招待論文
レアメタルフリー Ga-Sn-O 材料の薄膜トランジスタへの応用
松田時宜† a)梅田鉄馬††

加藤雄太††

杉崎澄生††

古田守†††

木村睦††

西本大貴††

Application of Rare Metal Free Ga-Sn-O to Thin Film Transistor
Tokiyoshi MATSUDA†a) , Kenta UMEDA†† , Yuta KATO†† , Daiki NISHIMOTO†† ,Sumio SUGISAKI†† , Mamoru FURUTA††† , and Mutsumi KIMURA††
あらまし レアメタルフリー酸化物半導体である，Ga-Sn-O（GTO）を薄膜トランジスタ（TFT）に応用する．GTO TFT は他の酸化物半導体 TFT と比較してバックチャンネル側の保護膜がなくても各種バイアスストレス条件に対する安定性に優れており，電界効果移動度も 25.6 cm2 /Vs と非常に良好なものが得られた．
キーワード

酸化物半導体，薄膜トランジスタ，RF マグネトロンスパッタリング，NBISグ技術を適用することによって行えることも産業応用

1. ま え が き

上非常に魅力的である．IGZO TFT の電気的特性の酸化物材料を半導体として用いることは ZnO や In-

特長としては多結晶シリコン TFT などと比較して負Ga-Zn-O（IGZO）を用いた薄膜トランジスタ (TFT)のゲート電圧領域であるオフ領域において極めて漏れ動作の成功を契機に多くの研究者より注目されてき電流が低いこと，しきい値電圧付近での立ち上がりがた [1]〜[7]．IGZO は非晶質の酸化物であるにもかかわ急しゅんであること，高いドレイン電圧領域でドレイらず TFT の活性層として電界効果移動度が 10 cm2 /Vs

ン電流が安定していること [9], [13]，耐圧も比較的高いを越えるため，アモルファスシリコンでは技術的に困ことが明らかになってきている [14], [15]．そのため大難さを伴う高精細，高い書き換え周波数のディスプレ

面積液晶ディスプレイ，高精細の中小型ディスプレイ

イの駆動が容易に実現できる点で注目されている [8]〜や有機 EL ディスプレイの画素駆動素子として実用化[12]．また，酸化物半導体 TFT の構造は従来技術とされたのをはじめ，さまざまなデバイスも提案されて類似したボトムゲート・トップコンタクト型の構造で，いる [16]〜[19]．また酸化物半導体 TFT は成膜時の基前述したデバイスを駆動するために充分な特性が得ら

板温度が室温付近でも動作するため，樹脂などの曲げれる．チャネル層となる酸化物半導体の薄膜は比較的られる低耐熱性基板に形成することによってフレキシ技術的なハードルが低く，従来の TFT 作製プロセス

ブルなデバイスを形成することができる [2], [20], [21]．と互換性の高いスパッタリング法によって成膜でき，パターン形成も従来のフォトリソグラフィ・エッチン

IGZO TFT の課題としては以下の二点があげられる．

1. IGZO はインジウムを使用していること．
†龍谷大学革新的材料・プロセス研究センター，大津市
Innovative†††††

Materials

andProcessing

Research

インジウムはレアメタルの代表格であり，産出国がCenter,Ryukoku University, HRC205, 1–5 Yokotani, Seta Oe-cho,極めて限られている [22]．そのため材料の量的，経済Otsu-shi, 520–2194 Japan的な安定供給に課題がある．また数年前に化合物が労

龍谷大学理工学部電子情報学科，大津市
Department of Electronics and Informatics, Faculty of Sci-

働安全衛生法・特定化学物質障害予防規則等においてence and Technology, Ryukoku University, 1–5 Yokotani,

特定化学物質に指定されたように，取り扱いに際する

Seta Oe-cho, Otsu-shi, 520–2194 Japan

安全性について一定の配慮を要する．

高知工科大学環境理工学群，香美市
Department of Environmental Research, Kochi University ofTechnology, 185 Miyanokuchi, Tosayamada, Kami-shi, 782–8502 Japana) E-mail: toki@rins.ryukoku.ac.jp

電子情報通信学会論文誌

2. 光照射下における負バイアス試験 (NBIS) に対する特性の不安定性

IGZO TFT は光照射下においてゲート電圧に負のc 一般社団法人電子情報通信学会 2019
C Vol. J102–C No. 11 pp. 305–311 305

電子情報通信学会論文誌 2019/11 Vol. J102–C No. 11電圧をかけると特性がシフトするという課題が存在す
る [23]〜[25]．

る方法が提案されている [33]〜[36]．
しかし，これらの課題を解決することには至っていこれらの課題を解決し，更に高性能な TFT を開発するため，様々な技術・材料が提案されている．

ないと考えられる．
本論文では，これらの課題を解決するため，インジ低 い オ フ 電 流 と 現 行 の し き い 値 電 圧 (Vth ) を 維

ウムを含まないにもかかわらず高移動度であり，更に持しながら更なる高移動度を目指すために半導NBIS 安定性にもすぐれた GTO TFT を提案する [37]．

体層として In-Sn-Zn-O（ITZO）[26], [27]，In-Ga-O（IGO）[27], [28]，In-W-Zn-O（IWZO）[29] などのイ

2. 実

験

ンジウムを含む材料が提案されている．また ZnON，低抵抗 Si ウェハに対して 150 nm のゲート絶縁膜とAlZnO [30]〜[32] のように高移動度なものも見つけらして熱酸化膜が形成されている．これに対して GTOれている．

薄膜を RF マグネトロンスパッタリング法によって成NBIS に対する特性シフトについてはバックチャネ膜した．スパッタリングターゲットは，焼結セラミッ

ル側の保護膜として利用される SiO2 の成膜時に工夫

クターゲット (99.99%, Ga:Sn = 1:3 (原子比)) であをしたり，フッ素を添加したりすることにより抑制す

り，雰囲気ガスとして Ar/O2 = 20/1 sccm，成膜時

図 1 GTO 薄膜の a) 可視光透過率と b) XRD パターン [37]

図2306

GTO TFT の a) 伝達特性と b) 出力特性 [37]

招待論文／レアメタルフリー Ga-Sn-O 材料の薄膜トランジスタへの応用

図 3 GTO TFT の各ストレス試験に対する特性変化 [37]圧力 0.66 Pa，投入 RF 電力 60 W，基板温度を 150◦ Cとした．その後 Ti 及び Au を熱蒸着により成膜しソース・ドレイン電極を形成し，ポストアニールを 350◦ Cで 1 時間行った．

GTO 材料そのものの評価を行うため，デバイス作製プロセスにはフォトレジストやプラズマを用いなくてもパターン形成できるメタルマスクを用いた．また同様の目的のため保護膜を形成せずにデバイスの電気的特性の測定を行った．

3. 結果

図 1 a) に示されるように，本研究において得られた

GTO 薄膜は IGZO と同様に可視光において透明であり，図 1 b) に示されるように，XRD パターンもピー
クをもたないため，非晶質である．

図4GTOTFT 特性の NBIS 依存性 [37]

図 2 a) にドレイン電流のゲート電圧依存性を示す．TFT 特性としては −30 V のゲート電圧において−101 × 10

図 3 にストレス試験結果を示す．ストレス試験の条

A 程度の W = 500 µm のデバイスとしては

件は表に示されているように，±20 V の電圧負荷試験

低いオフ電流，急しゅんなしきい値領域，30 V のゲー(PBS，NBS)，60 度の温度での ±20 V の電圧負荷試

ト電圧においては 10−4 A 程度の高いオン電流が実現

験 (PBTS，NBTS)，光照射下での ±20 V の電圧負できた．

TFT 特性は式 Ids = µFE ci (W/L)(Vgs − Vth )Vds ，荷試験を行った (PBIS，NBIS)．図 3 に示すように，GTO TFT は正の電圧負荷試験において特性シフトより求めることができる．ここで，ci は単位面積あた量は 2 V 以下と非常に安定性が高いことが明らかにりの静電容量 (F/cm2 ) であり，W/L はチャネルの幅なった．また負のゲート電圧負荷をかけた場合の特性及び長さの比，Vgs はゲート・ソース間電圧，Vds はド

シフト量は電圧のみの場合は −1 V，高温では −3 V，レイン・ソース電圧，Vth はしきい値電圧を示す．これ

NBIS による特性シフトは −4.5 V であった．

らにより，電界効果移動度は 25.6 cm2 /Vs を記録した．

図 4 に示すように，NBIS 試験における GTO TFT

したがって GTO TFT はインジウムを含まないにもかの特性シフトはは，ゲート電圧に対してほぼ平行なかわらず良好な特性を示すことが明らかになった [37]．

シフトであり，しきい値下特性の劣化はほとんど認め
307電子情報通信学会論文誌 2019/11 Vol. J102–C No. 11

図5

GTO TFT の a) 各構成元素の地殻含有率及び b) In 及び Sn イオンの電子軌道モデル [37]図6200◦ C で形成した GTO TFT 特性の a) 伝達特性と b) 出力特性られなかった．したがって，NBIS によって立ち上がすように In3+ と同じ電子構造を持つ Sn4+ が電子のり特性が大幅に劣化するということはなく，限定的で移動する軌道を形成しているためだと考えられる．一あった．

方，GTO が NBIS による特性シフトを抑制すること

以上の結果より，GTO TFT は高い電界効果移動度に関しては，Ga の酸素との強い結合及び Sn の二価であり，酸化物半導体 TFT の課題である，NBIS 安と四価の両方の価数をとる性質によるものであると考定性において保護膜を形成しない状態でも充分に期待えられる．すなわち二価のアモルファス SnO は p 型できるものであることが明らかになった．

伝導を示し，四価の SnO2 は n 型伝導を示すため，特図 5 a) に示すように GTO TFT は地殻含有率が In性シフトの原因となるような余剰電子あるいはホールより高い Ga 及び Sn により形成されている．GTOを局所的な構造を乱すことなく，価数の変化を行うこ

TFT が高い電解効果移動度を示すのは，図 5 b) に示とによって補償する働きすることにより安定性を向上

308

招待論文／レアメタルフリー Ga-Sn-O 材料の薄膜トランジスタへの応用させることに寄与していると考えられる．

スタなどの新たなデバイス用材料としての応用展開も

4. GTO TFT の低温形成期待できるものである．

これらの結果を受けて，GTO TFT の低温形成を試

文部科学省私立大学戦略的研究基盤形成支援事業

みた．図 6 に，最高プロセス温度 200◦ C において形S1311040，東京工業大学科学技術創成研究院フロン成した GTO TFT の a) 伝達特性及び b) 出力特性を

ティア材料研究所共同利用研究，三菱財団，テレコム

謝辞 本研究は JSPS 科研費基盤研究 (C)16K06733，

示す．TFT 作製条件は，Ga-Sn-O 薄膜を形成する条先端技術研究支援センター (SCAT)，電気通信普及財

件を 60 W, 0.66 Pa, Ar/O2 = 20/1 sccm，基板温度団研究調査の助成を受けたものです．

150◦ C とし，金電極を形成した後，熱処理を大気中で200◦ C にて行った．

文[1]

ﬁlm transistor of ZnO fabricated by chemical solu-

低温にて形成された GTO TFT のオフ電流はドレ

tion deposition,” Jpn. J. Appl. Phys., vol.40, no.1R,

イン電圧 0.1〜30 V，ゲート電圧 −10 V 付近において 1 × 10−11 A 程度，オン電流はドレイン電圧 30 V，

献

Y. Ohya, T. Niwa, T. Ban, and Y. Takahashi, “Thinpp.297–298, 2001.
[2]

K. Nomura, H. Ohta, A. Takagi, T. Kamiya, M.

ゲート電圧 30 V において 1 × 10−4 A 以上となりオン

Hirano, and H. Hosono, “Room-temperature fabrica-オフ比は 7 桁と充分な値となった．また電界効果移動

tion of transparent ﬂexible thin-ﬁlm transistors using
amorphous oxide semiconductors,” Nature, vol.432,

度は 13.8 cm /Vs であった．ゆえに，昨今開発が盛ん2に行われているポリイミドなどの低耐熱温度の基板にno.7016, pp.488–492, 2004.
[3]

GTO TFT を形成することができる．

Kumomi, K. Nomura, T. Kamiya, and H. Hosono,“High-mobility thin-ﬁlm transistor with amorphous

これらの結果より，GTO 薄膜は新しい酸化物半導InGaZnO4 channel fabricated by room temperature体であり，可視光で透明，非晶質，RF マグネトロン

rf-magnetron sputtering,” Appl. Phys. Lett., vol.89,

スパッタリング法により形成できること，プロセス温◦

度が 200 C と低温でも高移動度な TFT が作製できる

no.11, 112123, 2006.
[4]transistors using ZnO as an active channel layer andをもち，更に，レアメタルであるインジウムを含まな

their electrical properties,” J. Appl. Phys., vol.93,

い，NBIS 安定性に優れているという新たな特長をも

no.3, pp.1624–1630, 2003.
[5]

R.L. Hoﬀman, B.J. Norris, and J.F. Wager, “ZnObased transparent thin-ﬁlm transistors,” Appl. Phys.

GTO 薄膜は更なる高移動度化，保護膜の形成など
による TFT 自体の高性能化に加えて，新しい応用先

S. Masuda, K. Kitamura, Y. Okumura, S. Miyatake,
H. Tabata, and T. Kawai, “Transparent thin ﬁlm

ことなどの，従来提案されてきた酸化物半導体の特長つことが明らかになった．

H. Yabuta, M. Sano, K. Abe, T. Aiba, T. Den, H.

Lett., vol.82, no.5, pp.733–735, 2003.
[6]

T. Hiramatsu, T. Matsuda, H. Furuta, H. Nitta, T.

としては熱電デバイス [38]，抵抗変化型メモリー，メKawaharamura, C. Li, M. Furuta, and T. Hirao, “Ef-モリスタなどへの応用が図られており [39]，今後の応fect of pulsed substrate bias on ﬁlm properties ofSiO2 deposited by inductively coupled plasma chem-

用展開が期待できるものである．

5. む す び

ical vapor deposition,” Jpn. J. Appl. Phys., vol.49,
no.3 (PART 2), pp.1–4, 2010.
[7]

Hiramatsu, H. Hokari, M. Yoshida, H. Ishii, and M.

GTO TFT は，インジウムを含まないにもかかわKakegawa, “Novel top-gate zinc oxide thin-ﬁlm tran-

らず電界効果移動度が高く，オフ電流は低く，オン電sistors (ZnO TFTs) for AMLCDs,” J. Soc. Inf. Disp.,

流は高いという非常に良好な特性を示す．またドレイン電流の飽和特性は非常に安定していることが明らか

vol.15, no.1, pp.17–22, 2007.
[8]cation,” J. Non. Cryst. Solids, vol.352, no.9, pp.851–

ル側の保護膜がない状態でも良好であり，他の酸化物

858, 2006.
[9]

た．GTO TFT は最高プロセス温度 200◦ C でも形成できる．

GTO 薄膜は，TFT のチャネル層として有望なだけ
ではなく熱電デバイス，抵抗変化型メモリー，メモリ

H. Hosono, “Ionic amorphous oxide semiconductors:
Material design, carrier transport, and device appli-になった．GTO TFT のストレス耐性はバックチャネ
半導体 TFT でも課題となる NBIS 耐性も良好であっ

T. Hirao, M. Furuta, H. Furuta, T. Matsuda, T.

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西本 大樹
2014 年龍谷大学理工学部電子情報学科修了，酸化物材料のデバイス応用に関する研究・開発に従事している．

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T. Matsuda, K. Umeda, Y. Kato, D. Nishimoto,2017 年龍谷大学理工学部電子情報学科

performance Ga-Sn-O thin ﬁlm transistor,” Sci. Rep.,

修了，2019 年龍谷大学大学院理工学研究科修了．酸化物材料のデバイス応用に関する研究・開発に従事している．修士 (工学)．

vol.7, 44326, 2017.
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杉崎 澄生

M. Furuta, and M. Kimura, “Rare-metal-free high-T. Matsuda, M. Uenuma, and M. Kimura, “Thermoelectric eﬀects of amorphous Ga-Sn-O thin ﬁlm,”
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[39]

S. Sugisaki, T. Matsuda, M. Uenuma, T. Nabatame,
Y. Nakashima, T. Imai, Y. Magari, D. Koretomo,
M. Furuta, and M. Kimura, “Memristive characteristic of an amorphous Ga-Sn-O thin-ﬁlm device,” Sci.
Rep., vol.9, no.1, 2757, Dec. 2019.

（2019 年 1 月 5 日受付，5 月 9 日再受付，
10 月 15 日公開）

松田時宜

2004 年高知工科大学総合研究所助手．

古田守1988 年電気通信大学大学院通信工学専
攻修了．1988 年松下電器産業 (株) 中央研究所，2005 年高知工科大学総合研究所助教授，2011 年高知工科大学ナノデバイス研究所教授，2012 年高知工科大学環境理工学群教授，可視光透明な酸化物半導体材
料とそれを用いた透明エレクトロニクス，次世代超高精細ディスプレイ用薄膜トランジスタに関する研究，フレキシブルデバ
イス，大気圧形成プロセスに関する研究，太陽電池に関する研究を専門としている．博士（工学）．

2007 年高知工科大学総合研究所助教．2008

年高知工科大学ナノデバイス研究所助教．
2011 年龍谷大学理工学部電子情報学科助教，2016 年龍谷大学革新的材料・プロセス研究センター客員研究員，酸化物半導体材料の薄膜トランジスタ，電子デバイス応用に関する研究・開発に従事している．博士（理学）．

梅田鉄馬

2017 年龍谷大学理工学部電子情報学科修了，2019 年奈良先端科学技術大学院大学修了．酸化物材料のデバイス応用に関する研究・開発に従事している．修士 (工学)．

木村睦

（正員）

1991 年京都大学大学院工学研究科物理工学専攻修士課程修了．同年松下電器産業

株式会社入社．1995 年セイコーエプソン株式会社入社．2003 年龍谷大学理工学部
講師．2005 年同助教授．2008 年同教授．
薄膜トランジスタの電気特性解析，シミュレータ開発，新規応用提案，ニューロモーフィックシステム研究などに従事している．博士（工学）・博士（理学）．

311