JP2005108902A - 非酸化物基板上の酸化亜鉛薄膜の熱処理方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】酸化亜鉛薄膜は合成後、熱処理により紫外発光は失われ、かわって可視光領域のブロードな発光が現れ、さらに本来の電気的特性が失われる。
【解決手段】シリコン基板上に合成した酸化亜鉛薄膜に関して、熱処理後もバンド端発光のみ(875-380nm)を維持し、青ないしは可視領域の発光を伴わない熱処理方法。
【選択図】図１
Description
本発明は、非酸化物基板上の酸化亜鉛薄膜の熱処理方法に関する。
電子デバイスプロセスにおける熱処理はデバイスの優劣を左右する重要なプロセスである。最近、酸化物エレクトロニクスの進展により、既存のプロセスに組み込む試みがなされるようになってきた。この場合もデバイスの性能向上のために熱処理がプロセス内に組み込まれる。また、酸化物薄膜の応用を広げる場合、高い実験の再現性のためイオン注入法が必須となるが、この手法の原理的な問題で熱処理は必須となる。
酸化亜鉛薄膜はアルミナ基板やシリコン基板上に合成され、C-軸の高配向薄膜が合成されている。一般に、合成は基板温度が500-600℃の範囲で行われバンド端発光が見られる薄膜が合成されている（例えば、非特許文献１）。
S. Muthukumar, et al., J. Cryst. Growth,225, (2001), 197
S. Muthukumar, et al., J. Cryst. Growth,225, (2001), 197
イオン注入法は注入イオンと同時に母体材料に欠陥を導入してしまう。酸化物はシリコンとはことなり、酸化物内にもともと含まれる欠陥やイオン注入法等の物理的な手法で導入された欠陥の挙動に関しては、不明確な点が多く理解が進んでいないのが現状である。
酸化物薄膜は非平衡過程で合成され、それに伴い欠陥が導入され、この欠陥が熱処理により物質固有の問題を引き起こす。例えば、酸化亜鉛薄膜は合成後、熱処理により紫外発光は失われ、かわって可視光領域のブロードな発光が現れ、さらに本来の電気的特性が失われる。
イオン注入した酸化亜鉛単結晶、薄膜の場合も同様な結果が得られる。これは薄膜内に含まれる非平衡欠陥が薄膜内で再分布することに起因し、現在効果的な熱処理に関するものはない。
本発明では、熱処理中に薄膜内の欠陥を基板内へ界面をとおして再分配させ、発光特性や電気特性を維持することである。
すなわち、本発明は、シリコン基板上に合成した酸化亜鉛薄膜に関して、熱処理後もバンド端発光のみ(875-380nm)を維持し、青ないしは可視領域の発光を伴わない熱処理方法、である。
本発明は、酸化物エレクトロニクスにおける熱処理プロセスを向上させる。
薄膜合成はCVD法を用いた。この方法はスパッタ法やPLD法のように酸化亜鉛ターゲットを使用しないため、これらの手法で合成された薄膜より高純度の薄膜が得られる。これにより、熱処理後の可視領域の発光の起源について、金属不純物の効果を無視することが出来る。さらに、酸素拡散や反応性の異なるアルミナ基板とシリコン基板上に酸化亜鉛薄膜を合成し、熱処理後の拡散の具合と反応について容易な検討が可能になる。
酸化亜鉛薄膜をCVD法で合成した。CVD装置は亜鉛ソースとして亜鉛アセチルアセトナートをアルゴン気流中（1sccm）で８５〜９５℃で蒸発させる。そして、リングインジェクターから基板表面に向け噴射する。これと同時にECR源から低エネルギー酸素イオンを照射し、基板表面で反応させ酸化亜鉛薄膜を得た。使用した基板はシリコン（００１）面である。この基板に酸化亜鉛薄膜を合成した。
合成後、赤外集光炉において８００℃で１〜１０分、空気中で加熱処理した。サンプルは赤外線で均一に加熱するために、SiC基板上にセットした。温度制御は４００℃／分で温度を上げ所定時間一定に保持した後、急冷した。空気中、８００℃、１０分間、熱処理したシリコン基板上の酸化亜鉛薄膜の室温での発光スペクトルを測定した（図１）。
熱処理の前と後で、発光スペクトルは酸化亜鉛のバンド端発光（３８０nm）が観察され可視光発光はない。この結果は酸化亜鉛薄膜では良く得られる結果である。スペクトルAは熱処理前の発光スペクトルで、Bは熱処理後の発光スペクトルである。バンド端発光強度は熱処理で改善し、その強度は５倍程度強くなっている。また、酸化亜鉛薄膜の電気伝導性は維持されていた。
図１のスペクトルB（熱処理後）の試料を２次イオン質量分析装置を用いて深さ方向分析を行った。分析結果は図２に示した。その結果、表面から酸化亜鉛、SiO2、シリコンである。亜鉛の強度の勾配は、酸素強度の勾配に比較して急である。このことは、亜鉛はシリコン内に拡散しにくく、一方、酸素はシリコン内に拡散していることを示す。シリコンは熱処理で酸素を取り込みやすいことが示された。
比較例１
基板としてサファイヤ（０００１）面を用いた以外は実施例１と同じ条件で基板上に酸化亜鉛薄膜を合成した。サファイヤ（０００１）面上に合成した酸化亜鉛薄膜の発光スペクトルを合成直後と熱処理の後に測定した。熱処理は８００℃、１０分で空気雰囲気である。その結果を図３に示した。スペクトルCは合成直後の結果で、スペクトルDは熱処理後の発光スペクトルである。合成直後の酸化亜鉛薄膜ではバンド端発光がみられ、可視領域の発光は見られない。熱処理後は全体的に発光強度が小さくなり、５２７nmを中心とするブロードな発光が見られる。さらに、電気伝導性が失われている。
比較例１
基板としてサファイヤ（０００１）面を用いた以外は実施例１と同じ条件で基板上に酸化亜鉛薄膜を合成した。サファイヤ（０００１）面上に合成した酸化亜鉛薄膜の発光スペクトルを合成直後と熱処理の後に測定した。熱処理は８００℃、１０分で空気雰囲気である。その結果を図３に示した。スペクトルCは合成直後の結果で、スペクトルDは熱処理後の発光スペクトルである。合成直後の酸化亜鉛薄膜ではバンド端発光がみられ、可視領域の発光は見られない。熱処理後は全体的に発光強度が小さくなり、５２７nmを中心とするブロードな発光が見られる。さらに、電気伝導性が失われている。
酸化亜鉛薄膜の基板としてシリコンを用いた場合とサファイヤを用いた場合とで、熱処理後の特性が異なることが明らかとなった。さらに、酸化亜鉛と基板との元素分配はシリコンを基板とする方がサファイヤを基板とするよりも効果的である。さらに、シリコンは酸素拡散の遅いサファイヤと異なり、８００℃の条件でも酸素を取り込む。これが発光特性の改善、電気伝導性の維持に役立っている。
本発明は、半導体素子、半導体回路、更に具体的には、発光素子及びその製造法として有用である。
Claims (1)
- シリコン基板上に合成した酸化亜鉛薄膜に関して、熱処理後もバンド端発光のみ(875-380nm)を維持し、青ないしは可視領域の発光を伴わない熱処理方法。
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| JP2003336502A JP2005108902A (ja) | 2003-09-26 | 2003-09-26 | 非酸化物基板上の酸化亜鉛薄膜の熱処理方法 |
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| JP2003336502A Pending JP2005108902A (ja) | 2003-09-26 | 2003-09-26 | 非酸化物基板上の酸化亜鉛薄膜の熱処理方法 |
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