希土類水素化物半導体から構成される薄膜トランジスタとその1Sバンド超伝導

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20K04583
• Research Institution: Okayama University of Science
• Principal Investigator: 中村 修 岡山理科大学, 研究・社会連携センター, 教授 (60749315)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 花尻 達郎 東洋大学, 理工学部, 教授 (30266994) ; 酒井 政道 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (40192588)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 希土類 / 水素 / 薄膜トランジスタ / 4f電子

Outline of Annual Research Achievements

過去３年間の成果を踏まえ、高圧実験及びレジストを使用したトランジスタの開発を断念した。そして、穴あき金属マスクを使用した薄膜トランジスタの作成に注力した。更にチャネル層用の半導体層の最適化のために、ストイキオメトリックに近いYbH2の作成条件を求めた。結果としてYbH1.98からYbH2.12の試料（抵抗率16ohm.cmから900ohm.cm)を得ることができた。これらの半導体をチャネル層にしたボトムゲート構造の薄膜トランジスター(TFT)の作成を試みた。構造：上から　ソースとドレイン電極　チャネル層　ゲート絶縁膜　Si基板である。ソース電極とドレイン電極は金(Au)とした。作成方法：熱酸化膜付き(300nm)Si基板(0.525mm)をゲート電極とその絶縁膜としてその上に穴あきマスクで領域を制限してPt/Ybを成膜する。その後、水素を含むアルゴンガス中に置き、所定の温度で水素化をする。そしてYb→YbH2にしてチャネル層とする。その後、グロー放電により、白金(Pt)を除去、穴あきマスクを使用して金(Au)のソース電極とドレイン電極を形成する。
このようにして形成したTFTの動作を確認したところ、トランジスターとして動作しなかった。当初、原因がソース電極とドレイン電極の半導体層のコンタクトにあると考え、コンタクト抵抗を減らすべく、改良をしたが、動作確認ができなかった。
最終的に、ゲートリークが動作不良の原因であることが判明した。又、ゲートリークの原因は水素ではなく、Ybが原因であることが判明した。要するに、Ybの反応性が高く、低温でも熱酸化膜(SiO2)に微量といえども拡散することに原因がある。
対策を取ろうとしたところで、時間（期間）と予算がなくなり、トランジスタ動作実験を断念した。