科技研ジャーナル23-ms3.3.smd

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かげたつやすもと
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1 課題研究組織研究期間酸化物半導体材料の格子欠陥に関する研究松田時宜木村睦山本伸一古田守谷篤史川原村敏幸 (理工学部助教) 研究代表者 (理工学部教授) (理工学部教授) (高知工科大学環境理工学群教授) (大阪大学大学院理学研究科助教) (高知工科大学環境理工学群准教授) 2 年研究の 2 年目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. 33

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

2 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] 図 2 (a)o2 によって成膜された IGZO 薄膜中の ESR 信号及び(b)Ar により成膜された IGZO 中の ESR 信号図 3 (a)itft 基板と(b)IGZO TFT の電気的特性 34

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

3 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 In2O3 TFT 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 35

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

4 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 , (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 , (2012). [ 3 ] Tokiyoshi Matsuda, Daiki Nishimoto, Kota Takahashi, Taiki Ueno, and Mutsumi Kimura, ESR Evaluation of Damages Induced in InGaZnO4 with Plasma, Proc. IDW/AD 12, pp , (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 , (2013). [ 5 ] Tokiyoshi Matsuda, Mutsumi Kimura, Comparison of Defects in Crystalline Oxide Semiconductor Materials by Electron Spin Resonance, Proc. AM-FPD 14, pp , (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, , (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, , (2013). [ 9 ] Tokiyoshi Matsuda, Mamoru Furuta, Takahiro Hiramatsu, Hiroshi Furuta, Mutsumi Kmura, and Takashi Hirao, Low Temperature ZnO TFT Fabricated on SiOx Insulator Deposited by Facing Electrodes Chemical Vapor Deposition, Proc. AM-FPD 14, pp , (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, , (2015). [11] Tokiyoshi Matsuda, Mamoru Furuta, Takahiro Hiramatsu, Hiroshi Furuta, Toshiyuki Kawaharamura, and Takashi Hirao, Low Temperature Deposition of SiOx Film with Newly Developed Facing Electrodes Chemical Vapor Deposition, Vacuum, Vol. 101, pp , (2014). 36

5 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, , (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 SiO x insulator film with newly developed facing electrodes chemical vapor deposition, Abstracts and Program of International Conference on Small Science 2015 (ICSS 2015), pp , (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 ) EID EID 電子ディスプレイ,Vol. 115,No.157, pp ,(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 In 2 O 3 薄膜の特性評価, 信学技報,vol. 115,no. 362,EID ,SDM ,pp ,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 Ga x Sn 1-x O 薄膜の特性評価, 信学技報,vol. 115,no. 362,EID ,SDM ,pp ,2015 年 12 月. (11) 小川淳史, 弓削政博, 吉岡敏博, 松田時宜, 木村睦, SnO 2 /Al 2 O 3 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,EID ,SDM ,pp ,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 ,(2015) 37

支援財団研究活動助成生体超分子を利用利用した 3 次元メモリデバイスメモリデバイスの研究奈良先端科学技術大学院大学物質創成科学研究科小原孝介

支援財団研究活動助成生体超分子を利用利用した 3 次元メモリデバイスメモリデバイスの研究奈良先端科学技術大学院大学物質創成科学研究科小原孝介 2009.3.10 支援財団研究活動助成生体超分子を利用利用した 3 次元メモリデバイスメモリデバイスの研究奈良先端科学技術大学院大学物質創成科学研究科小原孝介研究背景研究背景研究背景研究背景データデータデータデータの種類種類種類種類データデータデータデータの保存保存保存保存パソコンパソコンパソコンパソコンパソコンパソコンパソコンパソコンデータデータデータデータデータデータデータデータ音楽音楽音楽音楽音楽音楽音楽音楽写真写真写真写真記録媒体記録媒体記録媒体記録媒体フラッシュメモリフラッシュメモリフラッシュメモリフラッシュメモリ動画動画動画動画