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

螺旋波激发等离子体溅射外延方法及氧化物半导体纳米结构形成的提出

• 批准号: 13750264
• 负责人: 秩父 重英
• 金额: $ 1.34万
• 依托单位: University of Tsukuba
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2001
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2001 至 2002
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-13750264/
• 关键词: 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; スパッタ; ZnO; ヘリコン波; プラズマ; N_2O; フォトルミネッセンス; 紫外光

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。

这项研究旨在使用原始的“ Helicon Wave激发等离子体溅射外观（HWPSE）方法”来形成预期为新功能材料的氧化锌（ZnO）单晶薄膜和纳米结构，以在光电设备中创建应用。 HWPSE方法是一种新的半导体薄膜形成技术，该技术使用高密度和低能Helicon Wave激发等离子体（HWP）作为远程等离子体来源。但是，使用复合半导体靶标，很少有关于HWP溅射膜形成的报道，并且尚未阐明使用这种方法的薄膜形成过程的细节。因此，在ZnO薄膜生长期间首次进行HWP光谱法，并详细研究了形成ZnO薄膜的过程。我们试图在蓝宝石的表面上种植Zno薄膜。将无添加剂的ZnO（5N）用作目标，并将AR/O_2混合气体作为溅射气体引入。光谱法表明，除了HWP中AR和O原子的发射外，在320 nm左右的波长下还观察到Zn原子的强发射。同时，还观察到ZnO分子的弱发光。这表明形成ZnO薄膜的主要过程是Zn+O→ZnO的化学反应，类似于MBE方法。在蓝宝石上生长的ZnO薄膜在700°C的基板温度下生长的平面是单个域外延薄膜，其完全C轴取向，A轴锁定在平面中。使用原子力显微镜进行表面观测表明，在表面上，原子水平的平坦露台以特定的方向延伸至100 nm或更高的宽度，每个露台都以大约3.04 nm的步骤排列。此外，在室温下，在带边缘区域的紫外线发射（约110 meV的一半宽度）中获得了PL光谱。使用散装ZnO晶体也观察到了激子和电磁波的耦合波。将来，我们计划形成超薄的薄膜，tehero结构和量子结构，并考虑通过FIB处理引入纳米结构。

项目成果

S.F.Chichibu, 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)

S.F.Chichibu、T.Yoshida、T.Onuma、H.Nakanishi：“蓝宝石 (0001) 衬底上 ZnO 的螺旋波激发等离子体溅射外延”应用物理学杂志。

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)

SF.Chichibu、T.Sota、PJ.Fons、K.Iwata、A.Yamada、K.Matsubara、S.Niki：“通过 RS 在蓝宝石 a 面上生长的 ZnO 外延层中激子极化子的光反射和光致发光

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)

T.Koida、SF.Chichibu、A.Uedono、A.Tsukazaki、M.Kawasaki、T.Sota、Y.Sekawa、H.Koinuma：“体相和外延 ZnO 中的光致发光寿命与缺陷密度之间的相关性”应用物理快报

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)

SF.Chichibn、T.Yoshida、T.Onuma、H.Nakanishi：“蓝宝石 (0001) 衬底上 ZnO 的螺旋波激发等离子体溅射外延”应用物理学杂志。

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,Pa

SF.Chichibu、T.Sota、PJ.Fons、K.Iwata、A.Yamada、K.Matsubara、S.Niki：“观察自由基生长蓝宝石 a 面上 ZnO 外延膜的激子-极化子发射