JP6150752B2 - Oxide-based semiconductor material and semiconductor element - Google Patents
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Description
この発明は、In、Ga、ZnおよびOを構成成分とする酸化物系半導体材料および半導体素子に関するものである。 The present invention relates to an oxide-based semiconductor material and a semiconductor element containing In, Ga, Zn, and O as constituent components.
In、Ga、ZnおよびOを構成成分とする酸化物系半導体材料(以下、In−Ga−Zn−O系半導体材料という)は、半導体素子のチャンネル層として用いる研究がなされており、一部の半導体素子は実用化されている(例えば特許文献1〜4)。
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)。いずれにしても、半導体材料としてはn型またはp型のいずれかの特性を有するため、目的などに応じてn型またはp型の材料が選択される。
An oxide semiconductor material containing In, Ga, Zn, and O as constituent components (hereinafter referred to as an In—Ga—Zn—O semiconductor material) has been studied for use as a channel layer of a semiconductor element. Semiconductor elements have been put into practical use (for example, Patent Documents 1 to 4).
The In—Ga—Zn—O-based semiconductor material is manufactured by film formation on a substrate, such as sputtering or vapor deposition, or epitaxial growth on the substrate. An In—Ga—Zn—O-based semiconductor material usually has n-type characteristics, and is used as a semiconductor element using the characteristics. Some of them have p-type characteristics (for example, Patent Documents 1 to 4). In any case, since the semiconductor material has either n-type or p-type characteristics, an n-type or p-type material is selected depending on the purpose.
上記のように、目的などによって、異なる半導体材料を用いた半導体素子をそれぞれ用意して回路設計を行う必要が生じてくる。例えば、CMOSを構成しようとすると、図7に示すように、n型のチャンネル層を有する半導体素子30と、p型のチャンネル層を有する半導体素子31をそれぞれ単体で用意し、配線(Metalなど)32で結線する必要が生じる。しかし、このような回路の構成は製造コストを増加させる要因になっており、また、故障などの発生原因を多様にする。
As described above, it is necessary to design a circuit by preparing semiconductor elements using different semiconductor materials, depending on the purpose. For example, when an attempt is made to configure a CMOS, as shown in FIG. 7, a
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、p型とn型の特性を併せ持つ半導体材料および半導体素子を提供することを目的の一つとする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a semiconductor material and a semiconductor element having both p-type and n-type characteristics.
すなわち、本発明の酸化物系半導体材料のうち、第1の本発明は、In、Ga、ZnおよびOを構成成分とするIn−Ga−Zn−O系化合物からなる酸化物系半導体材料であって、
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0.1J/cm 2 〜10J/cm 2 のエネルギー密度で、繰り返し周波数1kHz〜50kHz、パルス幅(半値幅)200〜1200nmのパルス波のレーザ光の照射を行って1200℃以上に加熱して、基板上で互いに分子結合したIn−Ga−Zn−O系化合物としたものであり、
前記半導体材料に加わる電界の正負の方向に応じて、負の電界を加えるとp型特性を示し、正の電界を加えるとn型特性を示す特性を有することを特徴とする。
That is, of the oxide-based semiconductor material of the present invention, a first aspect of the present invention, there In, Ga, In oxides based semiconductor material consisting of In-Ga-Zn-O-based compound as a constituent component of Zn and O And
An In, Ga, Zn material is disposed on a substrate, and in the presence of oxygen, the In, Ga, Zn material has an energy density of 0.1 J / cm 2 to 10 J / cm 2 , a repetition frequency of 1 kHz to 50 kHz, and a pulse width. (Half width) 200-1200 nm pulsed laser light is irradiated and heated to 1200 ° C. or higher to form an In—Ga—Zn—O-based compound that is molecularly bonded to each other on the substrate.
Wherein depending on the direction of the positive and negative electric field applied to the semiconductor material, the addition of negative electric field showed a p-type characteristics, characterized by having a positive characteristic that indicates the n-type characteristics when an electric field is applied.
第2の本発明の半導体素子は、第1の本発明の酸化物系半導体材料からなるチャンネル層を有し、ソースおよびドレインと、ゲートとを備えることを特徴とする。 The semiconductor device of the second present invention, a channel layer made of an oxide-based semiconductor material of the first invention possess, characterized in that it comprises a source and a drain, and a gate.
第3の本発明の半導体素子は、前記第2の本発明において、前記ゲートに正負が切り替わる電圧が付与されることを特徴とする。 The semiconductor element of the third aspect of the present invention is characterized in that, in the second aspect of the present invention, a voltage for switching between positive and negative is applied to the gate.
第4の本発明の半導体素子は、前記第3の本発明において、前記ゲートに付与される電圧の正負の切り替えによってCMOSとして機能することを特徴とする。
A semiconductor device according to a fourth aspect of the invention is characterized in that, in the third aspect of the invention, the semiconductor element functions as a CMOS by switching between positive and negative voltages applied to the gate.
以上説明したように、本発明のうちの一形態の酸化物系半導体材料は、P型特性とn型特性とを有し、電界の方向によって異なる特性が得られ、これを半導体素子に用いれば、p型またはn型の半導体として利用することができる。このような半導体素子を用いれば、回路設計に際し、一つの種類でp型、n型のトランジスタを用意することができ、製造工程が簡略になる。同様にダイオードにもあてはまる。 As described above, an oxide-based semiconductor material of one embodiment of the present invention has P-type characteristics and n-type characteristics, and can have different characteristics depending on the direction of an electric field. It can be used as a p-type or n-type semiconductor. If such a semiconductor element is used, one type of p-type and n-type transistors can be prepared for circuit design, and the manufacturing process is simplified. The same applies to diodes.
以下に、本発明の一実施形態を説明する。
In−Ga−Zn−O系半導体材料は、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などの高密度エネルギーを与えることで、基板上で分子結合させて作製することができる。In−Ga−Zn−O系半導体材料は、以下に示す方法に作製することができ、p型、n型双方の特性を示す。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described.
In-Ga-Zn-O-based semiconductor materials have In, Ga, and Zn materials attached to a substrate, and high-density energy such as laser irradiation is applied to In, Ga, and Zn materials in the presence of oxygen at atmospheric pressure. By giving, it can be produced by molecular bonding on the substrate. An In—Ga—Zn—O-based semiconductor material can be manufactured by the following method, and exhibits both p-type and n-type characteristics.
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。 The amount ratio of In, Ga, and Zn is not particularly limited in the present invention, and components having various amount ratios including components conventionally used in In—Ga—Zn—O-based semiconductor materials are included. Can be targeted.
例えば、特許文献1、3では、InGaO3(ZnO)mとしたIn−Ga−Zn−O系半導体材料(mは1以上50未満の整数)が提案され、特許文献2では、InGaZnO4やIn2O3−Ga2O3−ZnOなどが提案され、特許文献4では、(In1−xGax)2O3(ZnO)mとした半導体材料(0<x<1、mは1以上50未満の整数)が提案されている。本願発明は、これら量比のIn−Ga−Zn−O系半導体材料や他の成分のIn−Ga−Zn−O系半導体材料に適用される。
For example, Patent Documents 1 and 3 propose an In—Ga—Zn—O-based semiconductor material (m is an integer of 1 to less than 50) that is InGaO 3 (ZnO) m, and
In−Ga−Zn−O系半導体材料の成分および構造は、基板上に付着させるIn、Ga、Znの成分量や与えるエネルギーに決定することができる。In、Ga、Znは、それぞれ単体を基板上に付着させるようにしてもよく、また、酸化物や他の成分との化合物の状態で基板上に付着させるようにしてもよい。 The component and structure of the In—Ga—Zn—O-based semiconductor material can be determined by the amount of In, Ga, and Zn components to be deposited on the substrate and the energy to be given. Each of In, Ga, and Zn may be deposited on the substrate, or may be deposited on the substrate in the form of a compound with an oxide or other component.
基板上へのIn、GaおよびZn材料の付着は、これら材料の粉末を溶媒やバインダに加えた上で、スピンコートなどの方法で基板上に付着させることができる。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。 The In, Ga, and Zn materials can be deposited on the substrate by adding powder of these materials to a solvent or a binder and then depositing the material on the substrate by a method such as spin coating. However, in the present invention, the attachment method is not particularly limited. Further, the adhesion amount is not particularly limited in the present invention, but the adhesion amount of In, Ga, and Zn materials can be determined according to a desired depth or a depth heated by applying energy. it can. Although the magnitude | size at the time of making the said material into powder is not specifically limited, For example, the magnitude | size of 0.1-10 micrometers can be illustrated by a circle equivalent diameter.
図1に、In−Ga−Zn−O系半導体材料の製造工程を示す。図1Aに示すように、基板1上にIn、GaおよびZn材料の粉末(I、Z、Gで図示)を溶媒とともに基板1上に付着させ、基板1を高速回転させてIn、GaおよびZn材料2および溶媒を基板1上に均一に塗布する。
FIG. 1 shows a manufacturing process of an In—Ga—Zn—O-based semiconductor material. As shown in FIG. 1A, powders of In, Ga, and Zn materials (illustrated by I, Z, and G) are deposited on a substrate 1 together with a solvent on the substrate 1, and the substrate 1 is rotated at a high speed to cause In, Ga, and Zn. The
なお、従来のIn−Ga−Zn−O系半導体材料では、前述したようにスパッタや蒸着による成膜や、エピタキシャル成長によって作製される。成膜層は、必要に応じてアニール処理が行われる。スパッタ法は、ターゲットをArイオンなどで分子レベルに分解し、それらを基板上に堆積させる。また、蒸着では、金属や酸化物などを蒸発させて、基板の表面に付着させるものであり、物理蒸着(PVD)や化学蒸着(CVD)により行われる。
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。
これらの結果、従来のIn−Ga−Zn−O系半導体材料では、n型またはp型のいずれかの特性を有するものとなり、n型、p型双方の特性を有するものは存在していない。
Note that a conventional In—Ga—Zn—O-based semiconductor material is formed by film formation by sputtering or vapor deposition or epitaxial growth as described above. The film formation layer is annealed as necessary. In the sputtering method, a target is decomposed to a molecular level with Ar ions or the like, and they are deposited on a substrate. In vapor deposition, metal or oxide is evaporated and adhered to the surface of the substrate, and is performed by physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD).
In the sputtering method and vapor deposition method, characteristics such as the film structure are almost determined at the stage of film formation, but a heat treatment furnace (around 300 ° C. is used to eliminate bond defects between molecules and obtain stable characteristics. ), Plasma irradiation, laser annealing and the like are performed. In epitaxial growth, the film characteristics of a semiconductor material are determined by the structure of the substrate on which the growth is based.
As a result, conventional In—Ga—Zn—O-based semiconductor materials have either n-type or p-type characteristics, and none have both n-type and p-type characteristics.
本実施形態では、基板上のIn、GaおよびZn材料に高エネルギーを付与することで各材料を同時期に溶融、分子間結合させて本発明の作用を有するIn−Ga−Zn−O系半導体材料が作製される。溶融時の加熱温度は1200℃以上であるのが望ましい。本実施形態では、短時間で高温に加熱することで、熱容量の異なる分子を溶融(分解)して再結合することができる。
具体的には、高エネルギーの付与によって各材料(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。
In this embodiment, an In—Ga—Zn—O-based semiconductor having the functions of the present invention is obtained by applying high energy to In, Ga, and Zn materials on a substrate to melt and intermolecularly bond the materials at the same time. A material is made. The heating temperature at the time of melting is desirably 1200 ° C. or higher. In this embodiment, by heating to a high temperature in a short time, molecules having different heat capacities can be melted (decomposed) and recombined.
Specifically, each material (preferably not bonded with different elements) is bonded at a molecular level by applying high energy, and oxygen in the atmosphere is taken in to obtain a multi-component oxide.
高エネルギーの付与は、好適には、図1Bに示すように、レーザ光3のビーム照射により行うことができる。レーザ光はライン状やスポット状などの適宜のビーム形状にして、適宜のエネルギー密度に調整されてIn、GaおよびZn材料に照射されるのが望ましい。レーザ光照射は、基板やTFT回路全体を加熱することなくIn、GaおよびZn材料に高エネルギーを付与することができ、基板の材質にも樹脂フィルムなどの低耐熱性の材料を使用でき、また、微細な金属配線に対しても熱マイグレーションによって断線するのを回避できるという利点がある。
The application of high energy can be preferably performed by beam irradiation of
本発明としてはレーザ光の種別が特に限定されるものではないが、好適にはグリーン波長(450〜570nm;最適には515nm)から赤外線(〜1100nm)に至るレーザ光を用いることができる。固体レーザを好適に用いることができる。上記波長範囲では、In、Ga、Zn材料を透過することなくこれら材料を効果的に加熱することができる。特にグリーン波長のレーザ光は、反射率と透過率のバランスがよく、n型特性とp型特性を併せ持つIn−Ga−Zn−O系半導体材料を良好に作成することができる。 In the present invention, the type of the laser beam is not particularly limited, but a laser beam ranging from a green wavelength (450 to 570 nm; optimally 515 nm) to an infrared ray (up to 1100 nm) can be preferably used. A solid laser can be suitably used. In the above wavelength range, these materials can be effectively heated without passing through the In, Ga, and Zn materials. In particular, a laser beam with a green wavelength has a good balance between reflectance and transmittance, and an In—Ga—Zn—O-based semiconductor material having both n-type characteristics and p-type characteristics can be formed favorably.
レーザ光は、連続波、パルス波のいずれであってもよいが、短時間で高いエネルギーを与えることができるためパルス波を用いるのが望ましい。パルス波の繰り返し周波数や、パルス幅(半値幅)は本発明としては特に限定されるものではないが、例えば,繰り返し周波数1kHz〜50kHz、パルス幅(半値幅)200〜1200nmを例示することができる。 The laser light may be either a continuous wave or a pulse wave, but it is desirable to use a pulse wave because it can provide high energy in a short time. The repetition frequency and pulse width (half-value width) of the pulse wave are not particularly limited as the present invention, and examples include a repetition frequency of 1 kHz to 50 kHz and a pulse width (half-value width) of 200 to 1200 nm. .
また、レーザ光を照射する際に、エネルギー密度を適正に定める必要がある。エネルギー密度が低いと、本発明の作用を得ることができない。一方、エネルギー密度が高すぎると、熱によりIn、Ga、Znが飛散して半導体特性が低下する。
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。
Moreover, when irradiating a laser beam, it is necessary to determine an energy density appropriately. If the energy density is low, the effect of the present invention cannot be obtained. On the other hand, if the energy density is too high, In, Ga, and Zn are scattered by heat and semiconductor characteristics are deteriorated.
Proper energy density, In in the thickness of the substrate or on the substrate varies depending on the thickness of the Ga and Zn material, for example, may indicate a value of 0.1J / cm 2 ~10J / cm 2 .
レーザ光3が照射されたIn、GaおよびZn材料2は、溶融(分解)、再結合がされてIn、Ga、Znが結合された多元系の酸化物としてIn−Ga−Zn−O系半導体材料2Aが生成される。In−Ga−Zn−O系半導体材料は、p型、n型の特性を併せ持っている。
The In, Ga, and
次に、本実施形態のIn−Ga−Zn−O系半導体材料の機能を以下に説明する。
図2は、In−Ga−Zn−O系半導体材料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。
Next, the function of the In—Ga—Zn—O-based semiconductor material of this embodiment will be described below.
FIG. 2 schematically shows a
Among conventional semiconductor materials, those having n-type characteristics are formed by adding an impurity such as As (arsenic) or P (phosphorus) to Si to form an n-type semiconductor. As a result, a current as shown in FIG. Has voltage characteristics. In this case, no current (Id) flows even when a voltage (Vd) is applied in the negative direction.
In addition, in the conventional semiconductor material having p-type characteristics, a p-type semiconductor is formed by adding impurities such as B (boron) to Si, and as a result, current and voltage characteristics as shown in FIG. 3B are obtained. Have. In this case, no current (Id) flows even when a voltage (Vd) is applied in the positive direction.
一方、本実施形態のIn−Ga−Zn−O系半導体材料では、p型、n型の両特性を併せ持っている。すなわち、In−Ga−Zn−O系半導体材料に、マイナスの電圧(−V)をかけると、図3Aに示すように、マイナス方向に半導体特性を示し(p型特性)、プラス方向に電圧(+V)をかけると、図3Bに示すように、プラス方向に半導体特性(n型特性)を示す。
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。
On the other hand, the In—Ga—Zn—O-based semiconductor material of this embodiment has both p-type and n-type characteristics. That is, when a negative voltage (−V) is applied to an In—Ga—Zn—O-based semiconductor material, as shown in FIG. 3A, semiconductor characteristics are shown in the negative direction (p-type characteristics), and voltage ( When + V) is applied, semiconductor characteristics (n-type characteristics) are shown in the plus direction as shown in FIG. 3B.
In the above example, P-ch and N-ch transistor-like operations are performed by applying a gate voltage in the plus (+) direction or minus (-) direction, as shown in FIG. CMOS operation). At this time, it is possible to operate without causing leakage current at the time of voltage switching.
上記作用について考察すると、共有結合している部分(カゴ部分201)の部分をキャリアとしてHoleが流れ210などによって移動し、p型特性を示す。また、カゴ内の拘束されている分子202を還してキャリアとして電子が流れ220などとして移動する。
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。
Considering the above action, Hole moves by the
Although the above points do not go beyond estimation, the principle of movement of each carrier can be considered from the current electrical characteristics.
本実施形態のIn−Ga−Zn−O系半導体材料をチャンネル層にしてトランジスタを構成した場合、ゲートにかける電圧をプラス(+)方向に印加すると、電流(I)はプラス(+)方向に増大する(N−ch特性を示す)。ゲートにかける電圧をマイナス(−)方向に印加すると電流(I)はマイナス(−)方向に増大する(P−ch特性を示す)。
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。
When a transistor is configured using the In—Ga—Zn—O-based semiconductor material of this embodiment as a channel layer, when a voltage applied to the gate is applied in the plus (+) direction, the current (I) is in the plus (+) direction. Increases (shows N-ch characteristics). When the voltage applied to the gate is applied in the minus (−) direction, the current (I) increases in the minus (−) direction (shows P-ch characteristics).
When the transistor is shown in an equivalent circuit, it can be shown in FIG. 4A. By changing the electric field direction, the current direction can be changed as shown in FIG. 4B.
以下に、本発明の実施例について説明する。
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、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。
Examples of the present invention will be described below.
As the test material, a commercially available In, Ga, Zn raw material solution for testing was used. In these raw material solutions, the powder size of each component was an equivalent circle diameter of 0.1 to 10 μm.
The raw material solution was applied (spread) onto a P-type silicon substrate with a spin coater, and the dispersion medium was volatilized and dried with a hot plate in the atmosphere. In this case, the coating amount of In, Ga, and Zn was 1: 1: 1 as a molar amount.
In the resistance measurement by the tester at this stage, the range was over (insulator). From this, it was confirmed that no binding occurred at the molecular level.
次いで、この乾燥後の基板に、固体レーザによるグリーンレーザ(波長532nm)を照射し、アブレーションを行った。レーザの発振周波数は10kHz、パルス幅(半値幅)は600nm、エネルギー密度は1.0J/cm2〜5.0J/cm2とした。 Next, the dried substrate was irradiated with a green laser (wavelength: 532 nm) using a solid laser to perform ablation. The oscillation frequency of the laser is 10 kHz, the pulse width (half width) was 600 nm, the energy density of the 1.0J / cm 2 ~5.0J / cm 2 .
薄膜面内の抵抗値を測定した結果、590kΩと導通していることを確認した。さらに、このサンプルが半導体であるか、In−Ga−Zn−O系薄膜とP型Si基板それぞれに、プローブを+−(順方向)、−+(逆方向)と当てて評価した。抵抗値を測定した結果、順方向820kΩ、逆方向7,000kΩと1桁の相違が生じていた。活性化されたIn−Ga−Zn−O系半導体材料薄膜は、n型半導体特性を示すので、半導体となっていればp型シリコン基板との間でP−Nジャンクション(ダイオード)を形成する。サンプルであるIn−Ga−Zn−O系半導体材料薄膜+シリコン基板が単なる抵抗体であれば、順方向、逆方向のどちらでも同一抵抗値を示す。しかし、この供試材の抵抗値は、順、逆両方向で差異を生じたことから、半導体(ダイオード)特性を有していることが確認された。
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。
As a result of measuring the resistance value in the plane of the thin film, it was confirmed that the film was electrically connected to 590 kΩ. Further, whether this sample is a semiconductor was evaluated by applying a probe to +-(forward direction) and-+ (reverse direction) on each of an In-Ga-Zn-O-based thin film and a P-type Si substrate. As a result of measuring the resistance value, there was a one-digit difference between the forward direction 820 kΩ and the reverse direction 7,000 kΩ. Since the activated In—Ga—Zn—O-based semiconductor material thin film exhibits n-type semiconductor characteristics, a PN junction (diode) is formed with the p-type silicon substrate if it is a semiconductor. If the sample In—Ga—Zn—O-based semiconductor material thin film + silicon substrate is a simple resistor, the same resistance value is exhibited both in the forward direction and in the reverse direction. However, the resistance value of the test material was different in both the forward and reverse directions, and thus it was confirmed to have semiconductor (diode) characteristics.
From the above results, an In—Ga—Zn—O-based semiconductor material can be manufactured by laser ablation.
(実施例2)
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。
(Example 2)
In the same manner as in Example 1, on the Si substrate, In, Ga and Zn materials were applied by spin coating using a commercially available raw material solution, and the dispersion medium was volatilized and dried. In this case, the coating amount of In, Ga, and Zn was 1: 1: 1 as a molar amount, and was applied on the Si substrate in an amount of 2 nm to 200 nm in thickness.
The In, with respect to Ga and Zn material, a green laser of a solid-state laser (wavelength 532 nm, the
各供試材の薄膜面内に−12V〜+12Vの電圧を印加し、その際に得られる電流を測定し、その値を図5に示した。図5に示すように、レーザ光のエネルギー密度が低い場合(2.5J/cm2、3.0J/cm2)、電流は殆ど変化しない。また、エネルギー密度が高すぎると、電気特性が悪くなっている(3.5J/cm2→4.0J/cm2→4.5J/cm2)。この実施例では、この条件でのレーザ光の最適エネルギー密度は、3.5J/cm2といえる。レーザ光を使用して活性化を行う場合、レーザ光による熱が最大の活性化要素となり、エネルギー密度が重要な要素となる。
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。
A voltage of −12 V to +12 V was applied to the thin film surface of each test material, the current obtained at that time was measured, and the value is shown in FIG. As shown in FIG. 5, when the energy density of the laser beam is low (2.5 J / cm 2 , 3.0 J / cm 2 ), the current hardly changes. Also, the energy density is too high, the electrical characteristics are worsened (3.5J / cm 2 → 4.0J /
However, other than this, for example, wavelength, pulse width, stability, repeatability, irradiation time, and the like are factors. In addition to this, all factors that generally affect optically and thermally such as other environments such as film thickness and substrate type are factors.
(実施例3)
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。
(Example 3)
In the same manner as in Example 1, on the Si substrate, In, Ga and Zn materials were applied by spin coating using a commercially available raw material solution, and the dispersion medium was volatilized and dried. In this case, the coating amount of In, Ga, and Zn was 1: 1: 1 as a molar amount, and was applied on the Si substrate in an amount of 2 nm to 200 nm in thickness.
The In, with respect to Ga and Zn material, an infrared laser according to the solid-state laser (YAG laser) (wavelength 1064 nm, the
各供試材に対する電圧と、その際に得られる電流を測定し、その値を図6に示した。図6に示すように、レーザ光のエネルギー密度が低い場合(3.0J/cm2以下)、電流は殆ど変化しない。また、エネルギー密度が高すぎると、電気特性が悪くなっている(3.5J/cm2、4.0J/cm2→4.5J/cm2)。この実施例では、この条件でのレーザ光の最適エネルギー密度は、4.0J/cm2といえる。レーザ光を使用して活性化を行う場合、レーザ光による熱が最大の活性化要素となり、エネルギー密度が重要な要素となる。
The voltage for each specimen and the current obtained at that time were measured, and the values are shown in FIG. As shown in FIG. 6, when the energy density of the laser beam is low (3.0 J / cm 2 or less), the current hardly changes. Also, the energy density is too high, the electrical characteristics are worsened (3.5J / cm 2, 4.0J /
以上、本発明について上記実施形態に基づいて説明を行ったが、本発明の範囲を逸脱しない限りは適宜の変更が可能である。 As described above, the present invention has been described based on the above embodiment, but appropriate modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
1 基板
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (4)
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0.1J/cm 2 〜10J/cm 2 のエネルギー密度で、繰り返し周波数1kHz〜50kHz、パルス幅(半値幅)200〜1200nmのパルス波のレーザ光の照射を行って1200℃以上に加熱して、基板上で互いに分子結合したIn−Ga−Zn−O系化合物としたものであり、
前記半導体材料に加わる電界の正負の方向に応じて、負の電界を加えるとp型特性を示し、正の電界を加えるとn型特性を示す特性を有することを特徴とする酸化物系半導体材料。 In, Ga, an acid compound-based semiconductor material consisting of In-Ga-Zn-O-based compound as a constituent component of Zn and O,
An In, Ga, Zn material is disposed on a substrate, and in the presence of oxygen, the In, Ga, Zn material has an energy density of 0.1 J / cm 2 to 10 J / cm 2 , a repetition frequency of 1 kHz to 50 kHz, and a pulse width. (Half width) 200-1200 nm pulsed laser light is irradiated and heated to 1200 ° C. or higher to form an In—Ga—Zn—O-based compound that is molecularly bonded to each other on the substrate.
Wherein depending on the direction of the positive and negative electric field applied to the semiconductor material, the addition of negative electric field showed a p-type characteristics, oxide-based semiconductor material and having a positive characteristic that indicates the n-type characteristics when application of an electric field .
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