KEKら,IGZOの不純物水素の振る舞い解明

高エネルギー加速器研究機構(KEK)と東京工業大学の研究グループは,透明半導体IGZOにおいて注目を集めている微量の不純物水素の振る舞いを明らかにした(ニュースリリース)。

ディスプレー用として広く使われている酸化物半導体のInGaZnO4(IGZO)は,長時間のバックライト照射・電圧下でのトランジスタの閾値電圧がシフトする不安定性(光照射下負バイアス負荷不安定性:NBIS)など,今なお改善すべき性能上の問題も抱えている。

従来の研究から,これらの問題の多くに不純物としての水素が絡んでいることが明らかになっているが,IGZO結晶中,さらにはアモルファスIGZO中で水素が具体的にどのような局所状態を取っているかについての実験的な情報は限定的なものにとどまっている。

ミュオンは素粒子の1つで,同じ質量で反対の電荷を持つ正ミュオン(µ+)と負ミュオン(µ)があり,正ミュオン(Mu)を物質に注入・停止させると,そこであたかも水素のように振る舞う(=擬水素)ことが予想できる。そこで,研究グループはIGZOにミュオンを注入し,µSR測定によりその局所状態を詳細に観測し,擬水素としてのミュオンの状態を調べた。

その結果,ミュオンが感じる内部磁場の分布幅から,結晶IGZOおよびアモルファスIGZO薄膜では水素が不純物として侵入した場合,水素周辺の局所構造は結晶・アモルファスの違いに影響されないこと,さらに,いずれの場合にも水素はそこでイオン化して電子を供給する、つまり意図しないn型伝導を引き起こす原因となることがわかった。

一方、あらかじめ水素プラズマ処理により水素を高濃度で導入したアモルファスIGZO薄膜中に注入されたミュオンでは,最近の理論的な予想とも整合し,水素が1個だけ存在する酸素空孔に後から来たミュオンが捕獲される(MuHの対となる)傾向を示唆した。

また,この場合にはO2-イオンが抜けた後を2Hが占めるため、電子供給は起きないことも分かった。このような水素負イオンは,光励起により電子を伝導帯に供給することが知られており,同様の機構がNBISの原因である可能性も指摘されている。

今回の実験からはアモルファスIGZO薄膜中にもそのような水素負イオン状態(酸素空孔中の2H)が実際にあり得ることを示唆しているという。

研究グループは,今回の研究は擬水素としてのミュオンからの情報と,近年発展している第一原理計算による予想とを組み合わせが水素を捉えるために有効であることを示し,この手法がさまざまな電子材料中での水素不純物の影響を調べる研究に応用できるとしている。

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