2017 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 | 酸化物半導体 / 薄膜トランジスタ / 熱電素子 / ニューラルネットワーク / 格子欠陥 |
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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))に着目し、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ている。この材料はレアメタルであるインジウムを含まないにもかかわらず、TFT特性が良好であることを我々は報告した。即ち、GTO薄膜をSiウェハ上にRFマグネトロンスパッタリング法により成膜したTFTは高移動度であり、安定性においても非常に良好な特性を得られる。
同時にGTO薄膜は可視光において透明であり、ワイドバンドギャップであるため、TFTの漏れ電流は非常に低い。これらの特性により、保護膜なしの比較において光照射下ゲート電圧印加試験耐性(NBIS特性)が非常に良好であることが確認できた。
また、我々はGTO薄膜の熱電特性を評価する事に成功し、良好な特性が得られることを報告した。その上でGTO薄膜を無加熱で形成できる事に着目して、TFT特性が得られるという事が確認できたため発表を行った。
これらの要因は、GTO薄膜がレアメタルを含まないにもかかわらず他に報告されているアモルファス酸化物半導体材料に類似の物性を持っているためであると考えられる。その劣化特性などに関しては酸素空孔などの格子欠陥が大きく影響していると考えられている。
本研究ではその詳細に関して明らかにすることにより、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
Ga-Sn-O薄膜の形成をRFマグネトロンスパッタリングで形成することにより、GTO 薄膜トランジスタ(TFT)を形成する事に成功した。
GTO TFTは熱酸化膜の形成されたSiウェハ上にメタルマスクを用いて形成した。GTO TFT特性はIGZO TFTに匹敵するほど高移動度であり、表面保護膜なしでもゲート電圧ストレス試験を行うことができた。即ち、電圧ストレス試験に対する特性の劣化は約1V以下であり、酸化物半導体材料デバイスの課題である
光照射下ゲート負電圧ストレス耐性試験においても特性のシフトは非常に低いレベルであることが確認できた。
またGTO薄膜を石英ガラス基板に形成してデバイスを形成し、熱電特性の評価を行った結果、その熱電能に関しても今後改善が期待できるレベルであることが確認できた。
本年度は、酸化物半導体材料のもうひとつの特長である、低温でも形成できるという性質をもちいたTFT形成も行った。成膜温度の変更によるキャリア密度の変化に対して、GTO薄膜の成膜条件を変更する事によってキャリア密度の制御が可能であることを有効に活用した。同時にデバイス作製プロセスを見直すことにより、無加熱で形成したGTO TFTを動作させることに成功した。
これらの技術を総合的に活用する事によって、今後プラスチック基板のように曲げられるフレキシブルなデバイスを、レアメタルを用いずに形成することが期待できる。またGTO薄膜を用いた新しいデバイスへの応用として、ニューラルネットワーク形成を目指した成膜を開始した。
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| Strategy for Future Research Activity |
前述のように、我々は新しい酸化物半導体であるGTOを用いてTFT、熱電素子、低温デバイスを形成する事に成功した。しかし、デバイスの安定性向上、特性の向上などの課題は依然として存在する。これらの課題の中で、今後の研究の推進方策としては、主に次の二点を目的とする。
まず酸化物半導体材料の応用を目指したニューラルネットワーク用デバイスの形成である。目標とするデバイスはTFTの半導体層とは異なる特性が必要とされる。したがって、これまでに得られたGTO薄膜形成に関する知見だけでなく、IGZO、SnO2:Al、ZnOなどの様々な酸化物半導体薄膜の形成のノウハウを活用することにより、ニューラルネットワークの素子に必要な特性が得られる半導体薄膜の形成を目指す。
これらの酸化物半導体薄膜は複数の金属イオンを含む酸化物材料(多元系酸化物材料)であり、その物性は酸素空孔と深く関わっていると考えられる。酸素空孔は格子欠陥としてとらえられる場合もあれば、キャリアの生成にも寄与していると考えられる。
これらのキャリアの生成、電子伝導機構、トラップによる散乱などに関しての知見を深めていくことによって、新しい酸化物材料及びデバイスを見出すためのさらなる足がかりとしていきたい。
同時に、近年新しく提案されてきたミストCVD法などの成膜手法を用いたデバイス形成を推進し、これまでに研究・開発してきたデバイスを用いたイノベーションを起こしたいと考える。
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| Causes of Carryover |
消耗品の予想金額と実際の金額に誤差が生じたため。
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