本研究では，ZnOという高効率・低環境負荷な材料を光デバイスとして応用するため に必要な薄膜，ナノ粒子に関する課題に着目し，その解決を試みた．
5.1 MOCVD 法による高品質無添加酸化亜鉛薄膜の成長
量産性に適した基板高速回転型MOCVD装置及びサファイアa面基板を用いて，キ ャリア濃度1017 cm-3以下，移動度100 cm2/Vs以上の高品質無添加ZnO薄膜の成長を試 みた．成長条件の最適化の結果，成長温度525 °C，成長圧力300 hPa，膜厚1442 nmの 時にキャリア濃度及び移動度はそれぞれ1.5×1017 cm-3，140 cm2/Vsとなった．これらの 電気的特性はMOCVD法としてはこれまでで最も優れたものであり，PLD法やMBE法 の成膜方法と比較しても遜色なく，単結晶ZnO基板に匹敵する値である．更にZn原料 としてジイソプロピル亜鉛を用いることで従来に比べて低温で高品質な無添加ZnO薄 膜の成長が可能であることがわかり，窒素ドーピングによるp型化の母体材料として十 分になりうる無添加ZnO薄膜をMOCVD法により成長することに成功した．
一方，課題としては当初の目的であったキャリア濃度1016 cm-3台には及ばなかったた め，今後はバファー層の挿入や膜厚の増加による結晶性，電気的特性の向上が必要であ る．これらの改善を行うことにより，今後，MOCVD法によるp型ZnO薄膜やZnO系 LEDの実現が期待できる．
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5.2 高周波熱プラズマ法による窒素ドープ酸化亜鉛ナノ粒 子の生成
高周波熱プラズマ法を用いて窒素ドープZnOナノ粒子の生成を行った．生成条件の 最適化の結果，Zn粉末の供給量が1.10～1.65 g/minの条件において3.1～4.6×1020 cm-3 程度の窒素を取り込んでいることがわかり，これらの値は従来の直流アークプラズマ蒸
発法(= 4.1×1020 cm-3)と比べても遜色ない値である．更にこれらの条件を用いて作製した
デバイスは3 V程度で立ち上がる整流性を示し，ZnOのバンド端発光(= 378 nm)を確認 することができた．以上の結果から，量産性に適した高周波熱プラズマ法により窒素ド ープZnOナノ粒子の生成が可能となった．更にMOCVD法により成長した無添加ZnO 薄膜及び高周波熱プラズマ法により生成した窒素ドープZnOナノ粒子を用いて塗布型 LEDを作製した．その結果，MOCVD法により作製した無添加ZnO薄膜をn型層とし て用いることにより，塗布型LEDの発光強度の増加が可能であることがわかった．以 上の結果から，これらの量産技術による塗布型LEDの実用化への可能性を示すことが できた．今後は粒子径や窒素濃度の制御によるナノ粒子の発光特性の改善が進めば，ガ ス中蒸発法に比べ安定したp型ナノ粒子の生成技術として期待できる．
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5.3 高周波熱プラズマ法によるガリウムドープ酸化亜鉛ナ ノ粒子の生成
高周波熱プラズマ法を用いてガリウムドープZnOナノ粒子の生成を行った．原料と して用いたGaN粉末とZn粉末の混合比を変化させることによりZnOナノ粒子内に含 まれるガリウム濃度を0.56～4.63 at%まで制御できることがわかった．また，反射率 測定の結果からキャリア濃度が1×1020 cm-3以上の高濃度電子キャリアドーピングに成 功し，作製した焼結体の抵抗率はどの条件においても無添加のものに比べて，1/50以 下の抵抗率を示した．更にガリウム濃度が，0.56 at%の時に焼結体の抵抗率は1.0×10-3 Ω・cmとなり透明導電膜に必要な抵抗率を達成することができた．以上のように，ス パッタ法による透明導電膜に匹敵するような導電膜の原料となりうる，これまでにない 低抵抗なガリウムドープZnOナノ粒子の生成に成功した．これらの成果から，塗布型 LED用の透明電極層や発光層などへの適用などデバイス応用へ展開が期待できる．
以上の本研究結果より量産性に優れた高品質な無添加ZnO薄膜の成長技術とp型，n 型ZnOナノ粒子の生成技術を開発できた．これらの材料を用いて今後，ZnO系発光デ バイスの実用化に向けた高性能化が期待できる．
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研究業績
関連論文
1. Y. Hiragino, Y. Furubayashi, K. Moriyama, and Y. Fujita, “Improved Transport Properties for ZnO films on Al2O3 (1120) by MOCVD”, Physica Status Solidi C, Vol.11, No. 7–8, (2014), pp. 1369–1372.
2. Y. Fujita, K. Moriyama, Y. Hiragino, Y. Furubayashi, H. Hashimoto, and T. Yoshida,
“Electroluminescence from nitrogen doped ZnO nanoparticles”, Physica Status Solidi C, Vol.11, No.7-8, (2014), pp.1260–1262.
3. Y. Hiragino, T. Tanaka, H. Takeuchi, A. Takeuchi, J. Lin, T. Yoshida, and Y. Fujita,
“Synthesis of nitrogen-doped ZnO nanoparticles by RF thermal plasma”, Solid-State Electronics, Vol.118, (2016), pp.41-45.
その他の発表論文
1. Y. Furubayashi, T. Hayashi, S. Morito, Y. Hiragino, W. Yeh, Y. Kajikawa, H. Hashimoto, and Y. Fujita, “Zeta potential measurements for determining polarization of ZnO films”, Japanese Journal of Applied Physics, Vol.53, No.5S1, (2014), pp.05FF01-1–05FF01-5.
国際会議
Y. Hiragino, Y. Furubayashi, K. Moriyama, and Y. Fujita, "MOCVD growth of high quality ZnO films on Al2O3 (110)", The 16th International Conference on II-VI Compound and Related Materials, Nagahama Royal Hotel, September 12, 2013.
105 国内会議
1. 平儀野雄斗, 清山拓史, 狩野祐太, 橋本英樹, 藤田恭久；「窒素ドープ酸化亜鉛ナノ粒 子の生成と塗布型紫外線発光ダイオード」2014年<第61回>春季応用物理学関係連 合講演会，青山学院大学相模原キャンパス．
2. 平儀野雄斗, 田中暁巳, 竹内浩, 竹内啓, 藤田恭久；「高周波熱プラズマ法による窒素 ドープ酸化亜鉛ナノ粒子の生成」2015年<第62回>春季応用物理学関係連合講演会，
東海大学湘南キャンパス．
3. 平儀野雄斗, 清山拓史, 阿部耕介, Jie Lin, 吉田俊幸, 藤田恭久；「RF熱プラズマによ り生成した窒素ドープ酸化亜鉛ナノ粒子のPL 特性」2015年<第76回>秋季応用物 理学関係連合講演会，名古屋国際会議場．
特許
藤田 恭久，平儀野 雄斗，竹内 啓，田中 暁巳，竹内 浩,「酸化亜鉛微粒子の製造方法、
酸化亜鉛微粒子」，特願2014-191465，2014年9月19日 特許出願．
受賞
2013, September, The 16th International Conference on II-VI Compound and Related Materials Best Student Presentation Award.