1 ．2015年度の研究計画
これまでは新規酸化物半導体材料に形成される格子欠陥の評価を図 1 に示すように粉末 InGaZnO4(IGZO)につい て行ってきた．その結果，各酸化物半導体と異なる新しい ESR 信号が IGZO にプラズマによって導入されることが 明らかとなった．その熱安定性を評価し，格子欠陥のモデルを提案し，バンド構造との相関に関するモデルを提案し てきた[1-7]．今年度の目標としては，まず薄膜において ESR 信号が確認できるかを確認し，その結果をデバイス特 性との対応を取ることを目指した展開を進める．まず IGZO の薄膜に対する ESR 評価を行う．それに対して IGZO をはじめとする薄膜トランジスタデバイスの形 成を行い，評価を行う． 図 1 (a)酸化物半導体の ESR 信号，(b)その熱安定性， (c)ESR 信号中心の格子欠陥のモデル及び(d)そのバンド構造のモデル. 課 題
酸化物半導体材料の格子欠陥に関する研究
研究組織松田 時宜 (理工学部・助教) 研究代表者
木村
睦 (理工学部・教授)
山本 伸一 (理工学部・教授)
古田
守 (高知工科大学 環境理工学群・教授)
谷
篤史 (大阪大学大学院 理学研究科・助教)
川原村敏幸 (高知工科大学 環境理工学群・准教授)
研究期間2 年研究の 2 年目
2 ．研究実績の概要(研究経過と成果)
薄膜の IGZO を ESR で評価するためには基板に IGZO を成膜し，基板と同時に ESR 測定を行う必要がある．した がって基板の ESR 信号が強く検出され，目的とする材料の ESR 信号と分離できない場合はその解析に支障がある． したがって ESR 信号を出さない基板を用いて実験を行う必要がある．その課題を解決するため，本研究では石英ガ ラス基板上に IGZO を成膜し ESR 測定を行った．その結果，図 2 に示すように成膜時の条件によって異なる信号が 得られた．図 1 に示した粉末試料について得られた ESR 信号とは形状が異なるが，粉末材料に対して形成された ESR 信号に概ね類似した信号が得られている． 図 3 に本プロジェクトにおいて得られた Si ウェハ上に形成された IGZO TFT 基板の写真とそのゲート電圧(Vg
[V])に対するソース・ドレイン電流(Ids[A])電気的特性を示す．半導体層である IGZO 薄膜は Ar /O2ガス雰囲気下
で生成したプラズマによって RF マグネトロンスパッタリングを用いて成膜した．またソース・ドレイン電極は Ti / Au を熱蒸着によって形成した．IGZO TFT の電気的特性は成膜時の酸素流量によって制御できることが知られてい る．酸素流量の増加とともにキャリアの生成量の低下と伝導帯付近に形成されるトラップ準位の増加が原因であると 考えられる．薄膜 IGZO の ESR 信号の変化は酸素によって形成されるトラップ準位と，深い準位のトラップ準位の 形成メカニズムと密接に関連していると考えられる[6, 7]．
酸化物半導体 TFT 材料の可能性を見極めるため，IGZO 以外に様々な材料の TFT を形成した．酸化物半導体薄 膜は RF マグネトロンスパッタリングによって成膜できるため，材料の評価を行うことが比較的容易である．我々は Sn 系酸化物半導体，In 系酸化物半導体の薄膜を主に形成して光学特性・電気的特性の評価を行った[8-11]． 図 4 に SnO2/ Al を半導体層とした TFT の特性を，図 5 に In2O3を半導体層として形成した TFT に Ids-Vg特性を 示す．TFT 特性の性能を示す電界効果移動度は IGZO TFT には及ばないものの低い漏れ電流と TFT オン特性が実 現できた．本プロジェクトにおいて見出された材料の TFT を用いてさらに新規デバイスの開発を推進していきたい． 図 4 SnO2:Al TFT の Vgs-Ids特性 図 5 In2O3TFT の Vgs-Ids特性 図 6 にミスト CVD 装置の写真を示す．本装置は真空装置を用いない方法で酸化物半導体を形成できるため，今後 のデバイス開発を進めていきたいと考えている．これまでに Ga2O3薄膜を中心にガラス基板上に形成することに成 功した．図 7 (a)に，無アルカリガラス基板上にミスト CVD 法によって形成された Ga2O3薄膜の写真を示す．ミス ト CVD によって Ga2O3薄膜は成膜時間が長くなるにしたがって透過率が低下する傾向にあり，成膜時間が10分では 透過率が 60% 以上となり，成膜時間が 5 分の場合は可視光の領域で 80% 近くの透過率を示すことが明らかになった． ミスト CVD によって形成された酸化物半導体薄膜による薄膜トランジスタの開発に期待が持てる． 図 6 ミスト CVD 装置の写真．
図 7 ミスト CVD 法によって成膜された Ga2O3薄膜の写真 以上に示すように，酸化物半導体材料のプラズマによるダメージを ESR 法により評価をおこなった．また RF マ グネトロンスパッタリング法により酸化物半導体薄膜の成膜を行い，ESR 法による評価を行うことができた．また TFT 作製プロセス開発を行い，IGZO をはじめとする酸化物半導体 TFT の形成プロセスを開発した．新規酸化物半 導体薄膜材料の開発を行い，TFT 動作をさせることに成功した．さらにミスト CVD 装置を導入し半導体薄膜を形 成することに成功した． 参考文献 [ 1 ] 松田 時宜 次世代ディスプレイの研究・開発の現状と，今後のフレキシブルデバイス化へ向けた展開について， 龍谷理工ジャーナル，Vol. 23-2, pp. 15-28, (2011).
[ 2 ] Tokiyoshi Matsuda, Mutsumi Kimura, Dapeng Wang, Chaoyang Li, and Mamoru Furuta, Dependence of Transfer Characteristic of Amorphous Oxide Semiconductor Thin-Film Transistors on the channel Thickiness Evaluated by Device Simulation, Proc. AM-FPD’12, pp. 207-208, (2012).
[ 3 ] Tokiyoshi Matsuda, Daiki Nishimoto, Kota Takahashi, Taiki Ueno, and Mutsumi Kimura, ESR Evaluation of Damages Induced in InGaZnO4with Plasma, Proc. IDW/AD’12, pp. 557-558, (2012).
[ 4 ] Tokiyoshi Matsuda, Daiki Nishimoto, Kota Takahashi, Taiki Ueno, and Mutsumi Kimura, Evaluation of Damages Using Electron Spin Resonance (ESR) in Oxide Semiconductors Induced by Plasma, Proc. AM-FPD’ 13, pp. 239-242, (2013).
[ 5 ] Tokiyoshi Matsuda, Mutsumi Kimura, Comparison of Defects in Crystalline Oxide Semiconductor Materials by Electron Spin Resonance, Proc. AM-FPD’14, pp. 269-270, (2014).
[ 6 ] Tokiyoshi Matsuda, Daiki Nishimoto, Kota Takahashi, and Mutsumi Kimura, Evaluation of Damage in InGaZnO4
Induced by Plasma using Electron Spin Resonance Measurement, Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 53, 03CB03, (2014). [ 7 ] Tokiyoshi Matsuda, and Mutsumi Kimura, Comparison of defects in crystalline oxide semiconductor materials
by electron spin resonance, J. Vac. Sci. Technol. A Lett., Vol. 33, No. 2, 020601, (2015).
[ 8 ] Tokiyoshi Matsuda, Mutsumi Kimura, Jingxin Jiang, Dapeng Wang, Mamoru Furuta, Masashi Kasami, Shigekazu Tomai, and Koki Yano, Trap States in Amorphous In-Sn-Zn-O Thin-Film Transistors Analyzed Using Dependence on Channel Thickness, The SID’13 Digest, 1014-1047, (2013).
[ 9 ] Tokiyoshi Matsuda, Mamoru Furuta, Takahiro Hiramatsu, Hiroshi Furuta, Mutsumi Kmura, and Takashi Hirao, Low Temperature ZnO TFT Fabricated on SiOxInsulator Deposited by Facing Electrodes Chemical Vapor
Deposition, Proc. AM-FPD’14, pp. 267-268, (2014).
[10] Takashi Kojiri, Tokiyoshi Matsuda, and Mutsumi Kimura, Thermally enhanced threshold voltage shifts in amorphous In-Ga-Zn-O thin film transistor, Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 53, 125802, (2015).
[11] Tokiyoshi Matsuda, Mamoru Furuta, Takahiro Hiramatsu, Hiroshi Furuta, Toshiyuki Kawaharamura, and Takashi Hirao, Low Temperature Deposition of SiO Film with Newly Developed Facing Electrodes Chemical
3 ．研 究 発 表
査読論文( 1 ) Tokiyoshi Matsuda, and Mutsumi Kimura, Comparison of defects in crystalline oxide semiconductor materials by electron spin resonance, Journal of Vacuum Science and Technology A Letters, 33, 020601, (2015). 招待講演(予定含む)
( 2 ) Invited talk,
Tokiyoshi Matsuda, Evaluation and Development of New Oxide Semiconductor, Energy Materials Nanotechnology, June 22, Prague, Czech Republic, (2016).
( 3 ) Invited talk,
Tokiyoshi Matsuda, and Mutsumi Kimura, Relationships between the Defects and Electrical Properties of Oxide Semiconductors, Emerging Technologies Communications Microsystems Optoelectronics Sensors, ETCMOS, May 26, Montréal, Canada, (2016).
( 4 ) Invited talk,
Tokiyoshi Matsuda, and Mutsumi Kimura, Development and Evaluation of New oxide semiconductor, The 2nd Annual World Congress of Smart Materials-2016 (WCSM-2016), March 4-6, Singapore, (2016).
( 5 ) Invited talk,
Tokiyoshi Matsuda, , Low temperature deposition of SiOxinsulator film with newly developed facing electrodes
chemical vapor deposition, Abstracts and Program of International Conference on Small Science 2015 (ICSS 2015), pp. 37-38, (2015), International Conference on Small Science (ICSS 2015), Phuket, Thailand, (2015). ( 6 ) Invited talk,
Tokiyoshi Matsuda and Mutsumi Kimura, Comparison of Defects in Oxide Semiconductor Evaluated by ESR, Program & Abstract of Energy Materials and Nanotechnology Meeting, 2015, (EMN Qingdao Meeting), Qingdao, China, June 14-17, (2015).
( 7 ) 招待講演,
松田時宜，SID’15 Display week 2015 報告(AMD 関連)，SID 日本支部 SID 報告会2015年 7 月28日(火) 16:00-16:30，電子情報通信学会技術報告書(信学技報) EID2015-1-EID2015-4 電子ディスプレイ，Vol. 115，No.157， pp. 37-40，(2015). ( 8 ) 招待講演, 松田時宜，新規酸化物半導体 TFT の形成及び評価，酸化物半導体討論会，東京工業大学，2015年 5 月18日 (月) 11：50-12：15，(2015). 一般発表(国際会議・国内での会議) ( 9 ) 吉岡 敏博，小川 淳史，弓削 政博，松田 時宜，木村 睦，“RF マグネトロンスパッタリング法による In2O3
薄膜の特性評価”，信学技報，vol. 115，no. 362，EID2015-15，SDM2015-98，pp. 27-30，2015年12月． (10) 弓削政博，小川淳史，吉岡敏博，加藤雄太，松田時宜，木村睦，“ミスト CVD 法による GaxSn1-xO 薄膜の特性
評価”，信学技報，vol. 115，no. 362，EID2015-16，SDM2015-99，pp. 31-34，2015年12月．
(11) 小川淳史，弓削政博，吉岡敏博，松田時宜，木村 睦，“SnO2/Al2O3薄膜の特性評価と薄膜トランジスタの評
価”，信学技報，vol. 115，no. 362，EID2015-20，SDM2015-103，pp. 49-52，2015年12月．
(12) 古我祐貴，松田時宜，木村睦，“a-IGZO 薄膜における連続電圧印加が与える影響”，第12回薄膜材料デバイス 研究会(2015年10月30日，龍谷大学アバンティ響都ホール，京都，日本)，(2015)
(13) 田中匠，門目尭之，渕矢剛宏，春木翔太，松田時宜，木村睦，“薄膜フォトトランジスタの光誘起電流のチャ ネル形状に対する依存性ᴷデバイスシミュレーションによる解析ᴷ”，第12回薄膜材料デバイス研究会(2015年 10月30日，龍谷大学アバンティ響都ホール，京都，日本)，(2015)
(14) Tokiyoshi Matsuda, and Mutsumi Kimura, Paramagnetic Defects in Oxide Semiconductor Films Deposited by RF Magnetron Sputtering (RF マグネトロンスパッタリング法によって成膜された酸化物半導体薄膜中に導入 された常磁性欠陥), Extended Abstract of 34th Electronic Materials Symposium (EMS-34), July 16, 13:48-13:50， 2015 (ラフォーレ琵琶湖，滋賀) pp. 147-148，(2015)
