JP2009196867A - MgaZn1−aO単結晶薄膜の作製方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】プラズマアシスト付き反応性蒸着法によって成膜する反応性蒸装置を使用し、蒸着源であるルツボ6をヒータ8により加熱し、その内部に入れた合金材料(MgxZn1-x)を蒸発させ、高周波酸素プラズマ中を通して、ベルジャ10内の上部に置かれた基板の表面に付着させて、MgaZn1-aO単結晶薄膜を成膜する。
【選択図】 図1
Description
非特許文献1ではMBE法によってMgOバッファ層をc-Al2O3上に設けた基板を用いて作製したZnMgO薄膜の微細構造を報告している。
非特許文献4では、PLD法によってZnMgOのバンドギャップエネルギーを約3.3〜4.15 eVの範囲で制御できたことを報告している。
上記所定の雰囲気を、ベルジャ内に酸素を導入し、圧力を0.01〜1Paに制御して発生させた高周波プラズマにより形成するとよい。
この場合、作製した膜のキャリア濃度は成膜時に酸素流量、プラズマ出力、および基板温度を制御することにより、1015/cm3〜1020/cm3の範囲においてキャリア濃度を制御できる。
また、その基板を300℃〜1000℃に加熱して成膜するのが望ましい。
〔実施形態の概要〕
まず、この発明によるMgaZn1-aO単結晶薄膜の作製方法の実施形態の概要を説明する。
以下に説明する実施の形態においては、ZnO薄膜の作製において実績のある、例えば特許第3945782号公報に記載されているようなプラズマアシスト付きの反応性蒸着法を用いる。
基板にはZnOバルク単結晶基板を用いる。MgaZn1-aOはZnOと格子定数が殆ど変わらないため、高品質の薄膜を形成することが可能であり、熱膨張係数も近いため、温度の変化により発生する歪みを抑制することも可能である。近年大型のZnOバルク単結晶が育成可能になっているので入手が容易になった。また、将来的にコストが安くなると考えられる。
また、ZnO単結晶基板の代わりにMgbZn1-bO(ただし、0<b≦1)単結晶基板を用いることにより格子定数や熱膨張係数のずれも解消できるため、発生する歪みもさらに抑制することが可能であり、より好ましい。
このように、反応性蒸着法でMgaZn1-aO薄膜を作製した研究はこれまで報告されておらず、特に原料にMgxZn1-xを用いたという報告もない。
図1に、この発明の方法によってMgaZn1-aO単結晶薄膜を製造するために使用するプラズマアシスト付きの反応性蒸着法を用いた結晶成長装置(以下、「反応性蒸着装置」という)を示す。
ベルジャ10内に導入する原料ガスは、酸素ガスではG3グレード以上のボンベガス(純度99.9%以上)を、窒素ガスも同様にG3グレード以上のボンベガス(純度99.9995%以上)を使用する。これより下のグレードでは不純物濃度が大きくなり、電気的特性や結晶性の劣化が起こる恐れがある。
さらに、ルツボ6の上方にはシャッタ5を備えており、そのシャッタ5とルツボ6との間にプラズマ発生用コイル4を配置し、ベルジャ10外に設けた図示しない高周波電源によって高周波電流が流されるようになっている。
次に、この反応性蒸着装置を使用して、n形ZnOバルク単結晶基板上にMgaZn1-aO単結晶薄膜を成膜する工程について、詳細に説明する。
原料のMgxZn1-x合金は純度99.99%以上の金属粒子を使用する。これより低い純度では不純物濃度が大きくなり、電気的特性や結晶性の劣化が起こる恐れがある。また、このMgxZn1-x合金の組成比は今回の実施例の場合、x=0.3とした。これにZn(純度99.9999%以上)を適当な量加えて融合し、組成比を調整する。
ドープする窒素の濃度は、2×1017/cm3〜1021/cm3の範囲にするとよい。ドープする窒素の濃度の範囲を上記の範囲にする理由は、ドープする窒素の濃度がこれより大きくなると結晶性が悪くなり、逆に小さいとキャリア濃度が低くなってp形層の抵抗が高くなってしまうためである。
酸素と窒素の分圧比を上記の範囲にする理由は、窒素の割合がこれより大きくなると結晶性が悪くなり、逆に小さいとキャリア濃度が低くなってp形層の抵抗が高くなってしまうためである。成膜時間は30〜180分の間とし、膜厚は0.2〜1.0μmとする。成膜時間はこの膜厚を得るために必要な時間である。
このようにして、高品質なMgaZn1-aOの単結晶薄膜を容易に量産することができ、そのMg濃度も容易に制御できる。
蒸着材料の合金も、上記実施例で使用したMgxZn1-x合金に限らず、種々の変更が可能である。
上記の条件で成膜したMgaZn1-aO(ただし、0≦a≦1)膜(以下、「MgZnO膜」という)の評価を行った。
図2は、この発明によってZnO単結晶基板上に成膜したZnMgO薄膜のX線回折(XRD)逆格子空間マップの測定結果を示す。その測定にはPhilips社製の薄膜材料結晶性解析X線回折装置であるX’ pert MRDを使用した。
図2において、平行四辺形の枠内が測定範囲を示しており、曲線はその測定結果を示している。また、横軸のQx、縦軸のはQyは逆格子単位(reciprocal lattice unit)×104〔rlu〕を示している。
この図6から判るように、線bで示すZnO単結晶では光子エネルギーが3.36 eV付近にシャープで強いドナー束縛励起子発光が観察される。それに対して、線aで示すZnMgO薄膜においては基板であるZnO単結晶のシャープなドナー束縛励起子発光とZnMgO薄膜におけるブロードなドナー束縛励起子発光がそれぞれ光子エネルギーが3.36 eV付近と3.40 eV付近に観察され、約40 meV大きくなっていると考えられる。
これより、ZnO中に取り込まれたMgはZnと置換し、六方晶のZnMgO混晶が形成されてバンドギャップが約40 meV大きくなっていると考えられる。
また、この値はベガード則にほぼ従っておりMgの濃度を増加させると図に点線で示したようにバンドギャップの値が増大すると考えられる。
4:プラズマ発生用コイル 5:シャッタ 6:ルツボ
7:気体供給口 8:ルツボヒータ 9:排気口
10:ベルジャ 11,12:温度センサ
Claims (15)
- 基板を用意し、所定の雰囲気中でルツボ内の合金からなる蒸着材料を加熱して蒸発させ、前記所定の雰囲気中に含まれる原子と結合させ、前記基板上にMgaZn1-aO(ただし、0≦a≦1)薄膜を成長させて成膜することを特徴とするMgaZn1-aO単結晶薄膜の作製方法。
- 前記所定の雰囲気は、ベルジャ内に酸素を導入し、圧力を0.01〜1Paに制御して発生させた高周波プラズマにより形成されることを特徴とする請求項1記載のMgaZn1-aO単結晶薄膜の作製方法。
- 前記合金からなる蒸着材料は、MgxZn1-x(ただし、0≦x≦1)であることを特徴とする請求項1又は2に記載のMgaZn1-aO単結晶薄膜の作製方法。
- 前記合金からなる蒸着材料はMgxZn1-x(ただし、0≦x≦1)に少量のZnを加えて融合することによりその組成比を調整した合金であることを特徴とする請求項1又は2に記載のMgaZn1-aO単結晶薄膜の作製方法。
- 前記基板はZnO単結晶基板であることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載のMgaZn1-aO単結晶薄膜の作製方法。
- 前記基板はMgbZn1-bO(ただし、0<b≦1)単結晶基板であることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載のMgaZn1-aO単結晶薄膜の作製方法。
- 前記基板は、ZnO単結晶あるいはAl2O3単結晶の上に、MgaZn1-aO(ただし、0≦a≦1)バッファ層を設けた基板であることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載のMgaZn1-aO単結晶薄膜の作製方法。
- 前記基板を300℃〜1000℃に加熱することを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載のMgaZn1-aO単結晶薄膜の作製方法。
- 前記MgaZn1-aO(ただし、0≦a≦1)薄膜におけるキャリア濃度が1015/cm3〜1020/cm3であることを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載のMgaZn1-aO単結晶薄膜の作製方法。
- ZnO系単結晶からなる基板を用意し、窒素あるいは窒素酸化物を含む酸素ガスからなる高周波プラズマ雰囲気中で、ルツボ内のMgxZn1-x(ただし、0≦x≦1)合金からなる蒸着材料を加熱して蒸発させ、前記高周波プラズマ雰囲気中に含まれる酸素及び窒素原子と結合させ、前記基板上に窒素ドープのp形MgaZn1-aO(ただし、0≦a≦1)薄膜を成長させて成膜することを特徴とするMgaZn1-aO単結晶薄膜の作製方法。
- 前記基板はZnO単結晶基板であることを特徴とする請求項10に記載のMgaZn1-aO単結晶薄膜の作製方法。
- 前記基板はMgbZn1-bO(ただし、0<b≦1)単結晶基板であることを特徴とする請求項10に記載のMgaZn1-aO単結晶薄膜の作製方法。
- 前記基板は、ZnO単結晶あるいはAl2O3単結晶の上に、MgaZn1-aO(ただし、0≦a≦1)のバッファ層を設けた基板であることを特徴とする請求項10記載のMgaZn1-aO単結晶薄膜の作製方法。
- 前記基板を300℃〜1000℃に加熱することを特徴とする請求項10から13のいずれか一項に記載のMgaZn1-aO単結晶薄膜の作製方法。
- 前記ドープする窒素の濃度が2×1017/cm3〜1021/cm3であることを特徴とする請求項10から14のいずれか一項にMgaZn1-aO単結晶薄膜の作製方法。
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