2020 Fiscal Year Research-status Report
Single crystal growth of transparent oxide semiconductor and analysis of its intrinsic physical properties
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20K05306
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
加瀬 直樹 東京理科大学, 理学部第一部応用物理学科, 助教 (10613630)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 透明酸化物半導体 / 単結晶 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
InGaZnO4 (IGZO-11)の大型の単結晶育成に成功していたが育成条件による結晶性の違いを防ぐために、単結晶育成条件の最適化が必要であった。回転数の調整、ネッキング、下ロッドに種結晶を利用するなどして結晶の純良化を行った。FZ炉を用いた単結晶育成では、ロッドの回転数を上げるほど安定することが知られている。これまでは15 rpm程度で行っていたが、回転数を増加させて結晶育成を行った。さらにしたロッドを種結晶に変更した場合は劈開性が増しただけでなく、組成比も整数比に近い値が得られた。この手法で育成した単結晶試料の面内方向の電気伝導は、結晶による差がほとんどなく、均一な単結晶育成に成功した。
IGZO-13はIGZO-11と比較して、ZnOの増加に伴い高温が必要となり、育成時により高いランプの出力を要する必要がある。IGZO-13は多結晶ロッドのZnOの組成比が少ないと、IGZO-11もしくはIGZO-12が不純物として現れる。そのためZnOの組成比を増やして結晶育成を行った。回転数はIGZO-11と同条件で育成を行うことで、綺麗な形状の結晶育成に成功した。IGZO-12についてもZnの割合を調整することで純良結晶の育成に成功している。本研究により、IGZO-12, IGZO-13, IGZO-21の大型単結晶を育成することに成功した。
IGZOは異常なキャリア密度と移動度を示すため、これらの物理量の測定はIGZOの物性解明のために非常に重要である。新型コロナ感染症の影響で外部施設の使用に大幅な制限が生じたため、キャリアや移動度を判断するホール効果の測定ができなかった。そこで研究室内で自由にホール効果を測定する必要性が生じたため、小型電磁石とバイポーラ電源を導入してホール効果測定装置の開発に取り組んだ。
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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
新しくIGZO-12, IGZO-13の大型単結晶の育成およびその育成条件の確立に成功した。また純良なIGZO-11の大型単結晶の育成条件を確立することに成功している。今年度の研究は外部施設の利用が大幅に制限されたが、キャリアと移動度を測定するためのホール効果の測定装置の開発に成功した。さらに、これまでよりも高濃度な酸素アニールが可能な環状炉の作成に成功した。当初の計画にない測定装置の開発に成功しており、その点に関しては当初の計画以上に進展している。しかし、装置開発に時間を要したため物性測定は多少遅れておりトータルとしてこのような評価とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
ホモロガス構造(InGaO3)m(ZnO)nのn変化について大型結晶育成に成功しているが、nが偶数か奇数かで空間群が異なるため、比較のためには最低でもn = 4までの大型結晶が必要である。ZnOの量が増すにつれて融点が上昇する傾向があるため、研究室に所有しているより高出力なFZ炉を使用して単結晶育成を行う。しかし、このFZ炉は結晶育成の回転軸が1 mm程度、下側の回転軸とずれているため、安定して単結晶を育成するためにはこのズレを修正する必要がある。
大型単結晶育成手法の最適化条件を見出すことに成功したため、今年度は置換効果などにも取り組みたい。また物性測定については開発した装置を利用して、ホール効果や移動度だけでなく異方性も含めた熱電材料としての可能性を追求したいと考えている。
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| Causes of Carryover |
大型装置の購入を計画し設計を含めて業者と打ち合わせを行っていたが、新型コロナ感染症のため計画の遅れや製造の長期が懸念されたことから製品の納入の次年度になるため、購入を次年度に見送った。今年度に設計した大型装置を購入する。
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