KR20070048780A

KR20070048780A - 투명 전도체, 투명 전극, 태양 전지, 발광 소자 및디스플레이 패널

Info

Publication number: KR20070048780A
Application number: KR1020077005595A
Authority: KR
Inventors: 유타카 후루바야시; 데츠야 하세가와; 타로 히토스기
Original assignee: 카나가와 아카데미 오브 사이언스 앤드 테크놀로지
Priority date: 2004-08-13
Filing date: 2005-08-10
Publication date: 2007-05-09
Also published as: EP1796107A4; JP5132151B2; TW200606122A; JPWO2006016608A1; US20070287025A1; TWI382004B; CN101036200B; US7858206B2; EP1796107A1; WO2006016608A1; CN101036200A

Abstract

투명하고 도전성이 있는 투명 전극용 기재 및 투명 도전성 박막에 관하여, 안정적으로 공급가능하고, 또한 내약품성 등이 뛰어난 소재로 구성한 투명 금속 재료 및 투명 전극을 제공한다. 기판(11) 위에 아나타제형의 결정 구조로 이루어진 금속 산화물층(12)을 형성시키고, 금속 산화물층(12)을 M : TiO₂로 구성함으로써, 내부 투과율을 유지하면서 저저항률을 발현시킨다. 즉, 아나타제형 TiO₂의 Ti 사이트를 다른 원자(Nb, Ta, Mo, As, Sb, W 등)로 치환한 결과 얻어지는 M : TiO₂를 제작함으로써, 투명도를 유지하면서 전기 전도도를 현저하게 향상시킬 수 있다.

Description

투명 전도체, 투명 전극, 태양 전지, 발광 소자 및 디스플레이 패널{TRANSPARENT CONDUCTOR, TRANSPARENT ELECTRODE, SOLAR CELL, LUMINESCENT DEVICE AND DISPLAY PANEL}

본 발명은 액정 패널이나 태양 전지, 유기 EL의 전극 등에 적용되는 투명 전도체에 관한 것이다.

최근에 액정 표시 패널의 대형화나 소형 휴대화의 요구가 높아지고 있다. 이것을 실현하기 위해서는, 표시 소자의 저소비전력화가 필요로 되어, 가시광선 투과율이 높고 저항치가 낮은 투명 전극의 적용이 불가결해진다.

특히 최근 개발되고 있는 유기 일렉트로 루미네센스 소자에 관해서는, 자발광 타입이며, 소형 휴대 단말에의 적용에 있어서는 유효하지만, 전류 구동으로 소비전력이 크다는 문제점이 있다. 또, 현재 시장에 확대되고 있는 플라즈마 디스플레이 패널(PDP)이나 차세대 디스플레이로서 개발되고 있는 필드 에미션 디스플레이(FED)에 관해서도, 그들이 고소비전력 구조라는 문제점이 있다. 이 때문에, 투명 도전성 박막의 저저항화에 대한 기대는 크다.

이 때문에, 투명 도전성 박막의 저항치를 더욱 낮추기 위해, 유리판 등의 투명 기재 표면 위에 주석을 수% 도핑한 산화인듐으로 이루어진 인듐ㆍ틴ㆍ옥사이드 막(이하, ITO막이라 함)을 형성한 것이 제안되고 있다 (예를 들어, 특허문헌 1 참조).

그러나, 이 ITO막은, 투명성이 우수하고 높은 도전성을 갖지만, In의 지각(地殼) 함유율이 50ppb로 적고, 자원의 고갈과 함께 원료의 비용이 상승해 버린다는 결점을 갖는다.

또, 특히 최근에 내플라즈마성이 높고 염가인 재료로서 산화아연계 재료가 제안되고 있다.

그러나, 산화 아연계 재료는, 산이나 알칼리에 약하고, 이산화탄소 분위기중에 있어서도 서서히 침식되어 버리기 때문에, 액정 패널에의 적용뿐만 아니라, 특히 태양 전지에의 적용이 어렵다고 한다. 또, 이러한 내약품성을 개선하기 위해 산화아연 표면을 코팅 가공함으로써 대처하는 것도 생각할 수 있지만, 코팅의 공정을 하나 더 늘려야 하여, 제조 비용이 증가되어 버린다는 문제점도 있다.

즉, 투명 전도체의 적용 범위를 확대시키기 위해서는, 안정적으로 공급가능한 소재로 이것을 구성하는 동시에, 내약품성이나 내구성도 겸비한 소재로 이것을 구성할 필요가 있다.

특허문헌 1 : 일본 공개특허공보 2004-95240 호

발명이 해결하고자 하는 과제

본 발명은, 상기 기술한 배경기술을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 투명하고 도전성이 있는 투명 전도체에 관해, 안정적으로 공급가능하고, 또한 내약품성 등이 우수한 소재로 구성한 투명 전도체를 제공하는 것에 있다.

과제를 해결하기 위한 수단

본 발명의 제1 측면은,

금속 산화물로 이루어진 투명 전도체에 있어서,

상기 금속 산화물은 아나타제형 결정 구조를 갖는 M : TiO₂인 것을 특징으로 하는 투명 전도체에 있다.

본 발명의 제2 측면은,

금속 산화물로 이루어진 투명 전도체에 있어서,

상기 금속 산화물은 아나타제형 결정 구조를 갖는 M : TiO₂(M은 Nb, Ta, Mo, As, Sb 또는 W 중 어느 하나)인 것을 특징으로 하는 투명 전도체에 있다.

본 발명의 제3 측면은,

금속 산화물로 이루어진 투명 전도체에 있어서,

상기 금속 산화물은 아나타제형 결정 구조를 갖는 M : TiO₂(M은 V, Mn, Tc, Re, P 또는 Bi 중 어느 하나)인 것을 특징으로 하는 투명 전도체에 있다.

본 발명의 제4 측면은,

금속 산화물로 이루어진 투명 전도체에 있어서,

상기 금속 산화물은 아나타제형 결정 구조를 갖는 M : TiO₂(M은 Ta 또는 Nb 중 어느 하나)인 것을 특징으로 하는 투명 전도체에 있다.

본 발명의 제5 측면은,

상기 금속 산화물은 금속적인 전기 전도성을 더 갖는 것을 특징으로 하는 청구항 1 기재의 투명 전도체에 있다.

본 발명의 제6 측면은,

상기 금속 산화물은 Ti₁ _- _xNb_xO₂(0.001≤x≤0.2)의 화학식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 청구항 4 기재의 투명 전도체에 있다.

본 발명의 제7 측면은,

상기 금속 산화물은 Ti₁ _- _xNb_xO₂(0.01≤x≤0.2)의 화학식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 청구항 4 기재의 투명 전도체에 있다.

본 발명의 제8 측면은,

상기 금속 산화물은 Ti₁ _- _xNb_xO₂(0.01≤x≤0.03)의 화학식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 청구항 4 기재의 투명 전도체에 있다.

본 발명의 제9 측면은,

상기 금속 산화물은 Ti₁ _- _xNb_xO₂(0.01≤x≤0.06)의 화학식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 청구항 4 기재의 투명 전도체에 있다.

본 발명의 제10 측면은,

상기 금속 산화물은 Ti₁ _- _xNb_xO₂(0.02≤x≤0.06)의 화학식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 청구항 4 기재의 투명 전도체에 있다.

본 발명의 제11 측면은,

상기 금속 산화물은 Ti₁ _- _xTa_xO₂(0.001≤x≤0.2)의 화학식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 청구항 4 기재의 투명 전도체에 있다.

본 발명의 제12 측면은,

상기 금속 산화물은 Ti₁ _- _xTa_xO₂(0.005≤x≤0.2)의 화학식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 청구항 4 기재의 투명 전도체에 있다.

본 발명의 제13 측면은,

상기 금속 산화물은 Ti₁ _- _xTa_xO₂(0.01≤x≤0.1)의 화학식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 청구항 4 기재의 투명 전도체에 있다.

본 발명의 제14 측면은,

상기 금속 산화물은 Ti₁ _- _xTa_xO₂(0.03≤x≤0.1)의 화학식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 청구항 4 기재의 투명 전도체에 있다.

본 발명의 제15 측면은,

상기 금속 산화물은 Ti₁ _- _xTa_xO₂(0.05≤x≤0.1)의 화학식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 청구항 4 기재의 투명 전도체에 있다.

본 발명의 제16 측면은,

상기 금속 산화물은 Ti₁ _-x-yNb_xTa_yO₂(0<x+y≤0.4)의 화학식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 청구항 4 기재의 투명 전도체에 있다.

본 발명의 제17 측면은,

상기 금속 산화물은 Ti₁ _-x-yNb_xTa_yO₂(0<x+y≤0.3)의 화학식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 청구항 4 기재의 투명 전도체에 있다.

본 발명의 제18 측면은,

상기 금속 산화물은 페로브스카이트형 결정 기판 위에 형성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 청구항 1 기재의 투명 전도체에 있다.

본 발명의 제19 측면은,

상기 금속 산화물의 저항률은, 실온에 있어서 2×10^-4∼5×10^-4Ω㎝이거나 또는 극저온에 있어서 8×10^-5∼2×10^-4Ω㎝인 것을 특징으로 하는 청구항 4 기재의 투명 전도체에 있다.

본 발명의 제20 측면은,

상기 금속 산화물의 저항률은, 실온에 있어서 2×10^-4∼1.8×10^-3Ω㎝이거나 또는 극저온에 있어서 5×10^-5∼7×10^-4Ω㎝인 것을 특징으로 하는 청구항 4 기재의 투명 전도체에 있다.

본 발명의 제21 측면은,

상기 청구항 1 기재의 투명 전도체를 구비하는 투명 전극에 있다.

본 발명의 제22 측면은,

GaN계 화합물막 위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 청구항 1 기재의 투명 전도체에 있다.

본 발명의 제23 측면은,

배향막이 기판 위에 형성되어 있고, 상기 배향막 위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 청구항 1 기재의 투명 전도체에 있다.

본 발명의 제24 측면은,

상기 배향막은, ZnO막, ZrO₂막, SrTiO₃막, MgO막, LaAlO₃막, CeO₂막, ZrO₂막 또는 Al₂O₃막인 것을 특징으로 하는 청구항 23 기재의 투명 전도체에 있다.

본 발명의 제25 측면은,

상기 배향막은 ZnO막인 것을 특징으로 하는 청구항 23 기재의 투명 전도체에 있다.

본 발명의 제26 측면은,

d 전자가 전기 전도에 기여하고 있는 것을 특징으로 하는 청구항 1 기재의 투명 전도체에 있다.

본 발명의 제27 측면은,

상기 청구항 1 기재의 투명 전도체를 구비하는 태양 전지에 있다.

본 발명의 제28 측면은,

상기 청구항 1 기재의 투명 전도체를 구비하는 발광 소자에 있다.

본 발명의 제29 측면은,

상기 청구항 1 기재의 투명 전도체를 구비하는 디스플레이 패널에 있다.

발명의 효과

본 발명에서는, 아나타제형 TiO₂의 Ti 사이트를 다른 금속원자 등(Nb, Ta, Mo, As, Sb, W 등)으로 치환한 결과 얻어지는 M : TiO₂를 제작함으로써, 투명도를 유지하면서 전기 전도도를 현저하게 향상시킬 수 있다. 이 물질의 결정의 형태는, 단결정은 물론, 다결정체이어도 된다.

특히, 이 금속 산화물에 있어서, Nb의 치환량을 0.1%∼20%(Ti 원자수비)로 한 경우에, 저항률을 10^-4Ω㎝대까지 억제하는 것이 가능해진다.

또, 이 금속 산화물에 있어서 Nb의 치환량을 1%∼20%(Ti 원자수비)로 한 경우에, 내부 투과율을 높게 유지하면서 저항률을 10^-4Ω㎝대까지 억제하는 것이 가능해진다.

또, 이 금속 산화물에 있어서 Nb의 치환량을 1%∼6%(Ti 원자수비)로 한 경우에, 내부 투과율을 95%∼98%에 이르기까지 향상시키는 것이 가능해진다(박막 시료로 한 경우. 막두께는 50nm 전후).

또, 이 금속 산화물에 있어서 Nb의 치환량을 2%∼6%(Ti 원자수비)로 한 경우에, 내부 투과율을 보다 향상시키면서, 또한 저항률을 실온에 있어서 5×10^-4Ω㎝ 정도까지, 또 극저온(5K 전후)에서 1×10^-4Ω㎝까지 낮추는 것이 가능해진다.

또, 이 금속 산화물에 있어서 Ta의 치환량을 0.1%∼20%(Ti 원자수비)로 한 경우에, 저항률을 10^-4Ω㎝대∼10^-3Ω㎝대까지 억제하는 것이 가능해진다.

또, 이 금속 산화물에 있어서 Ta의 치환량을 0.5%∼20%(Ti 원자수비)로 한 경우에, 투과율을 높게 유지하면서 저항률을 10^-4Ω㎝대∼10^-3Ω㎝대까지 억제하는 것이 가능해진다.

또, 이 금속 산화물에 있어서 Ta의 치환량을 1%∼5%(Ti 원자수비)로 한 경우에, 적색 영역에서도 안정된 높은 투과율을 실현시키는 것이 가능해진다.

또, 이 금속 산화물에 있어서 Ta의 치환량을 1%∼3%(Ti 원자수비)로 한 경우에, 적색 영역에서도 안정된 높은 투과율을 실현시키면서, 또한 저항률을 실온에 있어서 5×10^-4Ω㎝ 정도까지, 또 극저온에서 1×10^-4Ω∼2×10^-4Ω㎝까지 낮추는 것이 가능해진다.

또, 이 금속 산화물을 페로브스카이트형 결정 기판 위에 형성시킴으로써, 아나타제 결정을 보다 선택적으로 생성시키는 것이 가능해진다.

또, 금속 산화물의 저항률을, 실온에 있어서 2×10^-4∼5×10^-4Ω㎝로 하거나 또는 극저온에 있어서 8×10^-5∼2×10^-4Ω㎝로 하는 것, 또는, 실온에 있어서 3×10^-4∼1.8×10^-3Ω㎝로 하거나 또는 극저온에 있어서 1×10^-4∼7×10^-4Ω㎝로 함으로써, 표시 패널을 비롯하여 각종 디바이스에의 적용 가능성을 비약적으로 확대하는 것이 가능해진다. 특히 본 발명에서는, TiO₂의 제막 기술을 활용하여, 대면적화, 대량 생산화를 도모하는 것이 가능해진다. 이 때문에, 이 투명 전극용 기재를 종래형의 태양 전지의 전극에 적용할 수 있는 것 외에, 광촉매로서의 TiO₂를 사용하는 태양 전지의 전극에 적용할 수 있다. 또한, 이 투명 전극용 기재를 액정 표시 패널에 적용함으로써, 이들 표시 소자의 저소비전력화를 도모하는 것이 가능해지고, 나아가 액정 표시 패널의 대형화나 소형 휴대화를 촉진시키는 것이 가능해진다.

또, 본 발명에서는, 상기 기술한 이유에 의해, 원료 조달의 용이화, 제조 공정의 간략화에 따르는 비용 삭감을 도모할 수 있을 뿐만 아니라, 제조에 따르는 노동력을 대폭으로 경감시키는 것도 가능해진다.

또한, 본 발명에서는, 약품이나 외기에 대하여 내구성이 높은 TiO₂를 모(母)물질로 함으로써, 야외 이용이 상정되는 태양 전지 등에의 적용 가능성을 확대하는 것이 가능해진다. 또한, 코팅 가공을 필요로 하지 않게 되므로, 공정의 증가에 따르는 비용을 삭감하는 것이 가능해진다.

본 발명의 또 다른 목적, 특징 또는 이점은, 후술하는 본 발명의 실시의 형태나 첨부하는 도면에 의거하여 보다 상세한 설명에 의해 밝혀질 것이다.

도 1은 기판 위에 금속 산화물층을 적층시킨 투명 전극용 기재를 나타낸 도면이다.

도 2는 PLD 장치의 구성에 대해 설명하기 위한 도면이다.

도 3은 금속 산화물층에 대해 X선 회절 측정을 행한 결과를 나타낸 도면이다.

도 4는 금속 산화물층에 대해 X선 회절 측정을 행한 결과를 나타낸 도면이다.

도 5는 금속 산화물층에 대해 X선 회절 측정을 행한 결과를 나타낸 도면이다.

도 6은 금속 산화물층에 대해 X선 회절 측정을 행한 결과를 나타낸 도면이다.

도 7은 금속 산화물층에 대해 격자 상수를 측정한 결과를 나타낸 도면이다.

도 8은 제작한 금속 산화물층의 내부 투과율을 측정한 결과를 나타낸 도면이다.

도 9는 제작한 금속 산화물층의 저항률에 있어서의 온도 의존성을 나타낸 도면이다.

도 10은 금속 산화물층에 대해 X선 회절 측정을 행한 결과를 나타낸 도면이다.

도 11은 금속 산화물층에 대해 X선 회절 측정을 행한 결과를 나타낸 도면이다.

도 12는 금속 산화물층에 대해 캐리어 농도의 온도 변화의 측정 결과를 나타낸 도면이다.

도 13은 금속 산화물층에 대해 홀 이동도의 온도 변화의 측정 결과를 나타낸 도면이다.

도 14는 금속 산화물층에 대해 격자 상수를 측정한 결과를 나타낸 도면이다.

도 15는 제작한 금속 산화물층의 투과율을 측정한 결과를 나타낸 도면이다.

도 16은 제작한 금속 산화물층의 저항률에 있어서의 온도 의존성을 나타낸 도면이다.

도 17은 Ta 도핑량과 저항률ㆍ투과율의 관계를 나타낸 도면이다.

도 18은 Ti₁ _- _xNb_xO₂ 단결정 박막의 실온에 있어서의 이동도, 캐리어의 산란 시간 및 캐리어의 유효 질량에 관한 Nb량 의존성을 나타낸 도면이다.

도 19는 산란 시간의 Nb 농도 의존성을, 두 대수 그래프로 나타낸 도면이다.

부호의 설명

1 투명 금속

11 기판

12 금속 산화물층

30 PLD 장치

31 챔버

32 광발진기

33 반사경

34 렌즈

36 적외선 램프

39 타겟

40 오일 회전 펌프

41 역류 방지 밸브

42 터보 분자 펌프

43 압력 밸브

45 산소가스 유량 조정 밸브

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

이하, 본 발명의 실시의 형태에 관해 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

본 발명은, 예를 들어 표시 패널이나 유기 EL, 태양 전지의 전극 등에 적용되는 투명 금속(투명 전도체; 1)으로서 적용되는 것이며, 도 1에 나타낸 바와 같이 다결정 또는 단결정으로서의 기판(11) 위에 형성된 금속 산화물층(12)을 갖는다.

여기서 투명 금속(1)이란, 소위 투명 전도체에 있어서, 극저온(5K까지)에 이르기까지 금속적인 전기 전도성(여기서는, 실온에 있어서의 저항률이 10^-2Ω㎝이하이고, 저항률의 온도 의존성이 dR/dT>0(R은 저항률, T는 온도)이 되는 것으로 정의한다)을 나타내는 것을 가리킨다. 금속적인 전기 전도성은, 용도의 일반성을 늘리는 관점에서, 실온에 있어서의 저항률이 10^-3Ω㎝ 이하인 것이 보다 바람직하다.

기판(11)은, 예를 들어 기판 표면(11a)이 (100)면이 되도록 마무리된 티타늄산스트론튬(SrTiO₃)으로 구성된다.

이 기판(11)은, SrTiO₃의 단결정 기판으로 구성되어 있어도 되고, 그 밖의 페로브스카이트형 결정, 혹은 유사 구조를 갖는 암형 결정으로 구성되어 있다면 다른 어떠한 재료로 구성되어 있어도 된다. 즉, 이 기판(11)을 페로브스카이트형 혹은 암형 결정으로 구성함으로써, 아나타제 단결정 박막을 형성시키는 것이 가능해진다.

덧붙여, 이 기판(11)은, 비정질 재료, 예를 들어 유리나 수정 혹은 플라스틱을 사용해도 된다. 이 경우는, 아나타제 다결정 박막이 형성되지만, 기본적인 물성(저항률 등)에는 거의 영향을 미치지 않는다.

이 기판(11)의 두께는, 이하에 설명하는 실시의 형태에 있어서는 50nm으로 한 경우를 예로 들어 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 1000nm 이하로 하는 것이 바람직하지만, 저항치로서 낮은 것을 구하여, 투과율을 다소 희생해도 되는 경우라면 1000nm 이상이어도 된다.

이 기판(11) 위에 적층 형성되는 금속 산화물층(12)은 Nb : TiO₂로 구성된다. 이 Nb : TiO₂는, 아나타제(TiO₂)의 Ti 사이트를 Nb로 치환한 것이며, 이 치환하는 Nb의 대체로서, 예를 들어 Ta, Mo, As, Sb 또는 W를 사용해도 된다. 또, 다른 원소이어도 된다. 금속 산화물층(12)은, 기판 표면(11a) 위에 에피택셜 성장되어 형성된다. 이 금속 산화물층(12)의 두께는 40∼50nm이지만, 이러한 경우에 한정되는 것은 아니다.

다음으로, 이 투명 금속(1)의 제작방법에 관해 설명한다.

우선, 기판 표면이 (100)면이 되도록 잘라낸 SrTiO₃ 기판을, 예를 들어 다이 아몬드 슬러리를 사용하여 기계 연마한다. 이 기계 연마에서는, 사용하는 다이아몬드 슬러리의 입경을 서서히 미세화하여, 마지막에 입경 약 0.5㎛의 다이아몬드 슬러리로 경면 연마한다. 이 때, 콜로이달 실리카를 사용하여 연마함으로써, 표면 조도의 rms가 10Å 이하가 되기까지 평탄화시켜도 된다.

다음으로, 물리 기상 증착(PVD)법에 기초하여, 기판(11)의 SrTiO₃(100)면 위에 Nb : TiO₂를 증착시킨다. 이하의 실시의 형태에서는, 이러한 증착을 펄스 레이저 퇴적(Pulsed Laser Deposition : PLD)법에 기초하여 실행하는 경우에 관하여 설명한다.

이 PLD법에서는, 예를 들어 도 2에 나타낸 바와 같은 PLD 장치(30)를 사용하여 금속 산화물층(12)을 기판(11) 위에 퇴적시킨다. 이 PLD 장치(30)는, 챔버(31)내에 기판(11)과 타겟(39)을 배치하여 구성되고, 또 이 챔버(31)의 외부에 있어서 상기 타겟(39) 표면에 대향하는 측에 배치된 광발진기(32)와, 광발진기(32)에 의해 발진된 펄스 레이저광의 위치를 조절하기 위한 반사경(33), 레이저광의 스폿 직경을 제어하기 위한 렌즈(34)를 구비하고, 챔버(31)내에 산소가스를 주입하기 위한 가스 공급부(44)를 더 구비하여 구성되어 있다.

챔버(31)는, 적절한 진공도를 유지하는 동시에, 외부로부터의 불순물 혼입을 방지함으로써, 고품질의 박막을 제작하기 위해 형성된 것이다. 챔버(31)내에는, 기판을 가열하기 위한 적외선 램프(36)가 설치되어 있다. 기판 온도는 창(31b)을 통해 챔버(31) 외부에 설치된 방사 온도계(37)에 의해 모니터되고 있어, 항상 일정 온도가 되도록 제어되고 있다. 또, 챔버에는, 산소가스의 유량을 조절하기 위한 밸브(45)가 부착되어 있다. 감압하에서의 막 제작을 실현하기 위해, 챔버(31)에는 터보 분자 펌프(42) 및 압력 밸브(43)가 연결되어 있다. 챔버(31)의 압력은, 산소가스 유량 조정 밸브(45) 및 압력 밸브(43)를 사용하고, 예를 들어 산소 분위기중에 있어서 10^-5∼1×10^-4torr가 되도록 제어된다. 터보 분자 펌프(42)에는, 오일 회전 펌프(40)와 역류 방지 밸브(41)가 연결되어 있고, 터보 분자 펌프(42)의 배기측의 압력은 항상 10^-3torr 이하로 유지되고 있다.

이 챔버(31)에는, 타겟(39)과 대향하는 면에 있어서 창(31a)이 더 배치되어 있어, 창(31a)을 통하여 광발진기(32)로부터의 펄스 레이저광이 입사된다. 광발진기(32)는, 상기 펄스 레이저광으로서, 예를 들어 펄스 주파수가 1∼10Hz이고, 레이저 파워가 50mJ/pulse이고, 파장이 248nm인 KrF 엑시머 레이저를 발진한다. 이 발진된 펄스 레이저광은, 반사경(33) 및 렌즈(34)에 의해 초점 위치가 상기 타겟(39) 근방이 되도록 스폿 조정되어, 창(31a)을 통해 챔버(31)내에 배치된 타겟(39) 표면에 대하여 약 45°의 각도로 입사된다.

타겟(39)은, 예를 들어 Nb : TiO₂ 소결체로 구성된다. 치환하는 금속은, 여기서는 Nb를 예를 들고 있지만, Ta, Mo, As, Sb, W의 어느 하나를 사용해도 되고, 또는 복수의 종류의 금속을 병용해도 된다. 이 Nb : TiO₂소결체는, 원하는 원자비가 되도록 칭량된 TiO₂와 Nb₂O₅와의 각 분말을 혼합하고, 이 혼합한 분말을 가열 성 형함으로써 제작된다. 이 타겟(39)은, 기판(11)에 있어서의 (100)면에 대하여 거의 평행해지도록 배치된다.

또, 이 PLD법에 기초하는 막 제작 과정은 이하와 같다.

우선, 연마한 기판(11)을 챔버(31)내에 설치한다. 다음으로, 표면의 불순물을 제거하고, 원자 레벨로 평탄한 표면을 내기 위해, 산소 분위기를 10^-5torr, 기판 온도를 650℃하에서 어닐링을 행한다. 어닐링 시간은 최저 1시간이 필요하다.

다음으로, 산소 분위기를 예를 들어 10^-5torr, 기판 온도를 550℃로 각각 설정하고, 기판을 모터(35)에 의해 회전 구동시키면서 제막을 행한다. 또한, 타겟(39)을 회전축(38)을 통해 회전 구동시키면서, 상기 펄스 레이저광을 단속적으로 조사함으로써, 타겟(39) 표면의 온도를 급격하게 상승시켜 애블레이션 플라즈마를 발생시킨다. 이 애블레이션 플라즈마중에 포함되는 Ti, Nb, O 각 원자는, 챔버(31)중의 산소가스와의 충돌 반응 등을 반복하면서 상태를 서서히 변화시켜 기판(11)으로 이동한다. 그리고 기판(11)에 도달한 Ti, Nb, O 원자를 포함하는 입자는, 그대로 기판(11) 위의 (100)면에 확산되어, 격자 정합성의 가장 안정된 상태로 박막화되게 된다. 그 결과, 상기 구성으로 이루어진 투명 금속(1)이 제작되게 된다.

이 투명 금속(1)은, 상기 설명한 PLD법에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 분자선 에피택셜(MBE)법이나 스퍼터링법 등, 다른 물리 기상 증착(PVD)법, 혹은 PLD 이외의 방법, 예를 들어 MOCVD법을 이용한 화학 기상 증착(CVD)법에 기초하여 제작해도 된다. 또, 졸겔법, 화학 용액법을 비롯한 용액으로부터의 합성 프로세스에 의해 투명 금속(1)을 제작해도 된다.

이상 설명한 방법에 기초하여 제작한 투명 금속 Nb : TiO₂(화학식 Ti₁ _- _xNb_xO₂)에 있어서의 Nb의 치환율 x=0, 0.01, 0.02, 0.03으로 한 금속 산화물층(12)에 대해 X선 회절(XRD) 측정을 한 결과를 도 3(a), (b), 도 4(a), (b)에 나타낸다. 마찬가지로, 제작한 투명 금속 Nb : TiO₂(화학식 Ti₁ _- _xNb_xO₂)에 있어서의 Nb의 치환율 x=0.06, 0.1, 0.15, 0.2로 한 금속 산화물층(12)에 대해 X선 회절(XRD) 측정을 한 결과를 도 5(a), (b), 도 6(a), (b)에 나타낸다. 이 도 3∼6에 나타낸 XRD 스펙트럼에 의하면, 도면중에 동그라미로 표시된 SrTiO₃의 피크가 2theta=23.1°, 46.8°, 72.6°, 104.2°의 위치에 출현하고 있고, 또한 그 사이에 도면중 삼각형으로 표시된 Nb : TiO₂의 피크가 2theta=37.8°, 80.4°의 위치에 출현하고 있는 것을 알 수 있다. 따라서, Nb의 치환량에 관계없이 Nb : TiO₂가 안정적으로 생성되고 있는 것을 확인할 수 있다.

또, 제작한 금속 산화물층(12)에 대해 Nb의 치환량 x=0, 0.01, 0.02, 0.03, 0.06, 0.1, 0.15, 0.20에 대한 격자 상수의 관계를 XRD 스펙트럼에 기초하여 측정하면, 도 7에 나타낸 바와 같이 Nb의 첨가율을 증가시킴에 따라 격자 상수가 커지는 것을 알 수 있다. 이것은, 제작한 금속 산화물층(12)이 소위 고용체로서 구성되어 있는 것을 시사하는 것이다.

또, Nb의 치환량 x를 x=0, 0.01, 0.02, 0.03, 0.06, 0.1, 0.15, 0.2로 하여 제작한 금속 산화물층(12)의 내부 투과율(본래의 의미에서의 투과율은, 반사량을 결손으로 간주해야 하기 때문에, 금속 산화물층(12)에 있어서의 반사량을 뺀 경우에 100%가 되는 투과율을, 이하에서 내부 투과율이라 한다.)을 측정하면, 도 8에 나타낸 바와 같이 가시광 영역(파장 400∼800nm)내에서는, 80% 이상으로 양호한 결과가 얻어지는 것을 알 수 있다. 특히, Nb 치환량이 x≤0.06인 시료에서는, 가시광 영역에서 95% 이상의 내부 투과율을 실현할 수 있는 것이 나타나 있다. Nb의 치환량을 높게함에 따라 내부 투과율이 낮아지는 원인으로는, Nb 치환량과 함께 Ti³⁺의 양이 증가하고, 가시광 영역에 흡수단을 갖는 t_2g-e_g 밴드간의 천이 확률이 증대되었기 때문으로 생각된다.

단, 실제의 디바이스에 응용하는 경우에 이 금속 산화물층(12)의 막두께를 100nm 이상으로 하는 경우가 많고, 특히 현재의 ITO에 있어서 구해지는 스펙은 100nm 이상의 막두께에 대하여 내부 투과율 80% 이상으로 되어 있다. 이 스펙을 만족시키기 위해서는, 막두께 50nm에 대해서는 95% 이상의 내부 투과율이 필요로 된다. 도 8에 나타낸 바와 같이, Nb 치환량을 x≤0.06으로 억제함으로써 상기 스펙을 만족시킬 수 있기 때문에, 종래의 ITO 박막의 내부 투과율을 윗도는 투명 전도체 박막을 제작하는 것도 가능하다.

또, 상술한 Nb의 치환량으로 제작한 금속 산화물층(12)의 저항률에 있어서의 온도 의존성을 도 9에 나타낸다. 이 도 9에 나타낸 바와 같이, Nb의 치환량 x를 0.01≤x≤0.2로 한 금속 산화물층(12)은, Nb를 치환하지 않은 경우와 비교하여, 실온 중에서는 10^-4Ω㎝대로 양호한 전도 특성이 얻어지고 있는 것을 알 수 있다.

또한, 본 발명을 적용한 투명 금속(1)에서는, 이 금속 산화물층(12)에 있어서의 Nb의 치환량 x를 0.01≤x≤0.2로 하는 경우뿐만 아니라, 이러한 Nb의 치환량 x를 0.001≤x≤0.2로 함으로써 10^-4Ω㎝대의 저항률을 얻는 것이 가능해진다.

이 금속 산화물층(12)에 있어서 Nb의 치환량 x를 0.01≤x≤0.06로 한 경우에, 막두께 50nm에 있어서, 내부 투과율을 95%∼98%(막두께 수 100nm에 있어서도 80% 이상)에 이르기까지 향상시키는 것이 가능해진다.

또, 이 금속 산화물층(12)에 있어서 Nb의 치환량 x를 0.02≤x≤0.06으로 한 경우에, 내부 투과율을 더욱 향상시키면서, 또한 저항률을 실온(280K∼300K)에 있어서 5×10^-4Ω㎝ 정도까지, 또 극저온(5K∼20K)에서 1×10^-4Ω㎝까지 낮추는 것이 가능해진다.

즉, 본 발명을 적용한 투명 금속(1)에서는, 아나타제(TiO₂)의 Ti 사이트를 Nb로 치환한 결과 얻어지는 Nb : TiO₂를 금속 산화물층(12)으로 함으로써, 투명도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 인듐ㆍ틴ㆍ옥사이드막(ITO)에 필적하는 저저항률(10^-4Ω㎝대의 전도도)을 얻을 수 있다.

또, 금속 산화물층의 저항률을, 실온에 있어서 2×10^-4∼5×10^-4Ω㎝로 하거 나 또는 극저온에 있어서 8×10^-5∼2×10^-4Ω㎝가 되도록 Nb를 치환함으로써, 액정 패널을 비롯하여 각종 디바이스에의 적용 가능성을 비약적으로 확대시키는 것이 가능해진다.

또한, 이상 설명한 방법과 동일한 방법에 기초하여 제작한 투명 금속 Ta : TiO₂(화학식 Ti₁ _- _xTa_xO₂)에 있어서의 Ta의 치환율 x=0.002, 0.005, 0.15, 0.20로 한 금속 산화물층(12)에 대해 X선 회절(XRD) 측정을 한 결과를 도 10(a), (b), 도 11(a), (b)에 나타낸다. 이 도 10 및 도 11에 나타낸 XRD 스펙트럼에 의하면, 상기 기술한 Nb : TiO₂와 마찬가지로, Ta의 치환량에 관계없이 Ta : TiO₂가 안정적으로 생성되고 있는 것을 확인할 수 있다.

도 12는, 캐리어 농도의 온도 변화의 측정 결과를 나타낸 도면이다. Ta의 치환량 x=0.005, 0.1, 0.03, 0.05, 0.10에 대해 측정을 했다. 도 12에 나타낸 바와 같이, 이들 치환량의 어느 것에 있어서도 캐리어 농도의 온도 의존은 거의 관측되지 않았다. 이것은, Ta : TiO₂가 축퇴 반도체가 되어 있는 것을 의미하고 있고, ITO 등의 투명 도전막에 있어서도 보이는 물성이다.

도 13은, 홀 이동도의 온도 변화의 측정 결과를 나타낸 도면이다. 이 때에도, Ta의 치환량 x=0.005, 0.1, 0.03, 0.05, 0.10에 대해 측정을 했다. 도 12에 나타낸 바와 같이, 이들 치환량의 어느 것에 있어서도 온도 상승에 따라 홀 이동도가 감소하고, Ta의 치환량이 작은 것일수록 그 감소의 정도는 큰 것이었다. 이 홀 이동도의 온도 의존성은, ITO에서는 볼 수 없는 물성이며, 온도 상승에 따라 저항 률이 커지는 현상의 원인이 되고 있다. 이 온도 의존성의 기원은 현단계에서는 명확하지 않지만, 온도 상승에 따른 저항률 증대는 통상의 금속에서도 볼 수 있는 물성이며, Ta : TiO₂를 투명 금속이라고 부르는 연유이다.

또, 제작한 금속 산화물층(12)에 관하여, Ta의 치환량 x=0.005, 0.1, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20에 대한 격자 상수의 관계를 XRD 스펙트럼에 기초하여 측정하면, 도 14에 나타낸 바와 같이 Ta의 첨가율을 증가시킴에 따라 격자 상수가 커지는 것을 알 수 있다. 즉, 베가르드 법칙 (Vegard 법칙 : 격자 상수와 중량백분률로 나타낸 고용체 합금의 조성과의 사이의 직선적 관계)에 따라서 격자가 확장하고 있는 것을 알 수 있다. 이것은, 제작한 금속 산화물층(12)이 소위 고용체로서 구성되어 있는 것을 시사하는 것이다. 도 14에 있어서 삼각형은 a-axis를, 원형은 c-axis를 나타낸다.

또, Ta의 치환량 x를 x=0.01, 0.03, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20로 하여 제작한 금속 산화물층(12)의 투과율을 측정하면, 도 15에 나타낸 바와 같이 가시광 영역(파장 400∼800nm)내에서는, 60% 이상으로 양호한 결과가 얻어지는 것을 알 수 있다. 특히, Ta 치환량이 x≤0.05인 시료에서는, 가시광 장파장 영역(적색 영역)에서도 안정된 높은 투과율을 실현할 수 있는 것이 나타나 있다. Ta의 치환량을 높임에 따라 투과율이 낮아지는 원인으로는, Ta 치환량과 함께 Ti³ ⁺의 양이 증가하여, 가시광 영역에 흡수단을 갖는 t_2g-e_g 밴드간의 천이 확률이 증대되었기 때문으로 생각된다.

또, 상술한 Ta의 치환량으로 제작한 금속 산화물층(12)의 저항률의 온도 의존성을 도 16에 나타낸다. 도 16에 나타낸 바와 같이, Ta의 치환량 x를 0.005≤x≤0.2로 한 금속 산화물층(12)은, 실온 중에서는 10^-4Ω㎝대∼10^-3Ω㎝대로 양호한 전도 특성이 얻어지고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 양호한 전도 특성이라는 관점에서는 Ta의 치환량 x를 0.01≤x≤0.1로 하는 것이 바람직하다. 특히, 극저온에서 실온 부근까지의 넓은 범위에서의 양호한 전도 특성이라는 관점에서는 Ta의 치환량 x를 0.03≤x≤0.1로 하는 것이 더욱 바람직하다.

도 17은, Ta 도핑량과 저항률ㆍ투과율의 관계를 나타낸 도면이다. 도 17에 있어서, 동그라미 표시는 저항률을, 사각형 표시는 투과율을 나타내고 있다. 도 17에 나타낸 바와 같이, 저항률이 작고 투과율이 큰 영역은, Ta의 치환량 x가 0.03≤x≤0.1이 되는 영역인 것을 알 수 있다. 또, 보다 저항률이 작고 보다 투과율이 큰 영역은, Ta의 치환량 x가 0.05≤x≤0.1이 되는 영역인 것을 알 수 있다. 즉, 이들 영역이 Ta 도핑량의 최적치를 시사하는 영역이다.

본 발명을 적용한 투명 금속(1)에서는, 이 금속 산화물층(12)에 있어서의 Ta의 치환량 x를 0.005≤x≤0.2로 하는 경우뿐만 아니라, 이러한 Ta의 치환량 x를 0.001≤x≤0.2로 함으로써 10^-4Ω㎝대∼10^-3Ω㎝대의 저항률을 얻는 것이 가능해진다.

이 금속 산화물층(12)에 있어서 Ta의 치환량 x를 0.01≤x≤0.05로 한 경우에 적색 영역에서도 안정된 높은 투과율을 실현시키는 것이 가능해진다.

또, 이 금속 산화물층(12)에 있어서 Ta의 치환량 x를 0.01≤x≤0.05로 한 경우에, 적색 영역에서도 안정된 높은 투과율을 실현시키면서, 또한 저항률을 실온(280K∼300K)에 있어서 5×10^-4Ω㎝ 정도까지, 또 극저온(5K∼20K)에서 5×10^-5Ω∼2×10^-4Ω㎝까지 낮추는 것이 가능해진다.

즉, 본 발명을 적용한 투명 금속(1)에서는, 아나타제(TiO₂)의 Ti 사이트를 Ta로 치환한 결과 얻어지는 Ta : TiO₂를 금속 산화물층(12)으로 함으로써, 투명도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 인듐ㆍ틴ㆍ옥사이드막(ITO)에 필적하는 저저항률을 얻을 수 있다.

또, 금속 산화물층의 저항률을, 실온에 있어서 2×10^-4∼1.8×10^-3Ω㎝, 또는 극저온에 있어서 5×10^-5∼7×10^-4Ω㎝가 되도록 Ta를 치환함으로써, 액정 패널을 비롯하여 각종 디바이스에의 적용 가능성을 비약적으로 확대하는 것이 가능해진다.

또, 이 투명 금속(1)은, 이미 광촉매 등으로 활용되고 있는 TiO₂의 막 제작 기술을 활용함으로써, 대면적화, 대량 생산화를 도모하는 것이 가능해진다. 이 때문에, 이 투명 금속(1)을 종래형의 태양 전지의 전극에 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 광촉매로서의 TiO₂를 사용하는 태양 전지의 전극에 적용할 수 있다. 또한, 이 저저항률을 갖는 투명 금속(1)을 액정 표시 패널에 적용함으로써, 이들 표시 소자의 저소비전력화를 도모하는 것이 가능해지고, 나아가 액정 표시 패널의 대형화나 소형 휴대화를 촉진시키는 것이 가능해진다. 또, 이 투명 금속(1)은, 상기 기술한 이유에 의해, 원료 조달의 용이화, 제조 공정의 간략화에 따르는 비용 삭감을 도모할 수 있을 뿐만 아니라, 제조에 따르는 노동력을 대폭 경감시키는 것도 가능해진다.

즉, 본 발명을 적용한 투명 금속(1)을 전극으로서 적용함으로써, 종래의 성능을 가진 투명 전극을 보다 저렴하게 생산할 수 있게 되기 때문에, 응용 범위를 넓히는 것이 가능해진다. 또, 이 투명 금속(1)을 구성하는 금속 산화물층(12)으로서, 산이나 알칼리에 대하여 침식되는 일이 없는 Nb : TiO₂, Ta : TiO₂ 등을 사용하기 때문에, 주위의 환경에 지배되지 않고, 적용 범위를 확대시키는 것도 가능해진다.

또한, 상술한 실시의 형태에 있어서, 기판(11)에 금속 산화물층(12)을 형성시킨 것을 투명 금속(1)으로 정의했지만, 이러한 경우에 한정되는 것은 아니고, 금속 산화물층(12)만을 투명 금속(1)으로서 정의해도 된다.

본 발명을 적용한 투명 금속(1)은, 전극으로서의 용도에 한정되는 것은 아니고, 다른 용도로서, 투명하고 또한 높은 전도성이 요구되는 부품, 박막, 디바이스 등에 적용해도 되는 것은 물론이다.

다음으로, 산란 시간 및 유효 질량 등에 관해 설명한다.

도 18에, Ti₁ _- _xNb_xO₂ 단결정 박막의 실온에 있어서의 이동도, 캐리어의 산란 시간 및 캐리어의 유효 질량에 관한 Nb량 의존성을 나타낸다. 도 19에서는, 산란 시간의 Nb 농도 의존성을, 두 대수 그래프로 나타냈다.

캐리어의 산란(완화) 시간은, Nb량 증가에 따라 급격히 증가하고, Nb 치환량 x=0.01을 경계로 서서히 감소한다. 동일한 투명 전도체인 ZnO의 박막 시료의 결과로부터 유추하면, x<0.01에서는 입계 산란이, x>0.01에서는 중성/이온화 불순물에 의한 산란이 각각 지배적이라고 생각할 수 있다(도 19 참조). 이상으로부터, 캐리어가 충분히 존재하는 시료에 관해서는, 다결정 시료라 하더라도 입계 산란을 무시할 수 있기 때문에, 단결정 시료와 동등한 성능을 유지할 수 있는 것이 시사된다. 이것은, 다결정 박막이 불가결한 유기 EL 패널이나 액정 패널 등의 개발에 있어서 매우 유리한 점이라 할 수 있다.

캐리어의 유효 질량은 Nb량와 함께 단조롭게 감소하고 있어, 전도 밴드의 곡율이 바닥에서 멀어짐에 따라 감소하고 있는 것이 시사된다(단, 변화량은 산란 시간과 비교하면 작다). 절대치는 0.2-0.4m₀(m₀은 전자의 정지 질량)이며, 종래의 투명 전도체인 SnO₂(0.2m₀-0.3m₀), ITO(0.3m₀)과 거의 동일한 정도이다.

이동도의 경향은, 대략 산란 시간의 Nb량 변화를 반영한 결과로 되어 있다. 즉, 실온에 있어서의 수송 현상은, 밴드 구조보다 오히려 Nb 첨가에 따르는 산란 기구의 변화에 강하게 의존하고 있다고 할 수 있다.

x=0.01-0.03 부근은, 입계 산란과 불순물 산란의 쌍방을 최소한으로 억제할 수 있는 최적의 조성이다.

또한, Ti₁ _-x- _yNb_xTa_yO₂로 했을 때에 x+y는 0.3까지, 실험의 경험상으로도 충분 히 사용할 수 있다고 생각된다. 또, X선 측정에서 판단하는 한, 40%까지(x+y<=0.4)는 치환가능하다고 판명되었다. 가시광에 있어서의 투명도는 떨어지더라도, 청-자외선만을 투과시키고자 하는 경우, 열선 반사막으로 응용하는 경우 등의 용도에 따라서는 x+y가 크더라도 충분히 사용할 수 있기 때문에 Nb와 Ta를 혼합할 때의 상한은 크다.

ZnO나 ZrO₂, SrTiO₃, MgO, LaAlO₃, CeO₂, ZrO₂, Al₂O₃의 배향막을 미리 기판에 붙여 두고, 그 위에 TiO₂를 성막하는 것도 생각할 수 있다. 이들은, 버퍼막(버퍼층)으로서 기능한다. 아나타제형 막을 유리 위에 성막하기 위해서는, 버퍼층의 존재가 중요해진다. ZnO의 경우에는, 특히 용이하게 배향하므로 성막하기 쉽다는 이점도 있다.

투명 도전성을 내는 도펀트로는, V, Mn, Tc, Re, P, Bi 등도 적용가능하다. 또, 투명 도전성을 내는 도펀트로서 다른 모든 원소도 적용 가능성이 있다.

많은 투명 도전 재료는 Sn, In 또는 Zn의 산화물을 베이스로 하고 있고, 투명 도전막에는 ITO, SnO₂, ZnO 등의 산화물 박막이 있다. 또, ZnO막에는 Al 또는 Ga가 유효한 도펀트가 된다. 이들 원소는, 주기표의 우측에 위치하는 원소이다. 이들은 s 전자 또는 p 전자에 의한 전기 전도 기구인 것을 알 수 있다. 한편, 본 실시형태에서 취급하는 TiO₂ 투명 전도체는, d 전자가 전기 전도에 기여하고 있어, 새로운 타입의 투명 전도체이다.

GaN 기판 위에 TiO₂막을 성장시켜도 된다. GaN 위에 TiO₂막이 에피택셜 성장하는 것도 발명자에 의해 판명되었다. 구체적으로는 하기의 구성을 생각할 수 있다.

(1) Al_xGa_yIn_zN(단, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1)과, 상기 Al_xGa_yIn_zN 위에 형성되고, 금속 산화물로 이루어진 산화물 재료를 가지며, 상기 금속 산화물은 TiO₂ 인 것을 특징으로 하는 기능 소자.

(2) 상기 금속 산화물에, Nb, Ta, Mo, As, Sb, Al 및 W로 이루어진 군에서 선택되는 1 또는 2 이상이 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 기능 소자.

(3) 상기 금속 산화물에, Co, Fe, Cr, Sn, Ni, Mn 및 V 로 이루어진 군에서 선택되는 1 또는 2 이상이 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 기능 소자.

(4) 상기 산화물 재료는 단상막인 것을 특징으로 하는 기능 소자.

(5) 상기 산화물 재료는 에피택셜막인 것을 특징으로 하는 기능 소자.

이들은, PLD법에 한정되는 것이 아니고, 예를 들어 분자선 에피택셜(MBE)법이나 스퍼터링법 등, 다른 물리 기상 증착(PVD)법, 혹은 PLD법 이외의 방법, 예를 들어 MOCVD법을 이용한 화학 기상 증착(CVD)법에 기초하여 산화물 재료막을 형성해도 된다.

가까운 장래에, 광통신에서 사용될 것으로 예상되는 빛의 파장은, 청색이나 자외광 등의 단파장대로 이행해 갈 것으로 예상되고 있다. 그와 같은 상황에서, 파장 400nm 근방에서 큰 파라데이 회전 계수를 나타내는 광자기 디바이스로서도 이 산화물 재료는 사용할 수 있다. 특히, 현재 실용화되어 있는 자성 가넷막 수준으로 큰 파라데이 회전 계수가 얻어지는 것은, 이 산화물 재료에 의하면, 차세대의 단파장대 통신에 적합한 광아이솔레이터의 제작이 가능해지는 것을 나타내고 있다.

용도는, 광아이솔레이터로서의 사용에 한정되는 것은 아니고, 광서큘레이터, 가변광 감쇠기, 광통신 디바이스 등의 자기 광학 디바이스, 광자기 디바이스, 광회로, 비상반 광학 부품, 비상반 광학 소자, 아이솔레이터를 갖춘 반도체 레이저, 전류 자계 센서, 자구 관찰, 자기 광학 측정 등에도 사용할 수 있다.

또, 광아이솔레이터로는, 예를 들어 LD와 아이솔레이터가 일체화된 모듈, 화이버 삽입용 광아이솔레이터, 광증폭기용 광아이솔레이터, 편향 의존광형 광아이솔레이터, 편향 무의존형 광아이솔레이터, 도파로형 광아이솔레이터를 들 수 있다. 도파로형 광아이솔레이터로는, 예를 들어, 마하젠더(mach zhender)형의 분기 도파로를 사용한 것, 리브형 도파로를 사용한 것이 있다.

광서큘레이터로는, 편향 의존광형 서큘레이터, 편향 무의존형 서큘레이터이어도 된다.

GaN계 화합물 반도체로 구성되는 발광 디바이스에 Co 등을 도핑한 TiO₂를 적용하면 청색이나 자외광 등의 단파장대에도 대응하는 광아이솔레이터를 실현할 수 있다. 광아이솔레이터를 TiO₂막 위에 에피택셜 성장함으로써 실현하면, TiO₂막이 결정 성장의 버퍼로서 기능할 뿐만 아니라, 모놀리식으로 기능 소자를 얻을 수 있다. 즉, 고효율 발광 소자, 저가로 대면적의 디스플레이뿐만 아니라, 모놀리식의 기능 소자의 개발이 가능해져, 예를 들어 투명 전극과 광디바이스의 융합, 발광 디바이스와 광자기 디바이스의 융합을 실현할 수 있다. 또, 수광 소자, HEMT(High Electron Mobility Transistor) 등의 고주파 디바이스, 전자 디바이스에 산화물 재료를 사용해도 된다.

또한, 응용으로서, 색소 증감 태양 전지의 전극, 디스플레이 패널, 유기 EL 패널, 발광 소자, 발광 다이오드(LED), 백색 LED 나 청색 레이저의 투명 전극(GaN 위에의 성막), 면발광 레이저의 투명 전극, 조명 장치, 통신 장치, 청색만 광을 통과시키는 애플리케이션도 생각할 수 있다. 즉, 투과율은 가시광 전체 영역에서 90% 이상이 바람직하지만, 장파장의 적색 영역을 컷트하고, 청색만 투과하는 것도 가능하다. 이 경우, Nb 도핑량이 많은 박막이 유효해진다. 이상과 같이, 투과율이 90% 이상이 되는 것은 필수가 아니라, 애플리케이션에 의해 또는 저항률과 투과율의 균형에 의해 Nb 등의 도핑량을 선택하면 된다.

GaN계 화합물 위의 성막에는, 굴절율의 매칭이라는 분명한 이점이 있어, 취출 효율의 향상으로 이어진다. GaN계 화합물에는, 단순히 GaN뿐만 아니라, 다소의 도펀트가 포함되어 있는 것도 포함한다.

더욱 상세하게는, 본 발명을 적용한 투명 금속(1)의 용도로서 다음의 것을 들 수 있다. 액정 디스플레이(LCD : Liquid Crystal Disp1ay)에서의 투명 도전막, 컬러 필터부에서의 투명 도전성막, EL(EL : Electro Luminescence) 디스플레이에 있어서의 투명 도전성막, 플라즈마 디스플레이(PDP)에서의 투명 도전막, PDP 광학 필터, 전자파 차폐를 위한 투명 도전막, 근적외선 차폐를 위한 투명 도전막, 표면 반사 방지를 위한 투명 도전막, 색재현성의 향상을 위한 투명 도전막, 파손 대책을 위한 투명 도전막, 광학 필터, 터치 패널, 저항막식 터치 패널, 전자 유도식 터치 패널, 초음파식 터치 패널, 광학식 터치 패널, 정전용량식 터치 패널, 휴대정보 단말용 저항막식 터치 패널, 디스플레이와 일체화한 터치 패널(이너 터치 패널), 태양 전지, 비정질 실리콘(a-Si)계 태양 전지, 미결정 Si 박막 태양 전지, CIGS 태양 전지, 색소 증감 태양 전지(DSC), 전자 부품의 정전기 대책용 투명 도전 재료, 대전방지용 투명 도전재, 조광 재료, 조광 미러, 발열체(면히터, 전열 유리), 전자파 차폐 유리.

이상, 특정한 실시형태를 참조하면서, 본 발명에 관해 설명하였다. 그러나, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 당업자가 해당 실시형태의 수정 또는 대용을 할 수 있는 것은 자명하다. 즉, 예시라는 형태로 본 발명을 개시한 것이며, 본 명세서의 기재 내용을 한정적으로 해석해야 하는 것은 아니다. 본 발명의 요지를 판단하기 위해서는, 첫머리에 기재한 특허청구범위의 란을 참작해야 한다.

또, 이 발명의 설명용의 실시형태가 상기 기술한 목적을 달성하는 것은 분명하지만, 많은 변경이나 다른 실시예를 당업자가 행할 수 있는 것도 이해되는 부분이다. 특허청구범위, 명세서, 도면 및 설명용의 각 실시형태의 엘리멘트 또는 컴포넌트를 다른 하나 또는 조합과 함께 채택해도 된다. 특허청구범위는, 이러한 변경이나 다른 실시형태도 범위에 포함하는 것을 의도하고 있고, 이들은 본 발명의 기술 사상 및 기술적 범위에 포함된다.

투명하고 도전성이 있는 투명 전극용 기재를 실현할 수 있어, 여러가지 용도에도 적용할 수 있다.

Claims

금속 산화물로 이루어진 투명 전도체에 있어서,

상기 금속 산화물은 아나타제형 결정 구조를 갖는 M : TiO₂인 것을 특징으로 하는 투명 전도체.
금속 산화물로 이루어진 투명 전도체에 있어서,

상기 금속 산화물은 아나타제형 결정 구조를 갖는 M : TiO₂(M은 Nb, Ta, Mo, As, Sb 또는 W 중 어느 하나)인 것을 특징으로 하는 투명 전도체.
금속 산화물로 이루어진 투명 전도체에 있어서,

상기 금속 산화물은 아나타제형 결정 구조를 갖는 M : TiO₂(M은 V, Mn, Tc, Re, P 또는 Bi 중 어느 하나)인 것을 특징으로 하는 투명 전도체.
금속 산화물로 이루어진 투명 전도체에 있어서,

상기 금속 산화물은 아나타제형 결정 구조를 갖는 M : TiO₂(M은 Ta 또는 Nb 중 어느 하나)인 것을 특징으로 하는 투명 전도체.
청구항 1에 있어서, 상기 금속 산화물은 금속적인 전기 전도성을 더 갖는 것 을 특징으로 하는 투명 전도체.
청구항 4에 있어서, 상기 금속 산화물은 Ti₁ _- _xNb_xO₂(0.001≤x≤0.2)의 화학식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 투명 전도체.
청구항 4에 있어서, 상기 금속 산화물은 Ti₁ _- _xNb_xO₂(0.01≤x≤0.2)의 화학식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 투명 전도체.
청구항 4에 있어서, 상기 금속 산화물은 Ti₁ _- _xNb_xO₂(0.01≤x≤0.03)의 화학식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 투명 전도체.
청구항 4에 있어서, 상기 금속 산화물은 Ti₁ _- _xNb_xO₂(0.01≤x≤0.06)의 화학식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 투명 전도체.
청구항 4에 있어서, 상기 금속 산화물은 Ti₁ _- _xNb_xO₂(0.02≤x≤0.06)의 화학식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 투명 전도체.
청구항 4에 있어서, 상기 금속 산화물은 Ti₁ _- _xTa_xO₂(0.001≤x≤0.2)의 화학식 으로 표시되는 것을 특징으로 하는 투명 전도체.
청구항 4에 있어서, 상기 금속 산화물은 Ti₁ _- _xTa_xO₂(0.005≤x≤0.2)의 화학식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 투명 전도체.
청구항 4에 있어서, 상기 금속 산화물은 Ti₁ _- _xTa_xO₂(0.01≤x≤0.1)의 화학식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 투명 전도체.
청구항 4에 있어서, 상기 금속 산화물은 Ti₁ _- _xTa_xO₂(0.03≤x≤0.1)의 화학식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 투명 전도체.
청구항 4에 있어서, 상기 금속 산화물은 Ti₁ _- _xTa_xO₂(0.05≤x≤0.1)의 화학식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 투명 전도체.
청구항 4에 있어서, 상기 금속 산화물은 Ti₁ _-x-yNb_xTa_yO₂(0<x+y≤0.4)의 화학식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 투명 전도체.
청구항 4에 있어서, 상기 금속 산화물은 Ti₁ _-x-yNb_xTa_yO₂(0<x+y≤0.3)의 화학식 으로 표시되는 것을 특징으로 하는 투명 전도체.
청구항 1에 있어서, 상기 금속 산화물은 페로브스카이트형 결정 기판 위에 형성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 투명 전도체.
청구항 4에 있어서, 상기 금속 산화물의 저항률은, 실온에 있어서 2×10^-4∼5×10^-4Ω㎝이거나 또는 극저온에 있어서 8×10^-5∼2×10^-4Ω㎝인 것을 특징으로 하는 투명 전도체.
청구항 4에 있어서, 상기 금속 산화물의 저항률은, 실온에 있어서 2×10^-4∼1.8×10^-3Ω㎝이거나 또는 극저온에 있어서 5×10^-5∼7×10^-4Ω㎝인 것을 특징으로 하는 투명 전도체.
청구항 1에 기재된 투명 전도체를 구비하는 투명 전극.
청구항 1에 있어서, GaN계 화합물막 위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 투명 전도체.
청구항 1에 있어서, 배향막이 기판 위에 형성되어 있고, 상기 배향막 위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 투명 전도체.
청구항 23에 있어서, 상기 배향막은, ZnO막, ZrO₂막, SrTiO₃막, MgO막, LaAlO₃막, CeO₂막, ZrO₂막 또는 Al₂O₃막인 것을 특징으로 하는 투명 전도체.
청구항 23에 있어서, 상기 배향막은 ZnO막인 것을 특징으로 하는 투명 전도체.
청구항 1에 있어서, d 전자가 전기 전도에 기여하고 있는 것을 특징으로 하는 투명 전도체.
청구항 1에 기재된 투명 전도체를 구비하는 태양 전지.
청구항 1에 기재된 투명 전도체를 구비하는 발광 소자.
청구항 1에 기재된 투명 전도체를 구비하는 디스플레이 패널.