| 研究課題/領域番号 |
20K05306
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分29010:応用物性関連
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| 研究機関 | 東京理科大学 |
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研究代表者 |
加瀬 直樹 東京理科大学, 理学部第一部応用物理学科, 嘱託特別講師 (10613630)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2022年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2021年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2020年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)
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| キーワード | 単結晶 / 透明酸化物半導体 / 半導体物性 / 単結晶育成 / 電子・電気材料 / 熱電変換材料 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
IGZOと呼ばれる酸化物半導体は、その高い透明性と伝導性からスマートフォンなどに適したディスプレイ材料として注目されている。しかし、Znの蒸気圧が高いことなどから大型結晶の育成が困難であることが知られており、詳細な物性および高い伝導度などの発現機構は未解明のままであった。そのような背景のもと、我々は高圧大気雰囲気下におけるFZ法を用いてこれまで報告のないInGaZnO4の大型単結晶の育成に世界で初めて成功した。本研究では、この技術を駆使して高圧酸素雰囲気下におけるホモロガス系(InGaO3)m(ZnO)nの大型結晶の育成とその物性解明を目的として研究を行う。
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| 研究実績の概要 |
育成に成功しているIGZO-11およびIGZO-13の大型単結晶の育成に取り組み、これらの伝導異方性を明らかにした。その結果、同様のキャリア密度帯でも伝導異方性はIGZO-13の方が数倍程度大きい事が明らかになった。結晶構造の違いから考察するとZnOの伝導への寄与は他に比べて明らかに小さいと考えられる。IGZO-1n(n = 1, 3)の伝導異方性は銅酸化物超伝導体のような絶縁層を有する層状化合物ほど大きくはない。そのため、In-Ga-Znの寄与の差はあるがそれら全てが伝導に貢献していると実験結果から考えられる。
ホモロガス構造InGaO3(ZnO)nにおけるnの偶奇の違いにより空間群が異なるため、それらの物性を比較するためにはn = 4までの大型単結晶が必要である。高出力を出せるFZ炉の整備をさらに進め高大気雰囲気下における単結晶育成環境を整えIGZO-14の単結晶育成を行った。現状では、結晶化はできているがIGZO-14だけでなくわずかなIGZO-15の相が混じり単相化できていない。
IGZO-1nの比熱、ゼーベック効果、熱伝導率といった熱物性の測定を行い、熱物性を明らかにすることに成功した。電子比熱の算出はキャリア密度的に困難であったが、デバイ温度などの算出に成功している。さらにマシンタイムの短縮及び算出精度向上のため性能指数ZTの同時算出が可能な測定装置の開発に取り組んだ。ゼーベック係数、熱伝導率、電気抵抗率を同時測定し、ZTを導出することができる装置の開発に成功した。
またFZ炉を用いてSnドープ型のIGZO大型単結晶の育成にも成功している。さらに、IGZOだけでなくIn-Zn-Oで構成されるIn2O3(ZnO)3の大型単結晶の育成に成功した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
単結晶を用いて初めて実行できる伝導異方性の確認に成功し、その結晶構造に起因した伝導現象の解明に近づけた。
計画していたIGZO-14の大型単結晶育成にはまだ成功していないが、Sn置換型やIZOの大型単結晶の育成に成功しているため、研究の進展自体は順調である。IGZO-14の単結晶育成もわずかな不純物相が残るだけでありZnの仕込み量などの条件を詰めるだけで成功する見込みである。
さらに様々な熱物性を中心とした物性測定が順調に進んでおり、性能指数ZTの同時算出が可能な測定装置の開発にも成功しているため、今後さらなる発展が期待できる。
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| 今後の研究の推進方策 |
nが偶数のIGZO系化合物の物性を明らかにするため、IGZO-14の単結晶育成に取り組む。現状すでに結晶化に成功しているため、Znの量を調整しIGZO-15の存在しない単相化に取り組む。可能ならばIGZO-15の単結晶育成にも取り組みたい。
新たにSnドープ型IGZOやIn2O3(ZnO)3の大型単結晶の育成に成功しているため、これらの物性測定に取り組む。特にIGZO系ではSn置換により移動度がさらに向上することが薄膜試料などで知られているため、単結晶を用いてどのような物性を示すか興味深い。
ZTの同時算出が可能な測定装置の開発に成功しているため、IGZO-1nの系統的な物性測定に取り組む。
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