アモルファス酸化物半導体の双安定性と不安定性の起源解明および応用開拓

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15H06207
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 井手 啓介 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (70752799)
• 研究期間 (年度): 2015-08-28 – 2017-03-31
• キーワード: アモルファス酸化物半導体 / 弱結合酸素 / 不純物水素 / 微細構造

研究実績の概要

アモルファス酸化物半導体は、従来の半導体と比較して全く異なる性質を示す。本材料はその優れた特性のためディスプレイ量産へ既に採用されているが、発表当初に期待された透明フレキシブルディスプレイへの採用は未だ消極的である。その一因として動作不安定性を引き起こすアモルファス酸化物における欠陥やその電子構造が十分に理解されていないことが挙げられる。
本研究の目的は、アモルファス酸化物半導体において、結合状態の異なる水素や酸素を意図的に導入し、それらの電子構造・欠陥構造および電子デバイスへ与える影響を明らかにするものである。本研究において以下の結果を得て学術論文として公表した。
1.a-IGZOを作製する際に酸素供給が少ない場合、多量の欠陥準位を生成する。我々は硬Ｘ線光電子分光法を用いいることによって、インジウムの金属が析出し、ギャップ内へ欠陥準位を生成することを明らかにした。このような状況においては、薄膜トランジスタが動作するために600℃程度の後熱処理を必要とすることがわかった。
2.イオン性かつアモルファス構造を持つ新規分類の半導体として、その微細構造はよく知られていない。我々は透過型電子顕微鏡を用いて、アモルファスの微細構造を調査した。成膜時圧力を制御することにより、膜密度を制御できることを見出し、そのような膜には多量の不純物種が取り込まれていることを明らかにした。また、熱処理に依る挙動を観察することにより、アモルファス半導体特有のvoid構造の変化を明らかにした。
3.プラズマ、熱、圧力をパラメータとした各種水素処理が存在するが、それらが与える半導体特性および電子構造への影響を調査した。多くの関心が集まる価電子帯近傍の欠陥準位が複数の要因からなることを明らかにした。
4.上記を理解することにより、超ワイドギャップアモルファス半導体や、室温形成蛍光薄膜を得ることに成功した。

現在までの達成度 (段落)

28年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

28年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Electron effective mass and mobility limits in degenerate perovskite stannate BaSnO3 (2017)
  • 著者名/発表者名: C.A. Niedermeier, S. Rhode, K. Ide, H. Hiramatsu, H. Hosono, T. Kamiya and M.A. Moram
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 95 ページ: 161202
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.161202
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Conversion of an ultra-wide bandgap amorphous oxide insulator to a semiconductor (2017)
  • 著者名/発表者名: J. Kim, T. Sekiya, N. Miyokawa, N. Watanabe, K. Kimoto, K. Ide, Y. Toda, S. Ueda, N. Ohashi, H. Hiramatsu, H. Hosono and T. Kamiya,
  • 雑誌名: NPG Asia Materials 巻: 9 ページ: e359
  • DOI: 10.1038/am.2017.20
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Multiple roles of hydrogen treatments in amorphous InGaZnO films (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Tang, Y. Kishida, K. Ide, Y. Toda, H. Hiramatsu, S. Matsuishi, S. Ueda, N. Ohashi, H. Kumomi, H. Hosono and T. Kamiya
  • 雑誌名: ECS J. Solid State Sci. Technol. 巻: 6 ページ: 365-372
  • DOI: 10.1149/2.0071707jss
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Quantitative Analysis and Deconvolution of Subgap States in Amorphous In-Ga-Zn-O (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Ide, Y. Kishida, S. Ueda, N. Ohashi, H. Hiramatsu, H. Hosono and T. Kamiya
  • 雑誌名: SID Int. Symp. Dig. Tech. Pap. 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: in print
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effects of working pressure and annealing on bulk density and nanopore structures in amorphous In-Ga-Zn-O thin-film transistors (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Ide, M. Kikuchi, M. Ota, M. Sasase, H. Hiramatsu, H. Kumomi, H. Hosono and T. Kamiya
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 56 ページ: 03BB03
  • DOI: http://iopscience.iop.org/article/10.7567/JJAP.56.03BB03/meta
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electronic Structures of Various Color Light-Emitting Amorphous Oxide Semiconductor Thin Films (2017)
  • 著者名/発表者名: Naoto Watanabe, Junghwan Kim, Keisuke Ide, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, and Toshio Kamiya
  • 雑誌名: SID Int. Symp. Dig. Tech. Pap. 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: in print
  • 査読あり
• [雑誌論文] Solid phase epitaxial growth of high mobility La: BaSnO3 thin films co-doped with interstitial hydrogen (2016)
  • 著者名/発表者名: C.A. Niedermeier, S. Rhode, S. Fearn, K. Ide, M.A. Moram, H. Hiramatsu, H. Hosono, and T. Kamiya
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 108 ページ: 172101
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4948355
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] SnS thin films prepared by H2S-free process and its p-type thin film transistor (2016)
  • 著者名/発表者名: F.-Y. Ran, Z. Xiao, H. Hiramatsu, K. Ide, H. Hosono, and T. Kamiya
  • 雑誌名: AIP Adv. 巻: 6 ページ: 015112
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4940931
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Room-temperature fabrication of light-emitting thin films based on amorphous oxide semiconductor (2016)
  • 著者名/発表者名: J. Kim, N. Miyokawa, K. Ide, Y. Toda, H. Hiramatsu, H. Hosono, and T. Kamiya
  • 雑誌名: AIP Adv. 巻: 6 ページ: 015106
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4939939
• [雑誌論文] Transparent amorphous oxide semiconductor thin film phosphor, In-Mg-O:Eu (2016)
  • 著者名/発表者名: J. Kim, N. Miyokawa, K. Ide, H. Hiramatsu, H. Hosono, and T. Kamiya
  • 雑誌名: J. Ceram. Soc. Japan 巻: 124 ページ: 532
  • DOI: http://doi.org/10.2109/jcersj2.15283
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ultrawide band gap amorphous oxide semiconductor, Ga-Zn-O (2016)
  • 著者名/発表者名: J. Kim, N. Miyokawa, T. Sekiya, K. Ide, Y. Toda, H. Hiramatsu, H. Hosono, and T. Kamiya
  • 雑誌名: Thin Solid Films 巻: 614 ページ: 84-89
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2016.03.003
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of thermal annealing on elimination of deep defects in amorphous In-Ga-Zn-O thin-film transistors (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Tang, K. Ide, H. Hiramatsu, S. Ueda, N. Ohashi, H. Kumomi, H. Hosono, and T. Kamiya
  • 雑誌名: Thin Solid Films 巻: 614 ページ: 73-78
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2016.03.005
  • 査読あり
• [雑誌論文] Why high-pressure sputtering must be avoided to deposit a-In-Ga-Zn-O films (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Ide, M. Kikuchi, M. Sasase, H. Hiramatsu, H. Kumomi, H. Hosono and T. Kamiya
  • 雑誌名: AM-FPD 2016 巻: - ページ: 298-301
  • DOI: https://doi.org/10.1109/AM-FPD.2016.7543696
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Importance of oxygen- and hydrogen-related defects to develop new amorphous oxide semiconductor materials (2016)
  • 著者名/発表者名: Toshio Kamiya, Junghwan Kim, Keisuke Ide, Hideya Kumomi, Hideo Hosono
  • 学会等名: The 23rd International Conference on Display Workshops in conjunction with Asia Display2016
  • 発表場所: 福岡国際会議場
  • 年月日: 2016-12-07 – 2016-12-09
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of New Amorphous Oxide Semiconductors: How to understand and control their defects? (2016)
  • 著者名/発表者名: Toshio Kamiya, Keisuke Ide, Hideya Kumomi, and Hideo Hosono:
  • 学会等名: International Conference on Electronic Materials and Nanotechnology for Green Evironment (ENGE 2016)
  • 発表場所: Ramada Plaza Jeju Hotel, Jeju, Korea
  • 年月日: 2016-11-06 – 2016-11-09
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 超ワイドバンドギャップアモルファス酸化物半導体の欠陥制御と光・電子デバイス応用 (2016)
  • 著者名/発表者名: 金 正煥、関谷 拓実、井手 啓介、平松 秀典、細野 秀雄、神谷 利夫:
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ、新潟
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-13
  • 招待講演
• [学会発表] アモルファスIGZOにおける弱結合酸素の電子状態解析; (2016)
  • 著者名/発表者名: 岸田 陽介、井手 啓介、上田 茂典、平松 秀典、大橋 直樹、細野 秀雄、神谷 利夫:
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ、新潟
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-13
• [学会発表] アモルファス酸化物蛍光体薄膜の多色化と電子構造; (2016)
  • 著者名/発表者名: 渡邉 脩人、Kim Junghwan、井手 啓介、平松 秀典、細野 秀雄、神谷 利夫:
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ、新潟
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-13
• [学会発表] ペロブスカイト型酸化物半導体固溶体の結晶構造と光学物性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 小林雄太郎、溝口拓、井手啓介、金正煥、松石聡、平松秀典、細野秀雄、神谷利夫:
  • 学会等名: 日本セラミックス協会 第29回秋季シンポジウム
  • 発表場所: 広島大学 東広島キャンパス
  • 年月日: 2016-09-09 – 2016-09-09
• [学会発表] What have been clarified for defects in a-In-Ga-Zn-O and what we can obtain?; (2016)
  • 著者名/発表者名: Toshio Kamiya, Keisuke Ide, Hideya Kumomi, and Hideo Hosono
  • 学会等名: The 16th Meeting on Information Display
  • 発表場所: ICC Jeju, Korea
  • 年月日: 2016-08-23 – 2016-08-26
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Light-emission Properties and Electronic Structure of Amorphous Oxide Thin film Phosphor; (2016)
  • 著者名/発表者名: Naoto Watanabe, Junghwan Kim, keisuke Ide, Hiramatsu Hidenori, Hideo Hosono, and Toshio Kamiya:
  • 学会等名: The 16th Meeting on Information Display (iMiD2016)
  • 発表場所: ICC Jeju, Korea
  • 年月日: 2016-08-23 – 2016-08-26
  • 国際学会
• [学会発表] : Why high-pressure sputtering must be avoided to deposit a-In-Ga-Zn-O films; (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Ide, M. Kikuchi, M. Sasase, H. Hiramatsu, H. Kumomi, H. Hosono and T. Kamiya:
  • 学会等名: THE 23rd INTERNATIONAL WORKSHOP ON ACTIVE-MATRIX FLATPANEL DISPLAYS AND DEVICES
  • 発表場所: Ryukoku University Avanti Kyoto Hall
  • 年月日: 2016-08-06 – 2016-08-08
  • 国際学会