JP4806475B2 - 基板およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、単結晶のＺｎＯを形成した基板に関する。当該基板は、窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）のような半導体を用いた発光ダイオード素子、太陽電池および電子デバイスを製造するために用いられ得る。

近年、ＧａＮに代表される窒化物半導体により構成される半導体素子の集中的な研究開発がされている。窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ＧａＮ、窒化インジウム（ＩｎＮ）およびそれらの混晶体からなる窒化物半導体により構成される半導体発光素子は、その膜組成を制御することによって紫外あるいは青色から赤外線領域までの幅広い波長領域において発光する。これらの窒化物半導体を用いた可視域発光ダイオードは既に商品化されている。格子欠陥および貫通欠陥に起因した非発光遷移によるキャリア再結合を抑制する為に、結晶中の欠陥が非常に少ない窒化物半導体薄膜を形成しなければならない。このことは、サファイア基板のような単結晶基板を必要とするため、高コストである。

この問題を解決する特許文献１は、パルススパッタ法によってグラファイト基板上に多結晶の窒化物半導体薄膜を作製する方法を開示している。しかし、特許文献１に従って得られた窒化物半導体薄膜は、結晶間に多くの粒界を有する多結晶体であるため、高性能な発光ダイオードを作製するためには適していない。

ＧａＮおよびＺｎＯは、いずれもウルツ鉱型の結晶構造を有している。それらの間のａ軸格子不整合率は１．８％であり、そしてｃ軸格子不整合率は０．４％であり、いずれも非常に小さい。

そのため、ＺｎＯの単結晶基板は、ＺｎＯの半導体層を形成するためのホモエピタキシャル成長用の基板としてだけでなく、ＧａＮの半導体層を形成するためのヘテロエピタキシャル成長用の基板としても有用である。ＺｎＯの単結晶基板上に、ＺｎＯの半導体層またはＧａＮの半導体層を形成した発光ダイオード素子が提案されている。

特開２００９−２００２０７号公報

高品質のＧａＮ、ＺｎＯなどの半導体を形成するために必要とされるＺｎＯの単結晶基板は、非常に高価である。その上、大面積を有するＺｎＯの単結晶基板を製造することも困難である。

スパッタリング法、反応性プラズマ蒸着法、有機金属気相成長法、パルスレーザー堆積法、分子線エピタキシー法のような真空成膜法によってＺｎＯを形成する方法が知られている。真空成膜法によって欠陥が少ない単結晶のＺｎＯの形成は、酸素を導入し、そして基板をおよそ５００〜およそ８００℃に加熱することを必要とする。このような高温の酸化雰囲気では、グラファイト基板が劣化しやすい。従って、グラファイト基板上に単結晶のＺｎＯを作製することが困難である。

この課題を解決する本発明の目的は、非単結晶基板であるグラファイト基板を用い、亜鉛イオンを含有する水溶液からの電解析出法によって、単結晶のＺｎＯを有する基板を提供することである。

本発明の方法は、基板を製造する方法であって、以下の工程（ａ）および（ｂ）を順に具備する：グラファイト基板の表面を酸素アッシングすることによって、アモルファスカーボン層を前記グラファイト基板の表面に形成する工程（ａ）、および前記アモルファスカーボン層上に電解析出法によってＺｎＯ層を形成する工程（ｂ）、ここで、前記アモルファスカーボン層が３ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚みを有する。

本発明の基板は、以下を具備する：グラファイト基板、前記グラファイト基板上に形成され、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚みを有するアモルファスカーボン層、および前記アモルファスカーボン層上に形成されたＺｎＯ層。

本発明の基板によって、高品質なＧａＮ、ＺｎＯなどの半導体を作製することが可能となる。従って、ＧａＮまたはＺｎＯの半導体から構成される優れた特性を有する発光ダイオード素子、太陽電池および電子デバイスを実現できる。

以下の「図面の簡単な説明」の項目において、用語「写真」は「像（ｉｍａｇｅ）」を意味する。

本発明の実施の形態１における基板の断面構成図 本発明の実施の形態１における基板の製造方法の工程順の断面構成図 （ａ）アモルファスカーボン層が形成されていないグラファイト基板上に、電解析出法によってＺｎＯを形成した際の表面ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察像を示す顕微鏡写真 （ｂ）アモルファスカーボン層が形成されたグラファイト基板上に、電解析出法によってＺｎＯを形成した際の表面ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察像を示す顕微鏡写真 グラファイト基板上のＺｎＯの断面ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）観察像を示す顕微鏡写真 グラファイト基板とＺｎＯの界面付近の高分解ＴＥＭ観察像を示す顕微鏡写真 図４に示した範囲におけるＴＥＭによる電子線回折像を示す顕微鏡写真 （ａ） アモルファスカーボン層を設けたグラファイト基板上のＺｎＯの平面ＴＥＭ観察像を示す顕微鏡写真 （ｂ）図７（ａ）に示した範囲におけるＴＥＭによる電子線回折像を示す顕微鏡写真 （ａ）アモルファスカーボン層が形成されていないグラファイト基板上に、電解析出法によって形成したＺｎＯのカソードルミネッセンス測定結果を示すグラフ （ｂ）アモルファスカーボン層が形成されたグラファイト基板上に、電解析出法によって形成したＺｎＯのカソードルミネッセンス測定結果を示すグラフ

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における基板の断面図を示す。

１はグラファイト基板を指し示す。２はグラファイト基板の表面を酸化することによって形成されたアモルファスカーボン層を指し示す。３はアモルファスカーボン層２の上に電解析出法によって形成されたＺｎＯ単結晶を指し示す。

以下、図面を参照しながら、当該基板を製造する方法を説明する。

図２（ａ）、（ｂ）は、実施の形態１に係る方法の工程順の断面図を示す。

実施の形態１においては、亜鉛イオンを含有する水溶液を使用した電解析出法によってＺｎＯの結晶を成長させる。

まず、図２（ａ）に示すように、グラファイト基板１の表面を酸化によりアモルファス化させ、アモルファスカーボン層２を形成する。次に、図２（ｂ）に示すように、アモルファスカーボン層２上に、およそ１００℃以下の低温でＺｎＯ単結晶３を電解析出法により成長させる。

本実施の形態１では、単結晶基板ではないグラファイト基板を用いているにも拘わらず、非常に結晶性が高く、かつ欠陥が少ないｃ軸配向した単結晶のＺｎＯが形成される。

（実施例１）
以下、電解析出法によってＺｎＯを形成する方法を、より具体的に説明する。

２枚の基板を用意した。１枚は酸素アッシングによってアモルファスカーボン層を表面に有しないグラファイト基板（以下、「グラファイト基板Ａ」という）であった。もう１枚は、酸素アッシングによってアモルファスカーボン層を表面に有するグラファイト基板（以下、「グラファイト基板Ｂ」という）であった。

電解液として、０．１ｍｏｌ／Ｌの硝酸亜鉛水溶液を用意した。当該硝酸亜鉛水溶液中に、作用極となるグラファイト基板と、対向極となる白金電極を浸漬した。ポテンショガルバノスタットを用いて、溶液温度７０℃、電流密度−０．３ ｍＡ・ｃｍ^-2の条件で陰極電解をして、ＺｎＯの結晶を成長した。この後、基板を取り出し、純水によって洗浄し、乾燥した。

図３（ａ）は、グラファイト基板Ａの表面に電解析出法によって形成されたＺｎＯの表面ＳＥＭ観察像を示す。図３（ｂ）は、グラファイト基板Ｂの表面に電解析出法によって形成されたＺｎＯの表面ＳＥＭ観察像を示す。

図３（ａ）に示されるように、グラファイト基板Ａ上には多結晶体のＺｎＯが形成されている。さらに、六角柱状の結晶粒子が一定の方向に配向しておらず、かつ基板に対してｃ軸配向していない。

一方、図３（ｂ）に示されるように、グラファイト基板Ｂ上には、正六角形の結晶面が明確に現れたＺｎＯが形成されている。当該六角形の平坦な結晶面は、六方晶系のウルツ鉱型の結晶構造であるＺｎＯのｃ面に起因すると考えられる。六方晶系のウルツ鉱型の結晶構造のファセットを有する結晶は、一般に高い結晶性を有することが知られている。

図４は、７ｎｍの厚みを有するアモルファスカーボン層２を有するグラファイト基板Ｂ上に、電解析出法によって成長されたＺｎＯ単結晶３の断面ＴＥＭ観察像を示す。

図５は、図４に示した範囲におけるＴＥＭによる電子線回折像を示す顕微鏡写真を示す。

図４および図５から明らかなように、アモルファスカーボン層２を有するグラファイト基板１上に、ＺｎＯ単結晶３が基板に対して垂直に形成されている。

六角柱状のＺｎＯ単結晶３が、アモルファスカーボン層２を有するグラファイト基板１にｃ軸配向して形成されたことが、図３（ｂ）、図４および図５から考えられる。

図５から理解されるように、粒界やクラックの無いＺｎＯからなる緻密な結晶がアモルファスカーボン層２の表面に成長している。アモルファスカーボン層２は、ＴＥＭでのＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光）分析およびＥＥＬＳ（電子エネルギー損失分光）分析により、炭素からなることが確認された。高分解能ＴＥＭにより高倍率観察しても結晶格子が見えないことから、当該炭素は、結晶性のグラファイト基板とは異なる構造を有するアモルファスカーボンであると考えられる。

図６（ａ）〜（ｃ）は、図４に示した範囲におけるＴＥＭによる電子線回折像を示す。図６（ａ）〜（ｃ）の電子線回折像の回折スポットの面間隔と回折スポットとが形成する角度から、結晶はＺｎＯであることが確認された。図６（ａ）〜（ｃ）の電子線回折像の回折スポットがすべて明瞭に現れており、かつ全ての回折スポットのパターンがすべて同じ方向を有していることから、３カ所の結晶方位がすべて同じであり、かつ結晶全体が単結晶であることが確認された。さらに、図６（ａ）〜（ｃ）の電子線回折像の回折スポットにおける（００２）面の方向から、ＺｎＯがグラファイト基板に対してｃ軸配向していることが確認された。

図７（ａ）は、７ｎｍの厚みを有するアモルファスカーボン層２を有するグラファイト基板Ｂ上に、電解析出法によって成長されたＺｎＯの平面ＴＥＭ観察像を示す。図７（ｂ）は、図７（ａ）に示した範囲におけるＴＥＭによる電子線回折像を示す。平面方向から広い範囲において測定した電子線回折像においても、その回折スポットが非常に明瞭に現れており、ＺｎＯが高品質な単結晶であることが確認された。

図８（ａ）は、グラファイト基板Ａ上に電解析出法によってＺｎＯを形成した後に、電子線により励起したカソードルミネッセンスを用いた測定の結果を示す。図８（ｂ）は、７ｎｍの厚みを有するアモルファスカーボン層２を有するグラファイト基板Ｂ上に、電解析出法によってＺｎＯ単結晶３を形成した後に、電子線により励起したカソードルミネッセンスを用いた測定の結果を示す。

図８（ａ）においては、およそ３８０ｎｍのＺｎＯのバンド端発光の他に、ＺｎＯの結晶欠陥に起因するおよそ５００ｎｍ〜８００ｎｍのブロードな発光ピークが観察された。一方、図８（ｂ）においては、ＺｎＯの結晶欠陥に起因するおよそ５００ｎｍ〜８００ｎｍのブロードな発光ピークが非常に小さい。そして、３８０ｎｍ付近のＺｎＯのバンド端発光のみが強く観察された。図８から、グラファイト基板１上にアモルファスカーボン層２を設けることによって、ＺｎＯの結晶欠陥が減少したことが考えられる。

表１は、アモルファスカーボン層２の膜厚を変化させたときのＺｎＯのＸＲＤのロッキングカーブによって得られた（０００２）ピークの半値幅を示す。

アモルファスカーボン層が３ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚みを有する場合、ＺｎＯはｃ軸配向し、良好な半値幅が得られた。アモルファスカーボン層の厚みが８０ｎｍを超えると、酸素アッシングする際にグラファイト基板の表面がダメージを受けて劣化し、ＺｎＯのｃ軸配向の成長が阻害されると考えられる。従って、アモルファスカーボン層２は３ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚みを有することが望ましい。

これらの結果から、グラファイト基板１の表面にアモルファスカーボン層２を設け、次いで電解析出法を用いてＺｎＯの結晶を成長することによって、非常に結晶性の高い単結晶のＺｎＯを形成し得る。グラファイト基板１上にＺｎＯ単結晶３を成長させる際に、真空成膜法ではなく、電解析出法を用いるために、ＺｎＯ単結晶３を大面積に安価に製造し得る。

本発明にかかる基板は、高品質なＧａＮ、ＺｎＯなどの半導体を形成するための半導体基板として有用である。さらに、発光ダイオード素子、太陽電池およびパワーデバイス用ＦＥＴのような電子デバイスの製造にも好適である。

１ グラファイト基板
２ アモルファスカーボン層
３ ＺｎＯ単結晶

Claims (2)

1. 基板を製造する方法であって、以下の工程（ａ）および（ｂ）を順に具備する：
   グラファイト基板の表面を酸素アッシングすることによって、アモルファスカーボン層を前記グラファイト基板の表面に形成する工程（ａ）、および
   前記アモルファスカーボン層上に電解析出法によって単結晶のＺｎＯ層を形成する工程（ｂ）、
   ここで、前記アモルファスカーボン層が３ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚みを有する。
2. 以下を具備する基板：
   グラファイト基板、
   前記グラファイト基板上に形成され、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚みを有するアモルファスカーボン層、および
   前記アモルファスカーボン層上に形成された単結晶のＺｎＯ層。

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