［技術報告］

ZnO 単結晶基板の応用に関する研究*
遠藤治之＊＊、泉田 福典＊＊、菊地 利雄＊＊＊、田中 槇造＊＊＊＊、新倉 郁生＊＊＊＊＊、柏葉 安兵衛＊＊＊＊＊＊

近年次世代照明や大容量記録用デバイスとして、GaN 系材料を用いた白色発光ダイオードや青紫色レーザーダイオードが脚光を浴びているが、これらのデバイスの材料として酸化亜鉛（ZnO）が注目を集めている。ZnO は結晶成長が難しく今まで高純度な ZnO 単結晶は得られていなかったが、岩手県内に立地する東京電波㈱が、水晶の結晶育成技術を応用することにより高純度な直径 2 インチサイズ ZnO 単結晶基板の開発に成功した。岩手県工業技術センターではこの ZnO 単結晶基板の特性評価及び開発支援を行なうとともに、新たな応用製品の開発に着手した。本報告では、ZnO 単結晶基板の特性について述べた後、ZnO オープンラボについて紹介する。
キーワード：酸化亜鉛（ZnO）、単結晶、白色 LED、青紫色レーザーダイオード

Development of New Applications Using ZnO Single Crystal
ENDO Haruyuki, IZUMIDA Fukunori, KIKUCHI Toshio, TANAKA Shinzo
NIIKURA Ikuo and KASHIWABA Yasube
In recent years, white Light Emitted Diode (LED) and blue violet Laser Diode (LD) using gallium
nitride semiconductor have become attractive for next generation lighting and large capacity media
devices. It appears that zinc oxide is useful as material for these devices.
A 2inch diameter single crystal of highly pure zinc oxide (ZnO) was developed by TOKYO DENPA
CO. LTD. for the first time. Iwate Industrial Research Institute has started to researchcharacteristics of ZnO and develop new applications. In this paper, characteristics of ZnO andintroduction to the ZnO Open Laboratory are described.
key words: zinc oxide
１ 緒single crystal, white light emitted diode, blue violet laser diode

言単結晶基板の作製に成功した。ZnO 単結晶基板はバンドギャ

近年、次世代照明や大容量記録用デバイスとして、白色発ップが 3.2eV と広いワイドギャップ半導体で、GaN との格子光ダイオードや青紫色レーザーダイオードが注目されている。

定数のミスマッチが小さく、且つ束縛励起子の結合エネルギ

これらのデバイスは発光層としてGaN 系薄膜材料が用いらーが 60meV と大きく、高効率の発光ダイオードや紫外レーザれており、その基板としてサファイア基板が使用されているーとして期待される材料である。当センターでは、この ZnOが、GaN とサファイア基板は格子定数のミスマッチが大きい単結晶基板の特性評価を行なうとともに、新たな応用製品の為、GaN 薄膜に欠陥が多く、よりミスマッチの少ない基板が開発事業に着手した。本報告では、ZnO 単結晶基板特性の紹求められている。この状況下にあって、岩手県内に立地する介ならびに評価・試作を行なう ZnO オープンラボの整備状況

東京電波㈱が、高純度な直径 2 インチサイズ酸化亜鉛（ZnO）について報告する。

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戦略的技術開発推進事業
電子機械技術部
電子機械技術部（現在 岩手県商工労働観光部科学技術課）
電子機械技術部（現在 岩手県立産業技術短期大学校）
東京電波㈱岩手大学工学部電気電子工学科

122

岩手県工業技術センター研究報告第１１号（２００４）
判別をする目的で基板の一角のみ、斜めに加工がされてい

２ ZnO 単結晶基板の紹介
2) また、図 1 及び図る。図 4 には、従来からある CVT （Chemical Vapor2 には、東京電波㈱が開発した ZnO 単結晶のインゴット及びTransport ）法によって成長された ZnO 単結晶基板との X

直径 2 インチ基板を示す。ZnO 単結晶の育成は、従来から水線回折（XRD）評価結果の比較を示す。3)晶の育成方法として広く知られている水熱育成法により行熱育成法によって成長した ZnO 単結晶は XRD の半値幅が狭っている。

く、結晶性が優れていることが判る。図 5 には、基板表面の粗さを原子間力顕微鏡（AFM）によって測定した一例を

表１ ZnO の主な特性

格子定数単位ac

融点
バンドギャップ
色
硬度

ÅÅ
℃
eV
Mohs

特性値
六方晶 ウルツァイト（6ｍｍ）
3.24265
5.19481975
3.2
無色透明、黄着色
4示す。測定領域 10μm×10μm、縦軸フルスケール 2.5nm において、Rms=0.13nm を示しており、非常にフラットな基板表面になっていることが分かった。
2.0単位：[mm]1.0項目
結晶対称性

この結果から水

1 0 . 0 ±0 . 2

表 1 に ZnO の主な特性を示す。1)

face10.0 ±0.2（0001）

c軸ZnO0.50 ±0.1

a軸

face（000-1）

図１ ZnO 単結晶インゴット

図３ 10mm×10mmZnO 単結晶基板寸法

2 インチZnO(101) ω1.2
規格化強度

1.00.80.6

FWHM：

水熱育成法
CVT法

FWHM：

25 arcsec

370 arcsec

0.40.2

図２ 直径 2 インチ ZnO 単結晶基板

0.0-0.20

図 1 に示すインゴット状態の ZnO 単結晶は、緑黄色に着-0.100.000.10

規格化ω [degree]

色しているが、これは主に種結晶を中心として、O 面側に
図４ XRD 評価結果成長した部分に含まれる不純物に起因するものである。Zn面側に成長した ZnO 単結晶は、図 2 に示すように無色透明で、可視光領域では80％程度の高い透過率を示す。
図3 に、10mm×10mm サイズの ZnO 単結晶基板の寸法を示す。基板表面には、Zn 面（+C 面）と、O 面（‑C 面）がある為、表裏

1230.20

ZnO 単結晶基板の応用に関する研究
所は、分子線エピタキシー装置や三元スパッタ装置が設置さ

試料：□10mm Zn面
測定領域：
1μm ×1μm
RMS=0.13nm

れた薄膜の成膜や微細加工を行う実験室となっている。また、縦軸その他の評価用装置は電子計測室に設置されている。

2.5nm

ZnO オープンラボの開設に当たり、評価用装置に関してはLED 等の応用製品の開発を主目的とし、今まで当センターに無かった半導体特性や光学的特性の評価装置を充実させた。
試作用装置に関しては、半導体微細加工からパッケージングまでの一連の試作工程を、全て当ラボにて行えるように設備を整備中である。これらの装置は、当センターと共同研究契図５ AFM による基板粗さ測定結果

約を締結した県内企業の研究員に自由に使用して頂き、ZnO単結晶基板の応用研究を共同で行うものである。

３ ZnO オープンラボ

以下に平成１５年度までに整備した装置の概略仕様を示す。

ZnO 単結晶基板の応用としては、現在白色 LED や青紫色レーザーダイオードに使用されているサファイア基板の代替が３−１ 評価用装置最も有望視されている。当センターではこれらの応用に加え、

３−１−１ 水銀プローブ式キャリア密度測定装置

県内企業と共同で半導体特性及び圧電性や光の透過性等バル

本装置（図６、表４）は､半導体と水銀電極とのショットク単結晶の未評価特性をいち早く評価し、新たな応用を検討

キー接合により半導体のキャリア密度測定を非破壊で行うすることにしている。これらの評価及び試作を行う施設とし装置である。て、センター内に ZnO オープンラボを開設設置したので以下に紹介する。

表２ クリーンルームの概要

広さ
クリーン度

クリーンルーム１（暗室）20m2
クラス 1000

クリーンルーム２65m2
クラス 1000

表３ ZnO オープンラボ装置の一覧
評
価用
装
置
試
作
用
装
置

装 置 名
水銀プローブ式キャリア密度測定装置
非接触シート抵抗測定装置
ホール効果測定装置
フォトルミネッセンス測定装置
分光光度計
半導体パラメータアナライザ
電子線描画装置
両面マスクアライナー装置
分子線エピタキシー装置
三元スパッタ装置
マニュアルワイヤーボンダー装置

図６ 水銀プローブ式キャリア密度測定装置

表４ 水銀プローブ式キャリア密度測定装置の主な仕様
項 目
ﾒｰｶ名･型式
測定方式
キャリア密度 測
定範囲
試料ｻｲｽﾞLCR メータ

表２及び表３にクリーンルームの概要及び平成１５年度ま内 容㈱堀場製作所AP‑2000
水銀ﾌﾟﾛｰﾌﾞ式
1×1014〜2×1018/cm‑3（材料に依存）φ15mm〜φ150mm
ｱｼﾞﾚﾝﾄﾃｸﾉﾛｼﾞｰ 4284A

３−１−２ 非接触シート抵抗測定装置

でに整備した設備一覧を示す。クリーンルームは２箇所あり、１箇所は電子線描画装置や両面マスクアライナーが設置され、フォトリソグラフィ工程を行う暗室となっている。他の 1 箇

124本装置（図７、表５）は､高周波渦電流法により酸化物や各種金属薄膜等の抵抗率測定を非接触で行う装置である。

岩手県工業技術センター研究報告第１１号（２００４）
３−１−４ フォトルミネッセンス測定装置
本装置（図９、表７）はフォトルミネッセンス効果により、半導体単結晶や薄膜の結晶欠陥や発光プロセスの評価を行う装置である。

図７ 非接触シート抵抗測定装置

表５ 非接触シート抵抗測定装置の主な仕様
項 目
ﾒｰｶ名･型式内 容
ﾅﾌﾟｿﾝ㈱

測定方式
抵抗率測定範囲
試料ｻｲｽﾞ

渦電流方式
0.001Ω･㎝〜100Ω･㎝
φ20mm〜φ200mm

図９ フォトルミネッセンス測定装置

表７ フォトルミネッセンス測定装置の主な仕様
項 目
ﾒｰｶ名･型式

３−１−３ ホール効果測定装置

検出器
波長範囲
波長分解能

内 容㈱堀場製作所
Photopuminor‑UHe‑Cd ﾚｰｻﾞ
発振波長 325nm
ｽﾎﾟｯﾄ径 φ100μm 以下
CCD 検出器
300nm〜1000nm
0.06nm 以下

温度範囲
ﾏｯﾋﾟﾝｸﾞｽﾃｰｼﾞ

4K〜300K
試料ｻｲｽﾞ φ3 以内

本装置（図８、表６）は、半導体単結晶や薄膜の抵抗率
励起光源測定、キャリア密度や移動度の測定、キャリアタイプの判定を行い、電気的特性評価を行う装置である。

３−１−５ 分光光度計
本装置（図１０、表８）は、基板や薄膜材料の透過率、反射率及び発光スペクトル測定などの光学的特性評価に使用する装置である。
図８ ホール効果測定装置

表６ ホール効果測定装置の主な仕様
項 目
ﾒｰｶ名･型式
測定方式

抵抗測定範囲
磁界発生部
試料ｻｲｽﾞ

内 容㈱東陽ﾃｸﾆｶ
RESITEST 8310
ﾌｧﾝﾃﾞﾙﾎﾟｰ法
DC 磁場及び AC 磁場
温度範囲 15K〜300K
10‑1Ω〜1013Ω
電磁石方式
DC ‑0.8T〜+0.8T
10mm×10mm

図１０ 分光光度計

125ZnO 単結晶基板の応用に関する研究
表８ 分光光度計の主な仕様
項 目ﾒｰｶ名･型式
波長範囲
波長精度
試料ｻｲｽﾞ

１２ 電子線描画装置

内 容
日本分光㈱
V‑550
190nm〜900nm±0.3nm 以下
10mm×10mm

本装置（図１２、表１０）は電子線をスキャンすることにより、サブミクロンオーダーでレジストをパターン化する装置である。

表１０ 電子線描画装置の主な仕様
項 目
ﾒｰｶ名･型式

３−１−６ 半導体パラメータアナライザ
本装置（図１１、表９）は､高精度大容量電流電圧源と高精度測定部により半導体や各種電子部品の電気的測定を行

電子線走査領域なう装置である。

最小線幅
ｽﾃｰｼﾞ移動範囲

内 容㈱ｴﾘｵﾆｸｽ
ELS‑3700S
0.2mm×0.2mm、0.5mm×0.5mm
1.0mm×1.0mm
100nm
X：60mm
Y：90mm３−２−２ 両面マスクアライナー装置
本装置（図１３、表１１）は､フォトリソグラフィ法により、フォトレジストの露光を行う装置で､ZnO や他の薄膜材料等の微細加工（パターン形成）を行う為に使用する。

図１１ 半導体パラメータアナライザ

表９ 半導体パラメータアナライザの主な仕様
項 目
ﾒｰｶ名･型式
電圧測定ﾚﾝｼﾞ
電圧分解能
電流測定ﾚﾝｼﾞ
電流最小分解能
電流印加分解能
最大電流印加内 容
ｹｰｽﾚｰｲﾝｽﾂﾙﾒﾝﾂ㈱4200‑SCS
1μV/200V
1μV
0.1fA/1A
0.1fA
1.5fA
1A（at 20V）

図１３ 両面マスクアライナー装置

表１１ 両面マスクアライナー装置の主な仕様
３−２ 試作用装置

項 目
ﾒｰｶ名･型式

３−２−１ 電子線描画装置

試料ｻｲｽﾞ
ｱﾗｲﾒﾝﾄ誤差
解像度

内 容
ﾕﾆｵﾝ光学PEM‑800
最大φ4 ｲﾝﾁ±5μm
3μm（ﾗｲﾝｱﾝﾄﾞｽﾍﾟｰｽ）３−２−３ 分子線エピタキシー装置
本装置（図１４、表１２）は、固体蒸発源（K セル）とRF ラジカル源により、基板上に ZnO 薄膜や GaN 薄膜を分子図層レベルで制御しながら成膜が可能な装置である。

126

岩手県工業技術センター研究報告第１１号（２００４）
試料ｻｲｽﾞ
ｽﾊﾟｯﾀｶｿｰﾄﾞ

最大□2 ｲﾝﾁ
直径 5 ｲﾝﾁ×1
直径 4 ｲﾝﾁ×1
直径 2 ｲﾝﾁ×1
最高 800℃

基板加熱温度

３−２−５ マニュアルワイヤーボンダー装置
本装置（図１６、表１４）は､電子デバイス等のチップ上に形成された電極へ電線を接続する装置である。

図１４ 分子線エピタキシー装置

表１２ 分子線エピタキシー装置の主な仕様
項 目
ﾒｰｶ名･型式
試料ｻｲｽﾞ
最高到達真空度
K ｾﾙ数
RF ﾗｼﾞｶﾙ源
EB ｶﾞﾝ内 容
ﾕﾆﾊﾞｰｻﾙｼｽﾃﾑ
UMB‑200
最大直径 2 ｲﾝﾁ
6.65×10‑8Pa 以下
5式
1式
1式

図１６ マニュアルワイヤーボンダー装置

表１４ マニュアルワイヤーボンダー装置の主な仕様

３−２−４ 三元スパッタ装置

項 目
ﾒｰｶ名･型式

本装置（図１５、表１３）は､三種類のターゲットの同時放電が可能なマグネトロンスパッタ装置で、酸化物薄膜やﾎﾞﾝﾃﾞｨﾝｸﾞ方式各種金属の成膜を行う装置である。

ﾜｲﾔｰ材質
ﾜｲﾔｰ直径４ 結

内 容WESTBONDMODEL‑7456
超音波及び超音波熱圧着方式
Au、Al
φ18μm〜φ50μm

言

東京電波㈱が開発した ZnO 単結晶基板の特性評価を進め、従来の CVT 法により成長した基板に比較し優れた結晶性を持つことが分かった。今後は基板特性の評価を進めると共に、新たな応用製品の研究開発を行う予定である。
本研究は、岩手県戦略的技術開発推進事業（事業期間：平成 15 年度〜17 年度）により実施しているものである。
図１５ 三元スパッタ装置
文1) 塩嵜忠監修：圧電材料とその応用、シーエムシー出版、

表１３ 三元スパッタ装置の主な仕様
項 目
ﾒｰｶ名･型式
ｽﾊﾟｯﾀ方式
最高到達真空度

献（2002）

内 容㈱ｱﾙﾊﾞｯｸ
MPS‑3000
斜入射三元同時
ﾏｸﾞﾈﾄﾛﾝｽﾊﾟｯﾀ
6.7×10‑6Pa 以下2) 鯉沼秀臣編著：酸化物エレクトロニクス、培風館（2001）
3) 前田克己、佐藤充、新倉郁生：応用物理学会結晶工学分科会第 120 回研究会テキスト p11 (2004)

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