2016 Fiscal Year Research-status Report
新規レアメタルフリー酸化物半導体を用いた機能性デバイス開発のための格子欠陥評価
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16K06733
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| Research Institution | Ryukoku University |
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Principal Investigator |
松田 時宜 龍谷大学, 革新的材料・プロセス研究センター, 客員研究員 (30389209)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
木村 睦 龍谷大学, 理工学部, 教授 (60368032)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | アモルファス酸化物半導体 / 薄膜トランジスタ / 酸化ガリウムスズ / 光照射電圧ストレス試験 / 低温TFT / ミストCVD |
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| Outline of Annual Research Achievements |
新規レアメタルフリー酸化物半導体材料(Ga-Sn-O(GTO))に注目し、薄膜トランジスタ(TFT)などのデバイス応用を目指した研究を推進した。現在ディスプレイの画素駆動デバイスとして既に実用化されているIn-Ga-Zn-O(IGZO)は、TFTの活性層として良好な電気的特性を示すことが既に知られている。すなわちIGZO TFTは極めて低いオフ電流、良好な立ち上がり特性、Inの等方的で大きな軌道に起因する比較的高移動度であることが知られており、現行の画素を駆動するには十分な初期特性を示す。
しかし、IGZOは産出地が限られており、資源としてのリスクが高いインジウムを主成分として含んでいる。
またその駆動条件下に対する安定性(光照射下のゲート電圧印加試験耐性(NBIS))に課題があり、保護膜に工夫を施す事により安定性を向上するなどの対策がとられている。その特性の不安定性の要因として、アモルファス構造を保持する目的で添加されているZnが酸素と弱結合を形成することによることが懸念されている。
そこでわれわれは、インジウムに代わって、イオンとして同じ電子構造を持つSnを含み、不安定性の要因であると考えられるZnを含まないGa-Sn-O(GTO)に着目した。その結果、GTO薄膜は可視光において透明ですなわちワイドバンドギャップである事、XRD評価によってアモルファスである事が確認できた。また、そのTFT特性はきわめて良好であり、保護膜なしの比較においてNBIS試験耐性でIGZOを上回る結果が得られた。
本成果により、GTO薄膜は新規レアメタルフリーワイドバンドギャップ半導体である事が明らかになったため、低温デバイス形成応用、熱電素子応用を目指した特性評価、ニューラルネットワークへの応用など、様々な可能性を実現していく研究を進めていく。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究の提案書に沿った形で、新規レアメタルフリー酸化物半導体(Ga-Sn-O(GTO))を用いた薄膜トランジスタ(TFT)形成を行うことができた。
まず、現行のディスプレイ中の画素を駆動するにはIn-Gz-Zn-O(IGZO)のような酸化物半導体を用いたTFTによって十分な特性が得られている。しかし、IGZOは産出地が限られており、資源としてのリスクが高いインジウムを主成分として含んでいる。
またその駆動条件に対する安定性(光照射下のゲート電圧印加試験耐性(NBIS))に課題があり、保護膜に工夫を施すなどの対策がとられている。その要因として懸念されているのがZnが形成する弱い結合である。
そこでわれわれは、インジウムに代わって、イオンとして同じ電子構造を持つSnを含み、不安定性の要因であると考えられるZnを含まないGa-Sn-O(GTO)に着目した。その結果、以下のことが確認できた。・GTOはRFマグネトロンスパッタリング法によって比較的容易に成膜できること。・GTO薄膜は可視光において透明で、XRD評価によるとアモルファスである事。・シート抵抗の制御性も他の酸化物半導体の手法を適用できる事。
これにより、GTO TFT作製プロセス開発がそれほど困難を伴わないことが予測できたため、TFT形成実験を行った。その結果、そのGTO TFTの電気的特性は十分良好であり、保護膜なしの比較においてNBIS試験耐性で現行材料を上回る結果が得られた。
そのため、本研究の進捗状況はおおむね順調であると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本成果により、GTO TFTは良好な新規レアメタルフリーワイドバンドギャップ半導体デバイスであることが明らかになったため、以下のようなテーマに沿って研究を進めていきたい。
・フレキシブル基板へとデバイス形成を行うため、以下のような段階を踏んで研究を推進していく。まず低温条件で、Siウェハのような高耐熱性基板へとGTO薄膜形成を行い、基礎特性の調査を行う。その後、Siウェハ上に低温プロセスでデバイス試作、評価を行う。その後PENのようなフレキシブル基板すなわち低耐熱性基板に対応したデバイス形成プロセス開発を行う。これによりフレキシブルGTO TFTデバイス形成・評価を進めていく。
・熱電素子応用を目指したGTO薄膜の特性評価を行っていく。GTO薄膜は酸化物半導体として電界効果移動度が高く、安定性も良好であるため、キャリアの伝導制御が比較的行いやすい材料であると考えられる。したがって従来酸化物材料に対して進められてきた熱電デバイス応用にも可能性が認められるものである。したがって、GTO薄膜のキャリア密度、移動度を制御することにより、熱電特性を向上し、デバイス応用を図る。
・ニューラルネットワーク、センサーへの応用など、様々な可能性を実現していく研究を進めていく。
GTO薄膜はRFマグネトロンスパッタリング法だけでなく、ミストCVD法によっても形成できることが確認できている。ミストCVD法は大気圧プロセスであり、デバイス形成時のエネルギー消費が従来型真空技術よりも低いと考えられる。したがってGTOデバイスをミストCVD法にて形成できれば、材料の主成分において低環境負荷であり、さらに薄膜形成技術においても低環境負荷なデバイスを形成できると考えられるため、それを目指した研究を進める。
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| Causes of Carryover |
消耗品や出張関連の日当などの計算に誤差が生じたため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
薬品などの不足している消耗品を購入する。
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