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。

This study developed a new functional material called "HWPSE method" to prepare ZnO crystalline thin films. The HWPSE method is a new semiconductor thin film forming technology for high density, low density, and high voltage excitation (HWP). A report on the formation of thin films by using HWP as a special compound semiconductor is presented. HWP spectroscopy in ZnO thin film growth was carried out in the initial stage. ZnO thin film formation process was investigated in detail. In the absence of ZnO (5N), Ar/O2 mixtures are introduced. Spectroscopic results, HWP in the Ar atom and O atom emission, wavelength 320 nm near the Zn atom emission and strong light emission At the same time, ZnO molecules are weak and light emitting. The main reason for the formation of ZnO thin films is the MBE method, which is similar to Zn + O. The ZnO thin films grown on the substrate at 700 ℃ are fully c-axis aligned, and the ZnO thin films grown on the substrate at 700 ℃ are fully c-axis aligned. The atomic force microscope is used for measuring the surface, surface and atomic surface. The surface is flat and the angle is more than 100 nm. The angle difference between each angle is about 3.04 nm. The angle is maintained and the structure is formed. UV emission (half-width of 110 meV) in the terminal region at room temperature is dominated by PL spectrum. ZnO crystals are used to excite electromagnetic waves and to measure their motion. In the future, the formation of ultra-thin films, optical structures and quantum structures, FIB processing, and the introduction of optical structures will be discussed.

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

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。

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.Chichibu, A.Tsukazaki, M.Kawasaki, K.Tamura, Y.Segawa, T.Sota, H.Koinuma: "Photoreflectance spectra of a ZnO heteroepitaxial film on the nearly lattice-matched ScAlMgO4 substrate grown by laser molecularbeam epitaxy"Applied Physics Letters. 80(16). 286

SF.Chichibu、A.Tsukazaki、M.Kawasaki、K.Tamura、Y.Sekawa、T.Sota、H.Koinuma：“通过激光分子束外延生长的几乎晶格匹配的 ScAlMgO4 基板上的 ZnO 异质外延薄膜的光反射光谱”