JP6034252B2 - Method for forming Er-doped ZnO phosphor film - Google Patents

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本発明は、ErをドープしたZnOからなる蛍光体膜を、サファイア基板のC面またはA面に形成するErドープZnO蛍光体膜形成方法に関する。   The present invention relates to an Er-doped ZnO phosphor film forming method for forming a phosphor film made of ZnO doped with Er on the C-plane or A-plane of a sapphire substrate.

従来では、半導体あるいは絶縁体などの母材にドープされた希土類3価イオンの4f準位間の電子遷移に伴う発光は、発光波長が母材にあまり依らず、しかも半値幅が狭くシャープであるという特徴を有している。特にEr3+イオンの発光の中心波長は1540nm付近に存在し、光通信で使用される波長帯に重なる。このため、Er3+イオンを少量ドープした光ファイバーは、光ファイバーアンプとして実用化されており、光通信分野において非常に重要なデバイスとなっている。 Conventionally, light emission associated with electronic transition between 4f levels of rare earth trivalent ions doped in a base material such as a semiconductor or an insulator is not so dependent on the base material, and the half width is narrow and sharp. It has the characteristics. In particular, the central wavelength of the emission of Er 3+ ions exists in the vicinity of 1540 nm, and overlaps with the wavelength band used in optical communication. For this reason, an optical fiber doped with a small amount of Er 3+ ions has been put into practical use as an optical fiber amplifier and has become a very important device in the optical communication field.

A. K. Pradhan et al. , "Pulsed-laser deposited Er:ZnO films for 1.54 m emission", APPLIED PHYSICS LETTERS, vol.90, 072108, 2007.A. K. Pradhan et al., "Pulsed-laser deposited Er: ZnO films for 1.54 m emission", APPLIED PHYSICS LETTERS, vol.90, 072108, 2007. S. Komuro et al. , "Highly erbium-doped zinc.oxide thin film prepared by laser ablation and its 1.54 mm emission dynamics", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol. 88, no. 12, pp.7129-7136, 2000.S. Komuro et al., "Highly erbium-doped zinc.oxide thin film prepared by laser ablation and its 1.54 mm emission dynamics", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol. 88, no. 12, pp.7129-7136, 2000. Y. Liu et al. , "Spectroscopic evidence of the multiplesite structure of Eu3+ ions incorporated in ZnO nanocrystals", OPTICS LETTERS, vol. 32, no. 5 ,pp.566-568, 2007.Y. Liu et al., "Spectroscopic evidence of the multiplesite structure of Eu3 + ions incorporated in ZnO nanocrystals", OPTICS LETTERS, vol. 32, no. 5, pp.566-568, 2007.

光ファイバーアンプは、ある一定の長さの光ファイバー中に微量ドープされたEr3+イオンからの発光を利用して、信号光を増幅する。一方で、基板の上に微小光部品を集積した光回路においては、光増幅機能を有する光導波路の区間が、光ファイバーアンプに相当する。しかし、光ファイバーアンプよりも短い光導波路において光増幅を行うためには、光増幅の区間における光減衰の影響を最少化する必要がある。また、強い発光強度を実現するために、高いEr濃度を選択することも必要であるが、この場合には、濃度消光の問題は避けて通れない。なお、温度消光は、ホスト結晶にワイドバンドギャップ材料を選択することで、影響を緩和できる。 The optical fiber amplifier amplifies signal light by using light emission from Er 3+ ions that are slightly doped in a certain length of optical fiber. On the other hand, in an optical circuit in which minute optical components are integrated on a substrate, a section of an optical waveguide having an optical amplification function corresponds to an optical fiber amplifier. However, in order to perform optical amplification in an optical waveguide shorter than the optical fiber amplifier, it is necessary to minimize the influence of optical attenuation in the optical amplification section. Further, in order to realize a strong light emission intensity, it is necessary to select a high Er concentration, but in this case, the problem of concentration quenching cannot be avoided. Note that temperature quenching can be mitigated by selecting a wide band gap material for the host crystal.

特にバンドギャップが3.37eVと広いZnOは、Er3+イオンを受け入れるホストに向いている。ところが、ZnO:Er薄膜に関する報告例はこれまで少なく、強く発光するZnO:Er蛍光膜は報告されていない(非特許文献1,非特許文献2参照)。これは、ZnOのカチオンサイトを占めるZn2+イオンの価数とEr3+イオンの価数が異なること、およびZn2+イオンとEr3+イオンの半径がかなり違うため、Er3+イオンがバルク結晶内のZn2+イオンサイトを置換しにくいことに原因がある。 In particular, ZnO having a wide band gap of 3.37 eV is suitable for a host that accepts Er 3+ ions. However, there have been few reports on ZnO: Er thin films, and no ZnO: Er fluorescent films that emit strong light have been reported (see Non-Patent Documents 1 and 2). This is the valence of the valence and Er 3+ ions Zn 2+ ions occupying the ZnO cation sites is different, and Zn 2+ ions and Er 3+ for the radius of the ions is quite different, the Er 3+ ions This is because it is difficult to replace the Zn 2+ ion site in the bulk crystal.

この問題の解決策としては、例えばZnO:Euの場合、ZnOをナノ結晶にすることで表面積を増やし、結晶粒の界面にEu3+イオンを配位させて、Eu3+イオンからの発光強度を増やすといった試みが報告されている(非特許文献3参照)。しかし、ナノ結晶をいくら集めても、これらは所詮ナノ結晶の粉に過ぎない。最終的に電流注入で発光する固体デバイスに用いるためには、少なくとも2次元的に連続したZnO:Er蛍光膜において強い発光を得る必要があるが、これが容易ではないという問題がある。 As a solution to this problem, for example, in the case of ZnO: Eu, the surface area is increased by making ZnO into nanocrystals, and Eu 3+ ions are coordinated at the interface of the crystal grains, and the emission intensity from Eu 3+ ions Has been reported (see Non-Patent Document 3). However, no matter how much nanocrystals are collected, these are just nanocrystal powders. In order to finally use for a solid-state device that emits light by current injection, it is necessary to obtain strong light emission in at least a two-dimensionally continuous ZnO: Er fluorescent film, but this is not easy.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、強い発光が得られる2次元的に連続したErドープZnO蛍光体膜が形成できるようにすることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to form a two-dimensionally continuous Er-doped ZnO phosphor film capable of obtaining strong light emission.

本発明に係るErドープZnO蛍光体膜形成方法は、主表面をC面またはA面としたサファイア基板を550℃以上900℃以下のいずれかの温度に加熱する加熱工程と、加熱されたサファイア基板の主表面にErがドープされたZnOからなる蛍光体膜をスパッタ法で形成する蛍光体膜形成工程とを備え、蛍光体膜形成工程では、蛍光体膜におけるErとZnの原子数の総和に対するEr原子数の割合を0.6at.%以上3at.%以下とする。   An Er-doped ZnO phosphor film forming method according to the present invention includes a heating step of heating a sapphire substrate whose main surface is a C-plane or an A-plane to any temperature between 550 ° C. and 900 ° C., and a heated sapphire substrate A phosphor film forming step of forming a phosphor film made of ZnO doped with Er on the main surface of the phosphor by sputtering, and in the phosphor film forming step, the total number of Er and Zn atoms in the phosphor film The ratio of the number of Er atoms is 0.6 at. % Or more 3 at. % Or less.

上記ErドープZnO蛍光体膜形成方法において、蛍光体膜形成工程では、Erを含有するZnOからなるターゲットを用いた電子サイクロトロン共鳴スパッタ法により、蛍光体膜を形成する。 In the Er-doped ZnO phosphor film formation method, a phosphor film forming process, more electron cyclotron resonance sputtering method using a target made of ZnO containing Er, form a phosphor film.

以上説明したことにより、本発明によれば、強い発光が得られる2次元的に連続したErドープZnO蛍光体膜が形成できるようになるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, it is possible to obtain an excellent effect that a two-dimensionally continuous Er-doped ZnO phosphor film capable of obtaining strong light emission can be formed.

図1は、本発明の実施の形態におけるErドープZnO蛍光体膜形成方法を説明するための説明図である。FIG. 1 is an explanatory view for explaining an Er-doped ZnO phosphor film forming method according to an embodiment of the present invention. 図2は、ECRスパッタ装置の構成例を示す構成図である。FIG. 2 is a configuration diagram illustrating a configuration example of an ECR sputtering apparatus. 図3は、2つのスパッタ法による膜の形成を実現する成膜装置の構成例を示す構成図である。FIG. 3 is a configuration diagram showing a configuration example of a film forming apparatus that realizes film formation by two sputtering methods. 図4は、実施例におけるEr濃度3.9at.%のZnO:Er膜(a),Er濃度4.2at.%のZnO:Er膜(b),Er濃度1.5at.%のZnO:Er膜(c),Er濃度1.7at.%のZnO:Er膜(d)について、Er3+イオンからの発光(PLスペクトル)を示す特性図である。FIG. 4 shows an Er concentration of 3.9 at. % ZnO: Er film (a), Er concentration 4.2 at. % ZnO: Er film (b), Er concentration 1.5 at. % ZnO: Er film (c), Er concentration 1.7 at. It is a characteristic view which shows the light emission (PL spectrum) from Er <3+> ion about% ZnO: Er film | membrane (d). 図5は、Er濃度0.6at.%のZnO:Er膜を成膜する際の基板温度条件の変化と、発光スペクトルの変化との関係を示す特性図である。FIG. 5 shows an Er concentration of 0.6 at. FIG. 6 is a characteristic diagram showing a relationship between a change in substrate temperature condition when a ZnO: Er film of% is formed and a change in emission spectrum. 図6は、基板温度550℃において、取り込まれるEr濃度を変えた一連のZnO:Er膜の試料について、成膜後に真空中において700℃で加熱した後のPLスペクトルを示す特性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram showing a PL spectrum of a series of ZnO: Er film samples with different concentrations of incorporated Er at a substrate temperature of 550 ° C., after heating at 700 ° C. in vacuum after film formation. 図7は、基板温度550℃において、取り込まれるEr濃度を変えた一連のZnO:Er膜の試料について、成膜後に酸素中において700℃で加熱した後のPLスペクトルを示す特性図である。FIG. 7 is a characteristic diagram showing a PL spectrum of a series of ZnO: Er film samples with different concentrations of incorporated Er at a substrate temperature of 550 ° C., after heating at 700 ° C. in oxygen after film formation. 図8は、Er濃度を1.5at.%としたZnO:Er膜の試料について、真空中における成膜後加熱の温度を変えたときの発光スペクトルの変化を示す特性図である。FIG. 8 shows that the Er concentration is 1.5 at. It is a characteristic view which shows the change of the emission spectrum when the temperature of the post-deposition heating in vacuum is changed about the sample of the ZnO: Er film | membrane made into%. 図9は、Er濃度2.0at.%としたZnO:Er膜の試料について、酸素中における成膜後加熱温度を変えたときの発光スペクトルの変化を示す特性図である。FIG. 9 shows an Er concentration of 2.0 at. It is a characteristic view which shows the change of the emission spectrum when changing the heating temperature after film-forming in oxygen about the sample of the ZnO: Er film made into%. 図10は、本発明の実施の形態におけるErドープZnO蛍光体膜形成方法で形成した実施例におけるZnO:Er膜のX線回折パタンを示す特性図である。FIG. 10 is a characteristic diagram showing an X-ray diffraction pattern of a ZnO: Er film in an example formed by the Er-doped ZnO phosphor film forming method according to the embodiment of the present invention. 図11は、各々Er濃度が異なる各ZnO:Er膜の試料におけるZnO(002)ピークの2θ回折角度をプロットした結果を示す特性図である。FIG. 11 is a characteristic diagram showing a result of plotting 2θ diffraction angles of ZnO (002) peaks in samples of ZnO: Er films having different Er concentrations. 図12は、ZnOバッファ層付きの本発明によるZnO:Er膜試料からの発光スペクトルの測定結果を示す特性図である。FIG. 12 is a characteristic diagram showing a measurement result of an emission spectrum from a ZnO: Er film sample according to the present invention with a ZnO buffer layer.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態におけるErドープZnO蛍光体膜形成方法を説明するための説明図である。この形成方法は、第1工程S101で、主表面をC面またはA面としたサファイア(コランダム)からなる基板101を、550℃以上900℃以下のいずれかの温度に加熱する(加熱工程)。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory view for explaining an Er-doped ZnO phosphor film forming method according to an embodiment of the present invention. In this forming method, in the first step S101, the substrate 101 made of sapphire (corundum) whose main surface is the C-plane or A-plane is heated to any temperature between 550 ° C. and 900 ° C. (heating step).

次に、第2工程S102で、加熱された基板101の主表面に、ErがドープされたZnOからなる蛍光体膜102を、スパッタ法で形成する(蛍光体膜形成工程)。ここで、スパッタ法による蛍光体膜102の形成では、蛍光体膜102におけるErとZnの原子数の総和に対するEr原子数の割合が、0.6at.%以上3at.%以下となる条件とする。   Next, in the second step S102, the phosphor film 102 made of ZnO doped with Er is formed on the main surface of the heated substrate 101 by a sputtering method (phosphor film forming process). Here, in the formation of the phosphor film 102 by sputtering, the ratio of the number of Er atoms to the total number of Er and Zn atoms in the phosphor film 102 is 0.6 at. % Or more 3 at. %.

例えば、用いるターゲットにおけるErとZnの原子数の総和に対するEr原子数の割合(Er濃度)が、上述した範囲となっていればよい。また、例えば、ZnOをターゲットとするスパッタと、Er23をターゲットとするスパッタとを併用することで、形成された蛍光体膜102におけるErとZnの原子数の総和に対するEr原子数の割合が、0.6at.%以上3at.%以下となるようにすればよい。 For example, the ratio (Er concentration) of the number of Er atoms to the total number of Er and Zn atoms in the target to be used may be in the above-described range. Further, for example, by using both sputtering using ZnO as a target and sputtering using Er 2 O 3 as a target, the ratio of the number of Er atoms to the total number of Er and Zn atoms in the phosphor film 102 formed. However, 0.6 at. % Or more 3 at. % Or less.

上述した製造方法により、強い発光が得られる2次元的に連続したErドープZnO蛍光体膜が形成できるようになる。なお、後述するように、蛍光体膜102は、バッファ層などを用いることなく基板101の主表面に接して形成する。   The manufacturing method described above makes it possible to form a two-dimensionally continuous Er-doped ZnO phosphor film capable of obtaining strong light emission. As will be described later, the phosphor film 102 is formed in contact with the main surface of the substrate 101 without using a buffer layer or the like.

ここで、ErがドープされたZnOからなる蛍光体膜102は、例えば、Erを含有するZnOからなるターゲットを用いた電子サイクロトロン共鳴(ECR)スパッタ法により、形成すればよい。これは、よく知られたECRスパッタ装置を用いればよい。   Here, the phosphor film 102 made of ZnO doped with Er may be formed by, for example, electron cyclotron resonance (ECR) sputtering using a target made of ZnO containing Er. For this, a well-known ECR sputtering apparatus may be used.

ECRスパッタ装置は、図2に示すように、成膜室201と、成膜室201に連通するプラズマ生成室203とを備える。プラズマ生成室203には、マイクロ波供給源204により例えば2.45GHzのマイクロ波が供給可能とされている。また、プラズマ生成室203の周囲には、例えば、0.0875T(テスラ)の磁場をプラズマ生成室203内に発生させる磁気コイル205が備えられている。   As shown in FIG. 2, the ECR sputtering apparatus includes a film formation chamber 201 and a plasma generation chamber 203 that communicates with the film formation chamber 201. For example, 2.45 GHz microwaves can be supplied to the plasma generation chamber 203 by a microwave supply source 204. Further, around the plasma generation chamber 203, for example, a magnetic coil 205 that generates a magnetic field of 0.0875 T (Tesla) in the plasma generation chamber 203 is provided.

また、成膜室201には、プラズマ生成室203の出口近傍を取り巻くリング状のターゲット202が配置されている。ターゲット202は、所定のターゲットバイアス(高周波電力)が印加可能とされている。   In the film forming chamber 201, a ring-shaped target 202 surrounding the vicinity of the outlet of the plasma generation chamber 203 is disposed. A predetermined target bias (high frequency power) can be applied to the target 202.

上述したように構成されたECRスパッタ装置の成膜室201の内部に、ターゲット202と約20cm離間させて基板Wを載置した後、よく知られた排気機構(不図示)により、成膜室201の内部を所定の圧力にまで真空排気する。例えば、成膜室201の内部を、10-4〜10-5Pa台の高真空状態の圧力に減圧する。 After the substrate W is placed about 20 cm apart from the target 202 in the film forming chamber 201 of the ECR sputtering apparatus configured as described above, the film forming chamber is formed by a well-known exhaust mechanism (not shown). The inside of 201 is evacuated to a predetermined pressure. For example, the inside of the film forming chamber 201 is depressurized to a high vacuum state pressure of 10 −4 to 10 −5 Pa.

次に、ECRスパッタ装置のプラズマ生成室203に、アルゴンなどの不活性ガスおよびO2ガスを導入して所定の真空度(圧力)とし、この状態で、磁気コイル205により2.45GHzのマイクロ波(500W程度)と0.0875Tの磁場とを供給して電子サイクロトロン共鳴条件とすることで、プラズマ生成室203内にECRプラズマを形成させる。 Next, an inert gas such as argon and O 2 gas are introduced into the plasma generation chamber 203 of the ECR sputtering apparatus to obtain a predetermined degree of vacuum (pressure). In this state, a 2.45 GHz microwave is generated by the magnetic coil 205. ECR plasma is formed in the plasma generation chamber 203 by supplying an electron cyclotron resonance condition by supplying a magnetic field of about 500 W and about 0.0875 T.

上述したことにより生成されたECRプラズマは、磁気コイル205の発散磁場により、プラズマ生成室203から、これに連通する成膜室201の側に放出される。この状態で、プラズマ生成室203の出口に配置されたターゲット202に、例えば、13.56MHz・500Wの高周波電力(ターゲットバイアス)を供給(印加)する。このことにより、生成されているECRプラズマにより発生した粒子が、ターゲット202に衝突してスパッタリング現象が起こり、ターゲット202を構成している粒子が飛び出す状態となる。   The ECR plasma generated as described above is emitted from the plasma generation chamber 203 to the film formation chamber 201 communicating with the ECR plasma by the divergent magnetic field of the magnetic coil 205. In this state, for example, high frequency power (target bias) of 13.56 MHz · 500 W is supplied (applied) to the target 202 disposed at the outlet of the plasma generation chamber 203. As a result, the particles generated by the generated ECR plasma collide with the target 202 to cause a sputtering phenomenon, and the particles constituting the target 202 jump out.

以上のようにしてECRプラズマを生成してスパッタ状態にすることで、ターゲット202よりスパッタされている粒子(Zn原子,O原子,Er原子)が、基板Wの上に堆積し、基板Wの上にErがドープされたZnOからなる蛍光体膜が形成される。ターゲット202におけるErとZnの原子数の総和に対するEr原子数の割合を制御して適宜に設定しておくことで、蛍光体膜におけるErとZnの原子数の総和に対するEr原子数の割合が、0.6at.%以上3at.%以下とすることができる。また、O2ガスが添加されているので、形成される蛍光体膜中に取り込まれる酸素原子が補える。 By generating ECR plasma in the sputter state as described above, particles (Zn atoms, O atoms, Er atoms) sputtered from the target 202 are deposited on the substrate W, A phosphor film made of ZnO doped with Er is formed. By controlling the ratio of the number of Er atoms to the total number of Er and Zn atoms in the target 202 and appropriately setting the ratio, the ratio of the number of Er atoms to the total number of Er and Zn atoms in the phosphor film is 0.6 at. % Or more 3 at. % Or less. In addition, since O 2 gas is added, oxygen atoms taken into the formed phosphor film can be compensated.

また、例えば、ErがドープされたZnOからなる蛍光体膜は、ZnOからなるターゲットを用いたECRスパッタ法、およびEr23からなるターゲットを用いたマグネトロンスパッタ法により形成してもよい。 For example, the phosphor film made of ZnO doped with Er may be formed by an ECR sputtering method using a target made of ZnO and a magnetron sputtering method using a target made of Er 2 O 3 .

上述した2つのスパッタ法による膜の形成を実現する成膜装置について図3を用いて説明する。この成膜装置は、図示しないターボ分子ポンプなどの真空排気装置が連通した真空処理室301と、真空処理室301の内部に設けられたECRプラズマ源302と、ECRプラズマ源302より生成されたECRプラズマによるスパッタを行うためのZnOからなるターゲット303とを備える。ECRプラズマ源302とターゲット303とにより、ECRスパッタ法を実現するECRスパッタ源が構成されていることになる。ECRプラズマ源302を動作させ、アルゴンガスを用いてECRプラズマを生成し、円筒型のターゲット303にRFを印加することでZn原子およびO原子がスパッタされ、これらが下流に位置する基板Wの表面に付着する。基板Wは、基板台310の上に載置されている。   A film forming apparatus that realizes film formation by the two sputtering methods described above will be described with reference to FIG. This film forming apparatus includes a vacuum processing chamber 301 communicated with a vacuum exhaust device such as a turbo molecular pump (not shown), an ECR plasma source 302 provided in the vacuum processing chamber 301, and an ECR generated from the ECR plasma source 302. And a target 303 made of ZnO for sputtering by plasma. The ECR plasma source 302 and the target 303 constitute an ECR sputtering source that realizes the ECR sputtering method. The ECR plasma source 302 is operated, ECR plasma is generated using argon gas, and RF is applied to the cylindrical target 303 to sputter Zn atoms and O atoms, and the surface of the substrate W located downstream thereof Adhere to. The substrate W is placed on the substrate table 310.

また、この成膜装置は、RFマグネトロンプラズマ発生部304と、RFマグネトロンプラズマ発生部304により生成されたプラズマによりスパッタを行うためのEr23からなるターゲット305とを備え、これらが、導入部306により真空処理室301に接続されている。RFマグネトロンプラズマ発生部304とターゲット305とにより、マグネトロンスパッタ法を実現するRFマグネトロンスパッタ源が構成されていることになる。 In addition, the film forming apparatus includes an RF magnetron plasma generation unit 304 and a target 305 made of Er 2 O 3 for performing sputtering with plasma generated by the RF magnetron plasma generation unit 304, and these include an introduction unit It is connected to the vacuum processing chamber 301 by 306. The RF magnetron plasma generation unit 304 and the target 305 constitute an RF magnetron sputtering source that realizes a magnetron sputtering method.

RFマグネトロンプラズマ発生部304によりアルゴンガスのプラズマを生成し、円板状のターゲット305にRFを印加することで、ターゲット305のEr原子およびO原子がスパッタされ(RFマグネトロンスパッタ)、これらが下流に位置する基板Wの表面に付着する。   The RF magnetron plasma generation unit 304 generates argon gas plasma and applies RF to the disk-shaped target 305, whereby the Er atoms and O atoms of the target 305 are sputtered (RF magnetron sputtering), and these are downstream. It adheres to the surface of the substrate W located.

これらの構成により、ターゲット303よりスパッタされて飛び出た粒子と、ターゲット305よりスパッタされて飛び出た粒子とが、真空処理室301の内部に配置された処理対象の基板Wの膜形成面に堆積することが可能となる。また、真空処理室301には、O2ガスを導入するガス導入口307を備えている。なお、図3では、アルゴンなどのスパッタガスの導入については省略している。Er23からなるターゲット305を用いることで、ZnO:Er膜が形成可能である。 With these configurations, particles sputtered and sputtered from the target 303 and particles sputtered and sputtered from the target 305 are deposited on the film formation surface of the substrate W to be processed disposed inside the vacuum processing chamber 301. It becomes possible. Further, the vacuum processing chamber 301 is provided with a gas inlet 307 for introducing O 2 gas. In FIG. 3, the introduction of a sputtering gas such as argon is omitted. By using the target 305 made of Er 2 O 3 , a ZnO: Er film can be formed.

上述した成膜装置では、ターゲット305の表面(スパッタされる面)の法線と基板Wの表面(成膜される面)の法線とのなす角度が、60°以上90°未満にされている。図3において、角度θが、60°以上90°未満にされている。ECRプラズマ源302からのプラズマが流れる方向を基板Wの法線方向としており、ターゲット305の表面の法線と、ECRプラズマ源302からのプラズマが流れる方向とのなす角度がθであり、これが60°以上90°未満にされている。なお、この例では、円筒形状のターゲット303を用いており、ターゲット303の中空部の中心を通る線が、ECRプラズマ源302からのプラズマが流れる方向となっている。   In the film forming apparatus described above, the angle formed between the normal line of the surface of the target 305 (the surface to be sputtered) and the normal line of the surface of the substrate W (the surface to be formed) is 60 ° or more and less than 90 °. Yes. In FIG. 3, the angle θ is set to 60 ° or more and less than 90 °. The direction in which the plasma from the ECR plasma source 302 flows is the normal direction of the substrate W, and the angle between the normal line on the surface of the target 305 and the direction in which the plasma from the ECR plasma source 302 flows is θ, which is 60 More than 90 ° and less than 90 °. In this example, a cylindrical target 303 is used, and a line passing through the center of the hollow portion of the target 303 is a direction in which plasma from the ECR plasma source 302 flows.

上述した角度の範囲であれば、Erの堆積速度をあまり大きくしすぎることがなく、Erの導入量を所望の範囲に制御することができる。一方、上記角度が90°を超えると、ターゲット305が基板Wの膜形成面から見込めなくなり、ターゲット305からの粒子がほとんど到達しなくなる。このため、上記角度は90°未満とする。実際には、上記角度が80°を越えると、ターゲット305から見込める基板Wの表面の領域(幅)が狭くなりすぎる。従って、ターゲット305の表面の法線と基板Wの表面の法線とのなす角度は、60°〜80°の範囲とするとよりよい。   When the angle is within the above-described range, the Er deposition rate is not excessively increased, and the amount of Er introduced can be controlled within a desired range. On the other hand, when the angle exceeds 90 °, the target 305 cannot be expected from the film forming surface of the substrate W, and particles from the target 305 hardly reach. For this reason, the said angle shall be less than 90 degrees. Actually, if the angle exceeds 80 °, the region (width) of the surface of the substrate W that can be expected from the target 305 becomes too narrow. Therefore, the angle formed between the normal line of the surface of the target 305 and the normal line of the surface of the substrate W is preferably in the range of 60 ° to 80 °.

なお、基板Wの表面に平行な平面方向において、基板Wは、ターゲット305からのスパッタ粒子が到達する領域(範囲)内に入る位置に配置する。また、基板台310に、基板Wをこの中心部を通る法線を軸として回転させる基板回転機能を備え、この機能により基板Wを回転させることで、基板Wの面内における膜厚と各組成の均一性を確保することができる。   In the plane direction parallel to the surface of the substrate W, the substrate W is disposed at a position that falls within a region (range) where the sputtered particles from the target 305 reach. Further, the substrate stage 310 is provided with a substrate rotation function for rotating the substrate W about the normal line passing through the central portion, and by rotating the substrate W by this function, the film thickness and each composition in the plane of the substrate W Can be ensured.

また、ECRプラズマ源302からのプラズマが流れる方向を基板Wの法線方向としており、この状態が、ECRスパッタ源によるZnO膜の堆積速度を最大とする。ECRプラズマ源302からのプラズマが流れる方向に対し、基板Wの法線方向をずらすほど、ECRプラズマ流(スパッタ粒子)の単位面積あたりの密度が低下し、堆積速度(成膜速度)が低下する。ECRプラズマ源302からのプラズマが流れる方向に対し、基板Wの法線方向をあまりずらすと、ZnO膜の堆積速度が低下しすぎ、相対的にErのドープ量が多くなり、所望とするErドープ量が得られない場合がある。従って、ECRプラズマ源302からのプラズマが流れる方向に対する基板Wの法線方向の角度は、あまり大きくしない方がよい。   The direction in which the plasma from the ECR plasma source 302 flows is the normal direction of the substrate W, and this state maximizes the deposition rate of the ZnO film by the ECR sputtering source. As the normal direction of the substrate W is shifted with respect to the direction in which the plasma from the ECR plasma source 302 flows, the density per unit area of the ECR plasma flow (sputtered particles) decreases and the deposition rate (film formation rate) decreases. . If the normal direction of the substrate W is shifted too much with respect to the direction in which the plasma from the ECR plasma source 302 flows, the deposition rate of the ZnO film decreases too much, and the amount of Er doping increases relatively, and the desired Er doping is achieved. The amount may not be obtained. Therefore, the angle of the normal direction of the substrate W with respect to the direction in which the plasma from the ECR plasma source 302 flows should not be so large.

上述した成膜装置を用いることで、サファイアからなる基板Wの上にErがドープされたZnOからなる蛍光体膜が形成できる。例えば、RFマグネトロンプラズマ発生部304におけるスパッタパワーを制御することで、基板Wの上に形成される蛍光体膜におけるErとZnの原子数の総和に対するEr原子数の割合が、0.6at.%以上3at.%以下とすることができる。また、O2ガスを導入してスパッタ成膜すれば、形成される蛍光体膜中に取り込まれる酸素原子を補うことができる。なお、上述したスパッタ成膜において、基板加熱は行っていないが、成膜の過程で、基板温度は70℃程度まで上昇する。 By using the film forming apparatus described above, a phosphor film made of ZnO doped with Er can be formed on the substrate W made of sapphire. For example, by controlling the sputtering power in the RF magnetron plasma generation unit 304, the ratio of the number of Er atoms to the total number of Er and Zn atoms in the phosphor film formed on the substrate W is 0.6 at. % Or more 3 at. % Or less. In addition, if sputtering film formation is performed by introducing O 2 gas, oxygen atoms taken into the formed phosphor film can be supplemented. In the sputter film formation described above, the substrate is not heated, but the substrate temperature rises to about 70 ° C. during the film formation process.

以下、実施の形態におけるスパッタ法で形成するErドープZnO蛍光体膜について、実施例を用いてより詳細に説明する。本発明においては、上述したように、主表面をC面またはA面としたサファイア基板を550℃以上900℃以下に加熱した状態で、加熱されたサファイア基板の主表面に、Er原子数の割合が、0.6at.%以上3at.%以下となる条件で、ErがドープされたZnOからなる蛍光体膜(ZnO:Er膜)をスパッタ法で形成するところに特徴がある。   Hereinafter, the Er-doped ZnO phosphor film formed by the sputtering method in the embodiment will be described in more detail using examples. In the present invention, as described above, the ratio of the number of Er atoms on the main surface of the heated sapphire substrate in a state where the main surface is heated to 550 ° C. or more and 900 ° C. or less with the C-plane or A-plane being the main surface. However, 0.6 at. % Or more 3 at. It is characterized in that a phosphor film (ZnO: Er film) made of ZnO doped with Er is formed by sputtering under the condition of% or less.

ZnO:Er膜とサファイア基板とは格子整合するため、成長初期にはZnO結晶がエピタキシャル成長する。例えば、高温でZnO:Er膜をサファイア基板上にスパッタ成膜すると、成長初期のZnO結晶とサファイア基板との格子定数の違いがもたらす格子歪みにより、途中からZnO結晶中に転位などの欠陥が多数導入される。また、ZnO結晶とサファイア基板との熱膨張係数は、かなり異なるため、歪みにより結晶が小さなグレインに分かれることで、格子歪みを緩和しようとする。このような結晶粒界の増大が、ZnO結晶の実質的な表面積を増大させ、多数のEr3+イオンを収納する結晶表面/界面を提供することにつながる。このような状態が、Er3+イオンからの強い発光を可能にする。 Since the ZnO: Er film and the sapphire substrate are lattice-matched, the ZnO crystal grows epitaxially at the initial stage of growth. For example, when a ZnO: Er film is sputter-deposited on a sapphire substrate at a high temperature, there are many defects such as dislocations in the ZnO crystal from the middle due to lattice distortion caused by the difference in lattice constant between the ZnO crystal at the initial growth stage and the sapphire substrate. be introduced. In addition, since the thermal expansion coefficients of the ZnO crystal and the sapphire substrate are quite different, the crystal is divided into small grains due to strain, thereby attempting to relieve the lattice strain. Such increased grain boundaries increase the substantial surface area of the ZnO crystal and provide a crystal surface / interface that contains a large number of Er 3+ ions. Such a state enables strong light emission from Er 3+ ions.

後述するように、上述した状態を実現するための基板温度の下限は、550℃であることを実験的に確認した。また基板温度が900℃を超えると、ZnO結晶から酸素が抜けやすくなるため、基板温度の上限は900℃とすることが望ましい。550℃以上の基板温度において成膜すれば、成膜した後に加熱処理などの他の処理をしない状態(as−depo)でEr3+イオンが発光する。 As will be described later, it was experimentally confirmed that the lower limit of the substrate temperature for realizing the above-described state was 550 ° C. Further, when the substrate temperature exceeds 900 ° C., oxygen easily escapes from the ZnO crystal. Therefore, the upper limit of the substrate temperature is desirably 900 ° C. If a film is formed at a substrate temperature of 550 ° C. or higher, Er 3+ ions emit light in a state (as-depo) in which no other treatment such as heat treatment is performed after the film formation.

次に、Er濃度に関しては、発光に寄与するEr3+イオンの数と、濃度消光の兼ね合いから、2at.%以上、4at.%以下において最も発光強度が高くなることが、後述するように実験的に示された。 Next, with regard to the Er concentration, 2 at. From the balance between the number of Er 3+ ions contributing to light emission and concentration quenching. % Or more, 4 at. It has been experimentally shown that the emission intensity becomes the highest at% or less as described later.

ところで、ZnO:Er膜の成膜時に流す酸素ガスの量により、ZnO膜中の酸素量が変化する。形成された膜が、Er3+イオンが最も強く発光する最適な酸化状態にない場合には、成膜処理をした後の加熱処理(成膜後加熱)をすることで、含有酸素量を調節できる。例えば、過剰に酸化されていれば、成膜後加熱を真空中で行うことで、余分な酸素原子を取り除くことができる。逆にZnO結晶が還元的な状態であれば、成膜後加熱を酸素中で行うことで酸化を促進し、より強い発光を実現することができる。 By the way, the amount of oxygen in the ZnO film varies depending on the amount of oxygen gas that flows when the ZnO: Er film is formed. If the formed film is not in the optimum oxidation state where Er 3+ ions emit the strongest light, the amount of oxygen contained is adjusted by heat treatment after film formation (heating after film formation). it can. For example, if the film is excessively oxidized, excess oxygen atoms can be removed by heating in vacuum after film formation. On the other hand, if the ZnO crystal is in a reducing state, it is possible to promote oxidation by performing heating after deposition in oxygen to achieve stronger light emission.

[実施例]
以下、実施例について説明する。上述した本発明の有効性を実証するために、サファイアC面基板上へZnO:Er膜を形成し、形成したZnO:Er膜の発光特性を調べた。なお、A面基板を用いる場合でも、ZnO結晶膜はC面終端して成長するため、同様な結果が得られる。
[Example]
Examples will be described below. In order to demonstrate the effectiveness of the present invention described above, a ZnO: Er film was formed on a sapphire C-plane substrate, and the emission characteristics of the formed ZnO: Er film were examined. Even when an A-plane substrate is used, a similar result is obtained because the ZnO crystal film grows with the C-plane terminated.

まず、上述したZnOからなるターゲットを用いたECRスパッタ法、およびEr23からなるターゲットを用いたマグネトロンスパッタ法により、試料となるZnO:Er膜を形成する。図3を用いて説明した成膜装置を用いればよい。ECRスパッタ部では、ZnOターゲットを用い、プラズマガスとして酸素ガスを添加したアルゴンガスを用いる。酸素ガスの添加は、膜中に取り込まれる酸素原子を補うために行う。酸素流量は、成膜室内の圧力が5×10-3Paから3×10-2Paの間になるように設定した。 First, a ZnO: Er film to be a sample is formed by the above-described ECR sputtering method using a target made of ZnO and magnetron sputtering method using a target made of Er 2 O 3 . The film formation apparatus described with reference to FIG. 3 may be used. In the ECR sputtering unit, a ZnO target is used, and an argon gas added with an oxygen gas is used as a plasma gas. The addition of oxygen gas is performed to supplement oxygen atoms taken into the film. The oxygen flow rate was set so that the pressure in the film forming chamber was between 5 × 10 −3 Pa and 3 × 10 −2 Pa.

ZnOターゲットを備えたECRスパッタによりZnOホスト結晶を成膜しながら、Er23ターゲットを備えたRFマグネトロンスパッタガンからのスパッタを併用し、ZnO中にErを取り込んだ。また、ECRスパッタによるZnO成膜のためのマイクロ波パワーは500W、ZnOターゲットに印加するRFのパワーは500Wとした。成膜したZnO:Er薄膜におけるEr含有量は、Er23ターゲットを用いたRFマグネトロンスパッタパワーにより変化させる。RFマグネトロンスパッタパワーを10,15,20,30,50,70Wと変化させることで調節した。 While forming a ZnO host crystal by ECR sputtering equipped with a ZnO target, sputtering from an RF magnetron sputtering gun equipped with an Er 2 O 3 target was also used to incorporate Er into ZnO. Further, the microwave power for ZnO film formation by ECR sputtering was 500 W, and the RF power applied to the ZnO target was 500 W. The Er content in the deposited ZnO: Er thin film is changed by RF magnetron sputtering power using an Er 2 O 3 target. The RF magnetron sputtering power was adjusted by changing it to 10, 15, 20, 30, 50, and 70 W.

なお、基板には直径が2インチのサファイアC面基板を用いた。サファイア基板を3×3に9分割し、各領域のEr3+イオンからの発光強度やX線回折パタンのEr濃度依存性を得た。また、Er3+イオンからの発光は、532nmの固体レーザーで励起し、413/2415/2の遷移に基づく1.54μm波長帯のPLスペクトルを測定した。 As the substrate, a sapphire C-plane substrate having a diameter of 2 inches was used. The sapphire substrate was divided into 9 × 3 × 3, and the emission intensity from Er 3+ ions in each region and the Er concentration dependency of the X-ray diffraction pattern were obtained. Further, luminescence from Er 3+ ions excited solid laser 532nm, 4 I 13/2 - 4 were measured PL spectrum of 1.54μm wavelength band based on the transition of I 15/2.

図4は、上述したことにより成膜した,Er濃度3.9at.%のZnO:Er膜(a),Er濃度4.2at.%のZnO:Er膜(b),Er濃度1.5at.%のZnO:Er膜(c),Er濃度1.7at.%のZnO:Er膜(d)について、Er3+イオンからの発光(PLスペクトル)を示す特性図である。ここで、Er濃度4.2at.%のZnO:Er膜(b)およびEr濃度1.7at.%のZnO:Er膜(d)は、成膜時の基板温度条件を室温(20〜25℃程度)とし、この後加熱処理をしていない。一方、Er濃度3.9at.%のZnO:Er膜(a)およびEr濃度1.5at.%のZnO:Er膜(c)は、成膜時の基板温度条件を室温とし、成膜後に、700℃・1時間の条件で加熱処理をしている。 4 shows an Er concentration of 3.9 at. % ZnO: Er film (a), Er concentration 4.2 at. % ZnO: Er film (b), Er concentration 1.5 at. % ZnO: Er film (c), Er concentration 1.7 at. It is a characteristic view which shows the light emission (PL spectrum) from Er <3+> ion about% ZnO: Er film | membrane (d). Here, the Er concentration is 4.2 at. % ZnO: Er film (b) and Er concentration 1.7 at. % ZnO: Er film (d) is subjected to substrate temperature conditions at the time of film formation at room temperature (about 20 to 25 ° C.) and is not subjected to heat treatment thereafter. On the other hand, the Er concentration is 3.9 at. % ZnO: Er film (a) and Er concentration of 1.5 at. % Of the ZnO: Er film (c) is subjected to heat treatment under conditions of 700 ° C. and 1 hour after film formation at a substrate temperature condition of the film formation.

加熱により発光強度が増大してはいるが、ノイズが目立っていることから、あまり強く発光していないことが分かる。900℃以下のすべての成膜後加熱温度において、発光強度は10000〜20000カウント程度であった。   Although the emission intensity is increased by heating, the noise is conspicuous, and it can be seen that the emission is not so strong. At all post-deposition heating temperatures of 900 ° C. or lower, the emission intensity was about 10,000 to 20,000 counts.

これらの結果について考察する。室温(20〜25℃程度)成膜すると、ZnO膜は2次元的に成長し、Er3+イオンはZnO結晶中に閉じ込められる。これを加熱してもZnO結晶の形態は変わらないので、一部のEr3+イオンがカチオンサイトを置換できたとしても、残りの多くは、発光に寄与していないと推測される。室温で成膜した場合には、1538nmのピークだけが強く、周囲のサブピークは弱いため、実質的に半値幅の小さな発光スペクトルとなっている。 Let us consider these results. When the film is formed at room temperature (about 20 to 25 ° C.), the ZnO film grows two-dimensionally and Er 3+ ions are confined in the ZnO crystal. Even if this is heated, the shape of the ZnO crystal does not change, so even if some of the Er 3+ ions can replace the cation site, it is presumed that most of the remainder does not contribute to light emission. When the film is formed at room temperature, only the peak at 1538 nm is strong and the surrounding sub-peak is weak, so that the emission spectrum has a substantially small half width.

図5は、Er濃度0.6at.%のZnO:Er膜を成膜する際の基板温度を変えたときに、発光スペクトルがどのように変化するかを示している。500℃以下ではせいぜい10000カウント以下であるが、600℃では40000カウントに増大している。その他の実験結果も合わせて、基板温度が550℃を超えると、一気に発光強度が増大することが確認された。   FIG. 5 shows an Er concentration of 0.6 at. It shows how the emission spectrum changes when the substrate temperature when the ZnO: Er film of% is changed. At 500 ° C. or less, it is at most 10,000 counts, but at 600 ° C., it increases to 40000 counts. Together with other experimental results, it was confirmed that when the substrate temperature exceeded 550 ° C., the emission intensity increased at a stretch.

図6は、基板温度550℃において、Er23ターゲットを用いたRFスパッタにおけるスパッタパワーを変化させて取り込まれるEr濃度を変えた一連のZnO:Er膜の試料について、成膜後に真空中において700℃で加熱した後のPLスペクトルを示す特性図である。Er濃度0.1at.%からEr濃度を増やしていくと、次第に発光強度は上がっていくが、3.9at.%において、非常に強く発光している。さらにEr濃度を増やすと、濃度消光により、発光しなくなっている。 FIG. 6 shows a series of ZnO: Er film samples in which the Er concentration is changed by changing the sputtering power in RF sputtering using an Er 2 O 3 target at a substrate temperature of 550 ° C. in vacuum after film formation. It is a characteristic view which shows PL spectrum after heating at 700 degreeC. Er concentration 0.1 at. As the Er concentration is increased from%, the emission intensity gradually increases, but 3.9 at. %, The light is emitted very strongly. When the Er concentration is further increased, light emission stops due to concentration quenching.

図7は、基板温度550℃において、Er23ターゲットを用いたRFスパッタにおけるスパッタパワーを変化させて取り込まれるEr濃度を変えた一連のZnO:Er膜の試料について、成膜後に酸素中において700℃で加熱した後のPLスペクトルを示す特性図である。このように酸素中で成膜後に加熱を行うと、2.0at.%において、著しく強い発光が得られている。 FIG. 7 shows a series of ZnO: Er film samples in which the concentration of Er incorporated by changing the sputtering power in RF sputtering using an Er 2 O 3 target at a substrate temperature of 550 ° C. is changed in oxygen after film formation. It is a characteristic view which shows PL spectrum after heating at 700 degreeC. Thus, when heating is performed after film formation in oxygen, 2.0 at. %, Remarkably strong light emission is obtained.

Er23ターゲットに投入するスパッタパワーを増やすと、Er3+イオンと同時に酸素もZnO:Er膜中に多く取り込まれるようになる。酸素中で加熱する場合には、ZnO:Er膜の酸化度がまだ低いEr濃度2.0at.%において最も強い発光を示すのに対して、真空中加熱では、酸素が部分的に抜けて還元的になるため、より高いスパッタパワーで成膜したEr濃度3.9at.%が最適な条件になることが分かる。このように、加熱雰囲気によって、最大発光強度を与えるEr濃度は若干変化するが、他の実験結果を総合すると、2at.%以上、4at.%以下のEr濃度で最も強い発光が得られることが判明した。 When the sputtering power input to the Er 2 O 3 target is increased, a large amount of oxygen is taken into the ZnO: Er film simultaneously with Er 3+ ions. In the case of heating in oxygen, the ZnO: Er film has a still low degree of oxidation with an Er concentration of 2.0 at. % Shows the strongest light emission, whereas in the vacuum heating, oxygen is partially lost and becomes reductive, so that the Er concentration of 3.9 at. % Is the optimal condition. As described above, the Er concentration that gives the maximum light emission intensity slightly changes depending on the heating atmosphere. % Or more, 4 at. It has been found that the strongest luminescence can be obtained at an Er concentration of not more than%.

図8は、Er濃度を1.5at.%とした試料について、真空中における成膜後加熱の温度を変えたときの発光スペクトルの変化を示す特性図である。発光強度は、600℃の加熱で最大になり、700℃以上では発光強度が減少している。この原因としては、成膜時の酸素量が若干足りなかったため、高温で加熱するとより還元的になって、最適条件からはずれるからと考えられる。   FIG. 8 shows that the Er concentration is 1.5 at. It is a characteristic view which shows the change of the emission spectrum when the temperature of the post-deposition heating in a vacuum is changed about the sample made into%. The emission intensity becomes maximum when heating at 600 ° C., and the emission intensity decreases at 700 ° C. or higher. This is considered to be because the amount of oxygen at the time of film formation was slightly insufficient, and when heated at a high temperature, it became more reductive and deviated from the optimum conditions.

図9は、図8の結果を求めた同じ基板上のZnO:Er膜について、Er濃度2.0at.%の領域を切り出して試料とし、酸素中における成膜後加熱温度を変えたときの発光スペクトルの変化を示す特性図である。この場合は、700℃で発光強度は最大になってはいるが、600℃から900℃の範囲でそれほど大きな違いは見られない。もとの試料が若干還元的であったため、酸素中の加熱で適切な酸化度になったためと考えられる。   9 shows an Er concentration of 2.0 at. For a ZnO: Er film on the same substrate for which the results of FIG. It is a characteristic view showing the change of the emission spectrum when the% region is cut out as a sample and the heating temperature after film formation in oxygen is changed. In this case, the emission intensity is maximum at 700 ° C., but there is no significant difference in the range from 600 ° C. to 900 ° C. This is probably because the original sample was slightly reductive, so that an appropriate degree of oxidation was obtained by heating in oxygen.

以上の結果から、550℃以上の基板温度で、Er濃度が2〜4at.%の範囲のZnO:Er膜を成膜し、酸化還元状態に応じて真空中あるいは酸素中の加熱雰囲気を選択し、600℃から900℃の範囲で成膜後加熱を行えば、最大発光強度を得られることが明らかになった。   From the above results, the Er concentration is 2 to 4 at. % ZnO: Er film is formed, the heating intensity in vacuum or oxygen is selected according to the oxidation-reduction state, and the film is heated in the range of 600 ° C to 900 ° C. It became clear that

次に、上述したように強発光するZnO:Er膜を評価するために取得したX線回折パタンを図10に示す。すべての試料は、基板温度550℃以上で成膜した。図10に示すように、Er濃度を0.1at.%から22at.%まで増やしても、ZnO(002)だけが強い回折パタンが得られている。このことは、Er濃度に関わらず、ZnO結晶は安定なc軸配向の構造になっていることを示している。ZnO(002)ピーク強度は、Er濃度5at.%程度まであまり変化していないが、Er濃度5at.%を超えると次第に低下し、22at.%においては、0.1at.%のパタンに比べて、約3桁も下がっている。これは、ZnO膜中に大量に取り込まれたEr3+イオンの存在が、大きなZnO結晶ドメインの生成を妨げていることを示している。 Next, FIG. 10 shows the X-ray diffraction pattern obtained for evaluating the ZnO: Er film that emits strong light as described above. All samples were deposited at a substrate temperature of 550 ° C. or higher. As shown in FIG. 10, the Er concentration was 0.1 at. % To 22 at. Even if it is increased to%, a strong diffraction pattern of only ZnO (002) is obtained. This indicates that the ZnO crystal has a stable c-axis orientation structure regardless of the Er concentration. The ZnO (002) peak intensity was measured at an Er concentration of 5 at. %, But the Er concentration is 5 at. %, It gradually decreases and exceeds 22 at. %, 0.1 at. Compared to the% pattern, it is about 3 digits lower. This indicates that the presence of Er 3+ ions incorporated in a large amount in the ZnO film prevents the formation of a large ZnO crystal domain.

形成された膜がc軸配向のドメインだけからなることは、Er3+イオンが結晶の格子点を占めるのではなく、結晶子の表面や界面上に存在し、ZnO結晶子自体は、Er3+イオンを含まないZnO結晶と同様な環境に置かれていることを意味している。 The formed film consists of only the domain of the c-axis orientation is not Er 3+ ions occupy lattice points of the crystal, present on the surface and interface of crystallite, ZnO crystallites themselves, Er 3 It means being placed in the same environment as a ZnO crystal containing no + ion.

上述したことを確かめる目的で、図7を用いて説明した各々Er濃度が異なる各ZnO:Er膜の試料におけるZnO(002)ピークの2θ回折角度をプロットした。この結果を図11の白丸に示す。図11の白丸に示す結果は、アンドープZnO結晶と同様な値を示している。よって、実施の形態の方法によって形成したZnO:Er結晶の結晶歪みは、完全に緩和していると言える。   For the purpose of confirming the above, the 2θ diffraction angle of the ZnO (002) peak in each ZnO: Er film sample having different Er concentrations described with reference to FIG. 7 was plotted. The result is shown by white circles in FIG. The result shown by the white circle in FIG. 11 shows the same value as the undoped ZnO crystal. Therefore, it can be said that the crystal distortion of the ZnO: Er crystal formed by the method of the embodiment is completely relaxed.

ZnOホスト結晶の状態がドープしたEr3+イオンからの発光に影響することを示すために、温度条件を室温として、サファイア基板上にアンドープZnOバッファ層を厚さ300nm成膜してから、基板温度を550℃に上げ、ZnO:Er膜を成膜した試料を作製した。下層の低温バッファ層は、サファイア基板と上層のZnO:Er膜との間に直接生じる格子歪みを段階的に緩和する効果がある。実際、ZnO:Er膜の表面は非常になだらかな鏡面であった。このようなバッファ層が形成されている試料のX線回折パタンを測定したところ、図10に示した結果と同様に、ZnO(002)ピークが主なc軸配向膜であることが確認された。 In order to show that the state of the ZnO host crystal affects the light emission from the doped Er 3+ ions, the temperature condition is set to room temperature, an undoped ZnO buffer layer is deposited on the sapphire substrate to a thickness of 300 nm, and then the substrate temperature Was raised to 550 ° C. to prepare a sample in which a ZnO: Er film was formed. The lower temperature buffer layer has an effect of stepwise relieving lattice distortion directly generated between the sapphire substrate and the upper ZnO: Er film. In fact, the surface of the ZnO: Er film was a very smooth mirror surface. When the X-ray diffraction pattern of the sample in which such a buffer layer was formed was measured, it was confirmed that the ZnO (002) peak was the main c-axis alignment film, similar to the result shown in FIG. .

ここで、図11の黒丸は、上述したバッファ層を形成した試料の2θ回折角をプロットしてた結果を示している。図11の黒丸と白丸とを比較すれば明らかなように、2θ角はバッファ層なしのものと比べて小さく、アンドープZnO結晶に比べてc軸長が伸びていることを示している。このように、サファイア基板との格子ミスマッチに起因する応力が、ZnOバッファ層やZnO:Er膜に残っていることを示している。   Here, the black circles in FIG. 11 show the result of plotting the 2θ diffraction angle of the sample on which the buffer layer is formed. As is clear from comparison between the black circle and the white circle in FIG. 11, the 2θ angle is smaller than that without the buffer layer, indicating that the c-axis length is longer than that of the undoped ZnO crystal. Thus, it is shown that the stress caused by the lattice mismatch with the sapphire substrate remains in the ZnO buffer layer and the ZnO: Er film.

ZnOバッファ層付きのZnO:Er膜試料からの発光スペクトルの測定結果を図12に示す。ZnO:Er膜自体は、550℃で成膜したにも関わらず、図7〜図10を用いて説明した結果と比べると、発光強度は1/10以下と、著しく低くなっている。この結果は、図11に示されているように、ZnO:Er膜の格子緩和が不十分なことが、発光可能なサイトに存在するEr3+イオンの数に影響していることが原因と考えられる。この結果より分かるように、バッファ層を用いない方がよいことが分かる。 The measurement result of the emission spectrum from the ZnO: Er film | membrane sample with a ZnO buffer layer is shown in FIG. Although the ZnO: Er film itself was formed at 550 ° C., the emission intensity was remarkably reduced to 1/10 or less as compared with the results described with reference to FIGS. As a result, as shown in FIG. 11, the fact that the lattice relaxation of the ZnO: Er film is insufficient affects the number of Er 3+ ions present at the sites capable of emitting light. Conceivable. As can be seen from this result, it is understood that it is better not to use the buffer layer.

以上に説明したように、本発明によれば、主表面をC面またはA面としたサファイア基板を550℃以上900℃以下のいずれかの温度に加熱し、加熱されたサファイア基板の主表面にErがドープされたZnOからなる蛍光体膜を、Er濃度が、0.6at.%以上3at.%以下となる条件のスパッタ法で形成するようにしたので、強い発光(赤外発光)が得られる2次元的に連続したErドープZnO蛍光体膜が形成できるようになる。   As described above, according to the present invention, a sapphire substrate whose main surface is C-plane or A-plane is heated to any temperature of 550 ° C. or more and 900 ° C. or less, and the main surface of the heated sapphire substrate is applied. A phosphor film made of ZnO doped with Er is used with an Er concentration of 0.6 at. % Or more 3 at. %, The two-dimensional continuous Er-doped ZnO phosphor film capable of obtaining strong light emission (infrared light emission) can be formed.

上述したように、本発明によれば、サファイア単結晶基板を用い、プロセス条件を適切に設定することで、他の一般的なSi基板などでは得られないような強い赤外発光を実現することが可能となる。本発明によるErドープZnO蛍光体膜を用いることで、LED(Light-Emitting Diode)などへの応用が可能である。   As described above, according to the present invention, by using a sapphire single crystal substrate and setting process conditions appropriately, it is possible to realize strong infrared emission that cannot be obtained with other general Si substrates. Is possible. By using the Er-doped ZnO phosphor film according to the present invention, application to an LED (Light-Emitting Diode) or the like is possible.

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious.

101…基板、102…蛍光体膜。   101 ... substrate, 102 ... phosphor film.

Claims (1)

主表面をC面またはA面としたサファイア基板を550℃以上900℃以下のいずれかの温度に加熱する加熱工程と、
加熱された前記サファイア基板の主表面にErがドープされたZnOからなる蛍光体膜を、Erを含有するZnOからなるターゲットを用いた電子サイクロトロン共鳴スパッタ法により形成する蛍光体膜形成工程と
を備え、
前記蛍光体膜形成工程では、
前記蛍光体膜におけるErとZnの原子数の総和に対するEr原子数の割合を0.6at.%以上3at.%以下とすることを特徴とするErドープZnO蛍光体膜形成方法。
A heating step of heating the sapphire substrate whose main surface is the C-plane or A-plane to any temperature of 550 ° C. or more and 900 ° C. or less;
A phosphor film forming step of forming a phosphor film made of ZnO doped with Er on the main surface of the heated sapphire substrate by an electron cyclotron resonance sputtering method using a target made of ZnO containing Er. ,
In the phosphor film forming step,
The ratio of the number of Er atoms to the total number of Er and Zn atoms in the phosphor film is 0.6 at. % Or more 3 at. % Or less, an Er-doped ZnO phosphor film forming method.
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