光田研究室 (無機プラズマ合成) 東京大学 生産技術研究所         English
        光田研究室

  -はじめに-

本研究室ではドライ(気相)プロセスによる無機材料の薄膜合成を行っています。 薄膜合成において空間反応、表面反応の両側面から反応機構を解明することを通じて、生成 膜の物性制御や新規機能の発現を目指している。 これらの結果を基に、産業に寄与しうる薄膜生成プロセスを開発し、新た な工業的応用へと結び付けることを目標とする。

  -研究テーマとその内容-

対象とする物質は主にダイヤモンド(炭素)で、 研究の対象は種々のプロセスを使って薄膜を形成したり、 その表面物性を測定したりすることで、下記の研究テーマがある。

♦ ダイヤモンド不純物半導体の作製と評価

高温でも動作する半導体デバイス、高周波・高出力のパワーエレクトロニクス、 短波長の発光・受光素子などの応用では、半導体の基礎特性でその動作限界が決まります。 ダイヤモンドは、SiやGaNと比較して、高い絶縁破壊強度、熱伝導度、 広いバンドギャップなどの非常に優れた基礎特性を有し、これまでにない電子デバイスを実現可能とする材料です。 こうした半導体電子デバイスへの応用では、@伝導度を制御する。A特性の異なる急峻な界面を形成する、 ことが重要なテクノロジーとなります。 本テーマでは、研究室に蓄積されたダイヤモンド薄膜の成長技術を基盤に、 薄膜堆積中の不純物ドープ手法を開発することで電気伝導性をp型、n型に制御し、 その結晶性、電気特性を評価することを目標に研究を行っています。 最終的には半導体デバイスの基礎であるpn接合を作製し、 その特性などを評価することを狙っています。

♦ プローブ顕微鏡をもちいたナノ構造の形成

絶縁性のダイヤモンドの最表面層のみが、 ある条件下では電気伝導性を示しうるという 非常に興味深い結果が報告されました。 この現象は広く再現することが確かめられ、 その物理的なメカニズムについて多数のモデルが提案される ホットな研究分野の一つとなっています。 工学的には、この伝導層が表面の吸着物により変化することを利用した 各種の化学物質のセンサーに応用しようとする試みがなされています。。 本テーマにおける実験では、まずプラズマ照射や短時間の熱処理(アニーリング)により ダイヤモンド最表面の炭素原子の終端状態を制御します。 これらは超高真空装置に設置されたラマン分光器、RHEED、LEEDなどの手法で解析し、 表面伝導と表面の結合状態の関係を明らかにします。 これらに続いて、ダイヤモンド表面を各種の雰囲気、温度においてAFM(原子間力顕微鏡) やSTM(走査型トンネル電流顕微鏡)による観察し、ナノ領域での電流や応力印加の手法を用いることで、 表面伝導層を任意に制御することを狙います。

♦ ダイヤモンド膜の広面積ヘテロエピタキシャル成長と気相ラジカルの発光分光解析

ダイヤモンドの気相合成技術は25年以上の歴史があり、 現在では多くの研究グループが高い結晶性と 高速・大面積の堆積を成功させる手法を探る競争を繰り広げています。 本テーマでは大口径のマイクロ波プラズマを安定に発生させることで φ100mmの範囲に均一な単結晶に近いダイヤモンド膜(10μm厚)の形成を目指します。 また、堆積雰囲気を大きく変えた新規の堆積手法の確立も同時に試みています。 通常はメタンガスを多量の水素により希釈した薄膜の成長条件が採用されていますが、 安全性と薄膜形成のエネルギーコストの問題から、 不活性の希ガスを用いた代替プロセスの有効性が指摘されています。 ガス種の変更は、プラズマの電子及びガス温度、メタンの乖離状態に大きな影響を与え、 このプロセス開発には、全く異なる反応モデルを打ちたてる必要があります。

♦反応性スパッタリング法によるハードディスク用保護膜としてのDLC膜形成

Diamond Like Carbon(DLC)はダイヤモンドと類似した物性をもつ非晶質(アモルファス)炭素膜です。 非晶質であることから表面平坦性が極めて高く、摩擦係数も小さいために、 ハードディスクや各種樹脂のコーティング材として用いられています。 本テーマでは、反応性の高いプラズマ状態を用いることで、現時点では作製が困難である、 光透過性と硬度を両立させた薄膜の形成を狙います。具体的な実験としては、 高周波プラズマによるスパッタリング(物理気相蒸着法)に、 酸素や水素を添加することで微視的な構造や化学結合状態を制御し、 求められる物性の発現を試みます。薄膜の形成条件やその過程を明らかにする手法として、 プラズマ中のイオン・ラジカルの発光分光法やガス質量分析法、 ラングミュアプローブ法などの“その場”測定法を用い、 形成される薄膜はSEM、EDS、AES、XPS、AFM、SIMSなどの手法を用いて分析します。

♦パルスレーザー(Pulsed Laser Deposition: PLD)堆積法による透明導電膜の形成

電気伝導性を持ちながら可視光領域で透明な薄膜(透明導電膜)は 光-電気変換素子に欠かせない機能薄膜となっています。 例えば、各種のフラットパネルディスプレイ(FPD)の発光素子の上層には、 発光素子を駆動させる電流を流すと共に、放出される光を透過するために 透明導電膜が必要となります。太陽電池においても、 照射される光を透過し、発生する電力を効率よく取り出すために 高い光透過度と導電性を両立した薄膜の形成が重要となります。 こうした応用においては酸化インジウムスズ(Indium Tin Oxide: ITO)薄膜が 広く使われていますが、インジウムの資源としての希少性と 価格の不安定性からITOを代替する材料が求められています。 本テーマでは酸化インジウム亜鉛、酸化スズをパルスレーザー堆積法において 形成し、その組成や添加不純物濃度を制御することで、 導電性と光透過度を制御した薄膜の形成を狙います。

  -最近の修士論文の題目-

•   PLD法を用いたNb添加SnO2透明導電膜の作製 (2012年3月)

•   基材再堆積法によりAl合金上に堆積したDLC膜の耐磨耗特性 (2011年3月)

•   H2Sガスを用いたSドープ多結晶ダイヤモンド膜の作製 (2010年3月)

•   Laser Ablation法による酸化スズ系透明導電膜の形成 (2009年3月)

•   バイアス印加によるダイヤモンド核生成促進効果に関するイオンエネルギー分布計算とプラズマ診断 (2008年3月)

•   H2Sを用いたCVDダイヤモンド膜へのSドーピング (2008年3月)