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本研究の目的は、N型多結晶酸化亜鉛 (ZnO) 系透明導電膜のキャリア輸送の主支配因子は多結晶構造内の結晶子配列形態であると仮定し、薄膜成長初期の極薄膜層を設計的に制御することで、当該仮定の正否を実証的に明白化することにある。前記極薄膜はキャリア輸送機構を左右することから、Critical Layer (CL) と呼称し、設計指針及び具体的な成膜プロセスを実験及び理論の両面から、本研究成果を通して確立し、提案する。
初年度はAl 添加 ZnO (AZO) 膜に焦点を絞り、キャリア輸送の観点から先ず、従来技術 (各種マグネトロンスパッタ (MS)) の特徴と課題とを明白にした。結晶子配列形態の決定因子として、(0001) と (10-11) 面の2つに焦点を絞り、その見知から、従来技術の共通点と相違点とを明白化した。これらの結果を踏まえて、従来技術の長所を活かし、かつ CL の設計指導原理を明白化した。
最終年度は出現する配向秩序を変化させる成膜パラメータとして、①成膜に使用する焼結体ターゲット中の不純物の添加量及び種類、②成膜電力、③成膜技術を選択し、CL 及びその上に形成される ZnO 系薄膜の形成条件の最適化を行った。特筆すべきは、イオンプレーティングにより CL を形成した後に、総膜厚 500 nmに成るまで直流 MS により形成した AZO 膜では、単一面 ((0001)面) の成長が観察され、低粒界散乱故のホール移動度 50.1 cm2/Vsの実現に至った。対して、CL 無しの AZO 膜では混合配向に因る高い粒界散乱の影響で、ホール移動度は38.7 cm2/Vsに留まる。
上述の如く、「キャリア輸送阻害因子は (0001) 配向以外の配向組織 ((10-11)等) の残存である」ことを実証すると共に、その構造は、膜厚 10 nm の形成に至る成膜初期の構造特性に決定付けられることを明白化した。
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