革新的半導体プロセス：大気圧非平衡プラズマを用いた酸化亜鉛発光素子の開発

本研究の対象であるZnOは平衡状態で酸素欠損や亜鉛過剰状態が安定であり、半導体デバイス応用に向けて重要な残留電子濃度と正孔濃度の制御が困難という課題があった。理論・実験両面からこの問題を俯瞰すると、高い酸化力を有する活性種を利用した大気圧非平衡プロセスが効果的であると期待される。そこで、本研究ではその要請を満たす窒素ベースの常圧非平衡プラズマを用いた化学気相成長（CVD）プロセスに着目している。今年度は、本手法を用いて作製したZnO薄膜の電子状態を評価し、残留電子濃度の低減や窒素ドーピングに向けた本プロセスの優位性を実験的に検証することを目的とした。窒素/酸素プラズマ中の発光性活性種が薄膜の結晶性、電気特性に及ぼす影響を検討した。窒素に0.2%という微量の酸素を添加したガス領域においても高い配向性と極めて高い比抵抗を有するZnO薄膜を得ることに成功した。ZnO薄膜の高抵抗化の起源を解明するため、高抵抗ZnO薄膜の電子状態を評価した。既存の真空プロセスで作製したZnO薄膜中には浅いドナーが高濃度に存在し、残留電子濃度の低減が困難であった一方、本手法を用いて作製したZnO薄膜は残留電子濃度が極めて低減されていることが明らかになった。更に、近年パワー半導体材料として注目を集め出したβ-Ga2O3薄膜の二次元成長にも成功した。容量-電圧（C-V）特性評価の結果、低温成長時においても酸素空孔などの残留ドナー濃度生成を抑制できることが明らかになった。これらの結果は、ZnOの大きな課題である酸素欠損や残留電子濃度低減、窒素ドーピングにおける常圧非平衡窒素プラズマプロセスの優位性を示すものであり、ZnO、β-Ga2O3などの酸化物薄膜における酸素欠損の低減のみならず、窒素ドーピングや酸窒化物の形成など酸化物・窒化物エレクトロニクスの新しい展開を促すものであると考えられる。

本研究の対象であるZnOは平衡状態で酸素欠損や亜鉛過剰状態が安定であり、半導体デバイス応用に向けて重要な残留電子濃度と正孔濃度の制御が困難という課題があった。理論・実験両面からこの問題を俯瞰すると、高い酸化力を有する活性種を利用した大気圧非平衡プロセスが効果的であると期待される。そこで、本研究ではその要請を満たす窒素ベースの常圧非平衡プラズマを用いた化学気相成長（CVD）プロセスに着目している。今年度は、本手法を用いて作製したZnO薄膜の電子状態を評価し、残留電子濃度の低減や窒素ドーピングに向けた本プロセスの優位性を実験的に検証することを目的とした。窒素/酸素プラズマ中の発光性活性種が薄膜の結晶性、電気特性に及ぼす影響を検討した。窒素に0.2%という微量の酸素を添加したガス領域においても高い配向性と極めて高い比抵抗を有するZnO薄膜を得ることに成功した。ZnO薄膜の高抵抗化の起源を解明するため、高抵抗ZnO薄膜の電子状態を評価した。既存の真空プロセスで作製したZnO薄膜中には浅いドナーが高濃度に存在し、残留電子濃度の低減が困難であった一方、本手法を用いて作製したZnO薄膜は残留電子濃度が極めて低減されていることが明らかになった。更に、近年パワー半導体材料として注目を集め出したβ-Ga2O3薄膜の二次元成長にも成功した。容量-電圧（C-V）特性評価の結果、低温成長時においても酸素空孔などの残留ドナー濃度生成を抑制できることが明らかになった。これらの結果は、ZnOの大きな課題である酸素欠損や残留電子濃度低減、窒素ドーピングにおける常圧非平衡窒素プラズマプロセスの優位性を示すものであり、ZnO、β-Ga2O3などの酸化物薄膜における酸素欠損の低減のみならず、窒素ドーピングや酸窒化物の形成など酸化物・窒化物エレクトロニクスの新しい展開を促すものであると考えられる。