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

创新半导体工艺：利用大气压非平衡等离子体开发氧化锌发光器件

• 批准号: 14J11730
• 负责人: 野瀬 幸則
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: Osaka Prefecture University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2014
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2014-04-25 至 2016-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-14J11730/
• 关键词: 酸化亜鉛; 化学気相成長; 常圧プラズマ; 非平衡プラズマ; 酸化ガリウム; ワイドバンドギャップ半導体; 大気圧非平衡プラズマ; ドーピング; 結晶成長

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。

This study の like で seaborne あ る ZnO は equilibrium で acid element owe loss や 亜 lead before turning state が settle で あ り, semiconductor デ バ イ ス 応 with に to け て important な residual electron concentration と の is hole concentration suppression が difficult と い う subject が あ っ た. Theory, be 験 struck surface か ら こ の problem を overlooking す る と, high power い acidification を す る active を use し た big 気 圧 non-equilibrium プ ロ セ ス が unseen fruit で あ る と expect さ れ る. そ こ で, this study で は そ の to please を against た す smothering element ベ ー ス の often 圧 non-equilibrium プ ラ ズ マ を with い た chemical 気 phase (CVD) growth プ ロ セ ス に with mesh し て い る. Our は, this technique を "い て cropping し た ZnO thin film の electronic state を review 価 し, low residual の electron concentration reduction や smothering element ド ー ピ ン グ に to け た this プ ロ セ ス の primacy を be 験 of に 検 card す る こ と を purpose と し た. The <s:1> luminescent activity seed が film <s:1> crystallinity, electrical properties に and ぼす influence を検 of nitrogen/acid in プラズ た. Smothering element に 0.2% と い う trace element を の acid added し た ガ ス field に お い て も い with high tropism と め extremely high て い than resistance を す る ZnO thin film を must る こ と に successful し た. The origin of <s:1> high resistance <e:1> of ZnO thin films を explanation するため, the electronic state of <s:1> high resistance ZnO thin films を evaluation 価 <s:1> た た. Existing の vacuum プ ロ セ ス で cropping し た ZnO thin films in に は shallow い ド ナ ー が high-concentration に し, low residual electron concentration の が reduction difficult で あ っ た side, this technique を い て cropping し た ZnO thin film は residual electron concentration が extremely め て low cut さ れ て い る こ と が Ming ら か に な っ た. More に, recent パ ワ ー semiconductor materials と し て attention め を set out し た beta Ga2O3 film の secondary yuan growth に も success し た. Capacity - the electricity 圧 (C - V) characteristic evaluation 価 の results, the growth of low に お い て も acid element empty hole な ど の residual ド ナ ー concentration を inhibition of で き る こ と が Ming ら か に な っ た. こ れ ら の results は, ZnO の big き な subject で あ る acid element owe loss や residual low electron concentration, reduce, smothering element ド ー ピ ン グ に お け る often 圧 non-equilibrium smothering element プ ラ ズ マ プ ロ セ ス の primacy を shown す も の で あ り, ZnO, beta Ga2O3 な ど の acidification content film に お け る acid element owe loss の low cut の み な ら ず, smothering ド ー ピ ン グ や acid smothering The formation of な <s:1> acidified products · nitrified products エレ <s:1> トロニ トロニ ス ス new <s:1> な development を promotes す <s:1> であると であると であると えられる えられる study えられる.

项目成果

大気圧プラズマCVD法を用いた(-201)β-Ga2O3薄膜のホモエピタキシャル成長

常压等离子体CVD法同质外延生长(-201)β-Ga2O3薄膜

• 发表时间: 2015
• 作者: 木口拓也;野瀬幸則;上原剛;藤村紀文
• 通讯作者: 藤村紀文

Deposition of β-Ga2O3 films by atmospheric pressure plasma enhanced CVD

常压等离子体增强CVD沉积β-Ga2O3薄膜

• 发表时间: 2014
• 作者: T. Kiguchi;Y. Nose;T. Uehara;and N. Fujimura
• 通讯作者: and N. Fujimura

大阪府立大学 工学研究科 電子物理工学分野 機能デバイス物性研究グループ

大阪府立大学工学研究科电子物理系功能器件特性研究组

Chemical vapor deposition of highly resistive ZnO films using nonequilibrium N2/O2 plasma generated near atmospheric pressure

利用近大气压产生的非平衡 N2/O2 等离子体化学气相沉积高阻 ZnO 薄膜

• 发表时间: 2015
• 作者: Y. Nose;T. Kiguchi;T. Yoshimura;A. Ashida;T. Uehara;and N. Fujimura
• 通讯作者: and N. Fujimura

Growth process of ZnO films in N2/O2 plasma generated near atmospheric pressure

近大气压 N2/O2 等离子体中 ZnO 薄膜的生长过程

• 发表时间: 2015
• 作者: Y. Nose;and N. Fujimura
• 通讯作者: and N. Fujimura