日産科学振興財団研究報告書

28 (2003)

ワイドギャップ半導体酸化亜鉛の高品質量子へテロ構造の開発
Development of high quality quantum heterostructure of a widegap
semiconductor ZnO
研究代表者

東北大学金属材料研究所

助手

福村知昭

Institute for Materials Research, Tohoku University,Research Associate, Tomoteru FUKUMURA
和文アブストラクト
酸化亜鉛は酸化物半導体の一つで古くから知られている材料で、今まで触媒、化粧品、透明導電膜などに用いられてきた。しかし、室温紫外レーザー発振が見つかって以来、半導体として見直されはじめている。様々な半導体量子デバイスへと展開するには、量子ヘテロ構造の作製が不可欠である。そこで、原子レベルで平坦な表面を有する良質な酸化亜鉛の作製と酸化亜鉛に対してヘテロエピタキシャル成長する材料を決定し、酸化亜鉛をベースとした量子へテロ接合作製のための土台とする。量子へテロ構造が実現すれば、高移動度トランジスタ、電界効果型トランジスタ、量子カスケードレーザーといった量子デバイスへの展開が開かれる。酸化亜鉛は透明であるため、窓ガラスに透明な電子回路を作りつけたりして省エネ・省スペースに役立たせることが可能である。
AbstractHigh-quality interface between an insulator and ZnO as a wide-band-gap semiconductor should
realize devices based on field-effect carrier modulation or superlattices. We demonstrateheteroepitaxy of LiGaO2 on ZnO films giving atomically sharp interface and fairly good
exciton-related optical properties in the ZnO underlayer. In addition, we demonstrate an operationof a field effect transistor having single crystalline ZnO channel.
1. 研究目的ほとんどであった。最近になって室温紫外

酸化亜鉛（ZnO）は酸化物半導体の一つ

レーザー発振が見つかって以来、エレクトで古くから知られている材料で、今まで触ロニクス材料として見直されはじめている。

媒、化粧品などに主に用いられてきた。電現在では単結晶レベルの品質の薄膜の作製

子デバイス材料としての用途もあったが今も可能になってきており、電界効果トランまでは透明導電膜として用いられることがジスタへの応用研究も始まっている。この1

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材料のエレクトロニクスへの応用には、量な良好な絶縁性酸化物がない。一方で、ZnO子ヘテロ構造の作製が不可欠である。そこのような酸化物半導体は元々酸化されていで、原子レベルで平坦な表面を有する良質る材料であるため、絶縁性酸化物の選択肢な ZnO の作製と ZnO に対してヘテロエピタは豊富である。したがって、界面特性を低キシャル成長する材料を決定し、ZnO をベ下させないような ZnO との格子整合性の良ースとした量子へテロ接合作製のための土い絶縁性酸化物を選べば、ZnO の量子へテ台とする。そして、実用化レベルのデバイロ構造の絶縁層として有用であることが期ス特性を見据えた電界効果トランジスタの待される。Figure 1 に示すように、LiGaO2作製も行う。ZnO は透明であるため、窓ガは、ZnO のウルツ鉱構造において Zn サイラスに透明な電子回路を作りつけたりしてトを Li と Ga を交互に並べた構造を持ち、省エネ・省スペースに役立たせることが可

さらに格子非整合も 1.5 %と小さい。したが能である。本研究が「透明酸化物エレクトって、ZnO 上へのヘテロエピタキシャル成ロニクス」に寄与することが期待される。

長に適している。しかし、今まで LiGaO2薄膜を ZnO 上にヘテロエピタキシャル成長

2. 研究経過した報告は無かった。

2.1 高品質 ZnO エピタキシャル薄膜上へのエキシマレーザーを用いたパルスレーザ

ワイドギャップ絶縁層 LiGaO2 のヘテロエー堆積法を用いて量子へテロ構造を作製しピタキシャル成長た。まず、ScAlMgO4 (0001)基板上に ZnO

一般に化合物半導体は酸化すると界面特(0001)薄膜をエピタキシャル成長させ、その性が良くないため、Si に対する SiO2 のようZnO 薄膜上に LiGaO2 (001)薄膜を堆積させた。成長条件は基板温度 600ºC、酸素分圧1×10-5 Torr である。LiGaO2 薄膜の(002)ブラッグピークの半値幅は 0.16ºと結晶性が高いことが示された。同様にα-Al2O3 (0001)基板上への成長を試みたが、ZnO と LiGaO2 ともに大きな格子非整合性を持つため、良質なヘテロ構造の作製はできなかった。
Figure 2 に作製したヘテロ構造の逆格子マッピングを示す。ScAlMgO4 基板上に ZnO薄膜がコヒーレント成長を示していることFig. 1がわかる。一方、LiGaO2 薄膜はバルクとほCrystal structures and basal-plane

ぼ同じ格子定数を示し、リラックスしていatomic arrangements for β-LiGaO2 andwurtzite ZnO.

ることがわかる。φスキャンの測定から、

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Fig. 4 Photoluminescence spectrum at 5K for LiGaO2 (200 nm)/ZnO (20nm)/ScAlMgO4 heterostructure. Inset
shows transmittance spectra at 300 K for
LiGaO2 single crystal, ZnO (50nm)/ScAlMgO4 substrate, and LiGaO2(200 nm)/ZnO (50 nm)/ScAlMgO4heterostructure.

Fig. 2 The reciprocal mapping around (a)(204) and (b) (044) diffractions of LiGaO2in a heterostructure of LiGaO2 (250nm)/ZnO (80 nm)/ScAlMgO4 substrate. The
inset shows a cross-sectional transmission
electron microscope image of LiGaO2/ZnOinterface.とによって、ZnO 薄膜が劣化していないこ

LiGaO2 薄膜が面内に 120ºずつ回転した 3 個た金属－絶縁体－半導体構造電界効果トラのドメイン構造を有していることがわかっ

ンジスタの作製とがわかる。
2.2 高品質 ZnO エピタキシャル薄膜を用い

ScAlMgO4 基板上に ZnO エピタキシャルた。Figure 2 の挿入図は LiGaO2/ZnO 界面の透過型電子顕微鏡像であるが、界面が急峻で析出物が無いことがわかる。
Figure 3 の挿入図から、3.3 eV 付近の ZnOの励起子共鳴吸収を除けば 5 eV 以上まで透明であり、バルク LiGaO2 のバンドギャップの 5.6 eV とコンシステントであることがわかる。Figure 3 のフォトルミネッセンススペ

Fig. 4
Cross-sectional view of ZnO
metal-insulator-semiconductor field effecttransistor.

クトルから、ZnO の 3.3 eV の束縛励起子の発光が観測され、深い準位の発光は見えていない。したがって、LiGaO2 を積層したこ
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28 (2003)薄膜を作製した。電界効果トランジスタのう高品質化の方向と、実際のデバイスプロ作製プロセスは通常のフォトリソグラフィ

セスを利用したアモルファス薄膜でどれだーを用いて、大気暴露下で行った。Figure 4

け実用レベルに迫れるか、という二つの方にトランジスタの断面構造を示す。ソース向がある。前者は酸化物半導体デバイスのおよびドレイン電極は Al を用いた。ゲート

基礎物性として、後者はアモルファスシリ

絶縁体はアモルファス AlOx を電子ビームコンに置き換わるデバイスとして重要であ蒸着で作製した。ゲート電極は Al/Au を用るため、現在引き続き研究を行っている。

いた。デバイス特性を室温で測定した結果、実用化されているアモルファスシリコント

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電界効果移動度が 40 cm /Vsec という高いランジスタの電界効果移動度を凌駕する可値を示した。

能性があるため、今後の展開に期待が持てる。

3. 研究成果

現在、デバイスシミュレーションを用いて、実験データを説明できるデバイスモデ

最近、紫外発光材料として注目されている ZnO の量子へテロ構造作製のための、ワルを構築中である。

イドギャップ絶縁体として LiGaO2 が有用であることを見出した。また、ZnO の高品

5. 発表論文リスト

質エピタキシャル薄膜を用いて電界効果ト“Heteroepitaxial growth of β-LiGaO2 thin films

ランジスタを作製した結果、電界効果移動

on ZnO”

2度が 40 cm /Vsec という高い値を示した。

I. Ohkubo, C. Hirose, K. Tamura, J. Nishii, H.
Saito, H. Koinuma, P. Ahemt, T. Chikyow, T.

4. 今後の課題と発展

Ishii, S. Miyazawa, Y. Segawa, T. Fukumura, M.
Kawasaki

発光デバイスとしての量子へテロ構造の作製には、本研究で見つけた LiGaO2 以外に

J. Appl. Phys. 92, 5587-5589 (2002).

も探索する必要がある。LiGaO2 薄膜の最適“ZnO化に加えて色々なワイドギャップ絶縁体のField-Effect-Transistors”（投稿中）探索を行っていく予定である。ZnO エピタ

J. Nishii, A. Ohtomo, T. Fukumura, K. Ohtani,キシャル薄膜との界面特性の良好な絶縁層

F. Matsukura, Y. Ohno, H. Ohno, M. Kawasakiが実現できれば、ZnO をベースとした量子“Modeling and simulation of polycrystalline

エレクトロニクスが大きく展開する可能性

ZnO thin film transistors” （投稿準備中）がある。

F. M. Hossain, J. Nishii, S. Takagi, A. Ohtomo,Metal-Insulator-Semiconductor

電界効果トランジスタの研究に関しては、 T. Fukumura, H. Fujioka, H. Ohno, H.
Koinuma, M. Kawasaki

本研究のように、単結晶薄膜を用いてどれだけトランジスタ特性を向上できるかとい4