安定した特性を有する新元素構成による酸化膜半導体の開発に成功

高精細フラットパネルの安定的な生産が可能な新元素構成酸化膜

2013.09.20

独立行政法人物質・材料研究機構 (NIMS)

NIMS 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点の相川慎也ポスドク研究員、塚越一仁主任研究者、生田目俊秀統括マネジャーは、次世代のディスプレイを駆動するためのカギとなる画素スイッチング半導体を、新元素構成の酸化膜を用いて開発しました。

概要

独立行政法人物質・材料研究機構 (理事長 : 潮田資勝) 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点 (拠点長 : 青野正和) の相川慎也ポスドク研究員、塚越一仁主任研究者、生田目俊秀統括マネジャーは、次世代のディスプレイを駆動するためのカギとなる画素スイッチング半導体を、新元素構成の酸化膜を用いて開発しました。
フラットパネルディスプレイは、現代の情報化社会において、機械の中で使われる電子ビット情報を人が認識できるように表示する重要なインターフェースです。従来は、アモルファスシリコン薄膜やポリシリコン薄膜を使ってテレビやスマートフォンの画素スイッチの電界効果トランジスタが造られていましたが、高精細化や高速動作化による高特性の半導体膜開発が強く求められています。現時点では、インジウム、ガリウム、亜鉛の混合酸化膜(IGZO)トランジスタは、電界効果移動度が高く有力な酸化膜半導体です。しかし、一般に高特性の酸化膜半導体を安定して効率的に生産する製造条件の調整が難しく、実際の生産での大きな問題となっており、薄膜形成には製造条件がより広い材料が開発されることが望まれます。
我々は、酸化インジウムに、酸化した金属 (酸化チタン、酸化タングステンあるいは酸化シリコン等) を極微量添加し、薄膜が半導体として動作するための製膜条件の範囲を決める要因を初めて見出しました。酸化膜が“結合かい離エネルギー”の小さな金属を含むと、酸素が薄膜から容易に離脱もしくは吸着して膜の伝導性が変わってしまいます。たとえば、亜鉛は結合かい離エネルギーが極めて小さく、膜の加熱/冷却に際して酸素が容易に離脱もしくは吸着します。この知見は、結合かい離エネルギーに着目すれば、酸化膜半導体の製造条件を制御できることを示唆しています。実際に、酸化インジウムに結合かい離エネルギーの高い酸化シリコンを添加すると、製膜条件を広げることが出来ることを確認しました。製膜後の熱処理におきましても、薄膜の伝導性の安定化を確認しました。
今回の成果は、急激に普及が進んでいるスマートフォンでの電力の約半分近くを消耗するディスプレイの低消費電力化に有効なだけでなく、テレビの高精細化のための高周波数化に有効な技術として期待されます。さらに、本研究で開発した薄膜では、広く亜鉛メッキ鋼板やゴムの加硫剤として多量に使われる“元素枯渇が心配なる亜鉛”や、高価なガリウムを使わないことで、貴重な資源を保全するだけでなく、激しい原料価格変動に惑わされずにフラットパネルディスプレイを製造できるようになります
本研究は、近日中に米国応用物理誌Applied Physics Letters電子版に公開される予定です。

プレス資料中の図1:試作した酸化膜トランジスタの外観写真および素子構造の模式図。