒さを低減させる条件を見いだせたので、やや遅れている程度とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
A. 機能膜のナノレベルでの構造制御を可能とするシステムの改良と機能膜形成・評価：①本申請の核となる装置導入が予算減額のため、仕様の変更を余儀なくされ、その仕様変更にかかる時間の損失に加え、仕様分割に伴う作業費の増大等のため、高温仕様の導入に関わる支払いを本予算内で行うことは困難である。しかしながら、高温仕様無しでは本研究目的を完全に達成できない可能性があるがなんとしても本申請を達成するためにも、本年度他予算からの捻出や他予算への申請を検討する予定である。一方、② バンドギャップ制御および導電性制御を目的にAl, In, Cr, Fe等とGaとの混晶酸化物(多成分材料)の組成制御に関してより厳密に制御する技術開発を行い、③ 基板との格子不整合の緩和を目的とした傾斜バッファ層の作製や成膜条件の最適化を行い、欠陥・転移および表面荒さを低減させる成膜条件を求める。④ ②③の技術を利用し高品質なα-Ga2O3系結晶膜を用いた量子井戸の形成を試み光学特性を測定・評価する。
B. 量子・光・電子デバイス形成・評価、および、C. 導電性制御技術に関する研究に関しては、Aの技術開発にめどがつき次第進める予定である。
残り3年という短い時間での達成を目標としているため、精一杯努力する予定である。
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[Presentation] ミストCVD法によるn型およびp型ZnO成膜への挑戦2019
Author(s)
西 美咲, 劉 麗, ルトンジャン ピモンパン, 佐藤 翔太, 上田 真理子, 安岡 龍也, 長谷川 諒, 田頭 侑貴, 尾崎 珠子, 鄧 太 江, 川原村 敏幸
Organizer
第66回応用物理学会春季学術講演会
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[Presentation] ミストCVDにおける薄膜成長メカニズム2019
Author(s)
川原村 敏幸, 西 美咲, 劉 麗, 坂本 雅仁, ルトンジャン ピモンパン, 佐藤 翔太, 上田 真理子, 安岡 達也, 長谷川 諒, 田頭 侑貴, 尾崎 珠子, 鄧 太 江
Organizer
第66回応用物理学会春季学術講演会
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[Presentation] ミストCVD における酸化亜鉛薄膜形成時の水の効果2019
Author(s)
ルトンジャン ピモンパン, 西 美咲, 川原村 敏幸, 坂本 雅仁, 劉 麗, 佐藤 翔太, 上田 真理子, 安岡 龍哉, 長谷川 諒, 尾崎 珠子, 鄧 太 江
Organizer
第66回応用物理学会春季学術講演会
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[Presentation] ミストCVD法における原料溶媒が薄膜成長に及ぼす影響2019
Author(s)
坂本 雅仁, 安岡 龍哉, 西 美咲, 劉 麗, ルトンジャン ピモンパン, 佐藤 翔太, 上田 真理子, 田頭 侑貴, 長谷川 諒, 尾崎 珠子, 鄧 太 江, 川原村 敏幸
Organizer
第66回応用物理学会春季学術講演会
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