2020 年度実施状況報告書

ナノインクから作製した金属電極の仕事関数評価と金属－半導体のコンタクト制御

研究課題

研究課題/領域番号	18K14131
研究機関	地方独立行政法人大阪産業技術研究所
研究代表者	斉藤大志地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 森之宮センター, 主任研究員 (70611317)
研究期間 (年度)	2018-04-01 – 2022-03-31
キーワード	金属ナノ粒子 / 金属ナノインク / ショットキー接触 / 仕事関数 / ケルビンプローブ力顕微鏡 / プリンテッドエレクトロニクス
研究実績の概要	令和2年度は、銀ナノインクから銀電極を作製し、電極の仕事関数評価に取り組んだ。また、銀電極とｐ型シリコン半導体から成るショットキーダイオードについて、静電容量の印加電圧依存性（C-V測定）の測定にも取り組んだ。結果の概要は下記のとおりである。【① 銀電極の仕事関数評価】これまでの進捗より、作製した銀電極を用いたダイオードのI-V特性が、蒸着電極を用いた場合とで異なることが分かっている。この差異が生じる原因の解明を行うため、本年度は、ケルビンプローブ力顕微鏡を用いた銀電極の仕事関数評価に取り組んだ。まず、p型シリコン上で銀ナノインクを焼成（焼成温度：300℃、焼成時間：7.5、15、30分）することで銀電極を作製した。そして、作製した電極をカーボンテープで剥ぎ取ったものを測定試料とし、シリコンと接触していた面のケルビンプローブ力顕微鏡像を測定した。その結果、焼結の進行に伴い電極面内の電位のバラツキが減少することが明らかとなった。さらに、電位より見積もった電極の仕事関数は焼成時間と共に増加した。この要因としては、焼結に伴うナノ粒子から金属結晶への転移、結晶ドメインの形成、ステップ形成による異なる結晶面の露出など、が影響していると考えられる。【② C-V測定】電圧印加に伴う静電容量の変化を計測（C-V測定）することで、ダイオードの内臓電位や半導体のドープ濃度を見積もることが可能となる。本年度は、主に装置の設定と評価用試料の作製を行った。C-V測定は、装置構成や試料の形状・サイズによる浮遊静電容量などの影響を顕著に受けるため、初期検討として装置や試料形状の最適化を試みた。また、マクロを用いた測定の自動化を行い、測定時間の短縮化も可能となった。
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種々の条件検討の結果、ナノインクから作製した電極について、ケルビンプローブを用いた仕事関数の計測に成功した。また、電極面内の電位分布が不均一であるといった知見も得られた。C-V測定については、装置の構成や測定用試料の形状・サイズについて検討を行った。その結果、今後、高周波数への対応などが必要であることが判明した。引き続き、課題解決に向けて検討を進める。研究は概ね順調に進捗している。
今後の研究の推進方策	計画に大きな変更はない。今後の研究方策として、まず、電極表面の構造と電気特性との関係解明に引き続き取り組む。また、金属／半導体界面のコンタクト制御についても実施する。加えて、C-V測定の高周波数対応についても実施予定である。具体的な実施内容は下記のとおりである。【実施項目①：電極表面の構造と電気特性との関係解明】ケルビンプローブ力顕微鏡の測定より、電極の仕事関数は焼結の進行と共に増加することが判明した。また、得られた仕事関数の値は金属銀の理論値（Ag(100)、4.64 eV）よりも大きく、ナノインクに起因する特異な界面構造の形成を示唆している。今後、SEM/EBSDやGIXDなどによる表面分析を活用することで、電極表面の構造と電気特性との関係解明を進めていく。【実施項目②：金属／半導体界面のコンタクト制御】ナノインクを用いて半導体上に電極を作製した際、そのダイオード特性は通常の蒸着電極とは異なり、電極の表面状態に依存することが示唆されている。次年度は、電極の作成条件をより詳細に検討することで、ダイオード特性がどのような変調を受けるのかを調査する。具体的には、電極作製時の焼結温度や焼成時間によってダイオード特性（直列抵抗、閾値電圧）がどのような変調を受けるのかについて検討する。また、C-V測定については、高周波数領域での測定を実施する。
次年度使用額が生じた理由	計画当初に参加を予定していた学術会議が中止となり、2020年度の旅費および参加費の支出が0となったため。生じた差額は次年度に使用する。使途としては、主に半導体基板やケルビンプローブ力顕微鏡測定用のカンチレバーの購入に充てる。
備考	得られた成果について、プレプリント(ChemRxiv)へ投稿 DOI：10.26434/chemrxiv.13316555.v1