JP2015529002A - 透明化合物半導体及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、透明化合物半導体及びその製造方法に関し、透明で且つ安定性と電荷移動度が高い透明化合物半導体を提供するためのものである。本発明による透明化合物半導体は、Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３（０＜ｘ＜０．１）の組成を有し、１０ｃｍ２／Ｖ ｓｅｃ以上の電荷移動度を有する。

Description

本発明は、透明化合物半導体及びその製造方法に関し、より詳細には、透明で且つ安定性と電荷移動度が高い透明化合物半導体及びその製造方法に関する。
現在、情報通信技術(information technology)の傾向の１つは、電子素子の機能と表示素子の機能を融合しようとするものである。電子素子と表示素子を融合するには、電子素子が透明ではなければならない。
したがって、透明性を満足しながら電子素子としての機能を行うことができる透明半導体と透明伝導体、それらの製造方法に関する研究が活発に行われている。例えば、このような透明伝導体としてＩＴＯ(Indium Tin Oxide)が開発されて使用されており、ＺｎＯなどが透明半導体として開発されているが、安定性が劣っていて、透明半導体としての応用可能性が極めて制限されている。
したがって、本発明の目的は、透明で且つ安定性と電荷移動度が高い透明化合物半導体及びその製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は、Ｂａ化合物、Ｌａ化合物及びＳｎ化合物を反応させて製造したＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３（０＜ｘ＜０．１）の組成を有し、１０ｃｍ２／Ｖ ｓｅｃ以上の電荷移動度を有する透明化合物半導体を提供する。
本発明による透明化合物半導体において、上記Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３は、常温で１０ｃｍ２／Ｖ ｓｅｃ以上の電荷移動度とすることができる。
本発明による透明化合物半導体において、上記Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３は、上記Ｂａ化合物、Ｌａ化合物及びＳｎ化合物をＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３（０＜ｘ＜０．１）によって混合した後、５００℃〜１５００℃で反応させて製造することができる。
本発明による透明化合物半導体において、上記Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３の厚さは、０．４ｎｍ〜４００ｎｍとすることができる。
本発明による透明化合物半導体において、上記Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３は、可視光線帯域で９０％以上の光透過率とすることができる。
本発明による透明化合物半導体において、上記Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３は、空気状態で常温〜５３０℃に温度を昇降させたときに抵抗の変化が２％未満とすることができる。
本発明による透明化合物半導体において、上記Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３は、単結晶またはエピタクシャルフィルム形態を有することができる。
本発明は、また、Ｂａ化合物、Ｌａ化合物及びＳｎ化合物を反応させてＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３（０＜ｘ＜０．１）の組成を有し、１０ｃｍ２／Ｖ ｓｅｃ以上の電荷移動度を有する透明化合物半導体の製造方法を提供する。
本発明による透明化合物半導体の製造方法において、上記Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３は、常温で１０ｃｍ２／Ｖ ｓｅｃ以上の電荷移動度を有することができる。
本発明による透明化合物半導体の製造方法において、上記Ｂａ化合物は、ＢａＣＯ３またはＢａＯであり、上記Ｌａ化合物は、Ｌａ２Ｏ３であり、上記Ｓｎ化合物は、ＳｎＯ２とすることができる。
本発明による透明化合物半導体の製造方法において、上記Ｂａ化合物、Ｌａ化合物及びＳｎ化合物をＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３（０＜ｘ＜０．１）によって混合した後、５００℃〜１５００℃で反応させて上記Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３を製造することができる。
本発明による透明化合物半導体の製造方法において、上記Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３をベース基板の上に物理または化学的に蒸着して形成することができる。
本発明による透明化合物半導体の製造方法において、上記ベース基板は、格子定数が０．３７〜０４５ｎｍであるＡＢＯ３構造を有するペロブスカイト（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）金属酸化物を含むことができる。
本発明による透明化合物半導体の製造方法において、上記ＡＢＯ３は、ＳｒＴｉＯ３、ＬａＡｌＯ３、ＳｒＺｒＯ３、ＢａＮｂＯ３のうち１つでとすることができる。
そして、本発明による透明化合物半導体の製造方法において、上記Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３の厚さは、０．４ｎｍ〜４００ｎｍとすることができる。
本発明による透明化合物半導体であるＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３（０＜ｘ＜０．１）は、ｎ−タイプでドーピングされた透明化合物半導体であって、透明で且つ安定性と電荷移動度が高い特性を有している。すなわちＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３は、可視光線帯域で９０％以上の光透過度を有する透明性と、空気中で常温〜５３０℃に温度を昇降させたときに抵抗の変化が２％未満の安定性と、１０ｃｍ２／Ｖ ｓｅｃ以上の電荷移動度を有する透明化合物半導体を提供する。
特に本発明によるＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３（０＜ｘ＜０．１）は、１０ｃｍ２／Ｖ ｓｅｃ以上の高い電荷移動度を有する透明化合物半導体であるから、表示素子など多様な電子製品に活用することができる。
図１は、本発明の実施例によるＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３（０＜ｘ＜０．１）の光学的伝送スペクトルを示すグラフである。 図２は、本発明の実施例によるＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３（０＜ｘ＜０．１）の温度抵抗度を示すグラフである。 図３は、本発明の実施例によるＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３（０＜ｘ＜０．１）の電荷密度、抵抗及び電荷移動度を示すグラフである。
下記の説明では、本発明の実施例を理解するのに必要な部分だけが説明され、その他の部分の説明は、本発明の要旨を不明にしないように省略されることに留意しなければならない。
以下で説明される本明細書及び請求範囲に使用された用語や単語は、通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならないし、発明者は、自分の発明を最も最善の方法で説明するために用語の概念として適切に定義することができるという原則に即して本発明の技術的思想に符合する意味や概念として解釈されなければならない。したがって、本明細書に記載された実施例と図面に示された構成は、本発明の好ましい実施例に過ぎず、本発明の技術的思想をすべて代弁するものではないので、本出願時点においてこれらを代替することができる多様な均等物と変形例があり得ることを理解しなければならない。
以下、添付の図面を参照して本発明の実施例をより詳細に説明する。
本発明による透明化合物半導体は、Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３（０＜ｘ＜０．１）の組成を有するｎ−タイプでドーピングされた透明化合物半導体である。Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３は、（Ｂａ＋Ｌａ）：Ｓｎ＝１：１の組成比を満足する。
ここで、Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３が０＜ｘ＜０．１の組成比を有する理由は、Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３が半導体性を有するようにするためである。ｘ＝０、すなわちＬａ＝０の場合には、ＢａＳｎＯ３は、絶縁体になるので、Ｌａの組成比は、０よりも大きくならなければならない。また、Ｌａをドーピングして０.1になる場合には、Ｂａ０．９Ｌａ０．１ＳｎＯ３は金属になるので、Ｌａは、０.1よりも小さい組成比を有しなければならない。したがって、Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３が半導体性を有するためには、０＜ｘ＜０．１の組成比を有する。
Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３は、良好な透明性、安定性及び１０ｃｍ２／Ｖ ｓｅｃ以上の電荷移動度を有するように、０．４ｎｍ〜４００ｎｍの厚さを有するように形成することが好ましい。このような厚さでＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３を形成する理由は、次の通りである。まず、０．４ｎｍが１つの原子層の厚さに該当するので、Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３を０．４ｎｍよりも薄く形成することはできない。そして、Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３の厚さが４００ｎｍを超過すれば、透明性が劣るからである。
そして、Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３は、単結晶またはエピタクシャルフィルム形態で製造することができる。
このような本発明による透明化合物半導体として使用されるＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３は、次のように形成することができる。
まず、Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３は、ドーピングされないＢａＳｎＯ３にＬａをドーピングして形成することができる。ＢａＳｎＯ３は、格子定数が０．４１ｎｍの絶縁性物質であって、３ｅＶより大きいバンドギャップを有し、透明である。
この際、Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３の基礎物質としてＢａＳｎＯ３を使用した理由は次の通りである。まず、基礎科学的な側面でバンドギャップが略４ｅＶになる絶縁体に金属物質のドーピングが１０２０／ｃｍ２以下になりながら、電荷移動度が大きくなることができる物質があることについて予想することに無理がある。しかし、本発明では、ＢａＳｎＯ３のようにＡＢＯ３構造を有するペロブスカイト（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）金属酸化物構造でＡ−位置（ｓｉｔｅ）ドーピングを通じて高い電荷移動度の具現が可能であることを確認した。すなわちペロブスカイト金属酸化物は、結晶化（ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）温度が異なる構造の金属化合物に比べて高い点はあるが、２つの陽イオン（ｃａｔｉｏｎ）位置に物質をドーピングすることができる可能性を提供する長所を有している。特に本発明では、３ｅＶの高いバンドギャップを有するペロブスカイト金属酸化物であるＢａＳｎＯ３をＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３の基礎物質として使用した。
ＢａＳｎＯ３は、３ｅＶより大きいバンドギャップを有しており、これは、透明性が高いことを意味する。また、このような高いバンドギャップを有するＢａＳｎＯ３を利用したＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３は、約１．２ｅＶのバンドギャップを有するシリコンや、約１．５ｅＶのバンドギャップを有するＧａＡｓに比べて透明性の観点から長所を有している。
または、Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３は、Ｂａ化合物、Ｌａ化合物及びＳｎ化合物を反応させて形成することができる。この際、Ｂａ化合物としては、ＢａＣＯ３またはＢａＯが使用されることができる。Ｌａ化合物としては、Ｌａ２Ｏ３が使用されることができる。そして、Ｓｎ化合物としては、ＳｎＯ２が使用されることができる。例えば、Ｂａ化合物、Ｌａ化合物及びＳｎ化合物をＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３（０＜ｘ＜０．１）の組成比によって混合した後、５００℃〜１５００℃で反応させてＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３を製造する。この際、５００℃〜１５００℃で反応を行う理由は、５００℃以下では、Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３の結晶構造が形成されず、１５００℃を超過する場合には、Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３の結晶構造が破れるか、または透明化合物半導体としての特性が劣るからである。
Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３は、Ｂａ化合物、Ｌａ化合物及びＳｎ化合物を反応させて形成するとき、ベース基板を提供し、物理的または化学的な方法を使用してベース基板の上に形成することができる。ベース基板としては、ＡＢＯ３構造を有するペロブスカイト金属酸化物であって、格子定数が０．４１ｎｍのＢａＳｎＯ３と類似な物質が使用されることができる。例えば、ベース基板としては、格子定数が０．３７〜０．４５ｎｍのＳｒＴｉＯ３、ＬａＡｌＯ３、ＳｒＺｒＯ３、ＢａＮｂＯ３などが使用されることができ、これに限定されるものではない。
そして、Ｂａ化合物、Ｌａ化合物及びＳｎ化合物を反応させて形成したＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３は、１０ｃｍ２／Ｖ ｓｅｃ以上の電荷移動度を有する。特にＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３は、常温で１０ｃｍ２／Ｖ ｓｅｃ以上の電荷移動度を有する。
このような本発明によるＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３が良好な透明性、安定性及び電荷移動度を有していることを図１〜図３のグラフを通じて確認することができる。
図１は、本発明の実施例によるＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３（０＜ｘ＜０．１）の光学的伝送スペクトルを示すグラフである。
図１を参照すれば、ドーピングされないＢａＳｎＯ３と本発明の実施例によるＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３単結晶の光学的伝送スペクトルを示す。ここで、ａは、ドーピングされないＢａＳｎＯ３とドーピングされたＢａＳｎＯ３（本発明によるＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３）単結晶の伝送スペクトルである。ｂは、ドーピングされないＢａＳｎＯ３とドーピングされたＢａＳｎＯ３の吸収係数（Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ（α））をフォトンエネルギーの機能で示したグラフである。
ドーピングされないＢａＳｎＯ３とドーピングされたＢａＳｎＯ３（ｎ＝２．３９ｘ１０２０ｃｍ−３）の吸収係数αは、厚さが異なる同じ見本の伝送スペクトル測定で抽出した。αとフォトンエネルギーの関係から予測されたドーピングされないＢａＳｎＯ３とドーピングされたＢａＳｎＯ３（ｎ＝２．３９ｘ１０２０ｃｍ−３）の光学的バンドギャップは、それぞれ３．０３ｅＶと３．０１ｅＶであった。
すなわち本発明の実施例によるＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３は、可視光線帯域で一般的厚さの薄膜の場合、９０％以上の光透過度を有していることを確認することができる。
図２は、本発明の実施例によるＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３（０＜ｘ＜０．１）の温度抵抗度を示すグラフである。
図２を参照すれば、本発明の実施例によるＢａ０．９６Ｌａ０．０４ＳｎＯ３−δ薄膜フィルムの酸素（Ｏ２）、アルゴン（Ａｒ）及び空気状態での温度抵抗度を示す。Ｂａ０．９６Ｌａ０．０４ＳｎＯ３−δ薄膜フィルムを酸素、アルゴンまたは空気状態で常温〜５３０℃で温度を昇降させたときに抵抗の変化率を測定した。Ｂａ０．９６Ｌａ０．０４ＳｎＯ３−δ薄膜フィルムは、エピタクシャルフィルムとすることができる。
ここで、（ａ）で、上方のグラフは、温度とガス環境で変わることを示し、下方のグラフは、それによる結果的な抵抗変化値を示す。フィルムは、１００ｎｍ厚さ、温度は、５時間５３０℃に維持した。
（ｂ）は、抵抗度と温度との関係を示し、抵抗度は、空気では１．７％程度変化し、５３０℃で５時間８％程度アルゴンでは下がり、５３０℃〜５時間８％程度酸素では上がったことを確認することができる。
このように本発明によるＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３は、空気、酸素、アルゴン状態で常温〜５３０℃に温度を昇降させても、抵抗の変化が大きくない安定性を有していることを確認することができる。特に本発明によるＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３は、空気状態で常温〜５３０℃に温度を昇降させたときに抵抗の変化が２％未満の安定性を有していることを確認することができる。
図３は、本発明の実施例によるＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３（０＜ｘ＜０．１）の電荷密度、抵抗及び電荷移動度を示すグラフである。
図３を参照すれば、本発明の実施例によるＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３の薄膜フィルムの温度変化による電荷密度ｎ、抵抗ρ及び電荷移動度μの変化を示す。電荷密度ｎ、抵抗ρ及び電荷移動度μは、温度に影響を受ける係数である。ここで、b、d、fは、Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３薄膜フィルムの電荷密度ｎ、抵抗ρ及び電荷移動度μを示す。
本発明の実施例によるＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３は、１０ｃｍ２／Ｖ ｓｅｃ以上の電荷移動度を有することを確認することができる。Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３は、常温で１０ｃｍ２／Ｖ ｓｅｃ以上の電荷移動度を有することを確認することができる。なお、ｘの値が０．０４、０．０７の場合、Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３は、５０ｃｍ２／Ｖ ｓｅｃ以上の電荷移動度を有することを確認することができる。
このように、本発明によるＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３は、透明で且つ安定性と電荷移動度が高い特性を有している。すなわちＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３は、可視光線帯域で９０％以上の光透過度を有する透明性と、空気状態で常温〜５３０℃で温度を昇降させたときに抵抗の変化が２％未満の安定性と、５０ｃｍ２／Ｖ ｓｅｃ以上（常温で〜１０２０／ｃｍ２ドーピングレベル水準で）の電荷移動度を有する優れた透明化合物半導体としての特性を示すことを確認することができる。
また、本発明によるＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３は、良好な透明性、安定性及び電荷移動度を有するので、電子及び通信機器産業など多様な産業分野で使用されることができる。特に本発明によるＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３は、酸化物の安定性と大きいバンドギャップを有するのため、高い温度で作動することができ、放射線に影響をあまり受けず、高い電力量を扱わなければならない宇宙産業や軍用産業などに使用することができる。
一方、本明細書と図面に開示された実施例は、理解を助けるために特定例を提示したものに過ぎず、本発明の範囲を限定しようとするものではない。ここに開示された実施例以外にも、本発明の技術的思想に基づく他の変形例が実施可能であることは、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者には自明である。

Claims (15)

  1. Ｂａ化合物、Ｌａ化合物及びＳｎ化合物を反応させて製造したＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３（０＜ｘ＜０．１）の組成を有し、１０ｃｍ２／Ｖ ｓｅｃ以上の電荷移動度を有することを特徴とする透明化合物半導体。
  2. 上記Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３は、常温で１０ｃｍ２／Ｖ ｓｅｃ以上の電荷移動度を有することを特徴とする請求項１に記載の透明化合物半導体。
  3. 上記Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３は、上記Ｂａ化合物、Ｌａ化合物及びＳｎ化合物をＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３（０＜ｘ＜０．１）によって混合した後に５００℃〜１５００℃で反応させて製造したことを特徴とする請求項２に記載の透明化合物半導体
  4. 上記Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３の厚さは、０．４ｎｍ〜４００ｎｍであることを特徴とする請求項３に記載の透明化合物半導体。
  5. 上記Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３は、可視光線帯域で９０％以上の光透過率を有することを特徴とする請求項３に記載の透明化合物半導体。
  6. 上記Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３は、空気状態で常温〜５３０℃に温度を昇降させたときに抵抗の変化が２％未満であることを特徴とする請求項３に記載の透明化合物半導体。
  7. 上記Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３は、単結晶またはエピタクシャルフィルム形態を有することを特徴とする請求項３に記載の透明化合物半導体。
  8. Ｂａ化合物、Ｌａ化合物及びＳｎ化合物を反応させてＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３（０＜ｘ＜０．１）の組成を有し、１０ｃｍ２／Ｖ ｓｅｃ以上の電荷移動度を有することを特徴とする透明化合物半導体の製造方法。
  9. 上記Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３は、常温で１０ｃｍ２／Ｖ ｓｅｃ以上の電荷移動度を有することを特徴とする請求項８に記載の透明化合物半導体の製造方法。
  10. 上記Ｂａ化合物は、ＢａＣＯ３またはＢａＯであり、上記Ｌａ化合物は、Ｌａ２Ｏ３であり、上記Ｓｎ化合物は、ＳｎＯ２であることを特徴とする請求項９に記載の透明化合物半導体の製造方法。
  11. 上記Ｂａ化合物、Ｌａ化合物及びＳｎ化合物をＢａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３（０＜ｘ＜０．１）によって混合した後に５００℃〜１５００℃で反応させて上記Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３を製造することを特徴とする請求項９に記載の透明化合物半導体の製造方法。
  12. 上記Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３をベース基板の上に物理または化学的に蒸着して形成することを特徴とする請求項９に記載の透明化合物半導体の製造方法。
  13. 上記ベース基板は、格子定数が０．３７〜０４５ｎｍのＡＢＯ３構造を有するペロブスカイト（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）金属酸化物を含むことを特徴とする請求項１２に記載の透明化合物半導体の製造方法。
  14. 上記ＡＢＯ３は、ＳｒＴｉＯ３、ＬａＡｌＯ３、ＳｒＺｒＯ３、ＢａＮｂＯ３のうち１つであることを特徴とする請求項１３に記載の透明化合物半導体の製造方法。
  15. 上記Ｂａ１−ＸＬａＸＳｎＯ３の厚さは、０．４ｎｍ〜４００ｎｍであることを特徴とする請求項９に記載の透明化合物半導体の製造方法。
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