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技術 p型金属酸化物半導体材料とその製造方法

出願人 財團法人工業技術研究院
発明者 邱顯浩周子ち黄瓊慧謝玉慈
出願日 2014年12月26日 (5年2ヶ月経過) 出願番号 2014-264487
公開日 2015年7月16日 (4年8ヶ月経過) 公開番号 2015-129079
状態 特許登録済
技術分野 酸化物セラミックスの組成1 セラミック製品3 重金属無機化合物(I) 物理蒸着 半導体装置を構成する物質の物理的析出
主要キーワード Znモル 不安定特性 含水硝酸 集積回路半導体装置 スマートウィンドウ 例示的実施 光電デバイス バルク抵抗率
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (7)

課題

型金属酸化物半導体材料とその製造方法を提供する。

解決手段

p型金属酸化物半導体材料が提供される。p型金属酸化物半導体材料は、In(1-a)Ga(1-b)Zn(1+a+b)O4,の化学式を有し、式中、0≦a≦0.1,0≦b≦0.1,および0<a+b≦0.16である。特に、p型金属酸化物半導体材料は、1×1011cm-3〜5×1018cm-3の正孔キャリア濃度を有する。

概要

背景

金属酸化物半導体材料は、多くの光電デバイスおよび半導体装置発光デバイス受光デバイス圧電素子透明導電性電極、および、能動素子等)に幅広く適用されている。たとえば、金属酸化物半導体材料は、透明薄膜トランジスタの製造に用いることができる。アモルファスシリコンから製造される薄膜トランジスタと比べると、透明金属酸化物系半導体材料から製造される薄膜トランジスタはより小形で、高精細化、および、高いキャリア移動度(たとえば、電子移動度)を有する。

現在の透明金属酸化物系の半導体材料は、基本的には、n型透明酸化亜鉛系の半導体材料である。金属酸化物系のp型半導体材料の不安定特性と劣悪な再現性のため、金属酸化物系のp型半導体材料は比較的まれである。しかし、n型とp型半導体材料は共に、pn接合を形成して、光電デバイスおよび半導体装置、たとえば、透明相補型金属酸化物半導体(CMOS)、透明スマートウィンドウインバータ、および、発光ダイオードLEDs)を製造する必要がある。

概要

型金属酸化物半導体材料とその製造方法を提供する。p型金属酸化物半導体材料が提供される。p型金属酸化物半導体材料は、In(1-a)Ga(1-b)Zn(1+a+b)O4,の化学式を有し、式中、0≦a≦0.1,0≦b≦0.1,および0<a+b≦0.16である。特に、p型金属酸化物半導体材料は、1×1011cm-3〜5×1018cm-3の正孔キャリア濃度を有する。

目的

本発明の実施形態によると、本発明は、p型金属酸化物半導体材料の製造方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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請求項1

化学式:In(1-a)Ga(1-b)Zn(1+a+b)O4を有するp型金属酸化物半導体材料であって、式中、0≦a≦0.1,0≦b≦0.1、および、0<a+b≦0.16、前記p型金属酸化物半導体材料は、1×1011cm-3〜5×1018cm-3の正孔キャリア濃度を有することを特徴とするp型金属酸化物半導体材料。

請求項2

式中、0<a≦0.1、および、b=0であることを特徴とする請求項1に記載のp型金属酸化物半導体材料。

請求項3

式中、0<b≦0.1、および、a=0であることを特徴とする請求項1に記載のp型金属酸化物半導体材料。

請求項4

p型金属酸化物半導体材料の製造方法であって、インジウム塩ガリウム塩、および、亜鉛塩溶剤に加え、混合物を得る工程と、キレート剤を前記混合物に加え、インジウム-ガリウム-亜鉛含有金属錯体を形成する工程と、前記金属錯体に熱処理を施して、p型金属酸化物半導体材料を形成し、前記p型金属酸化物半導体材料は、化学式:In(1-a)Ga(1-b)Zn(1+a+b)O4を有し、式中、0≦a≦0.1,0≦b≦0.1、および、0<a+b≦0.16であることを特徴とするp型金属酸化物半導体材料の製造方法。

請求項5

前記混合物中、インジウム対亜鉛の前記モル比は0.9:1.1〜1:1.001であることを特徴とする請求項4に記載のp型金属酸化物半導体材料の製造方法。

請求項6

前記混合物中、ガリウム対亜鉛の前記モル比は0.9:1.1〜1:1.001であることを特徴とする請求項4に記載のp型金属酸化物半導体材料の製造方法。

請求項7

前記インジウム塩は、硫酸インジウム塩化インジウム硝酸インジウム、水酸化インジウムクエン酸インジウム、酢酸インジウム、インジウムアセチルアセトネート、または、それらの組み合わせを含み、前記ガリウム塩は、硫酸ガリウム、塩化ガリウム硝酸ガリウム水酸化物ガリウム、クエン酸ガリウム酢酸ガリウム、ガリウムアセチルアセトネート、または、それらの組み合わせを含み、前記亜鉛塩は、硫酸亜鉛塩化亜鉛硝酸亜鉛水酸化亜鉛クエン酸亜鉛酢酸亜鉛、アセチルアセトネート亜鉛、または、それらの組み合わせを含み、前記キレート剤は、酒石酸、クエン酸、リンゴ酸グリコール酸グルコン酸ヘプトグルコン酸、エチレンジアミン四酢酸ジエチレントリアミペンタアセテート酸、または、それらの組み合わせを含むことを特徴とする請求項4、5、または、6に記載のp型金属酸化物半導体材料の製造方法。

請求項8

前記熱処理は焼結処理であることを特徴とする請求項4、5、6、または、7に記載のp型金属酸化物半導体材料の製造方法。

請求項9

さらに、セラミックプロセスを実行して、前記p型金属酸化物半導体材料のバルクやターゲットを製造する工程を含むことを特徴とする請求項4、5、6、7、または、8に記載のp型金属酸化物半導体材料の製造方法。

請求項10

前記セラミックプロセスは、圧縮成型射出成型冷間静水圧プレス、または、スリップキャスティングを含むことを特徴とする請求項9に記載のp型金属酸化物半導体材料の製造方法。

技術分野

0001

この出願は、2013年12月31日に出願された米国仮出願61/922321号の利益を享受し、その内容は引用によって本願に援用される。
本発明は、p型金属酸化物半導体材料とその製造方法に関するものである。

背景技術

0002

金属酸化物半導体材料は、多くの光電デバイスおよび半導体装置発光デバイス受光デバイス圧電素子透明導電性電極、および、能動素子等)に幅広く適用されている。たとえば、金属酸化物半導体材料は、透明薄膜トランジスタの製造に用いることができる。アモルファスシリコンから製造される薄膜トランジスタと比べると、透明金属酸化物系の半導体材料から製造される薄膜トランジスタはより小形で、高精細化、および、高いキャリア移動度(たとえば、電子移動度)を有する。

0003

現在の透明金属酸化物系の半導体材料は、基本的には、n型透明酸化亜鉛系の半導体材料である。金属酸化物系のp型半導体材料の不安定特性と劣悪な再現性のため、金属酸化物系のp型半導体材料は比較的まれである。しかし、n型とp型半導体材料は共に、pn接合を形成して、光電デバイスおよび半導体装置、たとえば、透明相補型金属酸化物半導体(CMOS)、透明スマートウィンドウインバータ、および、発光ダイオードLEDs)を製造する必要がある。

発明が解決しようとする課題

0004

よって、上述の問題を解決する新規のp型透明酸化亜鉛系の半導体材料が必要とされる。

課題を解決するための手段

0005

本発明の実施形態は、化学式:In(1-a)Ga(1-b)Zn(1+a+b)O4を有するp型金属酸化物半導体材料を提供し、式中、0≦a≦0.1,0≦b≦0.1、および、0<a+b≦0.16である。特に、本発明のp型金属酸化物半導体材料は、1×1011cm-3〜5×1018cm-3の正孔キャリア濃度を有する。

0006

その上、本発明の実施形態によると、本発明は、p型金属酸化物半導体材料の製造方法を提供する。本方法は、インジウム塩ガリウム塩、および、亜鉛塩溶剤に加えて、混合物を得る工程と、キレート剤を混合物に加え、インジウム-ガリウム-亜鉛含有金属錯体を形成する工程と、金属錯体に熱処理を施して、p型金属酸化物半導体材料を形成する工程と、を含む。

0007

さらに、本発明の別の実施形態によると、本発明は、さらに、p型金属酸化物半導体材料の製造方法を提供し、酸化インジウム酸化ガリウム、および、酸化亜鉛を混合して、混合物を得る工程と、および、混合物を焼結処理を施して、p型金属酸化物半導体材料を形成する工程と、を含む。

発明の効果

0008

詳細な説明は添付の図面を参照して次の実施形態で与えられる。これら及びその他の本発明の利点と特徴は、本発明の以下の詳細な説明を添付図面と合わせて検討すれば、より理解されるであろう。

図面の簡単な説明

0009

InGaZnO4のバンド構造を示すグラフである。
In(1-a)GaZn(1+a)O4のバンド構造を示すグラフである。
InGa(1-b)Zn(1+b)O4のバンド構造を示すグラフである。
p型金属酸化物半導体材料のICP−MSにより測定されるZn/Gaモル比対実施形態1〜6の混合物のZn/Gaモル比を表すグラフである。
p型金属酸化物半導体材料のICP−MSにより測定されるZn/Inモル比対実施形態7〜12の混合物のZn/Inモル比を表すグラフである。
InGaZnO4、および、実施態様の2と8により得られるIGZO系の金属酸化物半導体材料のX線回折スペクトルを示す図である。

実施例

0010

本明細書で詳細に説明され、添付の図面に示される装置及び方法は、非限定的な例示的実施形態であること、並びに、本発明の各種の実施形態の範囲は、特許請求の範囲によってのみ定まることは、当業者には理解されよう。

0011

本発明の実施形態は、化学式:In(1-a)Ga(1-b)Zn(1+a+b)O4を有するp型金属酸化物半導体材料を提供し、式中、0≦a≦0.1,0≦b≦0.1、および、0<a+b≦0.16である。その上、本発明のいくつかの実施形態によると、本発明は、化学式:InGa(1-b)Zn(1+b)O4,を有するp型金属酸化物半導体材料を提供し、式中、0<b≦0.1である。さらに、本発明の別の実施形態によると、本発明は、化学式:In(1-a)GaZn(1+a)O4,を有するp型金属酸化物半導体材料を提供し、式中、0<a≦0.1である。本発明の実施形態において、p型IGZO系の(インジウム-ガリウム-酸化亜鉛系の)金属酸化物半導体材料を形成する条件は、予備シミュレーションと計算工程により得られる。次に、特定のインジウム-ガリウム-亜鉛モル比でドープされたp型IGZO系の金属酸化物半導体材料が合成される。

0012

このようなシミュレーションと計算工程を以下で説明する。本発明において、ビエナアブニシオシミュレーションパッケージ(Vienna Ab-initio Simulation Package、VASP)を利用して、IGZO系の金属酸化物半導体材料中の特定のインジウム-ガリウム-亜鉛モル比時の、状態密度DOS)とエネルギーの変動関係を計算する。シミュレーションの結果によると、化学式In(1-a)Ga(1-b)Zn(1+a+b)O4(式中、0<a≦0.1,b=0、または、0<b≦0.1,a=0)を有するIGZO系の金属酸化物半導体材料のフェルミ準位は、価電子帯にシフトする。よって、それらは、p型金属酸化物半導体材料である。図1は、アブイニシオ方法により計算されたInGaZnO4のバンド構造を示すグラフである。図2は、アブイニシオにより計算されるIn(1-a)GaZn(1+a)O4のバンド構造を示すグラフで、フェルミ準位(E(eV)=0)は、p型材料を示す価電子帯にシフトする。図3は、アブイニシオ方法により計算されるInGa(1-b)Zn(1+b)O4のバンド構造を示すグラフで、フェルミ準位(E(eV)=0)は、p型材料を示す価電子帯にシフトする。

0013

次に、特定のインジウム-ガリウム-亜鉛モル比を有するIGZO系の金属酸化打つ半導体材料は、それぞれ、シミュレーションと計算結果に基づいて、ソフト化学プロセス、または、焼結処理により合成される。

0014

たとえば、ソフト化学プロセスにおいて、インジウム塩、ガリウム塩、および、亜鉛塩を溶剤(水、メタノールエタノールプロパノールグリコール、または、それらの組み合わせ等)に加え、その後、室温で1時間撹拌し、混合物を含むインジウム-ガリウム-亜鉛を得る。本発明の実施形態によると、混合物中、インジウム対亜鉛のモル比は0.9:1.1〜1:1.001である。その上、混合物中、ガリウム対亜鉛のモル比は0.9:1.1〜1:1.001である。インジウム塩は、硫酸インジウム塩化インジウム硝酸インジウム、水酸化インジウムクエン酸インジウム、酢酸インジウム、インジウムアセチルアセトネート、または、それらの組み合わせである;ガリウム塩は、硫酸ガリウム、塩化ガリウム硝酸ガリウム水酸化物ガリウム、クエン酸ガリウム酢酸ガリウム、ガリウムアセチルアセトネート、または、それらの組み合わせである;亜鉛塩は、硫酸亜鉛塩化亜鉛硝酸亜鉛水酸化亜鉛クエン酸亜鉛酢酸亜鉛、アセチルアセトネート亜鉛、または、それらの組み合わせである。その上、混合物の調整中、酸や塩基を加えて、混合物のpH値を調整し、溶解度を増加することができる。

0015

次に、キレート剤を混合液に加え、溶液を得た。溶液は、インジウム-ガリウム-亜鉛金属錯体を含む。キレート剤は、酒石酸、クエン酸、リンゴ酸グリコール酸グルコン酸ヘプトグルコン酸、エチレンジアミン四酢酸ジエチレントリアミペンタアセテート酸、または、それらの組み合わせである。

0016

次に、溶液を150〜200℃に加熱して、溶液中の水分を蒸発させて、ゾル-ゲル溶液を形成した。溶液に乾燥工程(ベーキング工程や焼結処理等)を施した後、p型金属酸化物半導体粉末が金属錯体の酸化により得られた。次に、セラミックプロセス(圧縮成型射出成型冷間静水圧プレスCIP)またはスリップキャスティング)を実行して、特定のインジウム-ガリウム-亜鉛モル比を有するIGZO系の金属酸化物半導体粉末バルクやターゲットを製造した。

0017

バルクやターゲットの製造後、薄型ドープIGZO系の金属酸化物半導体薄膜を、スパッタリングプロセス等により形成し、その後、電子装置の製造(たとえば、透明ディスプレイ、透明電界効果トランジスタ、発光ダイオード、または、透明集積回路半導体デバイス)に組み込んだ。

0018

その上、本発明の実施形態によると、本発明のp型金属酸化物半導体材料は、金属酸化物に焼結処理を施すことにより製造した。まず、酸化インジウム、酸化ガリウム、および、酸化亜鉛を、特定比率で混合して、混合液を得た。本発明の実施形態によると、インジウム対亜鉛のモル比は0.9:1.1〜1:1.001、または、ガリウム対亜鉛のモル比は0.9:1.1〜1:1.001であった。

0019

次に、セラミックプロセス(圧縮成型、射出成型、冷間静水圧プレス(CIP)、または、スリップキャスティング)を実行して、特定のインジウム-ガリウム-亜鉛モル比を有するIGZO系の金属酸化物半導体粉末のバルクやターゲットを製造した。

0020

バルクやターゲットの製造後、薄型ドープIGZO系の金属酸化物半導体薄膜を、スパッタリングプロセス等により形成して、その後、電子装置の製造(たとえば、透明ディスプレイ、透明電界効果トランジスタ、発光ダイオード、または、透明集積回路半導体装置)に組み込んだ。

0021

次の実施形態は、本発明をより詳細に説明することを意図するもので、これらの範囲に限定されるものでは無く、種々の変形や改変がなされることは、この技術分野の当業者に明らかである。

0022

ZnがInを代替したIGZO系の材料
実施形態1
まず、0.1658molのIn(NO3)3、0.1675molのZn(NO3)2、および、0.1667molのGa(NO3)3を、300mlの含水硝酸エステル溶液(10〜50wt%)に加え、混合液を得た。特に、In、GaとZnのモル比は0.995:1:1.005であった。次に、0.55molの酒石酸(キレート剤となる)を混合物に加え、その後、室温で1時間撹拌し、インジウム-ガリウム-亜鉛含有の金属錯体を有する溶液を得た。

0023

次に、上述の溶液を155℃に加熱して、溶液中の水分を蒸発させて、ゾル-ゲル溶液を形成した。次に、ゾル-ゲル溶液に乾燥工程を施し(温度1200〜1400℃)、酸化により、ZnがInを代替したIGZO系の粉末を得た。

0024

最後に、ZnがInを代替したIGZO系の粉末に成型工程を施して、IGZO系の金属酸化物半導体材料のターゲットを製造した。実施形態1から得られたIGZO系の金属酸化物半導体材料は化学式In0.995GaZn1.005O4を有する。

0025

IGZO系の金属酸化物半導体材料の成分をICP−MSにより確認し、結果を図4に示した。次に、IGZO系の金属酸化物半導体材料のバルク抵抗率移動度、および、キャリア濃度を、ホール効果測定により、HL 5550 LN2クライオスタットホール効果測定セットアップナノメトリクス社により製造)により測定した。結果を表1に示した。

0026

実施形態2
まず、0.1650molのIn(NO3)3,0.1683molのZn(NO3)2、および、0.1667molのGa(NO3)3を300mlの含水硝酸エステル溶液(10〜50wt%)に加え、混合液を得た。In、GaとZnのモル比は0.99:1:1.01であった。次に、0.55molの酒石酸(キレート剤となる)を混合物に加え、その後、室温で1時間撹拌し、インジウム-ガリウム-亜鉛含有の金属錯体を有する溶液を得た。

0027

次に、上述の溶液を155℃に加熱して、溶液中の水分を蒸発させて、ゾル-ゲル溶液を形成した。次に、ゾル-ゲル溶液に乾燥工程を施して(温度1200〜1400℃)、酸化により、ZnがInを代替したIGZO系の粉末を得た。

0028

最後に、ZnがInを代替したIGZO系の粉末に成型工程を施して、IGZO系の金属酸化物半導体材料のターゲットを製造した。実施形態2から得られたIGZO系の金属酸化物半導体材料は化学式In0.99GaZn1.01O4を有する。

0029

IGZO系の金属酸化物半導体材料の成分をICP−MSにより確認し、結果を図4に示した。次に、IGZO系の金属酸化物半導体材料のバルク抵抗率、移動度、および、キャリア濃度を、ホール効果測定により、HL 5550 LN2クライオスタットホール効果測定セットアップ(ナノメトリクス社により製造)により測定した。結果を表1に示した。

0030

実施形態3
まず、0.1663molのIn(NO3)3,0.1700molのZn(NO3)2、および、0.1667molのGa(NO3)3を300mlの含水硝酸エステル溶液(10〜50wt%)に加えて、混合液を得た。特に、In、GaとZnのモル比は0.98:1:1.02であった。次に、0.55molの酒石酸(キレート剤となる)を混合物に加え、その後、室温で1時間撹拌し、インジウム-ガリウム-亜鉛含有の金属錯体を有する溶液を得た。

0031

次に、上述の溶液を155℃に加熱して、溶液中の水分を蒸発させて、ゾル-ゲル溶液を形成した。次に、ゾル-ゲル溶液に乾燥工程を施して(温度1200〜1400℃)、酸化により、ZnがInを代替したIGZO系の粉末を得た。

0032

最後に、ZnがInを代替したIGZO系の粉末に成型工程を施して、IGZO系の金属酸化物半導体材料のターゲットを製造した。実施形態3から得られたIGZO系の金属酸化物半導体材料は、化学式In0.98GaZn1.02O4を有する。

0033

IGZO系の金属酸化物半導体材料の成分をICP−MSにより確認し、結果を図4に示した。次に、IGZO系の金属酸化物半導体材料のバルク抵抗率、移動度、および、キャリア濃度を、ホール効果測定により、HL 5550 LN2クライオスタットホール効果測定セットアップ(ナノメトリクス社により製造)により測定した。結果を表1に示した。

0034

実施形態4
まず、0.1600molのIn(NO3)3,0.1733molのZn(NO3)2、および、0.1667molのGa(NO3)3を300mlの含水硝酸エステル溶液(10〜50wt%)に加えて、混合液を得た。特に、In、GaとZnのモル比は0.96:1:1.04であった。次に、0.55molの酒石酸(キレート剤となる)を混合物に加え、その後、室温で1時間撹拌し、インジウム-ガリウム-亜鉛含有の金属錯体を有する溶液を得た。

0035

次に、上述の溶液を155℃に加熱して、溶液中の水分を蒸発させて、ゾル-ゲル溶液を形成した。次に、ゾル-ゲル溶液に乾燥工程を施して(温度1200〜1400℃)、酸化により、ZnがInを代替したIGZO系の粉末を得た。

0036

最後に、ZnがInを代替したIGZO系の粉末に成型工程を施して、IGZO系の金属酸化物半導体材料のターゲットを製造した。実施形態4から得られたIGZO系の金属酸化物半導体材料は、化学式In0.96GaZn1.04O4を有する。

0037

IGZO系の金属酸化物半導体材料の成分をICP−MSにより確認し、結果を図4に示した。次に、IGZO系の金属酸化物半導体材料のバルク抵抗率、移動度、および、キャリア濃度を、ホール効果測定により、HL 5550 LN2クライオスタットホール効果測定セットアップ(ナノメトリクス社により製造)により測定した。結果を表1に示した。

0038

実施形態5
まず、0.1583molのIn(NO3)3,0.1750molのZn(NO3)2、および、0.1667molのGa(NO3)3を300mlの含水硝酸エステル溶液(10〜50wt%)に加えて、混合液を得た。特に、In、GaとZnのモル比は0.95:1:1.05であった。次に、0.55molの酒石酸(キレート剤となる)を混合物に加え、その後、室温で1時間撹拌し、インジウム-ガリウム-亜鉛含有の金属錯体を有する溶液を得た。

0039

次に、上述の溶液を155℃に加熱して、溶液中の水分を蒸発させて、ゾル-ゲル溶液を形成した。次に、ゾル-ゲル溶液に乾燥工程を施して(温度1200〜1400℃)、酸化により、ZnがInを代替したIGZO系の粉末を得た。

0040

最後に、ZnがInを代替したIGZO系の粉末に成型工程を施して、IGZO系の金属酸化物半導体材料のターゲットを製造した。実施形態5から得られたIGZO系の金属酸化物半導体材料は化学式In0.95GaZn1.05O4を有する。

0041

IGZO系の金属酸化物半導体材料の成分をICP−MSにより確認し、結果を図4に示した。次に、IGZO系の金属酸化物半導体材料のバルク抵抗率、移動度、および、キャリア濃度を、ホール効果測定により、HL 5550 LN2クライオスタットホール効果測定セットアップ(ナノメトリクス社により製造)により測定した。結果を表1に示した。

0042

実施形態6
まず、0.1500molのIn(NO3)3,0.1833molのZn(NO3)2、および、0.1667molのGa(NO3)3を300mlの含水硝酸エステル溶液(10〜50wt%)に加えて、混合液を得た。特に、In、GaとZnのモル比は0.9:1:1.1であった。次に、0.55molの酒石酸(キレート剤となる)を混合物に加え、その後、室温で1時間撹拌し、インジウム-ガリウム-亜鉛含有の金属錯体を有する溶液を得た。

0043

次に、上述の溶液を155℃に加熱して、溶液中の水分を蒸発させて、ゾル-ゲル溶液を形成した。次に、ゾル-ゲル溶液に乾燥工程を施して(温度1200〜1400℃)、酸化により、ZnがInを代替したIGZO系の粉末を得た。

0044

最後に、ZnがInを代替したIGZO系の粉末に成型工程を施して、IGZO系の金属酸化物半導体材料のターゲットを製造した。実施形態6から得られたIGZO系の金属酸化物半導体材料は化学式In0.9GaZn1.1O4を有する。

0045

IGZO系の金属酸化物半導体材料の成分をICP−MSにより確認し、結果を図4に示した。次に、IGZO系の金属酸化物半導体材料のバルク抵抗率、移動度、および、キャリア濃度を、ホール効果測定により、HL 5550 LN2クライオスタットホール効果測定セットアップ(ナノメトリクス社により製造)により測定した。結果を表1に示した。

0046

0047

表1に示されるように、ホール効果測定により測定される多数キャリア型ホールで、正孔キャリア濃度は1×1011〜5×1021cm-3で、つまり、Zn原子In原子を代替するIGZO系の金属酸化物半導体材料(すなわち、In(1-a)GaZn(1+a)O4,式中、0<a≦0.1)のZnのモル比が0.999:1.001〜0.9:1.1であるとき、半導体材料のキャリア濃度範囲に入る。よって、実施形態1〜6のIGZO系の金属酸化物半導体材料はp型である。このほか、実施形態1〜6のZnがInを代替したIGZO系の金属酸化物半導体材料は、高移動度、かつ、低抵抗で、特定のIn/Znモル比範囲で、好ましいp型半導体材料が得られた。

0048

ZnがGaを代替したIGZO系の材料
実施形態7
まず、0.1667molのIn(NO3)3,0.1675molのZn(NO3)2、および、0.1658molのGa(NO3)3を300mlの含水硝酸エステル溶液(10〜50wt%)に加えて、混合液を得た。特に、In、GaとZnのモル比は1:0.995:1.005であった。次に、0.55molの酒石酸(キレート剤となる)を混合物に加え、その後、室温で1時間撹拌し、インジウム-ガリウム-亜鉛含有の金属錯体を有する溶液を得た。

0049

次に、上述の溶液を155℃に加熱して、溶液中の水分を蒸発させて、ゾル-ゲル溶液を形成した。次に、ゾル-ゲル溶液に乾燥工程を施して(温度1200〜1400℃)、酸化により、ZnがGaを代替したIGZO系の粉末を得た。

0050

最後に、ZnがGaを代替したIGZO系の粉末に成型工程を施して、IGZO系の金属酸化物半導体材料のターゲットを製造した。実施形態7から得られたIGZO系の金属酸化物半導体材料は化学式InGa0.995Zn1.005O4を有する。

0051

IGZO系の金属酸化物半導体材料の成分をICP−MSにより確認し、結果を図5で示した。次に、IGZO系の金属酸化物半導体材料のバルク抵抗率、移動度、および、キャリア濃度を、ホール効果測定により、HL 5550 LN2クライオスタットホール効果測定セットアップ(ナノメトリクス社により製造)により測定した。結果を表2で示した。

0052

実施形態8
まず、0.1667molのIn(NO3)3,0.1683molのZn(NO3)2、および、0.1650molのGa(NO3)3を300mlの含水硝酸エステル溶液(10〜50wt%)に加えて、混合液を得た。特に、In、GaとZnのモル比は1:0.99:1.01であった。次に、0.55molの酒石酸(キレート剤となる)を混合物に加え、その後、室温で1時間撹拌し、インジウム-ガリウム-亜鉛含有の金属錯体を有する溶液を得た。

0053

次に、上述の溶液を155℃に加熱して、溶液中の水分を蒸発させて、ゾル-ゲル溶液を形成した。次に、ゾル-ゲル溶液に乾燥工程を施して(温度1200〜1400℃)、酸化により、ZnがGaを代替したIGZO系の粉末を得た。

0054

最後に、ZnがGaを代替したIGZO系の粉末に成型工程を施して、IGZO系の金属酸化物半導体材料のターゲットを製造した。実施形態8から得られたIGZO系の金属酸化物半導体材料は、化学式InGa0.99Zn1.01O4を有する。

0055

IGZO系の金属酸化物半導体材料の成分をICP−MSにより確認し、結果を図5で示した。次に、IGZO系の金属酸化物半導体材料のバルク抵抗率、移動度、および、キャリア濃度を、ホール効果測定により、HL 5550 LN2クライオスタットホール効果測定セットアップ(ナノメトリクス社により製造)により測定した。結果を表2で示した。

0056

実施形態9
まず、0.1667molのIn(NO3)3,0.1700molのZn(NO3)2、および、0.1667molのGa(NO3)3を300mlの含水硝酸エステル溶液(10〜50wt%)に加えて、混合液を得た。特に、In、GaとZnのモル比は、1:0.98:1.02であった。次に、0.55molの酒石酸(キレート剤となる)を混合物に加え、その後、室温で1時間撹拌し、インジウム-ガリウム-亜鉛含有の金属錯体を有する溶液を得た。

0057

次に、上述の溶液を155℃に加熱して、溶液中の水分を蒸発させて、ゾル-ゲル溶液を形成した。次に、ゾル-ゲル溶液に乾燥工程を施して(温度1200〜1400℃)、酸化により、ZnがGaを代替したIGZO系の粉末を得た。

0058

最後に、ZnがGaを代替したIGZO系の粉末に成型工程を施して、IGZO系の金属酸化物半導体材料のターゲットを製造した。実施形態9により得られたIGZO系の金属酸化物半導体材料は、化学式InGa0.98Zn1.02O4を有する。

0059

IGZO系の金属酸化物半導体材料の成分をICP−MSにより確認し、結果を図5で示した。次に、IGZO系の金属酸化物半導体材料のバルク抵抗率、移動度、および、キャリア濃度を、ホール効果測定により、HL 5550 LN2クライオスタットホール効果測定セットアップ(ナノメトリクス社により製造)により測定した。結果を表2で示した。

0060

実施形態10
まず、0.1667molのIn(NO3)3,0.1733molのZn(NO3)2、および、0.1600molのGa(NO3)3を300mlの含水硝酸エステル溶液(10〜50wt%)に加えて、混合液を得た。特に、In、GaとZnのモル比は1:0.96:1.04であった。次に、0.55molの酒石酸(キレート剤となる)を混合物に加え、その後、室温で1時間撹拌し、インジウム-ガリウム-亜鉛含有の金属錯体を有する溶液を得た。

0061

次に、上述の溶液を155℃に加熱して、溶液中の水分を蒸発させて、ゾル-ゲル溶液を形成した。次に、ゾル-ゲル溶液に乾燥工程を施して(温度1200〜1400℃)、酸化により、ZnがGaを代替したIGZO系の粉末を得た。

0062

最後に、ZnがGaを代替したIGZO系の粉末に成型工程を施して、IGZO系の金属酸化物半導体材料のターゲットを製造した。実施形態10から得られたIGZO系の金属酸化物半導体材料は化学式InGa0.96Zn1.04O4を有する。

0063

IGZO系の金属酸化物半導体材料の成分をICP−MSにより確認し、結果を図5で示した。次に、IGZO系の金属酸化物半導体材料のバルク抵抗率、移動度、および、キャリア濃度を、ホール効果測定により、HL 5550 LN2クライオスタットホール効果測定セットアップ(ナノメトリクス社により製造)により測定した。結果を表2で示した。

0064

実施形態11
まず、0.1667molのIn(NO3)3,0.1750molのZn(NO3)2、および、0.1583molのGa(NO3)3を300mlの含水硝酸エステル溶液(10〜50wt%)に加えて、混合液を得た。特に、In、GaとZnのモル比は1:0.95:1.05であった。次に、0.55molの酒石酸(キレート剤となる)を混合物に加え、その後、室温で1時間撹拌し、インジウム-ガリウム-亜鉛含有の金属錯体を有する溶液を得た。

0065

次に、上述の溶液を155℃に加熱して、溶液中の水分を蒸発させて、ゾル-ゲル溶液を形成した。次に、ゾル-ゲル溶液に乾燥工程を施して(温度1200〜1400℃)、酸化により、ZnがGaを代替したIGZO系の粉末を得た。

0066

最後に、ZnがGaを代替したIGZO系の粉末に成型工程を施して、IGZO系の金属酸化物半導体材料のターゲットを製造した。実施形態11から得られたIGZO系の金属酸化物半導体材料は化学式InGa0.95Zn1.05O4を有する。

0067

IGZO系の金属酸化物半導体材料の成分をICP−MSにより確認し、結果を図5で示した。次に、IGZO系の金属酸化物半導体材料のバルク抵抗率、移動度、および、キャリア濃度を、ホール効果測定により、HL 5550 LN2クライオスタットホール効果測定セットアップ(ナノメトリクス社により製造)により測定した。結果を表2で示した。

0068

実施形態12
まず、0.1667molのIn(NO3)3,0.1833molのZn(NO3)2、および、0.1500molのGa(NO3)3を300mlの含水硝酸エステル溶液(10〜50wt%)に加えて、混合液を得た。特に、In、GaとZnのモル比は1:0.9:1.1であった。次に、0.55molの酒石酸(キレート剤となる)を混合物に加え、その後、室温で1時間撹拌し、インジウム-ガリウム-亜鉛含有の金属錯体を有する溶液を得た。

0069

次に、上述の溶液を155℃に加熱して、溶液中の水分を蒸発させて、ゾル-ゲル溶液を形成した。次に、ゾル-ゲル溶液に乾燥工程を施して(温度1200〜1400℃)、酸化により、ZnがGaを代替したIGZO系の粉末を得た。

0070

最後に、ZnがGaを代替したIGZO系の粉末に成型工程を施して、IGZO系の金属酸化物半導体材料のターゲットを製造した。実施形態12により得られたIGZO系の金属酸化物半導体材料は化学式InGa0.9Zn1.1O4を有する。

0071

IGZO系の金属酸化物半導体材料の成分をICP−MSにより確認し、結果を図5で示した。次に、IGZO系の金属酸化物半導体材料のバルク抵抗率、移動度、および、キャリア濃度を、ホール効果測定により、HL 5550 LN2クライオスタットホール効果測定セットアップ(ナノメトリクス社により製造)により測定した。結果を表2で示した。

0072

0073

表2に示されるように、ホール効果測定により測定される多数キャリアのタイプは正孔であり、正孔のキャリア濃度は5×1013〜5×1022cm-3である。つまり、Zn原子がGa原子を代替するIGZO系の金属酸化物半導体材料(すなわち、InGa(1-b)Zn(1+b)O4,式中、0<b≦0.1)のGa対Znのモル比が0.999:1.001〜0.9:1.1であるとき、半導体材料のキャリア濃度範囲に入る。よって、実施形態7〜12のIGZO系の金属酸化物半導体材料はp型である。その上、実施形態7〜12中のZnがInを代替したIGZO系の金属酸化物半導体材料は、高移動度、かつ、低抵抗を有するので、特定のGa/Znモル比範囲で、好ましいp型半導体材料が得られる。

0074

図6は、InGaZnO4、および、実施態様の2と8から得られるIGZO系の金属酸化物半導体材料のX線回折スペクトルを示す図である。図6に示されるように、酸素、インジウム、および、ガリウムの強度を決定することにより、実施態様の2と8から得られたIGZO系の金属酸化物半導体材料は、InGaZnO4と同じ数量の酸素原子を有する。つまり、IGZO系の金属酸化物半導体材料の酸素原子数は4である。

0075

上述のシミュレーションと実験結果によると、本発明のp型金属酸化物半導体材料の製造方法により、高移動度、かつ、低抵抗で、特定のインジウム-ガリウム-亜鉛モル比を有し、光電子および半導体装置に適用できるp型半導体材料が得られる。

0076

本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変更や改変を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。

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