2018 Fiscal Year Research-status Report
新規レアメタルフリー酸化物半導体を用いた機能性デバイス開発のための格子欠陥評価
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16K06733
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| Research Institution | Ryukoku University |
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Principal Investigator |
松田 時宜 龍谷大学, 革新的材料・プロセス研究センター, 客員研究員 (30389209)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
木村 睦 龍谷大学, 理工学部, 教授 (60368032)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | アモルファス酸化物半導体 / 薄膜トランジスタ / 酸化ガリウムスズ / 電圧ストレス試験 / 低温TFT / ミストCVD / 抵抗変化型メモリー / 熱電素子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
新規レアメタルフリー酸化物半導体材料(Ga-Sn-O(GTO))に着目し、薄膜トランジスタ(TFT)・熱電素子・抵抗変化型メモリーなどのデバイス応用を目指した研究を推進した。
即ち、GTO薄膜をSiウェハ上にRFマグネトロンスパッタリング法により成膜したTFTは高移動度であり、TFTの漏れ電流は低く、オン電流は充分に高い。GTO薄膜はレアメタルであるインジウムを含まないにもかかわらず、可視光において透明であり、ワイドバンドギャップである。
これらの特性により、保護膜なしの条件において光照射下ゲート電圧印加試験耐性(NBIS)が良好であることが確認できた。これらの特性の得られる要因は、Gaの酸化物としての安定性、またSnの化学的な特性によると考えられる。即ち,Snが四価であるSnO2の場合はn型伝導を示し、一価であるSnOの場合はp型伝導を示すことにより、特性劣化の要因となりうるキャリアや欠陥を局所的な電荷の補償を行うことにより、材料の構造を大きく変化することなく吸収できるからであると考えられる。
これまでの開発において得られた知見を活用し、低温デバイス形成応用、熱電素子応用を目指した特性評価、ニューラルネットワークへの応用など、様々な可能性を実現していくための研究を進めている。これらのデバイスはTFTの半導体層とは異なる特性が必要とされるので、これまでに得られたGTO薄膜形成のノウハウを活用して必要な特性が得られる膜を形成している。
また,GTO薄膜の材料のさらなる特性を引き出すために,様々な成膜手法や後処理技術などを含めて開発を進める。具体的には,ミストCVD法などのプラズマを用いない成膜手法を適用してさらなる高性能デバイスを形成していきたい。
これらの酸化物半導体薄膜は多元系材料であり、その物性は酸素空孔と深く関わっていると考えられるため,これまでに形成したデバイスの特性に影響するメカニズムを明らかにし,新しい分野を開拓していきたいと考えている。
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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
Ga-Sn-O薄膜をRFマグネトロンスパッタリング法で形成することにより、GTO 薄膜トランジスタ(TFT)を無加熱,最高プロセス温度350℃にて形成する事に成功した。
GTO TFTの特性はゲート電圧が低いオフ領域では漏れ電流が概ね低く,ゲート電圧を印加することによるオン電流は高く良好な特性を示している。また熱・光負荷における電圧ストレス条件に対する安定性について期待できることが明らかになった。
GTOデバイスの形成に関する知見を発展させることによって,抵抗変化型メモリーの形成を試みた。
即ち,石英ガラス基板上に適切なバス電極を真空蒸着法によって50nmの膜厚で形成する。その後GTO薄膜(Ga:Sn=1:3(原子比))をRFマグネトロンスパッタリング法により成膜する。その際,成膜ガスはAr/O2であり,それぞれ20:1sccmとし,投入電力は60Wであった。その後,上部電極をAlを熱蒸着を利用して成膜することによりクロスポイント型の抵抗変化型メモリー素子を形成した。
その結果,各電極間にプラスマイナス3.5Vの電圧を印加することによりGTOデバイスは高抵抗状態と低抵抗状態を繰り返すことが確認できた。即ち,GTO ReRAMの形成に成功し,Set/Reset特性を示すことが明らかとなった。GTO ReRAMの特性は繰り返し読み取り試験を行うことができ,1000000回にわたって動作することが確認できた。
以上の結果を論文誌・学会で発表することができたため,本研究はおおむね順調に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究においてレアメタルフリーなGa-Sn-O薄膜を見出し,酸化物半導体としての応用が可能であることが明らかになった。即ち,Ga-Sn-O材料は薄膜トランジスタを形成すると良好な特性ならびに安定性を示し,熱電素子への応用が可能であり,抵抗変化型メモリーデバイスへの応用が可能であることが明らかになった。特に,酸化物半導体の新しい応用として,抵抗変化型メモリーの形成を行っており,一定の成果を得ることができた。これらのデバイスを形成するために,酸化物半導体としての物性・電極材料界面での電気的特性と,それらと材料がどのようなメカニズムで関わり合っているのかが明らかになってきた。
今後はこれらの知見と材料及び特性の制御技術を総合的に活用する事によって、新規材料研究分野の開拓を行っていきたい。
Ga-Sn-O材料のポテンシャルを引き出すために、成膜方法をこれまでに開発を推進してきた従来技術であるRFマグネトロンスパッタリング法だけでなく、ミストCVD法を適用することなども検討し、研究・開発を進める。
ミストCVD法は近年注目を浴びている成膜手法であり、成膜出発材料を噴霧することによって基板上に成膜するものである。本手法はプラズマを用いないためダメージが少ないこと、反応場が従来のCVDとは異なる状態であることなどが特長であり、新しい材料特性を発現させることが期待できると考えられる。
即ち、従来培われてきた技術・材料に関する知見と、新しい成膜手法・新しい材料とを活用することによって相乗効果を生み出し、今後の研究分野を開拓していきたいと考えている。
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| Causes of Carryover |
Ga-Sn-O薄膜をRFマグネトロンスパッタリング法で形成することにより、GTO 薄膜トランジスタ(TFT)を無加熱,最高プロセス温度350℃にて形成する事に成功した。またGTOデバイスの形成に関する知見を発展させることによって,抵抗変化型メモリーの形成を試みた。
その結果,各電極間にプラスマイナス3.5Vの電圧を印加することによりGTOデバイスは高抵抗状態と低抵抗状態を繰り返すことが確認できた。即ち,GTO ReRAMの形成に成功し,Set/Reset特性を示すことが明らかとなった。GTO ReRAMの特性は繰り返し動作試験を行うことができ、1000000回にわたって動作することが確認できた。
これらの成果は薄膜トランジスタデバイスを開発する中で得られた知見を新たな分野に適用するものである。これらの研究成果を発表するための論文投稿・あるいは学会発表が必要であると判断したため、研究機関を1年延長し、次年度に成果発表にかかる費用として使用する。
今後本材料研究が進展し、新規デバイス形成を進むことが期待できるものである。
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