JP2015176965A - 酸化物系材料の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板上に、好適にはそれぞれ単体の粉末としたIn、Ga、Zn材料を配置し、酸素存在下で、前記In、Ga、Zn材料にレーザーの照射を行って、前記In、Ga、Zn材料を基板上で同時期に溶融させて分子結合させ、半導体特性または導体特性を有するIn−Ga−Zn−O系材料を作製することにより、製造コストを抑えたままで、In、Ga、Zn材料によって半導体特性を有するIn−Ga−Zn−O系半導体材料を効率よく製造することを可能にする。
【選択図】図1
Description
In−Ga−Zn−O系半導体材料は、スパッタ法や蒸着などの基板上への成膜や、基板上でのエピタキシャル成長により作製される。In−Ga−Zn−O系半導体材料は、通常はn型特性を有し、その特性を利用して半導体素子として利用されている。また、一部にはp型特性を有するものも知られている(例えば特許文献1〜4)。
(1)真空装置であるスパッタの使用では、装置の価格及び製造コストが高い。
(2)塗布法やゾル・ゲル法といった、液相成長法による成膜法では分子の結合を行うために、熱処理炉などで高温加熱を行う必要があり、プラスチックなどの低耐熱性の基板への成膜が困難になる。
半導体特性または導体特性を有するIn−Ga−Zn−O系材料は、基板上にIn、Ga、Zn材料を付着させ、大気圧中などの酸素存在下で、In、Ga、Zn材料にレーザー照射することで、基板上で分子結合させて作製することができる。
In、Ga、Znの量比は本発明としては特に限定されるものではなく、従来、In−Ga−Zn−O系半導体材料で使用されている成分を含めた、多様な量比の成分を対象とすることができる。
ただし、本発明としては、付着方法が特に限定されるものではない。また、付着量は、本発明としては特に限定されるものではないが、所望の深さやエネルギーの付与によって加熱される深さなどに応じてIn、Ga、Zn材料の付着量を決定することができる。上記材料を粉末にする際の大きさが特に限定されるものではないが、例えば、円相当径で、0.1〜10μmの大きさを例示することができる。このときの粒径は、上記のスピンコーターやシュプレイ法の塗布方法やレーザーやプラズマといった活性化(成膜)方法により適正粒径は異なるが、上限を定める理由は、粉末が加えるエネルギーにより分解できない場合があるためである。下限を定める理由は、物理的に粉末にすることが難しいためである。
スパッタ法や蒸着法では、成膜された段階で膜の構造などの特性はほぼ決定しているが、分子間の結合欠損をなくし、安定した特性が得られるように、熱処理炉(300℃前後)やプラズマ照射、レーザアニールなどのアニール処理が行われている。また、エピタキシャル成長では、成長の基となる基板の構造によって半導体材料の膜特性が決定される。
具体的には、レーザー照射によって各材料(異元素結合していないものが望ましい)が分子レベルで結合されるとともに、雰囲気中の酸素が取り込まれて多元系の酸化物が得られる。
繰り返し周波数は、基板により異なるが熱伝導の理由で1kHz〜50kHzが望ましい。
パルス幅(半値幅)は、基板により異なるが熱伝導の理由で200〜1200nmが望ましい。
適正なエネルギー密度は、基板の厚さや基板上へのIn、GaおよびZn材料の厚さなどによって異なるが、例えば、0.1J/cm2〜10J/cm2の値を示すことができる。
図2は、In−Ga−Zn−O系材料2の結晶構造200を概略的に示したものである。結晶構造200では、In、Ga、Zn、Oが共有結合し、結晶格子のかご内に分子が位置している。
従来の半導体材料では、n型特性を有するものは、SiにAs(ヒ素)やP(リン)などの不純物を添加してn型半導体を形成し、その結果、図3Aに示すような電流、電圧特性を有している。この場合、マイナス方向に電圧(Vd)をかけても電流(Id)は流れない。
また、従来の半導体材料では、p型特性を有するものは、SiにB(ボロン)などの不純物を添加してp型半導体を形成し、その結果、図3Bに示すような電流、電圧特性を有している。この場合、プラス方向に電圧(Vd)をかけても電流(Id)は流れない。
上記例ではP−ch、N−chのトランジスタ的動作をゲートの電圧をプラス(+)方向またはマイナス(−)方向に印加することにより、図3Cに示すように複合動作(例えば同物質でのCMOS動作)をさせることができる。この際に、電圧切り替え時に漏れ電流を生じさせることなく動作させることが可能になる。
上記の点は推測の域を出ないが現在の電気特性などから、各キャリアの移動原理の考察を行うことができる。
上記トランジスタを等価回路で示すと、図4Aに示すことができる。電界方向の変更によって、図4Bに示すように、電流方向を変えることができる。
なお、本実施形態で得られるIn−Ga−Zn−O系材料としては、p型特性、n型特性を併せ持った半導体として得られるものの他、p型特性またはn型特性の一方のみの特性を有するものを作製することができ、また、導体としての特性を有する材料を得ることもできる。
これらの特性は、エネルギー密度の大きさやIn−Ga−Zn−O系材料の量比の相違によって、異なるものになる。
供試材は、試験用に市販されているIn、Ga、Zn原料溶液を用いた。これら原料溶液では、各成分の粉末大きさは円相当径で、0.1〜10μmであった。
原料溶液は、アルコールなどの有機系溶液や純水を溶剤として用い、スピンコーターでP型シリコン基板上に塗り(拡げ)、大気中でホットプレートにより分散媒を揮発、乾燥させた。この際のIn、Ga、Znの塗布量は、モル量で、1:1:1であった。
この段階でのテスターによる抵抗値測定では、レンジオーバー(絶縁体)となった。このことから、分子レベルでの結合が生じていないことを確認した。
以上の結果から、レーザーアブレーションによるIn−Ga−Zn−O系半導体材料の製造が可能である。
Si基板上に、実施例1と同様にして、市販の原料溶液を用いてスピンコート法により、In、GaおよびZn材料を塗布し、分散媒を揮発、乾燥させた。この際のIn、Ga、Znの塗布量は、モル量で、1:1:1であり、厚さ2nm〜200nmの量でSi基板上に塗布した。
上記In、GaおよびZn材料に対し、固体レーザによるグリーンレーザ(波長532nm、発振周波数10kHz、パルス幅(半値幅)600nm)を、1.0J/cm2〜4.5J/cm2の範囲でエネルギー密度を変更して照射し、供試材を得た。
ただし、これ以外にも、例えば、波長、パルス幅、スタビリティ、リピータビリティ、照射時間などが要素となる。これに加えて他の環境、例えば膜厚、基板の種類など一般に光学的、熱的に影響を与える全ての要素がその要因となる。
Si基板上に、実施例1と同様にして、市販の原料溶液を用いてスピンコート法により、In、GaおよびZn材料を塗布し、分散媒を揮発、乾燥させた。この際のIn、Ga、Znの塗布量は、モル量で、1:1:1であり、厚さ2nm〜200nmの量でSi基板上に塗布した。
上記In、GaおよびZn材料に対し、固体レーザ(YAGレーザ)による赤外線レーザ(波長1064nm、発振周波数10kHz、パルス幅(半値幅)600nm)を、1.0J/cm2〜4.5J/cm2の範囲でエネルギー密度を変更して照射し、供試材を得た。
2 In、GaおよびZn材料
2A In−Ga−Zn−O系半導体材料
3 レーザ光
Claims (9)
- 基板上にIn、Ga、Zn材料を配置し、酸素存在下で、前記In、Ga、Zn材料にレーザーの照射を行って、前記In、Ga、Zn材料を基板上で分子結合させて、半導体特性または導体特性を有するIn−Ga−Zn−O系材料を作製することを特徴とする酸化物系材料の製造方法。
- 前記In、Ga、Zn材料が前記レーザーの照射によって同時期に溶融することを特徴とする請求項1記載の酸化物系材料の製造方法。
- 前記In、Ga、Zn材料がそれぞれ単体の粒子からなることを特徴とする請求項1または2に記載の酸化物系材料の製造方法。
- 前記粒子が、円相当径で、0.1〜10μmの大きさを有することを特徴とする請求項3記載の酸化物系材料の製造方法。
- 前記レーザーの波長が、450nm〜1100nmであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の酸化物系材料の製造方法。
- 前記レーザの周波数を1kHz〜50kHzとすることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の酸化物系材料の製造方法。
- 前記レーザーの半値幅が200〜1200nmであることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の酸化物系材料の製造方法。
- 前記基板上における前記レーザーのエネルギー密度が0.1J/cm2〜10J/cm2であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の酸化物系材料の製造方法。
- 前記基板上に作製された前記In−Ga−Zn−O系材料が、p型特性とn型特性とを併せ持つ半導体特性を有することを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の酸化物系材料の製造方法。
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