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

基本信息

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

项目摘要

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。

在本研究中，我们采用独特开发的“螺旋波激发等离子体溅射外延（HWPSE）方法”来形成有望成为新型功能材料的氧化锌（ZnO）单晶薄膜和纳米结构，并将其应用于这是应用以下的尝试。 HWPSE法是一种采用高密度、低能量螺旋波激发等离子体（HWP）作为远程等离子体源的新型半导体薄膜形成技术。然而，关于使用化合物半导体靶材进行HWP溅射成膜的报道仍然很少，并且使用该方法的薄膜形成工艺的细节尚未明确。因此，我们首次在ZnO薄膜生长过程中进行了HWP光谱测量，以研究ZnO薄膜形成过程的细节。我们尝试在蓝宝石A表面上生长ZnO薄膜。使用无添加剂的ZnO(5N)作为靶材，引入Ar/O_2混合气体作为溅射气体。分光分析的结果是，在HWP中，除了来自Ar和O原子的发光之外，还观察到来自Zn原子的波长320nm左右的强发光。同时，还观察到ZnO分子发出微弱的光。这表明形成ZnO薄膜的主要过程是Zn+O→ZnO的化学反应，与MBE法类似。在700℃的衬底温度下在蓝宝石A面上生长的ZnO薄膜是单畴外延薄膜，具有完美的c轴取向和平面内锁定的a轴。使用原子力显微镜观察表面，发现表面具有在特定方向上延伸超过 100 nm 宽度的原子平坦平台，并且每个平台以大约 3.04 nm 的台阶排列。此外，在室温下获得了以带边缘区域中的紫外光发射为主的PL光谱(半宽度约110meV)。我们还使用块状 ZnO 晶体观察了耦合的激子和电磁波。未来，我们计划形成超薄膜、异质结构和量子结构，并考虑通过FIB加工引入纳米结构。