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自然超格子ホモロガス単結晶薄膜の製造方法。 UPDATE 新技術説明会 実績あり

国内特許コード P03A002100
整理番号 E060P16
掲載日 2003年10月1日
出願番号 特願2001-340066
公開番号 特開2003-137692
登録番号 特許第4298194号
出願日 平成13年11月5日(2001.11.5)
公開日 平成15年5月14日(2003.5.14)
登録日 平成21年4月24日(2009.4.24)
発明者
  • 細野 秀雄
  • 植田 和茂
  • 折田 政寛
  • 太田 裕道
  • 平野 正浩
出願人
  • 国立研究開発法人科学技術振興機構
  • HOYA株式会社
発明の名称 自然超格子ホモロガス単結晶薄膜の製造方法。 UPDATE 新技術説明会 実績あり
発明の概要 【課題】 薄膜成長法でホモロガス相M1M2O3(ZnO)mを成長させると、蒸気圧の高いZnOの蒸発が顕著に起こり、組成が制御できないことに加え、均質な超格子が形成できない。
【構成】 単結晶基板に形成したZnOエピタキシャル薄膜上または該薄膜の消失した該単結晶基板上、あるいはZnO単結晶上にエピタキシャル成長した式M1M2O3(ZnO)m(ただし、M1は、Ga,Fe,Sc,In,Lu,Yb,Tm,Er,Ho及びYのうち少なくとも1種類、M2は、Mn,Fe,Ga,In,Alのうち少なくとも1種類とし、mは、1を含む1以上の自然数)で表される複合酸化物からなることを特徴とする自然超格子ホモロガス単結晶薄膜。複合酸化物を堆積し、得られた積層膜を加熱拡散して製造する。本発明の自然超格子ホモロガス単結晶薄膜は、光デバイス、電子デバイス、X線光学デバイスなどに用いられる。
従来技術、競合技術の概要


異なる物質の結晶層を何層か重ね合わせた構造を総称して『超格子』と呼ぶ。超格子には、結晶構造自体の周期性による「自然超格子」と組成の異なる極薄膜を人工的に交互に積層する「人工超格子」がある。結晶周期ないし各薄膜層の厚さが、ナノメーター程度の場合、各結晶周期層ないし各薄膜層の化学組成や層の厚さの組み合わせによって、単一の物質あるいは各層を均一に混ぜ合わせた混晶の性質とは異なる、固有な特性が得られる。その多くは、量子サイズ効果に起因している。



自然超格子としては、ホモロガス結晶相など長周期を有する結晶がある。一方、人工超格子に関しては、1969年、江崎玲於奈博士が、1次元の周期的な構造変化を有する人工単結晶「半導体超格子」の概念を提案した。数ナノメーターの膜厚を有する、バンドギャップの小さな薄膜層(井戸層)とバンギャップの大きな薄膜層(障壁層)を交互に積層した半導体超格子構造を用いて、負性抵抗素子が実現できる事を提案した。



人工超格子では、それぞれの薄膜の厚さは電子のドブロイ波よりも薄いおよそ5nm以下である必要がある。薄膜が厚い場合には、おのおのの半導体の性質がほぼそのまま維持され、膜の界面は、単なる境界条件として作用するに過ぎない。膜厚が電子のドブロイ波より薄くなると、電子が波として振舞うため、新しい性質が出現する。そうした効果は一般に量子サイズ効果と呼ばれている。



超格子構造では、井戸層に存在する電子は、障壁層がつくる井戸型ポテンシャルを感じている。こうした状態は、量子井戸と呼ばれ、ここでは、電子が波の性質を持つため、電子は離散的なエネルギーしか持つことができない。こうした離散的量子エネルギー準位と同じエネルギーを持った電子は障壁を通り抜け、量子井戸内に侵入することができる。これを共鳴トンネル効果と呼ぶ。



半導体結晶特有の電子・光学的性質は、原子が格子上に規則的に配列され、電子に対する周期的ポテンシャルが形成されている事に基づいている。超格子では、この結晶周期ポテンシャルに加えて、超格子に基づく長周期のポテンシャルが生じる。2つのポテンシャルが相乗した環境を電子が運動するために、超格子には、結晶と違った新しい性質が付与されるとも考えられる。



以上のような機構を通じ、超格子構造では、電子の移動速度が大きくなる、共鳴トンネル効果によりトンネル電流が流れやすくなる、電子と正孔の結合による発光効率が高くなるなどの特徴が生じる。こうした性質を利用して、超格子構造は、HEMTと呼ばれる高速トランジスター、通信用および光デスク用半導体レーザー材料として、既に実用化している。また、共鳴トンネル効果によって微分負性抵抗をもつ特異な電流-電圧特性が得られることが知られている。この微分負性抵抗を利用したデバイスの代表例が単安定-双安定転移論理素子(MOnostable-BIstable transition Logic Element、MOBILE)である。



人工超格子構造は、薄膜成長技術を駆使して異なる2種類以上の半導体をエピタキシャル成長させることにより作成される。エピタキシャル成長とは、単結晶基板上に、薄膜単結晶を育成したとき、両者の結晶方位が一致することを言う。エピタキシャル成長した場合、急峻で、欠陥密度の小さな薄膜界面を得る事ができる。



エピタキシャル成長技術として代表的な薄膜成長技術には、スパッタリング法、分子線エピタキシー(MBE)法、化学気相蒸着法などがある。非熱平衡蒸発を用いるスパッタリング法は、現在最も広く普及し、工業的にも活用されている手法である。製膜法としてのスパッタリング法はいわゆるスパッタ現象を利用した方法である。



スパッタ現象は、1852年にW.Groveが発見した。スパッタ現象とは、ターゲット表面に入射する高運動エネルギー粒子(イオンまたはターゲット表面近傍で電子により中性化された原子)が弾性衝突によりターゲット構成原子にその運動量を与え、反跳原子は近傍の原子と次々と衝突を繰り返し、結果として、ターゲット表面原子が放出されることを指す。スパッタリング法による製膜法は、放出されたターゲット構成原子を基板上に堆積させ薄膜化するものである。スパッタリング法は、成膜速度が速いので、一般的には、人工超格子の作成には適していない。



MBE法(分子線エピタキシー法、molecular beam epitaxy)は、1968年当時、米国ベル研究所にいたJ.R.Arthurにより命名された技術であり、主にGaAs等の化合物半導体を対象に開発された薄膜結晶成長法である。MBE法は、真空蒸着法の改良・発展形とみなすことが出来る。これは、超高真空中で、成長させようとする結晶の原材料の中性分子(または原子)の流れ、すなわち、分子線(原子線)の強度を精度よく制御し、これを精度よく加熱した基板上に入射させることによりエピタキシャル結晶成長を行わせる方法である。



MBE法で取り扱うことのできる材料の種類は、化合物半導体、Siなどの元素半導体、さらには、各種の金属、酸化物超伝導体と多岐に亘る。通常の真空蒸着法との違いは、成長室内の真空度が10-7~10-8Pa以下であり、結晶の表面が原子スケ-ルで常に清浄に保たれた状態で成長が行われ、分子線(ビ-ム)の強度が精度よく制御されていることである。MBE法は、研究開発用に広く使われている他、HEMTなどの実用素子の作成に使われている。



化学気相蒸着法(CVD法)は、塩化物あるいは有機金属化合物を原料として、基板上で原料ガスを化学反応させ、所定の組成を有する薄膜を基板上に育成する方法であり、量産性に優れているため、半導体レーザー超格子構造の作成など実用材料の作成に使われている。

産業上の利用分野


本発明は、自然超格子構造を有するZnO複合酸化物エピタキシャル単結晶薄膜の製法に関する。この製法により得られた単結晶薄膜は、光デバイス(発光ダイオード,レーザーダイオード)、電子デバイス(共鳴トンネル効果による微分負性抵抗を利用した単安定-双安定転移論理素子デバイス,HEMT,FET)、X線光学デバイス(軟X線反射ミラー)に用いることができる。

特許請求の範囲 【請求項1】
ZnOエピタキシャル薄膜上に式1;M1M2O3(ZnO)nで表される複合酸化物薄膜を堆積し、得られた積層膜を1200℃以上1600℃以下で加熱拡散処理することによって、式2;M1M2O3(ZnO)m(ただし、式1、式2のM1は、Ga,Fe,Sc,In,Lu,Yb,Tm,Er,Ho及びYのうち少なくとも1種類、M2は、Mn,Fe,Ga,In,Alのうち少なくとも1種類とし、nは、1を含む1以上の自然数、mは、1以上の、nと同じかnより大きい自然数)で表される複合酸化物薄膜をエピタキシャル成長させることを特徴とするホモロガス単結晶薄膜の製造方法。

【請求項2】
ZnO単結晶上に式1;M1M2O3(ZnO)nで表される複合酸化物薄膜を堆積し、ZnO単結晶と堆積した膜を1200℃以上1600℃以下で加熱拡散処理することによって、式2;M1M2O3(ZnO)m(ただし、式1、式2のM1は、Ga,Fe,Sc,In,Lu,Yb,Tm,Er,Ho及びYのうち少なくとも1種類、M2は、Mn,Fe,Ga,In,Alのうち少なくとも1種類とし、nは、1を含む1以上の自然数、mは、1以上の、nと同じかnより大きい自然数)で表される複合酸化物薄膜をエピタキシャル成長させることを特徴とするホモロガス単結晶薄膜の製造方法。

【請求項3】
加熱拡散処理中にZnOの蒸発を抑制するため、高融点化合物を該積層膜またはZnO単結晶上に堆積した膜に被せながら加熱拡散処理を行うことを特徴とする請求項1または2記載のホモロガス単結晶薄膜の製造方法。

【請求項4】
加熱拡散処理中にZnOの蒸発を抑制するため、ZnO蒸気中で加熱拡散処理を行うことを特徴とする請求項1または2記載のホモロガス単結晶薄膜の製造方法。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2001340066thum.jpg
出願権利状態 登録
参考情報 (研究プロジェクト等) ERATO 細野透明電子活性プロジェクト 領域
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