The Crystallinity and Photoresponse Property of ZnO film Formed by CO 2 Laser Annealing in SiO 2 Matrix

Kyushu Univ., ○ Kota Yamasaki, Hiroshi Ikenoue, Tetsuya Shimogaki, Yousuke Watanabe, Daisuke Nakamura and Tatsuo Okada E-mail: yamasaki@laserlab.ees.kyushu-u.ac.jp 1. 序論 酸化亜鉛(ZnO)は,3.37 eV のバンドギャップを持つワイドバンドギャップ半導体であり,その特 性から発光デバイスや各種センサへの応用が期待されている.しかし,ZnO は酸素欠陥や格子間亜鉛 などの格子欠陥が形成されやすく,これらの欠陥に起因する深いレベルの準位が発光特性や電気特性 を低下させる要因となっている.我々が提案する手法では,ZnO 薄膜を SiO2内に埋め込んで CO2レー ザーを照射し,上下 SiO2と ZnO を同時にアニールする.照射されたレーザー光は上下の SiO2層で効 率よく吸収され,その熱が拡散することにより ZnO 薄膜を均一にアニールすることが可能になると考 えた.我々はこれまで,SiO2薄膜を堆積させることによるパシベーション効果に伴う紫外発光の増加, 及び CO2 レーザーアニールによる内部欠陥の減少に伴う可視発光の減少を確認している.本発表にお いては,形成した ZnO 薄膜の結晶性及び,光応答特性について報告をする. 2.実験 サンプルの構造は SiO2/ZnO/Quartz sub.であり,ZnO 薄膜はパルスレーザー堆積法(PLD 法),上層 SiO2薄膜はスパッタ法にて成膜した.その膜厚はそれぞれ 10 nm, 70 nmであった.PLD 法による ZnO 薄膜の成膜では,O2ガス 3 Pa(ガス流量 5 sccm)を充填した真空チャンバー内にて ZnO 焼結体ターゲ ットを Nd:YAG レーザーの第 3高調波(λ=355 nm)でアブレーションし,基板温度 500 °Cの合成石英基 板上に堆積させた.SiO2薄膜はスパッタ法により ZnO 薄膜の上に堆積させた.Ar ガス流量は 15 sccm, Ar 分圧は 1.0 Paであった.アニールに用いたレーザーは Q スイッチ CO2レーザーであり,パルス幅は 約 10 ns,波長は 10.6 μmであった.光応答特性の評価は,タングステンプローブを用いてオーミック 接合をとり,パルス幅約 4 ns の Q スイッチ YAG 第 3 高調波を照射したときの光電流の変化を観測す ることにより評価をした. 3. 結果及び考察 レーザーアニール後の ZnO 薄膜の TEM 像及び TED パターンを図 1 に示す.レーザー照射条件は繰 返し周波数 40 kHz, フルエンス 130 mJ/cm, 照射回数 450 shots であった.図 1より,TEM 像のコント ラストは膜中央を除いて全体的に一様であること,また TEDパターンは明瞭なスポットパターンを示 すことからアニール前の多結晶状態から大きな結晶粒に成長していることが分かる.膜中央のコント ラストが変化した領域は転移など結晶歪の生成を示すが,膜全体としてはレーザーアニールにより結 晶欠陥が大きく減少していると考えられる.レーザーアニール後の薄膜に Qスイッチ YAG 第 3 高調波 を照射したときに得られた光電流の測定結果を図 2に示す.この時の電極間距離 Lは 500 μm,電極間 電圧 Vは 10 V であった.励起光のフルエンスは 150 mJ/cmであった.光励起されたキャリアが薄膜内 を移動するのに必要とする時間は,次式で与えられる[1].