n hall n opt - 酸化亜鉛系透明導電膜の結晶構造および電気・光学特性の関連性に関する研究

Carrierconcentration / cm-3

In₂O₃ / wt.%

図4. 51 In添加量とキャリア濃度の関係

第4章

150

図4. 50からHall効果測定から求めたm_hallはIn添加量に応じて減少する挙動を示した。

一方粒内の移動を表す光学移動度m_optはIn添加量が0 ~ 10 wt.%まではIn添加量に応じて減少する傾向を示した。前節で定義した領域I（In添加量が0 ~ 1 wt. %未満）は、GZO

でm_optが30 .8 cm²/Vsecを示しIn添加量によって徐々に減少する。領域Iのグレインサイ

ズによる粒界散乱と考えるよりも、In添加によるイオン化不純物散乱と不純物散乱機構による影響と推測する。領域Iは、光学移動度m_optがm_hall移動度よりも3.2倍の値を示していることも特徴であり、粒界での移動度m_gbもm_hall移動度よりも大きな値を示していることを確認した。領域II（In添加量が1 ~ 10 wt.%以下）は、m_optはm_hallよりも大きな値を示しているが In 添加量に関わらずm_opt、m_hall、m_gbは同等の値を示した。このことは、In 添加によって粒径サイズがGZOと比較して明らかに小さくなることでm_optがほぼ一定の値になったと推測できる。領域I同様に領域IIのキャリア濃度は減少する傾向にあり、

In 添加によって本来キャリア発生源と期待した In がキャリア発生としての役割を超えていると予想できる。さらに領域III（In添加量が10 .wt%以上）は、m_hallはGZO:In10と

GZO:In20で同じ値を示しているが、m_optとm_hallがGZO:In20において、逆転する現象を確

認した。これは、粒界散乱の影響が大きく関与していると考えられる。すなわち粒界さでのm_gbが小さく粒界散乱の寄与が大きいことを表している。

一方図4. 51のキャリア濃度nhall、noptはIn添加量に応じて減少する挙動を示した。こ

れは既にマーデルングエネルギーの低いGaが5.7 wt%添加されているために、Gaがドーパント成分として機能をしていて、Inは電気的利得に関しては負の影響を与えたと考えられる。

電気特性のみに着目した場合、In添加はGZO薄膜と比較して、キャリア濃度が小さ

くなり、mhall、moptも小さくなる傾向をあきらかにした。但しGZO:In10薄膜において

も2.0 x 10^-3ohm·cmの比抵抗を示している。本研究論文の目的の１つである酸化亜鉛系

透明導電膜の湿熱環境下での特性に対してIn添加がどのような役割を果たしたのか第5 章で解説する。

第4章

151 4.4.7 Ga,In co-doped GZO:In薄膜の光学特性

透過率、反射率、吸収率のスペクトルを図4. 52、図4. 53、図4. 54にそれぞれ示した。

また全光線透過率、ヘイズ、色調（a*、b*）の結果を図5. 56に示した。可視光領域の平

均透過率TtはIn添加量が10 wt.%までは83 %以上の高い透過率を示したが、20 wt.%で

反射率が高くなることの影響で、全光線透過率は79.4 %に低下した。可視光領域の色調を示すa*は概ねIn添加量によらず同等の値を示した。b*値はIn添加に応じてマイナスの方向にシフトすることがあきらかになった。ディスプレイ等に適用する場合は黄色を示すb*値はゼロに近いほど良いとされている（ニュートラル色調に近くなる）。In添加量に応じてb*がマイナスの方向にいくことは実用的に応用展開ができる。可視光領域の吸収に着目するとGZO薄膜と比較してIn添加GZO:In薄膜はすべて小さい吸収率を示した。

近赤外外線領域（約800 ~ 2500 nm）では、1500 nm付近を境にIn添加量が20 wt.%以下のサンプルと GZO:In20 薄膜の反射率の大小が逆転した。同様に 1200 nm 以上では

GZO:In20薄膜とそれ以外のサンプルで透過率の大小が逆転することを確認した。近赤外

線領域での反射はキャリア電子による光反射でありキャリア密度が大きければ反射率は高くなることから、実験結果が理解できる（図4. 55 実線は透過率、点線は反射率を示している）。

In添加によって、屈折率ndも大きくなることを確認している。GZO薄膜ではndの値が1.81、In添加量が増えるにつれて大きくなりGZO:In20薄膜では1.93を示した。

光学特性はキャリア密度と相関していて、In添加量に応じてキャリア密度が減少しその結果、可視光領域および近赤外線領域の透過率および反射率が変化することを示した。

実用製品に応用する場合は、用途に応じて電気特性と光学特性の対象波長を考慮すれば良いことになる。本研究論文では膜厚を100 nmに固定した場合の結果であるが、基礎的なデータは網羅することができた。

第4章

152

500 1000 1500 2000 2500

0 20 40 60 80 100

Transmittance /%

wavelength / nm GZO GZO:In0.3 GZO:In1 GZO:In5 GZO:In10 GZO:In20

400 500 600 700 800

50 60 70 80 90 100

Transmittance /%

wavelength / nm

GZO GZO:In0.3 GZO:In1 GZO:In5 GZO:In10 GZO:In20

図4. 52 GZO、GZO:In薄膜の透過率

500 1000 1500 2000 2500

0 20 40 60 80 100

Reflectance /%

wavelength / nm

GZO GZO:In0.3 GZO:In1 GZO:In5 GZO:In10 GZO:In20

400 500 600 700 800

0 10 20 30 40

Reflectance /%

wavelength / nm GZO GZO:In0.3

GZO:In1 GZO:In5 GZO:In10 GZO:In20

図4. 53 GZO、GZO:In薄膜の反射率

500 1000 1500 2000 2500

0 20 40 60 80 100

Absorbance /%

wavelength / nm

GZO GZO:In0.3 GZO:In1 GZO:In5 GZO:In10 GZO:In20

400 500 600 700 800

0 10 20 30

Absorbance /%

wavelength / nm

GZO GZO:In0.3 GZO:In1 GZO:In5 GZO:In10 GZO:In20

図4. 54 GZO、GZO:In薄膜の吸収率

第4章

153

500 1000 1500 2000 2500

0 20 40 60 80 100

GZO nhall 5.5 x 10²⁰ cm^-3 GZO:In5 nhall 6.0 x 10²⁰ cm^-3 GZO:In20 nhall 2.45 x 10²⁰ cm^-3

T, R / %

wave length / nm 400 500 600 700 800

0 20 40 60 80 100

GZO nhall 5.5 x 10²⁰ cm^-3 GZO:In5 nhall 6.0 x 10²⁰ cm^-3 GZO:In20 nhall 2.45 x 10²⁰ cm^-3

T, R / %

wave length / nm

図4. 55 キャリア濃度の違いによる透過率と反射率

0 5 10 15 20

70 75 80 85 90 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-2 -1 0 1 2 -4-3

-2-1012 0 5 10 15 20

Tt / %

In₂O₃ / %

Haze / %a*b*

図4. 56 In添加量と光学特性（Tt、Haze、a*、b*）

第4章

154

4.5 結言

本章ではDCMS法によるGZO薄膜とGZO:In薄膜の結晶構造と電気および光学特性を詳細に記した。4.3節ではGZO薄膜に対するGa添加量による影響をガラス基板上で議論した。Ga2O3濃度が5.7 wt.% の場合に電気特性と光学特性を両立できるドーパント量と結論つけた。またPET基板の表面改質層の違いに対するGZO薄膜の電気および光学特性にも言及し、第3章で議論した屈曲性を評価した。4.4節は前述のGZO薄膜に対してIn2O3を添加してGZO:In薄膜としての評価を行った。In添加量によるGZO:In薄膜の結晶構造、元素比率、元素存在位置（偏析現象含む）、電気特性、光学特性を詳細に示すことができた。特徴となる要点を以下に示した。

(1) DCMS法において、RPD法とは異なり、比抵抗値が酸素流量導入によって急激に大きくなる。

(2) GZO薄膜のGa濃度が増えるにつれてキャリア移動度はGa2O3 8 wt. %までは単調に減少してキャリア濃度は逆に増加することを確認した。

(3) PET基板の表面改質層の異なるサンプルを用いて、光学特性および屈曲性を確認した。表面改質層の屈折率、光学的距離によって多重干渉現象から反射率が変化することを示した。屈曲性は表面改質層の種類によっても異なる結果をえた。表面改質層と GZO 薄膜層の付着力をシート抵抗値変化の指標であるが、間接的に評価することができた。第3章同様にGZO薄膜のグレインサイズが小さいと屈曲性は良好な傾向を示した。

(4) GZO:In薄膜において、In添加に応じて粒径サイズが小さくなることをTEM観察で

あきらかにして、粒径サイズのヒストグラムを示し、また表面粗さも平坦化することをSPM画像にて確認した。平面TEM-EDXから粒界部分の元素分析を実施したが、Ga、Inのドーパント成分が多く検出されるようなことはなかった。

(5) SIMSおよびXPS測定結果からIn添加量が増えるとGZO:In薄膜の表面近傍にInが偏析する挙動を確認した。表層から0.3 nmまでの領域に膜内部と比較してInの存在

第4章

155 比率が多いことを示した。

(6) XAFS測定から、ドーパントのGaおよぼInはZnサイトを置換したモデルとよく一致した。各元素の最近接原子間距離はZn-O、Ga-Oはほぼ同じ値を示し、In-Oが他の2種類よりも6.0 %長い距離であることを示した。

(7) GZO:In 薄膜の In 添加に応じて格子定数 la、lc ともに大きくなる傾向を示した。

GZO：In20薄膜ではInGaZn5O8結晶由来のピークを確認した。ZnO結晶とa、b軸の格子定数はほぼ同じであるが、c軸は約10倍大きくなっている。

(8) GZO:In 薄膜の電気特性はm_hall、m_opt、m_gbを考察することで粒内と粒界の挙動を確認した。結晶構造、グレインサイズとm_opt、m_gbの相関性を示した。

(9) GZO:In薄膜の光学特性で可視光領域と近赤外線領域にわけて、透過率、反射率、吸

収率を議論した。

第4章

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ドキュメント内酸化亜鉛系透明導電膜の結晶構造および電気・光学特性の関連性に関する研究 (ページ 157-184)