2015 Fiscal Year Research-status Report
大気圧CVD法酸化物半導体ナノワイヤーの形状及び表面制御と高感度ガスセンシング
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26390029
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| Research Institution | Ehime University |
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Principal Investigator |
寺迫 智昭 愛媛大学, 理工学研究科, 准教授 (70294783)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 酸化スズナノワイヤー / 酸化ガリウムナノワイヤー / 気相-液相-固相成長 / 気相-固相成長 / 酸化銅 / 大気圧CVD法 / 溶液成長 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
GaビーズとH2Oを原料とする大気圧CVD(AP-CVD)法によるAu薄膜を堆積したc面サファイア基板上へのβ-Ga2O3ナノワイヤー(NWs)成長を触媒Au薄膜の膜厚、成長時間、基板温度を成長パラメータとして検討した。Au薄膜の膜厚増加に伴い、NWs平均膜厚が増大するが、飽和する傾向があった。これはAu微粒子サイズの増大により、拡散長が低下し、近接Au微粒子間の合体が抑制されたことに起因すると推測される。平均直径は成長時間とともに指数関数的に増加し、この実験曲線を外挿することで原料供給直前のAu微粒子のサイズが見積もられた。また基板温度の増加に対しても平均直径は指数関数的に増加した。原料供給開始後、気相-液相-固相(VLS)成長が始まるとAu微粒子はNWs先端にあり、基板から離れる。したがって原料供給開始後の直径増大は、NWs側面への薄膜成長、すなわち気相-固相(VS)成長の寄与によると考えられる。Au薄膜の膜厚を一定(30nm)のもとでの成長時間を変えて測定した1000/Tg-NWs平均直径曲線(Tgは成長温度)からは、VLS成長が開始する臨界温度が求まった。またエピタキシャル成長した傾斜成長NWs群も観察している。
不純物添加によるNWs電気伝導性制御の試みとしてGa2O3 NWsへのSn添加実験を不純物原料にSnパウダーを用いて行った。成長実験は、原料ボート内のGaとSnの充填比率と成長温度をパラメータとして行った。現在のところ、添加したSnが、Ga2O3 NWs中に取り込まれるというよりもSnO2 NWsを形成するのに使われていることが明らかになっている。
ガスセンサ用増感剤として期待されるCuOおよびCu2O薄膜の溶液成長(CBD)法もNWs成長実験と並行して行っており、同一銅原料から両者を作り分ける手法を見出した他、結晶粒径制御の可能性も明らかになっている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
形状制御技術を確立するためには、触媒Au薄膜の膜厚、成長温度、成長時間などの各種成長パラメータと実際に成長したナノ構造の形状の相関を詳細に明らかにする必要があり、これに時間を要した（加えて再現性を確認するため同一条件で複数回の成長実験をすることもあった）。一方でCBD法による増感剤候補のCuO及びCu2O薄膜成長実験についてはナノ構造のCVD成長と並行して実施でき、一回の成長に要する時間が短くて済むため、予想以上に進行した。光伝導(PC)スペクトル等の測定系の構築については、機種選定、発注及び納入までに時間を要したが、現在進行中である。今回、購入した光源を用いることでワイドバンドギャップのGa2O3からのフォトルミネッセンスは観察できており、キャリアの光励起が可能なことは確認できている。
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| Strategy for Future Research Activity |
上述のように触媒金属を用いた気相-液相-固相(VLS)成長機構を利用したNWsの成長では、NWs直径を支配する因子として(1)昇温時のAu微粒子の基板表面のマイグレーションとこれに伴うコアレッセンス（合体）による粒径の変化、(2)気相-固相(VS)成長機構によるNWs表面への薄膜堆積が挙げられる。(1)の対策としては、ゼオライト等の多孔質物質の細孔へのAu微粒子の担持によるマイグレーションの抑制、(2)の対策としては、触媒金属のリザーバー機能を活用し、金属原料と酸素原料(H2O)の供給タイミングをずらす、交互供給法の適用によるVS成長機構の抑制が挙げられる。現在、交互原料供給法によるSnO2 NWsの成長実験を実施しており、この方法の形状制御への有効性を示唆する結果が得られつつある。今後、Ga2O3 NWsの成長や不純物添加への交互供給法の適用の可能性を検討していく予定である。また、すでにゼオライトを所持していることからゼオライトへのAu微粒子担持による直径制御の可能性についても試行してみたい。
最終的には、これまでの研究成果をもとに表面をCuOあるいはCu2Oで表面を修飾したSnO2あるいはβ-Ga2O3 NWsをベースとするメッシュシート型ガスセンサ及びc面サファイア基板上に傾斜配向したβ-Ga2O3 NWsによるガスセンサを試作する。
評価については、過渡応答も評価可能な光伝導(PC)測定系の構築とメッシュシート型ガスセンサ用複素インピーダンス測定装置の構築し、センサとしての動作とそれに関わるキャリアの動的プロセスを明らかにしていきたい。
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| Causes of Carryover |
(1)当初購入を予定した基板材料が入手困難となり、代替として既存設備で対応可能な基板材料へと変更したことで経費が減少したこと、(2)分析を外部機関に依頼しようと計画していたが分析の対象となりうる適切な試料が得られなかったこと、(3)外部機関の装置を使用しての光学特性評価を計画していたが出張日程を確保できなかったことなど複数の要因で生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
主として外部機関にナノワイヤーの局所構造解析を依頼する際に充当することを計画している。
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