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JP2006165530A - Sensor and non-planar imager - Google Patents

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JP2006165530A
JP2006165530A JP2005325368A JP2005325368A JP2006165530A JP 2006165530 A JP2006165530 A JP 2006165530A JP 2005325368 A JP2005325368 A JP 2005325368A JP 2005325368 A JP2005325368 A JP 2005325368A JP 2006165530 A JP2006165530 A JP 2006165530A
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恵志 斉藤
Hideo Hosono
秀雄 細野
Toshio Kamiya
利夫 神谷
Kenji Nomura
研二 野村
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Tokyo Institute of Technology NUC
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Tokyo Institute of Technology NUC
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sensor and a non-planar X-ray imager using an amorphous oxide. <P>SOLUTION: A sensor comprises a lower electrode, an amorphous oxide semiconductor layer, and an upper electrode which are formed on a transparent substrate. An imager comprises the sensor and a TFT. For X-ray detection, combination with a scintillator may be used. A TFT can be manufactured by using the film. The amorphous oxide layer is formed by means of a pulse laser deposition method. The film has an electron carrier concentration of less than 10<SP>18</SP>/cm<SP>3</SP>. The electron mobility of the film increases with increasing number of conduction electrons. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、受容した電磁波を検知するセンサ、例えば光センサや太陽電池やX線センサに関する。また、本発明は、非平面撮像装置に関する。   The present invention relates to a sensor that detects received electromagnetic waves, such as an optical sensor, a solar cell, and an X-ray sensor. The present invention also relates to a non-planar imaging apparatus.

ZnOを含む酸化物半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタ(TFT)の開発が活発に行われている(特許文献1)。   A thin film transistor (TFT) using an oxide semiconductor thin film containing ZnO has been actively developed (Patent Document 1).

上記薄膜は、低温で成膜でき、かつ可視光に透明であるため、プラスチック板やフィルムなどの基板上にフレキシブルな透明TFTを形成することが可能であるとされている。   Since the thin film can be formed at a low temperature and is transparent to visible light, it is said that a flexible transparent TFT can be formed on a substrate such as a plastic plate or a film.

また、ZnOは光センサや太陽電池に用いる試みも行われている。   Attempts have also been made to use ZnO for optical sensors and solar cells.

一方、原子力発電所等では、複雑に配管が敷設されている。   On the other hand, in nuclear power plants and the like, complicated piping is laid.

そして、当該配管の腐食状態等の検査に多大な費用と時間が費やされており、複雑な配管等の間に挿入できる非平面X線イメージャ(撮像装置)が望まれている。   A great amount of cost and time are spent in inspecting the corrosion state of the pipe, and a non-planar X-ray imager (imaging device) that can be inserted between complicated pipes is desired.

また、医療関係では、マンモグラフィー等によるX線診断において、患者に多大な負担をかけているのが現状である。患者に、より負担の少ないX線診断方法として、非平面X線イメージャが望まれている。   In the medical field, the current situation is that a great burden is placed on the patient in the X-ray diagnosis by mammography or the like. A non-planar X-ray imager is desired as an X-ray diagnostic method with less burden on the patient.

非平面イメージャは、一般に、薄膜トランジスタとX線センサとから構成されている。   A non-planar imager is generally composed of a thin film transistor and an X-ray sensor.

薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor、TFT)は、ゲート端子、ソース端子、および、ドレイン端子を備えた3端子素子である。TFTはセンサと組み合わされて、センサを選択するスイッチや増幅器として使用される。   A thin film transistor (Thin Film Transistor, TFT) is a three-terminal element including a gate terminal, a source terminal, and a drain terminal. The TFT is combined with the sensor and used as a switch or an amplifier for selecting the sensor.

電磁波を検知するセンサや非平面X線撮像装置として、より性能のよいフレキシブルなものが求められていた。
特開2003-298062号公報
As a sensor for detecting electromagnetic waves and a non-planar X-ray imaging device, a flexible device with better performance has been demanded.
Japanese Patent Laid-Open No. 2003-298062

本発明は、非晶質酸化物を用いた、新規なセンサや撮像装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a novel sensor or imaging device using an amorphous oxide.

また、本発明の別の目的は、電子キャリア濃度が1018/cm未満の非晶質酸化物あるいは、電子キャリア濃度が増加すると共に、電子移動度が増加する傾向を示す非晶質酸化物を用いたセンサや非平面撮像装置を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide an amorphous oxide having an electron carrier concentration of less than 10 18 / cm 3 or an amorphous oxide having a tendency to increase electron mobility as the electron carrier concentration increases. It is to provide a sensor and a non-planar imaging apparatus using the sensor.

更にまた、本発明の別の目的は、X線センサとノーマリーオフ型の電界効果型トランジスタを備えた撮像装置を提供することにある。   Still another object of the present invention is to provide an imaging apparatus including an X-ray sensor and a normally-off field effect transistor.

本発明における受容した電磁波を検知するセンサには、光センサは勿論、紫外線センサのような非可視光を検出するセンサやX線センサのような放射線を検出するセンサも含まれる。   Sensors for detecting received electromagnetic waves in the present invention include optical sensors as well as sensors for detecting invisible light such as ultraviolet sensors and sensors for detecting radiation such as X-ray sensors.

以下、具体的に本発明について説明する。   The present invention will be specifically described below.

本発明に係る受容した電磁波を検知するセンサは、
第1の電極と、第2の電極と、該第1及び第2の電極の間に設けられている非晶質酸化物層とを備えることを特徴とする。
The sensor for detecting the received electromagnetic wave according to the present invention,
It is characterized by comprising a first electrode, a second electrode, and an amorphous oxide layer provided between the first and second electrodes.

ここで、前記非晶質酸化物層の電子キャリア濃度は、1018/cm3未満であることが望ましい。 Here, the electron carrier concentration of the amorphous oxide layer is preferably less than 10 18 / cm 3 .

前記第1の電極は、前記非晶質酸化物層が感度を有する波長域の光に対して、透過性を有することが望ましい。   The first electrode is preferably transmissive to light in a wavelength region where the amorphous oxide layer is sensitive.

また、本発明は、前記非晶質酸化物層に有機色素が設けられているセンサも包含する。   The present invention also includes a sensor in which an organic dye is provided in the amorphous oxide layer.

また、本発明に係るセンサは、
第1の電極と第2の電極との間に設けられている非晶質酸化物層とを備え、
該非晶質酸化物層は、電子キャリア濃度が増加すると共に、電子移動度が増加する傾向を示す非晶質酸化物であることを特徴とする。
The sensor according to the present invention is
An amorphous oxide layer provided between the first electrode and the second electrode,
The amorphous oxide layer is an amorphous oxide that tends to increase the electron mobility as the electron carrier concentration increases.

また、本発明に係る撮像装置は、
可撓性基板と、
該可撓性基板上に設けられているX線センサと、
該X線センサに電気的に接続されている電界効果型トランジスタとを備え、
該電界効果型トランジスタは、活性層として非晶質酸化物を有し、且つ該非晶質酸化物は、その電子キャリア濃度が1018/cm3未満であるか、あるいは該非晶質酸化物は、電子キャリア濃度が増加すると共に、電子移動度が増加する傾向を示す酸化物であることを特徴とする。
In addition, an imaging apparatus according to the present invention includes:
A flexible substrate;
An X-ray sensor provided on the flexible substrate;
A field effect transistor electrically connected to the X-ray sensor;
The field effect transistor has an amorphous oxide as an active layer, and the amorphous oxide has an electron carrier concentration of less than 10 18 / cm 3 , or the amorphous oxide The oxide is characterized in that the electron carrier concentration increases and the electron mobility tends to increase.

特に、前記撮像装置が、非平面の撮像領域を有していることがより好ましい。   In particular, it is more preferable that the imaging device has a non-planar imaging region.

また、本発明は、前記X線センサが、X線を光に変換するシンチレータと光電変換素子とを含み構成されている非平面イメージャをも包含する。   The present invention also includes a non-planar imager in which the X-ray sensor includes a scintillator that converts X-rays into light and a photoelectric conversion element.

また、本発明は、前記X線センサが、半導体層を含み構成され、当該半導体層も、非晶質酸化物からなる構成を包含する。   In the present invention, the X-ray sensor includes a semiconductor layer, and the semiconductor layer includes an amorphous oxide.

また、本発明に係る撮像装置は、
非平面領域を有する基板と、
該基板上に設けられているX線センサと、
該X線センサからの信号を読み出すための電界効果型トランジスタとを備え、
該電界効果型トランジスタは、非晶質酸化物からなる活性層を有するノーマリーオフ型のトランジスタであることを特徴とする。
In addition, an imaging apparatus according to the present invention includes:
A substrate having a non-planar region;
An X-ray sensor provided on the substrate;
A field effect transistor for reading a signal from the X-ray sensor,
The field effect transistor is a normally-off transistor having an active layer made of an amorphous oxide.

ところで、無機薄膜トランジスタは、平面上に形成され、平面形状の状態で使用されることが一般的である。アモルファスシリコンに代表される、従来の無機薄膜トランジスタは、その成膜に高温プロセスが必要であり、プラスチック樹脂などのフレキシブル基板上への形成が難しかった。   By the way, an inorganic thin film transistor is generally formed on a plane and used in a planar shape. A conventional inorganic thin film transistor typified by amorphous silicon requires a high-temperature process for film formation, and it is difficult to form it on a flexible substrate such as a plastic resin.

可撓性の基板上に形成できる薄膜トランジスタとして、ペンタセンなどの有機半導体を使用した薄膜トランジスタが検討されているが、そのトランジスタ特性は、未だ十分ではない。   As a thin film transistor that can be formed over a flexible substrate, a thin film transistor using an organic semiconductor such as pentacene has been studied, but its transistor characteristics are not yet sufficient.

また、最近では、上述のようにZnOの多結晶酸化物をチャンネル層に用いたTFTの開発が活発に行われている。   Recently, as described above, TFTs using ZnO polycrystalline oxide as a channel layer have been actively developed.

本発明者が酸化物半導体を検討したところ、ZnOは、一般に安定なアモルファス相を形成することができないことが判った。そして、殆どのZnOは多結晶相を呈するために、多結晶粒子間の界面でキャリアは散乱され、結果として電子移動度を大きくすることができないようである。   When the present inventor examined an oxide semiconductor, it was found that ZnO generally cannot form a stable amorphous phase. Since most ZnO exhibits a polycrystalline phase, carriers are scattered at the interface between the polycrystalline particles, and as a result, it seems that the electron mobility cannot be increased.

また、ZnOには、酸素欠陥が入りやすく、キャリア電子が多数発生してしまうため、電気伝導度を小さくすることが難しい。このために、トランジスタのゲート電圧が無印加時でも、ソース端子とドレイン端子間に大きな電流が流れてしまい、TFTのノーマリーオフ動作を実現できないことが判った。また、トランジスタのオン・オフ比を大きくすることも難しいようである。   In addition, oxygen defects are easily introduced into ZnO, and a large number of carrier electrons are generated. Therefore, it is difficult to reduce the electrical conductivity. For this reason, it was found that even when the gate voltage of the transistor is not applied, a large current flows between the source terminal and the drain terminal, and the normally-off operation of the TFT cannot be realized. It also seems difficult to increase the on / off ratio of the transistor.

また、本発明者は、特開2000−044236号公報に記載されている非晶質酸化物膜ZnxMyInzO(x+3y/2+3z/2)(式中、MはAl及びGaのうち少なくとも一つの元素である。)について検討した。この材料は、電子キャリア濃度が、1018/cm以上であり、単なる透明電極としては好適な材料である。 Further, the present inventor has amorphous oxide film Zn x M y In z O ( x + 3y / 2 + 3z / 2) ( in the formula as described in JP 2000-044236, M is Al And at least one element of Ga). This material has an electron carrier concentration of 10 18 / cm 3 or more, and is a suitable material as a simple transparent electrode.

しかし、電子キャリア濃度が1018/cm以上の酸化物をTFTのチャネル層に用いた場合、オン・オフ比が十分にとれず、ノーマリーオフ型のTFTにはふさわしくないことが分かった。 However, it has been found that when an oxide having an electron carrier concentration of 10 18 / cm 3 or more is used for the TFT channel layer, the on / off ratio is not sufficient, which is not suitable for a normally-off type TFT.

つまり、従来の非晶質酸化物膜では、電子キャリア濃度が1018/cm未満の膜を得ることはできていなかった。 That is, in the conventional amorphous oxide film, a film having an electron carrier concentration of less than 10 18 / cm 3 could not be obtained.

そこで、本発明者は、電界効果型トランジスタの活性層として、電子キャリア濃度が1018/cm未満の非晶質酸化物を用いているTFTを作製したところ、所望の特性のTFTが得られ、発光装置などの画像表示装置に適用できることを発見したのである。 Therefore, the present inventor fabricated a TFT using an amorphous oxide having an electron carrier concentration of less than 10 18 / cm 3 as an active layer of a field effect transistor, and a TFT having desired characteristics was obtained. They have found that it can be applied to image display devices such as light-emitting devices.

本発明者らは、InGaO(ZnO)、及びこの材料の成膜条件に関する研究開発を精力的に進めた結果、成膜時の酸素雰囲気の条件を制御することで、電子キャリア濃度を1018/cm未満にできることを見出した。 As a result of intensive research and development on InGaO 3 (ZnO) m and film formation conditions of this material, the present inventors have controlled the oxygen atmosphere conditions during film formation to reduce the electron carrier concentration to 10 It has been found that it can be less than 18 / cm 3 .

本発明は、所望の電子キャリア濃度を実現した膜を用いたセンサや撮像装置に関するものである。   The present invention relates to a sensor or an imaging apparatus using a film that achieves a desired electron carrier concentration.

本発明により、新規なセンサおよび撮像装置が提供される。
特に、非平面イメージャによって被測定物をX線透過測定を行った場合、平面のイメージャに比べて、ひずみの少ない画像が得られる。
The present invention provides a novel sensor and imaging device.
In particular, when X-ray transmission measurement is performed on an object to be measured using a non-planar imager, an image with less distortion can be obtained compared to a planar imager.

また、人体のX線測定を行う場合、被測定者に肉体的な負担が少なくなるものである。   Further, when performing X-ray measurement of the human body, the physical burden on the measurement subject is reduced.

本発明は、非晶質酸化物を用いたセンサ及び非平面イメージャに関するものである。   The present invention relates to a sensor and a non-planar imager using an amorphous oxide.

以下では、第1の実施形態において、光センサについて詳述し、その後第2の実施形態にて非平面イメージャについて説明する。   In the following, in the first embodiment, the optical sensor will be described in detail, and then the non-planar imager will be described in the second embodiment.

その後に、両実施形態に共通する非晶質酸化物について、その特性と共に詳述する。   After that, the amorphous oxide common to both embodiments will be described in detail together with its characteristics.

(第1の実施形態)
図8に本発明に係る受容した電磁波を検知するセンサの模式的構造図を示す。
(First embodiment)
FIG. 8 shows a schematic structural diagram of a sensor for detecting received electromagnetic waves according to the present invention.

本発明に係るセンサは、基板(701)上に下部電極(702)、非晶質酸化物半導体層(703)、および、上部電極(704)から構成されている。   The sensor according to the present invention includes a lower electrode (702), an amorphous oxide semiconductor layer (703), and an upper electrode (704) on a substrate (701).

なお、上部電極を第1の電極と、下部電極を第2の電極と称する場合がある。   The upper electrode may be referred to as a first electrode and the lower electrode may be referred to as a second electrode.

本実施形態においては、前記非晶質酸化物層として、例えば電子キャリア濃度が1018/cm3未満である酸化物を用いている。 In the present embodiment, for example, an oxide having an electron carrier concentration of less than 10 18 / cm 3 is used as the amorphous oxide layer.

アモルファス酸化物層の層厚は、照射する光の波長や色素増感の色素によって適宜最適化されるものではあるが、好ましくは10 nmから1 μmである。より好ましくは、10 nmから500 nmである。   The layer thickness of the amorphous oxide layer is appropriately optimized depending on the wavelength of light to be irradiated and the dye-sensitized dye, but is preferably 10 nm to 1 μm. More preferably, it is 10 nm to 500 nm.

非晶質酸化物が、In-Ga-Zn-Oを含有する半導体である場合は、n型伝導を示す。   In the case where the amorphous oxide is a semiconductor containing In—Ga—Zn—O, n-type conduction is exhibited.

該酸化物半導体とPt等の仕事関数の大きい金属と接合を形成し、フォトダイオードを構成することも好ましいものである。またn型の該酸化物半導体とp型の酸化物半導体であるSrCu2O2とを積層して半導体接合を形成してフォトダイオードを構成してもよい。 It is also preferable to form a photodiode by forming a junction between the oxide semiconductor and a metal having a high work function such as Pt. Alternatively, the n-type oxide semiconductor and the p-type oxide semiconductor SrCu 2 O 2 may be stacked to form a semiconductor junction to form a photodiode.

なお、本発明に係るセンサは、紫外線、あるいはX線に対する光センサとしては勿論、後述の有機色素を用いることにより、可視光に対するセンサとしても利用できる。
図9に本発明におけるセンサの第二の模式的構造図を示す。
The sensor according to the present invention can be used not only as an optical sensor for ultraviolet rays or X-rays but also as a sensor for visible light by using an organic dye described later.
FIG. 9 shows a second schematic structural diagram of the sensor according to the present invention.

第二の本発明のセンサは、基板(801)場に下部電極(802)、複数のアモルファス酸化物半導体を積層して構成される多層構造半導体層(803)、および、上部電極(804)から構成されている。   The sensor of the second aspect of the present invention includes a lower electrode (802) on a substrate (801) field, a multilayer structure semiconductor layer (803) formed by laminating a plurality of amorphous oxide semiconductors, and an upper electrode (804). It is configured.

多層構造の半導体層は、照射する光の波長によって各半導体層の層厚を適宜最適化して形成することも好ましい形態である。多層構造半導体層の構成半導体層の層厚は、好ましくは1nmから100 nmであり、より好ましくは5 nmから50 nmである。多層構造半導体層の全体の層厚としては、好ましくは10 nmから1 μmである。より好ましくは、10 nmから500 nmである。   It is also a preferred embodiment that the semiconductor layer having a multilayer structure is formed by appropriately optimizing the thickness of each semiconductor layer depending on the wavelength of light to be irradiated. The layer thickness of the constituent semiconductor layer of the multilayer structure semiconductor layer is preferably 1 nm to 100 nm, more preferably 5 nm to 50 nm. The total thickness of the multilayer structure semiconductor layer is preferably 10 nm to 1 μm. More preferably, it is 10 nm to 500 nm.

このような多層構造の半導体層は、例えば、互いに構成材料の異なる非晶質酸化物層から構成されたり、互いに厚さの異なる非晶質酸化物層から構成される。   Such a multi-layered semiconductor layer is composed of, for example, amorphous oxide layers having different constituent materials or amorphous oxide layers having different thicknesses.

上部電極から光を照射する場合には、上部電極は照射光を透過する材料・膜厚を選択する必要がある。たとえば、酸化物透明導電膜が好ましいものである。また、基板側から光を照射する場合には、基板材料としては透光性の優れた石英材料やアクリル樹脂等が好ましいものである。その場合下部電極としても、バンドギャップの広い酸化物透明導電膜が好ましいものである。   In the case of irradiating light from the upper electrode, it is necessary to select a material / film thickness that transmits the irradiated light for the upper electrode. For example, an oxide transparent conductive film is preferable. In the case of irradiating light from the substrate side, a quartz material or acrylic resin having excellent translucency is preferable as the substrate material. In that case, an oxide transparent conductive film having a wide band gap is also preferable as the lower electrode.

本発明のアモルファス酸化物半導体を有機色素により増感する場合について説明する。   A case where the amorphous oxide semiconductor of the present invention is sensitized with an organic dye will be described.

図8に示すように光センサ素子の上部から光を入射する場合には、アモルファス酸化物半導体膜を堆積した後に、有機色素を溶解した有機溶剤中に浸漬し有機色素を、該半導体に吸着させる。または、真空蒸着法により有機色素を、該半導体上に蒸着させる。その後、上部電極を真空蒸着法やスパッタ法で形成する。   As shown in FIG. 8, when light is incident from above the photosensor element, after depositing an amorphous oxide semiconductor film, it is immersed in an organic solvent in which the organic dye is dissolved to adsorb the organic dye to the semiconductor. . Alternatively, an organic dye is deposited on the semiconductor by a vacuum deposition method. Thereafter, the upper electrode is formed by vacuum deposition or sputtering.

また、基板側から光を入射する場合には、下部電極上に有機色素を吸着させた後、アモルファス酸化物半導体をレーザーアブレーション法やスパッタ法で形成する。   When light is incident from the substrate side, an organic dye is adsorbed on the lower electrode, and then an amorphous oxide semiconductor is formed by a laser ablation method or a sputtering method.

更に図9に示すように、多層構造の半導体層に有機色素増感を行う場合には、半導体層の積層ごとに有機色素を、浸漬法や蒸着法等で繰り返し積層することによって形成することができる。   Further, as shown in FIG. 9, when organic dye sensitization is performed on a semiconductor layer having a multilayer structure, it is possible to form the organic dye by repeatedly laminating it by a dipping method, a vapor deposition method or the like every time the semiconductor layer is laminated. it can.

その場合に光の入射側から半導体層に深く入るにしたがって、短波長の光を吸収する色素から長波長の光を吸収する色素を分布させることが好ましい形態である。   In this case, it is preferable to distribute a dye that absorbs light of a long wavelength from a dye that absorbs light of a short wavelength as the light enters the semiconductor layer from the light incident side.

本発明において使用される基板としては、導電性でも電気絶縁性であっても良い。導電性支持体としては、たとえば、NiCr,ステンレス,Al,Cr,Mo,Au,Nb,Ta,V,Ti,Pt,Pb等の金属またはこれらの合金が挙げられる。電気絶縁性支持体としては、アクリル樹脂、ポリエステル、ポリエチレン、ポリカーボネート、セルロースアセテート、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリアミド等の合成樹脂のフィルムまたはシート、ガラス、セラミック、紙等が挙げられる。これらの電気絶縁基板は、好適には少なくともその一方の表面を導電処理し、該導電処理された表面側に光受容層を設けるのが望ましい。   The substrate used in the present invention may be conductive or electrically insulating. Examples of the conductive support include metals such as NiCr, stainless steel, Al, Cr, Mo, Au, Nb, Ta, V, Ti, Pt, and Pb, or alloys thereof. Examples of the electrically insulating support include acrylic resin, polyester, polyethylene, polycarbonate, cellulose acetate, polypropylene, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polystyrene, polyamide and other synthetic resin films or sheets, glass, ceramic, paper, and the like. It is done. These electrically insulating substrates are preferably subjected to conductive treatment on at least one surface thereof, and a light receiving layer is provided on the surface subjected to the conductive treatment.

たとえばガラスであれば、その表面に、NiCr,Al,Cr,Mo,Au,Ir,Nb,Ta,V,Ti,Pt,Pd,InO3,ITO(In23+Sn)等から成る薄膜を設けることによって導電性を付与する。あるいはポリエステルフィルム等の合成樹脂フィルムであれば、NiCr,Al,Ag,Pb,Zn,Ni,Au,Cr,Mo,Ir,Nb,Ta,V,Tl,Pt等の金属の薄膜を真空蒸着、電子ビーム蒸着、スパッタリング等でその表面に設けて導電性を付与する。またポリエステルフィルム等の合成樹脂フィルムの場合、前記金属でその表面をラミネート処理して、その表面に導電性を付与することもできる。なお、基板は可撓性を有する基板であること、即ち変形(特に曲げ変形)可能であることが好適である。 For example, in the case of glass, a thin film made of NiCr, Al, Cr, Mo, Au, Ir, Nb, Ta, V, Ti, Pt, Pd, InO 3 , ITO (In 2 O 3 + Sn) or the like is formed on the surface. By providing, conductivity is imparted. Alternatively, if it is a synthetic resin film such as a polyester film, a thin film of metal such as NiCr, Al, Ag, Pb, Zn, Ni, Au, Cr, Mo, Ir, Nb, Ta, V, Tl, or Pt is vacuum-deposited. It is provided on the surface by electron beam evaporation, sputtering or the like to impart conductivity. Moreover, in the case of synthetic resin films, such as a polyester film, the surface can be laminated with the said metal and electroconductivity can also be provided to the surface. The substrate is preferably a flexible substrate, that is, it can be deformed (particularly bent).

本発明において用いられる酸化物透明導電膜としては、光の透過率が60%以上、より好ましくは85%以上であるのが望ましい。更に、電気的には光起電力素子の出力に対して抵抗成分とならぬようにシート抵抗値は100Ω以下であることが望ましい。上記光の透過率とは、光センサが検出しようとする波長域の光の透過率という意味である。   The oxide transparent conductive film used in the present invention desirably has a light transmittance of 60% or more, more preferably 85% or more. Furthermore, it is desirable that the sheet resistance value is 100Ω or less so that it does not become a resistance component with respect to the output of the photovoltaic element. The light transmittance means the light transmittance in the wavelength range to be detected by the optical sensor.

このような特性を備えた材料としてSnO2,In23,ITO(SnO2+In23),ZnO,CdO,Cd2SnO4、TiO2、Ti34などの金属酸化物や、Au,Al,Cu等の金属を極めて薄く半透明状に成膜した金属薄膜等が挙げられる。 Metal oxides such as SnO 2 , In 2 O 3 , ITO (SnO 2 + In 2 O 3 ), ZnO, CdO, Cd 2 SnO 4 , TiO 2 , and Ti 3 N 4 as materials having such characteristics, Examples thereof include a metal thin film in which a metal such as Au, Al, Cu or the like is extremely thin and semi-transparent.

この内、インジウム酸化物、インジウム−スズ酸化物の透明電極が特に適したものである。これらの作製方法としては、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム加熱蒸着法、スパッタリング法、スプレー法等を用いることができ所望に応じて適宜選択されるが、スパッタリング法と真空蒸着法が最適な堆積方法である。   Of these, indium oxide and indium-tin oxide transparent electrodes are particularly suitable. As these manufacturing methods, a resistance heating vapor deposition method, an electron beam heating vapor deposition method, a sputtering method, a spray method, and the like can be used and are appropriately selected as desired. However, a sputtering method and a vacuum vapor deposition method are optimum. It is.

前記有機色素としては、前記半導体と化学的に結合することができるシアニン色素、メロシアニン色素、フタロシアニン色素、ナフタロシアニン色素、フタロ/ナフタロ混合フタロシアニン色素、ジピリジルRu錯体色素、ターピリジルRu錯体色素、フェナントロリンRu錯体色素、フェニルキサンテン色素、トリフェニルメタン色素、クマリン色素、アクリジン色素、アゾ金属錯体色素の中から選ばれる。勿論、複数の色素と組み合わせても良い。   Examples of the organic dye include a cyanine dye, a merocyanine dye, a phthalocyanine dye, a naphthalocyanine dye, a phthalo / naphthalene mixed phthalocyanine dye, a dipyridyl Ru complex dye, a terpyridyl Ru complex dye, and a phenanthroline Ru complex that can be chemically bonded to the semiconductor. It is selected from among dyes, phenylxanthene dyes, triphenylmethane dyes, coumarin dyes, acridine dyes, and azo metal complex dyes. Of course, you may combine with several pigment | dye.

本発明に適した有機色素増感剤としては、本発明のIn-Ga-Zn-Oを主成分とするアモルファス酸化物半導体と光励起された電荷が移動しやすい結合を形成するものが好ましいものである。   As the organic dye sensitizer suitable for the present invention, an organic oxide sensitizer having the In-Ga-Zn-O of the present invention as a main component and a compound that forms a bond in which photoexcited charges easily move is preferable. is there.

半導体層に吸着して光増感剤として機能する色素としては、種々の可視光領域および/または赤外光領域に吸収をもつものである。   The dye that adsorbs to the semiconductor layer and functions as a photosensitizer has absorption in various visible light regions and / or infrared light regions.

半導体層に色素を強固に吸着させるために、色素分子中にカルボン酸基、カルボン酸無水基、アルコキシ基、ヒドロキシアルキル基、スルホン酸基、ヒドロキシル基、エステル基、メルカプト基、ホスホニル基などを有するものが好ましい。   In order to firmly adsorb the dye to the semiconductor layer, the dye molecule has a carboxylic acid group, carboxylic anhydride group, alkoxy group, hydroxyalkyl group, sulfonic acid group, hydroxyl group, ester group, mercapto group, phosphonyl group, etc. Those are preferred.

これらの中でも、カルボン酸基およびカルボン酸無水基が特に好ましい。なお、前記基類は、励起状態の色素とアモルファス酸化物半導体の導電帯との間の電子移動を容易にする電気的結合を提供するものである。   Among these, a carboxylic acid group and a carboxylic anhydride group are particularly preferable. The groups provide an electrical bond that facilitates electron transfer between the excited state dye and the conductive band of the amorphous oxide semiconductor.

前記基類を有する色素としては、例えば、ルテニウムビピリジン系色素、アゾ系色素、キノン系色素、キノンイミン系色素、キナクリドン系色素、トリフェニルメタン系色素、キサンテン系色素がある。他にも、スクアリリウム系色素、シアニン系色素、メロシアニン系色素、ポリフィリン系色素、フタロシアニン系色素、べリレン系色素、インジゴ系色素、ナフタロシアニン系色素などが挙げられる。   Examples of the dye having the group include a ruthenium bipyridine dye, an azo dye, a quinone dye, a quinoneimine dye, a quinacridone dye, a triphenylmethane dye, and a xanthene dye. In addition, squarylium dyes, cyanine dyes, merocyanine dyes, porphyrin dyes, phthalocyanine dyes, berylene dyes, indigo dyes, naphthalocyanine dyes, and the like can be given.

半導体層に色素を吸着させる方法としては、例えば導電性支持体上に形成された半導体層を、色素を溶解した溶液(色素吸着用溶液)に浸漬する方法、有機色素を蒸着する方法がある。他にも、有機色素を加熱しヘリウムや窒素等の不活性なガスで有機色素を輸送し、半導体に吸着させる方法等が挙げられる。有機色素はアモルファス酸化物半導体上に単分子層的に形成されることが好ましい形態である。   Examples of the method for adsorbing the dye to the semiconductor layer include a method in which a semiconductor layer formed on a conductive support is immersed in a solution in which the dye is dissolved (dye adsorption solution), and a method in which an organic dye is deposited. Other methods include heating the organic dye, transporting the organic dye with an inert gas such as helium and nitrogen, and adsorbing the organic dye onto the semiconductor. The organic dye is preferably formed in a monomolecular layer on the amorphous oxide semiconductor.

色素を溶解させる溶剤としては、色素を溶解するものであればよく、具体的には、エタノールなどのアルコール類、アセトンなどのケトン類、ジエチルエーテル、テトラヒドロフランなどのエーテル類、アセトニトリルなどの窒素化合物類がある。他にも、クロロホルムなどのハロゲン化脂肪族炭化水素、ヘキサンなどの脂肪族炭化水素、ベンゼンなどの芳香族炭化水素、酢酸エチルなどのエステル類、水などが挙げられる。これらの溶剤は2種以上を混合して用いることもできる。   The solvent for dissolving the dye may be any solvent that dissolves the dye. Specifically, alcohols such as ethanol, ketones such as acetone, ethers such as diethyl ether and tetrahydrofuran, and nitrogen compounds such as acetonitrile. There is. Other examples include halogenated aliphatic hydrocarbons such as chloroform, aliphatic hydrocarbons such as hexane, aromatic hydrocarbons such as benzene, esters such as ethyl acetate, and water. Two or more of these solvents can be used in combination.

溶液中の色素濃度は、使用する色素および溶剤の種類により適宜調整することができるが、吸着機能を向上させるためにはできるだけ高濃度である方が好ましい。色素濃度は、例えば1×10-5 mol/l以上、より好ましくは1×10-4 mol/l以上であればよい。 The concentration of the dye in the solution can be appropriately adjusted depending on the kind of the dye and the solvent to be used, but it is preferably as high as possible in order to improve the adsorption function. The dye concentration may be, for example, 1 × 10 −5 mol / l or more, more preferably 1 × 10 −4 mol / l or more.

本発明においては、光センサ素子として目標とする波長域に対応した有機色素を適宜選択して使用することが好ましいものである。そのための色素としては単一の色素を使用しても良いし、複数の色素を組み合わせて使用しても良い。   In the present invention, it is preferable to appropriately select and use an organic dye corresponding to a target wavelength range as an optical sensor element. As the dye for that purpose, a single dye may be used, or a plurality of dyes may be used in combination.

(第2の実施形態)
本発明に係る撮像装置の模式図を図10に示す。本実施形態に係る発明は、例えば、X線イメージセンサである。本発明は、形状可変な基板901上に、下部電極902、光電変換素子となる半導体層903、上部電極904、そして、シンチレータ905から構成されている。基板901から上部電極904までの構成は、図8と図9に示す構成が使用可能である。上記半導体層は例えば、In-Ga-Zn-Oを少なくとも含む非晶質酸化物などで形成される。
(Second Embodiment)
A schematic diagram of an imaging apparatus according to the present invention is shown in FIG. The invention according to this embodiment is, for example, an X-ray image sensor. The present invention includes a lower electrode 902, a semiconductor layer 903 serving as a photoelectric conversion element, an upper electrode 904, and a scintillator 905 on a substrate 901 having a variable shape. As the configuration from the substrate 901 to the upper electrode 904, the configurations shown in FIGS. 8 and 9 can be used. For example, the semiconductor layer is formed using an amorphous oxide containing at least In—Ga—Zn—O.

なお、本発明に係る撮像装置は、非平面部を少なくとも一部に有することが好ましい。勿論、ある瞬間には平面形状であっても、非平面形状に変形させ得る撮像装置であることも好ましい。   Note that the imaging apparatus according to the present invention preferably has a non-planar portion at least in part. Of course, it is also preferable that the imaging apparatus can be deformed into a non-planar shape even at a certain moment.

半導体層903としては、非晶質酸化物(詳細は後述している。)を用いることもできるし、アモルファスシリコンなどを用いることもできる。非晶質酸化物とは、後述するように、その電子キャリア濃度が1018/cm3未満であるか、あるいは該非晶質酸化物は、電子キャリア濃度が増加すると共に、電子移動度が増加する傾向を示す酸化物を用いることができる。 As the semiconductor layer 903, an amorphous oxide (details are described later) can be used, or amorphous silicon or the like can be used. As described later, the amorphous oxide has an electron carrier concentration of less than 10 18 / cm 3 , or the amorphous oxide increases the electron mobility as the electron carrier concentration increases. An oxide exhibiting a tendency can be used.

前記基板としては、ガラス基板等の他にも、樹脂やプラスチック、PET(ポリエチレンテラフタラート)が適用できる。好ましくは、可撓性のある基板がよい。   As the substrate, in addition to a glass substrate or the like, resin, plastic, or PET (polyethylene terephthalate) can be applied. A flexible substrate is preferable.

なお、X線センサとして、主として蛍光体が利用されるシンチレータ905は、必要に応じて用いればよく、前述の半導体層がX線に感度を持っていれば、省略することもできる。   Note that the scintillator 905 in which a phosphor is mainly used as an X-ray sensor may be used as necessary, and may be omitted if the above-described semiconductor layer has sensitivity to X-rays.

シンチレータとしては、NaI(Tl)(潮解性)、CsI(Tl) (潮解性)、Cs(Na)(潮解性)、CsI(pure)、CaF2(Eu)、BaF2、CdWO4等が使用される。シンチレータ層の厚さとしては、十分なX線を吸収できる厚さとして、100μmから500μmが好ましい範囲である。シンチレータ層は、スパッタ法が好ましい成膜方法である。潮解性のシンチレータを使用する場合には、防湿処理をする必要がある。防湿処理としては、基板901の裏面およびシンチレータ表面に窒化シリコン層や酸化シリコン層等の防湿層を100nm以上積層することが好ましいものである。 As scintillators, NaI (Tl) (deliquescent), CsI (Tl) (deliquescent), Cs (Na) (deliquescent), CsI (pure), CaF 2 (Eu), BaF 2 and CdWO 4 are used. Is done. The thickness of the scintillator layer is preferably 100 μm to 500 μm as a thickness that can absorb sufficient X-rays. For the scintillator layer, a sputtering method is preferable. When using a deliquescent scintillator, it is necessary to perform a moisture-proof treatment. As the moisture-proof treatment, it is preferable that a moisture-proof layer such as a silicon nitride layer or a silicon oxide layer is laminated on the back surface of the substrate 901 and the scintillator surface to a thickness of 100 nm or more.

本発明に係る、In-Ga-Zn-Oなどの非晶質酸化物を活性層に使用したTFTと、シンチレータとIn-Ga-Zn-Oを含む酸化物半導体を使用した光電変換素子からなるX線センサとをもちいた1画素当たりの回路を図11に示す。   The present invention comprises a TFT using an amorphous oxide such as In-Ga-Zn-O as an active layer and a photoelectric conversion element using a scintillator and an oxide semiconductor containing In-Ga-Zn-O according to the present invention. A circuit per pixel using an X-ray sensor is shown in FIG.

なお、ここでTFTの活性層には、後述の非晶質酸化物を用いて、ノーマリーオフ型のTFTとするのがよい。   Note that, here, a normally-off TFT is preferably used for the active layer of the TFT by using an amorphous oxide described later.

このような3トランジスター画素構造のイメージングセンサのセンシング動作は次の通りである。   The sensing operation of such a three-transistor pixel structure imaging sensor is as follows.

X線センサ1006において、X線がシンチレーションに入射し可視光に変換され、その光が色素増感されたIn-Ga-Zn-O含有酸化物半導体で電気に変換される。変換された信号電荷は、リセットTFT1001のソース端であるフローチングノード1005の電位を変化させる。これにより、画素レベルソースフォロアのドライバであるセレクトTFT1004のゲート電位が変化される。セレクトTFT1004のソース端又はアクセスTFT1007のドレインノードのバイアスを変化させる。   In the X-ray sensor 1006, X-rays are incident on the scintillation and converted into visible light, and the light is converted into electricity by the dye-sensitized In-Ga-Zn-O-containing oxide semiconductor. The converted signal charge changes the potential of the floating node 1005 that is the source end of the reset TFT 1001. As a result, the gate potential of the select TFT 1004 that is a driver of the pixel level source follower is changed. The bias of the source end of the select TFT 1004 or the drain node of the access TFT 1007 is changed.

このように信号電荷が蓄積される間、リセットTFT1001のソース端とセレクトTFT1004のソース端の電位が変化する。この際、アクセスTFT1007のゲートにロー選択信号入力端子1008を介してロー選択信号が入力されると、X線センサ1006で生成された信号電荷による電位差をカラム選択ライン1009の方に出力する。   In this way, while the signal charge is accumulated, the potential at the source end of the reset TFT 1001 and the source end of the select TFT 1004 changes. At this time, when a row selection signal is input to the gate of the access TFT 1007 via the row selection signal input terminal 1008, a potential difference due to the signal charge generated by the X-ray sensor 1006 is output to the column selection line 1009.

このように、X線センサ1006の電荷生成による信号レベルを検出した後、リセット信号入力端子1002を介したリセット信号によってリセットトランジスタ1がオン状態に変わり、X線センサ1006に蓄積された信号電荷は全部リセットされる。   Thus, after detecting the signal level due to the charge generation of the X-ray sensor 1006, the reset transistor 1 is turned on by the reset signal via the reset signal input terminal 1002, and the signal charge accumulated in the X-ray sensor 1006 is Everything is reset.

なお、X線に感度を有する半導体層を用いる場合は、前記シンチレータは勿論、前記有機色素も省略できる。上記TFTは、その活性層を、例えば、後述する非晶質酸化物で形成することができる。非晶質酸化物は、例えば、その電子キャリア濃度が1018/cm3未満であるか、あるいは該非晶質酸化物は、電子キャリア濃度が増加すると共に、電子移動度が増加する傾向を示す酸化物を用いることができる。上記TFTは、図10に示す、上部電極904、半導体層903、下部電極902を利用して、光電変換部の横に設けることができる。また、基板901と下部電極902との間に、別途上記TFT用の層を設けてもよい。 In the case of using a semiconductor layer having sensitivity to X-rays, the organic dye can be omitted as well as the scintillator. The active layer of the TFT can be formed of, for example, an amorphous oxide described later. An amorphous oxide, for example, has an electron carrier concentration of less than 10 18 / cm 3 , or the amorphous oxide is an oxide that tends to increase electron mobility as the electron carrier concentration increases. Can be used. The TFT can be provided beside the photoelectric conversion portion by using the upper electrode 904, the semiconductor layer 903, and the lower electrode 902 shown in FIG. In addition, a separate layer for the TFT may be provided between the substrate 901 and the lower electrode 902.

なお、X線吸収のためには、酸化物半導体層の厚さは、50μm以上、好ましくは100μm以上、更に好ましくは300μm以上である。   For X-ray absorption, the thickness of the oxide semiconductor layer is 50 μm or more, preferably 100 μm or more, and more preferably 300 μm or more.

また、X線センサの半導体と、同センサからの信号を受け取る(または読み取る)ためのTFTの活性層をともに非晶質酸化物でつくることができる。高い平坦性が求められる場合には好ましい構成となる。   Further, both the semiconductor of the X-ray sensor and the active layer of the TFT for receiving (or reading) a signal from the sensor can be made of an amorphous oxide. This is a preferred configuration when high flatness is required.

形状可変な基板上に形成した図11に示すイメージングセンサユニットを複数並べて非平面イメージャを構成した。イメージャの解像度としては、XGA(1024×768)、SXGA(1280×1024)等以上にした。非平面イメージャの作成方法の一例を図12に示す。平面上に作成されたセンサユニットを、図12の左図に示すように破線で切断し、右図に示すように球状に構成する。このようにすることによって、半球状の非平面イメージャが構成される。1101は、平面上に形成されたTFTとセンサを示している。1102はTFTとセンサユニットである。1103は半球状の非平面イメージャに、前記TFTとセンサを設けているものを示している。   A non-planar imager was configured by arranging a plurality of imaging sensor units shown in FIG. 11 formed on a substrate having a variable shape. The imager resolution was set to XGA (1024 x 768), SXGA (1280 x 1024) or higher. An example of a method for creating a non-planar imager is shown in FIG. The sensor unit created on the plane is cut by a broken line as shown in the left figure of FIG. 12, and is formed into a spherical shape as shown in the right figure. By doing so, a hemispherical non-planar imager is constructed. Reference numeral 1101 denotes a TFT and a sensor formed on a plane. Reference numeral 1102 denotes a TFT and a sensor unit. Reference numeral 1103 denotes a hemispherical non-planar imager provided with the TFT and the sensor.

なお、非平面イメージャの当該非平面上へのTFTやセンサ部の配置は以下のようにして実現することもできる。例えば、まず、プラスチックやPETなどのフレキシブル基板上、即ち平面上に、TFT等を設ける。その後、当該可撓性基板を加熱した状態で、非平面の型に当該基板を押し付けて、平面状の基板を非平面に変形させる。勿論、本発明にいう非平面イメージャとは、平面領域と共に、非平面である領域を有するイメージャ、平面状態から非平面状態に変形し得るイメージャの両方を包含するものである。   The arrangement of the TFT and the sensor unit on the non-planar imager can also be realized as follows. For example, first, a TFT or the like is provided on a flexible substrate such as plastic or PET, that is, on a flat surface. Then, in a state where the flexible substrate is heated, the substrate is pressed against a non-planar mold to deform the planar substrate into a non-planar shape. Of course, the non-planar imager referred to in the present invention encompasses both an imager having a non-planar region as well as an imager that can be transformed from a planar state to a non-planar state.

本発明の非平面イメージャでの測定方法の例を図13に示す。図12で形成した非平面イメージャ1201内に、被測定物1203を入れ、外部よりX線1204を照射して、被測定物1203を測定する。X線光源と被測定物の間にセンサユニットが入らないように、センサユニットは半球面の被平面イメージャの半分に形成することも好ましい実施形態である。
(非晶質酸化物)
上述のように、本発明においては、所定の電子キャリア濃度を有する非晶質酸化物を、光センサ部自体として、あるいは光センサに用いられる電界効果型トランジスタの活性層として用いている。勿論、両方に用いても良い。
An example of a measurement method using the non-planar imager of the present invention is shown in FIG. The object 1203 to be measured is placed in the non-planar imager 1201 formed in FIG. 12, and the object 1203 is measured by irradiating an X-ray 1204 from the outside. In order to prevent the sensor unit from entering between the X-ray light source and the object to be measured, it is also a preferred embodiment that the sensor unit is formed in half of the hemispherical planar imager.
(Amorphous oxide)
As described above, in the present invention, an amorphous oxide having a predetermined electron carrier concentration is used as the photosensor part itself or as an active layer of a field effect transistor used in the photosensor. Of course, you may use for both.

本発明に係る非晶質酸化物の電子キャリア濃度は、室温で測定する場合の値である。室温とは、例えば25℃であり、具体的には0℃から40℃程度の範囲から適宜選択されるある温度である。なお、本発明に係るアモルファス酸化物の電子キャリア濃度は、0℃から40℃の範囲全てにおいて、1018/cm未満を充足する必要はない。例えば、25℃において、キャリア電子密度1018/cm未満が実現されていればよい。また、電子キャリア濃度を更に下げ、1017/cm以下、より好ましくは1016/cm以下にするとノーマリオフのTFTが歩留まり良く得られる。
電子キャリア濃度の測定は、ホール効果測定により求めることが出来る。
The electron carrier concentration of the amorphous oxide according to the present invention is a value when measured at room temperature. The room temperature is, for example, 25 ° C., specifically, a certain temperature appropriately selected from the range of about 0 ° C. to 40 ° C. Note that the electron carrier concentration of the amorphous oxide according to the present invention does not need to satisfy less than 10 18 / cm 3 in the entire range of 0 ° C. to 40 ° C. For example, a carrier electron density of less than 10 18 / cm 3 may be realized at 25 ° C. Further, when the electron carrier concentration is further reduced to 10 17 / cm 3 or less, more preferably 10 16 / cm 3 or less, a normally-off TFT can be obtained with a high yield.
The electron carrier concentration can be measured by Hall effect measurement.

なお、本発明において、アモルファス酸化物とは、X線回折スペクトルにおいて、ハローパターンが観測され、特定の回折線を示さない酸化物をいう。   In the present invention, an amorphous oxide refers to an oxide that exhibits a halo pattern in an X-ray diffraction spectrum and does not exhibit a specific diffraction line.

本発明のアモルファス酸化物における、電子キャリア濃度の下限値は、TFTのチャネル層として適用できれば特に限定されるものではない。下限値は、例えば、1012/cmである。
従って、本発明においては、後述する各実施例のようにアモルファス酸化物の材料、組成比、製造条件などを制御して、例えば、電子キャリア濃度を、1012/cm以上1018/cm未満とする。より好ましくは1013/cm以上1017/cm以下、更には1015/cm以上1016/cm以下の範囲にすることが好ましいものである。
前記非晶質酸化物としては、InZnGa酸化物のほかにも、In酸化物、InZn1−x酸化物(0.2≦x≦1)、InSn1−x酸化物(0.8≦x≦1)、あるいはIn(Zn、Sn)1−x酸化物(0.15≦x≦1)から適宜選択できる。
なお、In(Zn、Sn)1−x酸化物は、In(ZnSn1−y1−x酸化物と記載することができ、yの範囲は1から0である。
The lower limit of the electron carrier concentration in the amorphous oxide of the present invention is not particularly limited as long as it can be applied as a TFT channel layer. The lower limit is, for example, 10 12 / cm 3 .
Therefore, in the present invention, the material, composition ratio, production conditions, etc. of the amorphous oxide are controlled as in the examples described later, for example, the electron carrier concentration is 10 12 / cm 3 or more and 10 18 / cm 3. Less than. More preferably, it is in the range of 10 13 / cm 3 or more and 10 17 / cm 3 or less, and more preferably 10 15 / cm 3 or more and 10 16 / cm 3 or less.
As the amorphous oxide, in addition to InZnGa oxide, In oxide, In x Zn 1-x oxide (0.2 ≦ x ≦ 1), In x Sn 1-x oxide (0.8 ≦ x ≦ 1) or In x (Zn, Sn) 1-x oxide (0.15 ≦ x ≦ 1).
Note that an In x (Zn, Sn) 1-x oxide can be described as an In x (Zn y Sn 1-y ) 1-x oxide, and the range of y is 1 to 0.

なお、ZnとSnを含まないIn酸化物の場合は、Inの一部をGaに置換することもできる。即ち、InGa1−x酸化物(0≦x≦1)の場合である。 以下に、本発明者らが作製することに成功した電子キャリア濃度が1018/cm未満の非晶質酸化物について詳述する。 Note that in the case of an In oxide containing no Zn and Sn, part of In can be substituted with Ga. That is, it is the case of In x Ga 1-x oxide (0 ≦ x ≦ 1). Hereinafter, an amorphous oxide having an electron carrier concentration of less than 10 18 / cm 3 successfully produced by the present inventors will be described in detail.

上記酸化物とは、In-Ga-Zn-Oを含み構成され、結晶状態における組成がInGaO3(ZnO)m(mは6未満の自然数)で表され、電子キャリア濃度が1018/cm未満であることを特徴とする。 The oxide includes In—Ga—Zn—O, the composition in the crystalline state is represented by InGaO 3 (ZnO) m (m is a natural number less than 6), and the electron carrier concentration is 10 18 / cm 3. It is characterized by being less than.

また上記酸化物は、In-Ga-Zn-Mg-Oを含み構成され、結晶状態の組成がInGaO3(Zn1-xMgxO)m (mは6未満の自然数、0<x≦1)で表され、電子キャリア濃度が1018/cm未満であることを特徴とする。 The oxide includes In—Ga—Zn—Mg—O, and the composition of the crystalline state is InGaO 3 (Zn 1−x Mg × O) m (m is a natural number less than 6, 0 <x ≦ 1 The electron carrier concentration is less than 10 18 / cm 3 .

なお、これらの酸化物で構成される膜において、電子移動度が1cm/(V・秒)超になるように設計することも好ましい。 Note that it is also preferable to design a film formed using these oxides so that the electron mobility exceeds 1 cm 2 / (V · sec).

上記膜をチャネル層に用いれば、トランジスターオフ時のゲート電流が0.1マイクロアンペヤ未満のノーマリーオフで、オン・オフ比が10超のトランジスタ特性を実現できる。そして、可視光に対して、透明あるいは透光性を有し、フレキシブルなTFTが実現される。 When the above film is used for a channel layer, transistor characteristics with a normally-off gate current of less than 0.1 microampere and an on / off ratio of more than 10 3 can be realized. In addition, a flexible TFT having transparency or translucency with respect to visible light is realized.

なお、上記膜は、伝導電子数の増加と共に、電子移動度が大きくなることを特徴とする。透明膜を形成する基板としては、ガラス基板、樹脂製プラスチック基板又はプラスチックフィルムなどを用いることができる。   The film is characterized in that the electron mobility increases as the number of conduction electrons increases. As the substrate on which the transparent film is formed, a glass substrate, a resin plastic substrate, a plastic film, or the like can be used.

上記非晶質酸化物膜をチャネル層に利用する際には、Al、Y、又はHfOの1種、又はそれらの化合物を少なくとも二種以上含む混晶化合物をゲート絶縁膜に利用できる。 When the amorphous oxide film is used as a channel layer, a gate insulating layer of a mixed crystal compound containing at least one of Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , or HfO 2 or a compound thereof is used. Available for membranes.

また、非晶質酸化物中に、電気抵抗を高めるための不純物イオンを意図的に添加せず、酸素ガスを含む雰囲気中で、成膜することも好ましい形態である。   In addition, it is also preferable to form a film in an atmosphere containing oxygen gas without intentionally adding impurity ions for increasing electric resistance to the amorphous oxide.

本発明者らは、この半絶縁性酸化物アモルファス薄膜は、伝導電子数の増加と共に、電子移動度が大きくなるという特異な特性を見出した。そして、その膜を用いてTFTを作成し、オン・オフ比、ピンチオフ状態での飽和電流、スイッチ速度などのトランジスタ特性が更に向上することを見出した。即ち、非晶質酸化物を利用して、ノーマリーオフ型のTFTを実現できることを見出した。   The present inventors have found that the semi-insulating oxide amorphous thin film has a unique characteristic that the electron mobility increases as the number of conduction electrons increases. Then, a TFT was formed using the film, and it was found that transistor characteristics such as an on / off ratio, a saturation current in a pinch-off state, and a switch speed were further improved. That is, it has been found that a normally-off type TFT can be realized by using an amorphous oxide.

非晶質酸化物薄膜を膜トランジスタのチャネル層として用いると、電子移動度が1cm/(V・秒)超、好ましくは5cm/(V・秒)超にすることができる。 When an amorphous oxide thin film is used as the channel layer of the film transistor, the electron mobility can exceed 1 cm 2 / (V · sec), preferably 5 cm 2 / (V · sec).

電子キャリア濃度が、1018/cm未満、好ましくは、1016/cm未満のときは、オフ時(ゲート電圧無印加時)のドレイン・ソース端子間の電流を、10マイクロアンペヤ未満、好ましくは0.1マイクロアンペア未満にすることができる。 When the electron carrier concentration is less than 10 18 / cm 3 , preferably less than 10 16 / cm 3 , the current between the drain and source terminals when off (when no gate voltage is applied) is less than 10 microamperes, Preferably it can be less than 0.1 microamperes.

また、該膜を用いれば、電子移動度が1cm/(V・秒)超、好ましくは5cm/(V・秒)超の時は、ピンチオフ後の飽和電流を10マイクロアンペア超にでき、オン・オフ比を10超とすることができる。 When the film is used, when the electron mobility is more than 1 cm 2 / (V · sec), preferably more than 5 cm 2 / (V · sec), the saturation current after pinch-off can be more than 10 microamperes, The on / off ratio can be greater than 10 3 .

TFTでは、ピンチオフ状態では、ゲート端子に高電圧が印加され、チャネル中には高密度の電子が存在している。
したがって、本発明によれば、電子移動度が増加した分だけ、より飽和電流値を大きくすることができる。この結果、オン・オフ比の増大、飽和電流の増大、スイッチング速度の増大など、トランジスタ特性の向上が期待できる。
In the TFT, in a pinch-off state, a high voltage is applied to the gate terminal, and high-density electrons exist in the channel.
Therefore, according to the present invention, the saturation current value can be further increased by the amount of increase in electron mobility. As a result, improvements in transistor characteristics such as an increase in on / off ratio, an increase in saturation current, and an increase in switching speed can be expected.

なお、通常の化合物中では、電子数が増大すると、電子間の衝突により、電子移動度は減少する。   In a normal compound, when the number of electrons increases, electron mobility decreases due to collisions between electrons.

なお、上記TFTの構造としては、半導体チャネル層の上にゲート絶縁膜とゲート端子を順に形成するスタガ(トップゲート)構造や、ゲート端子の上にゲート絶縁膜と半導体チャネル層を順に形成する逆スタガ(ボトムゲート)構造を用いることができる。
(第1の成膜法:PLD法)
結晶状態における組成がInGaO3(ZnO)m(mは6未満の自然数)で表される非晶質酸化物薄膜は、mの値が6未満の場合は、800℃以上の高温まで、非晶質状態が安定に保たれる。しかし、mの値が大きくなるにつれ、すなわち、InGaO3に対するZnOの比が増大して、ZnO組成に近づくにつれ、結晶化しやすくなる。
The TFT structure includes a stagger (top gate) structure in which a gate insulating film and a gate terminal are sequentially formed on a semiconductor channel layer, or a reverse structure in which a gate insulating film and a semiconductor channel layer are sequentially formed on a gate terminal. A staggered (bottom gate) structure can be used.
(First film formation method: PLD method)
An amorphous oxide thin film whose composition in the crystalline state is represented by InGaO 3 (ZnO) m (m is a natural number less than 6) is amorphous up to a high temperature of 800 ° C. or higher when the value of m is less than 6. Quality condition is kept stable. However, as the value of m increases, that is, the ratio of ZnO to InGaO 3 increases, and as it approaches the ZnO composition, it becomes easier to crystallize.

したがって、非晶質TFTのチャネル層としては、mの値が6未満であることが好ましい。   Therefore, the value of m is preferably less than 6 for the channel layer of the amorphous TFT.

成膜方法は、InGaO3(ZnO)m組成を有する多結晶焼結体をターゲットとして、気相成膜法を用いるのが良い。気相成膜法の中でも、スパッタ法、パルスレーザー蒸着法が適している。さらに、量産性の観点から、スパッタ法が最も適している。 As a film forming method, a vapor phase film forming method is preferably used with a polycrystalline sintered body having an InGaO 3 (ZnO) m composition as a target. Of the vapor deposition methods, sputtering and pulsed laser deposition are suitable. Furthermore, the sputtering method is most suitable from the viewpoint of mass productivity.

しかしながら、通常の条件で該非晶質膜を作成すると、主として酸素欠損が生じ、これまで、電子キャリア濃度を1018/cm未満、電気伝導度にして、10S/cm以下にすることができなかった。そうした膜を用いた場合、ノーマリーオフのトランジスタを構成することができない。 However, when the amorphous film is formed under normal conditions, oxygen vacancies mainly occur, and until now, the electron carrier concentration has been less than 10 18 / cm 3 and the electric conductivity has not been reduced to 10 S / cm or less. It was. When such a film is used, a normally-off transistor cannot be formed.

本発明者らは、図14で示される装置により、パルスレーザー蒸着法で作製したIn-Ga-Zn-Oを作製した。図14に示すようなPLD成膜装置を用いて、成膜を行った。
同図において、701はRP(ロータリーポンプ)、702はTMP(ターボ分子ポンプ)、703は準備室、704はRHEED用電子銃、705は基板を回転、上下移動するための基板保持手段である。また、706はレーザー入射窓、707は基板、708はターゲット、709はラジカル源、710はガス導入口、711はターゲットを回転、上下移動するためのターゲット保持手段、712はバイパスラインである。また、713はメインライン、714はTMP(ターボ分子ポンプ)、715はRP(ロータリーポンプ)、716はチタンゲッターポンプ、717はシャッターである。また、図中718はIG(イオン真空計)、719はPG(ピラニ真空計)、720はBG(バラトロン真空計)、721は成長室(チャンバー)である。
The present inventors produced In—Ga—Zn—O produced by a pulse laser deposition method using the apparatus shown in FIG. Film formation was performed using a PLD film formation apparatus as shown in FIG.
In the figure, 701 is an RP (rotary pump), 702 is a TMP (turbo molecular pump), 703 is a preparation chamber, 704 is an RHEED electron gun, and 705 is a substrate holding means for rotating and moving the substrate up and down. 706 is a laser incident window, 707 is a substrate, 708 is a target, 709 is a radical source, 710 is a gas inlet, 711 is a target holding means for rotating and moving the target up and down, and 712 is a bypass line. Reference numeral 713 denotes a main line, 714 denotes a TMP (turbo molecular pump), 715 denotes an RP (rotary pump), 716 denotes a titanium getter pump, and 717 denotes a shutter. In the figure, 718 is an IG (ion vacuum gauge), 719 is a PG (Pirani vacuum gauge), 720 is a BG (Baratron vacuum gauge), and 721 is a growth chamber (chamber).

KrFエキシマレーザーを用いたパルスレーザー蒸着法により、SiO2ガラス基板(コーニング社製1737)上にIn-Ga-Zn-O系アモルファス酸化物半導体薄膜を堆積させた。堆積前の処理として、基板の超音波による脱脂洗浄を、アセトン, エタノール, 超純水を用いて、各5分間行った後、空気中100℃で乾燥させた。前記多結晶ターゲットには、InGaO3(ZnO)焼結体ターゲット(サイズ 20mmΦ5mmt)を用いた。これは、出発原料として、In2O3:Ga2O3:ZnO(各4N試薬)を湿式混合した後(溶媒:エタノール)、仮焼(1000 ℃: 2h)、乾式粉砕、本焼結(1550 ℃: 2h)を経て得られるものである。こうして作製したターゲットの電気伝導度は、90 (S/cm)であった。 An In-Ga-Zn-O amorphous oxide semiconductor thin film was deposited on a SiO 2 glass substrate (Corning 1737) by pulsed laser deposition using a KrF excimer laser. As a pre-deposition treatment, the substrate was degreased and cleaned with ultrasonic waves for 5 minutes each using acetone, ethanol, and ultrapure water, and then dried at 100 ° C. in air. As the polycrystalline target, an InGaO 3 (ZnO) 4 sintered body target (size 20 mmΦ5 mmt) was used. This is because, as a starting material, In 2 O 3 : Ga 2 O 3 : ZnO (each 4N reagent) is wet-mixed (solvent: ethanol), calcined (1000 ° C .: 2 h), dry pulverized, main sintered ( 1550 ° C: 2 hours). The electric conductivity of the target thus prepared was 90 (S / cm).

成長室の到達真空を2×10-6(Pa)にして、成長中の酸素分圧を6.5 (Pa)に制御して成膜を行った。チャンバー721内酸素分圧は6.5Pa、基板温度は25℃である。なお、ターゲット708と被成膜基板707間の距離は、30 (mm)であり、入射窓716から入射されるKrFエキシマレーザーのパワーは、1.5-3 (mJ/cm/pulse)の範囲である。また、パルス幅は、20 (nsec)、繰り返し周波数は10 (Hz)、そして照射スポット径は、1 × 1 (mm角)とした。こうして、成膜レート7 (nm/min)で成膜を行った。
得られた薄膜について、薄膜のすれすれ入射X線回折(薄膜法、入射角 0.5度)を行ったところ、明瞭な回折ピークは認めらなかったことから、作製したIn-Ga-Zn-O系薄膜はアモルファスであるといえる。
The film was formed while the ultimate vacuum in the growth chamber was 2 × 10 −6 (Pa) and the oxygen partial pressure during growth was controlled to 6.5 (Pa). The partial pressure of oxygen in the chamber 721 is 6.5 Pa, and the substrate temperature is 25 ° C. The distance between the target 708 and the film formation substrate 707 is 30 (mm), and the power of the KrF excimer laser incident from the incident window 716 is 1.5-3 (mJ / cm 2 / pulse). It is a range. The pulse width was 20 (nsec), the repetition frequency was 10 (Hz), and the irradiation spot diameter was 1 × 1 (mm square). Thus, film formation was performed at a film formation rate of 7 (nm / min).
The thin film obtained was subjected to grazing incidence X-ray diffraction (thin film method, incident angle 0.5 degree) of the thin film, and no clear diffraction peak was observed. Thus, the produced In-Ga-Zn-O thin film Can be said to be amorphous.

さらに、X線反射率測定を行い、パターンの解析を行った結果、薄膜の平均二乗粗さ(Rrms)は約0.5 nmであり、膜厚は約120 nmであることが分かった。蛍光X線(XRF)分析の結果、薄膜の金属組成比はIn : Ga : Zn = 0.98 : 1.02 : 4であった。
電気伝導度は、約10-2 S/cm未満であった。電子キャリア濃度は約1016/cm3以下、電子移動度は約5cm2/(V・秒)と推定される。
光吸収スペクトルの解析から、作製したアモルファス薄膜の禁制帯エネルギー幅は、約3 eVと求まった。以上のことから、作製したIn-Ga-Zn-O系薄膜は、結晶のInGaO3(ZnO)の組成に近いアモルファス相を呈しており、酸素欠損が少なく、電気伝導度が小さな透明な平坦薄膜であることが分かった。
具体的に図1を用いて説明する。同図は、In-Ga-Zn-Oから構成され、結晶状態を仮定した時の組成がInGaO3(ZnO)m(mは6未満の数)で表される透明アモルファス酸化物薄膜を本実施例と同じ条件下で作成する場合の特性を示したものである。そして、図1の特性図は、酸素分圧を変化させた場合に、成膜された酸化物の電子キャリア濃度の変化を示したものである。
本実施例と同じ条件下で酸素分圧を4.5Pa超の高い雰囲気中で、成膜することにより、図1に示すように、電子キャリア濃度を1018/cm未満に低下させることができた。この場合、基板の温度は意図的に加温しない状態で、ほぼ室温に維持されている。フレキシブルなプラスチックフィルムを基板として使用するには、基板温度は100℃未満に保つことが好ましい。
Furthermore, as a result of measuring the X-ray reflectivity and analyzing the pattern, it was found that the mean square roughness (Rrms) of the thin film was about 0.5 nm and the film thickness was about 120 nm. As a result of X-ray fluorescence (XRF) analysis, the metal composition ratio of the thin film was In: Ga: Zn = 0.98: 1.02: 4.
The electrical conductivity was less than about 10-2 S / cm. The electron carrier concentration is estimated to be about 10 16 / cm 3 or less, and the electron mobility is estimated to be about 5 cm 2 / (V · sec).
From the analysis of the light absorption spectrum, the energy band gap of the fabricated amorphous thin film was found to be about 3 eV. From the above, the fabricated In-Ga-Zn-O-based thin film exhibits an amorphous phase close to the composition of crystalline InGaO 3 (ZnO) 4 , has a small oxygen deficiency, and has a low electrical conductivity and is a transparent flat surface. It turned out to be a thin film.
This will be specifically described with reference to FIG. This figure shows a transparent amorphous oxide thin film composed of In-Ga-Zn-O and having a composition expressed by InGaO 3 (ZnO) m (m is a number less than 6) assuming a crystalline state. It shows the characteristics when created under the same conditions as the example. The characteristic diagram of FIG. 1 shows the change in the electron carrier concentration of the deposited oxide when the oxygen partial pressure is changed.
By forming a film in an atmosphere where the oxygen partial pressure is higher than 4.5 Pa under the same conditions as in this example, the electron carrier concentration can be reduced to less than 10 18 / cm 3 as shown in FIG. did it. In this case, the temperature of the substrate is maintained at substantially room temperature without intentionally heating. In order to use a flexible plastic film as a substrate, the substrate temperature is preferably kept below 100 ° C.

酸素分圧をさらに大きくすると、電子キャリア濃度をさらに低下させることができる。例えば、図1に示す様に、基板温度25℃、酸素分圧5Paで成膜したInGaO3(ZnO)薄膜では、さらに、電子キャリア数を1016/cmに低下させることができた。
得られた薄膜は、図2に示す様に、電子移動度が1cm/(V・秒)超であった。しかし、本実施例のパルスレーザー蒸着法では、酸素分圧を6.5Pa以上にすると、堆積した膜の表面が凸凹となり、TFTのチャネル層として用いることが困難となる。
If the oxygen partial pressure is further increased, the electron carrier concentration can be further reduced. For example, as shown in FIG. 1, in the InGaO 3 (ZnO) 4 thin film formed at a substrate temperature of 25 ° C. and an oxygen partial pressure of 5 Pa, the number of electron carriers could be further reduced to 10 16 / cm 3 .
The obtained thin film had an electron mobility of more than 1 cm 2 / (V · sec) as shown in FIG. However, in the pulse laser vapor deposition method of the present embodiment, when the oxygen partial pressure is set to 6.5 Pa or more, the surface of the deposited film becomes uneven, making it difficult to use it as a TFT channel layer.

従って、酸素分圧4.5Pa超、望ましくは5Pa超、6.5Pa未満の雰囲気で、パルスレーザー蒸着法で、結晶状態における組成InGaO3(ZnO)m(mは6未満の数)で表される透明アモルファス酸化物薄膜を用いれば、ノーマリーオフのトランジスタを構成できる。
また、該薄膜の電子移動度は、1cm/V・秒超が得られ、オン・オフ比を10超に大きくすることができた。
以上、説明したように、本実施例に示した条件下でPLD法によりInGaZn酸化物の成膜を行う場合は、酸素分圧を4.5Pa以上6.5Pa未満になるように制御することが望ましい。
なお、電子キャリア濃度を1018/cm未満を実現するためには、酸素分圧の条件、成膜装置の構成や、成膜する材料や組成などに依存する。
Therefore, it is expressed by the composition InGaO 3 (ZnO) m (m is a number of less than 6) in a crystalline state by pulse laser deposition in an atmosphere having an oxygen partial pressure of more than 4.5 Pa, desirably more than 5 Pa and less than 6.5 Pa. If a transparent amorphous oxide thin film is used, a normally-off transistor can be formed.
Further, the electron mobility of the thin film was obtained to exceed 1 cm 2 / V · second, and the on / off ratio could be increased to more than 10 3 .
As described above, when an InGaZn oxide film is formed by the PLD method under the conditions shown in this embodiment, the oxygen partial pressure can be controlled to be 4.5 Pa or more and less than 6.5 Pa. desirable.
Note that, in order to realize the electron carrier concentration of less than 10 18 / cm 3 , the electron carrier concentration depends on the oxygen partial pressure conditions, the configuration of the film formation apparatus, the material and composition of the film formation, and the like.

次に、上記装置における酸素分圧6.5Paの条件で、アモルファス酸化物を作製し、図5に示すトップゲート型MISFET素子を作製した。具体的には、まず、ガラス基板(1)上に上記のアモルファスIn-Ga-Zn-O薄膜の作製法により、チャンネル層(2)として用いる厚さ120nmの半絶縁性アモルファスInGaO3(ZnO)膜を形成した。
さらにその上に、チャンバー内酸素分圧を1Pa未満にして、パルスレーザー堆積法により電気伝導度の大きなInGaO3(ZnO)及び金膜をそれぞれ30nm積層した。そして、フォトリゾグラフィー法とリフトオフ法により、ドレイン端子(5)及びソース端子(6)を形成した。最後にゲート絶縁膜(3)として用いるY2O3膜を電子ビーム蒸着法により成膜し(厚み:90nm、比誘電率:約15、リーク電流密度:0.5 MV/cm印加時に10-3 A/cm2)、その上に金を成膜した。そして、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート端子(4)を形成した。
MISFET素子の特性評価
図6に、室温下で測定したMISFET素子の電流−電圧特性を示す。ドレイン電圧VDSの増加に伴い、ドレイン電流IDSが増加したことからチャネルがn型半導体であることが分かる。これは、アモルファスIn-Ga-Zn-O系半導体がn型であるという事実と矛盾しない。IDSはVDS= 6 V程度で飽和(ピンチオフ)する典型的な半導体トランジスタの挙動を示した。利得特性を調べたところ、VDS = 4 V印加時におけるゲート電圧VGSの閾値は約-0.5 Vであった。また、VG=10 V時には、IDS=1.0 × 10-5Aの電流が流れた。これはゲートバイアスにより絶縁体のIn-Ga-Zn-O系アモルファス半導体薄膜内にキャリアを誘起できたことに対応する。
Next, an amorphous oxide was produced under the condition of an oxygen partial pressure of 6.5 Pa in the above apparatus, and a top gate type MISFET element shown in FIG. 5 was produced. Specifically, first, a semi-insulating amorphous InGaO 3 (ZnO) having a thickness of 120 nm used as a channel layer (2) is formed on the glass substrate (1) by the above-described method for producing an amorphous In—Ga—Zn—O thin film. Four films were formed.
Further, an InGaO 3 (ZnO) 4 film and a gold film having a large electric conductivity were stacked in a thickness of 30 nm by a pulse laser deposition method with an oxygen partial pressure in the chamber of less than 1 Pa. Then, the drain terminal (5) and the source terminal (6) were formed by the photolithography method and the lift-off method. Finally, a Y 2 O 3 film used as the gate insulating film (3) is formed by electron beam evaporation (thickness: 90 nm, relative dielectric constant: about 15, leakage current density: 10 -3 A when 0.5 MV / cm is applied) / cm 2 ), and a gold film was formed thereon. And the gate terminal (4) was formed by the photolithographic method and the lift-off method.
FIG. 6 shows the current-voltage characteristics of the MISFET element measured at room temperature. As the drain voltage V DS increases, the drain current I DS increases, which indicates that the channel is an n-type semiconductor. This is consistent with the fact that amorphous In-Ga-Zn-O based semiconductors are n-type. I DS shows the behavior of a typical semiconductor transistor that saturates (pinch off) at about V DS = 6 V. When the gain characteristic was examined, the threshold value of the gate voltage V GS when V DS = 4 V was applied was about −0.5 V. When V G = 10 V, a current of I DS = 1.0 × 10 −5 A flowed. This corresponds to the fact that carriers can be induced in the In-Ga-Zn-O amorphous semiconductor thin film of the insulator by the gate bias.

トランジスタのオン・オフ比は、10超であった。また、出力特性から電界効果移動度を算出したところ、飽和領域において約7cm2(Vs)-1の電界効果移動度が得られた。作製した素子に可視光を照射して同様の測定を行なったが、トランジスタ特性の変化は認められなかった。
本実施例によれば、電子キャリア濃度が小さく、したがって、電気抵抗が高く、かつ電子移動度が大きいチャネル層を有する薄膜トランジスタを実現できる。
なお、上記したアモルファス酸化物は、電子キャリア濃度の増加と共に、電子移動度が増加し、さらに縮退伝導を示すという優れた特性を備えていた。
本実施例では、ガラス基板上に薄膜トランジスタを作製したが、成膜自体が室温で行えるので、プラスチック板やフィルムなどの基板が使用可能である。 また、本実施例で得られたアモルファス酸化物は、可視光の光吸収が殆どなく、透明なフレキシブルTFTを実現できる。
The on / off ratio of the transistor was more than 10 3 . When the field effect mobility was calculated from the output characteristics, a field effect mobility of about 7 cm 2 (Vs) −1 was obtained in the saturation region. A similar measurement was performed by irradiating the fabricated device with visible light, but no change in transistor characteristics was observed.
According to this embodiment, it is possible to realize a thin film transistor having a channel layer having a low electron carrier concentration, a high electrical resistance, and a high electron mobility.
The above-described amorphous oxide had excellent characteristics that the electron mobility increased with an increase in the electron carrier concentration and further exhibited degenerate conduction.
In this embodiment, a thin film transistor is formed on a glass substrate. However, since the film formation itself can be performed at room temperature, a substrate such as a plastic plate or a film can be used. Further, the amorphous oxide obtained in this example hardly absorbs visible light and can realize a transparent flexible TFT.

(第2の成膜法:スパッタ法(SP法))
雰囲気ガスとしてアルゴンガスを用いた高周波SP法により、成膜する場合について説明する。
SP法は、図15に示す装置を用いて行った。同図において、807は被成膜基板、808はターゲット、805は冷却機構付き基板保持手段、814は、ターボ分子ポンプ、815はロータリーポンプ、817はシャッターである。また、818はイオン真空計、819はピラニ真空計、821は成長室(チャンバー)、830はゲートバルブである。 被成膜基板807としては、SiO2ガラス基板(コーニング社製1737)を用意した。成膜前処理として、この基板の超音波脱脂洗浄を、アセトン、エタノール、超純水により各5分ずつ行った後、空気中100℃で乾燥させた。
ターゲット材料としては、InGaO(ZnO)組成を有する多結晶焼結体(サイズ 20mmΦ5mmt)を用いた。
(Second film formation method: sputtering method (SP method))
A case where a film is formed by a high-frequency SP method using argon gas as an atmosphere gas will be described.
The SP method was performed using the apparatus shown in FIG. In the figure, reference numeral 807 denotes a film formation substrate, 808 denotes a target, 805 denotes a substrate holding means with a cooling mechanism, 814 denotes a turbo molecular pump, 815 denotes a rotary pump, and 817 denotes a shutter. Reference numeral 818 denotes an ion vacuum gauge, 819 denotes a Pirani vacuum gauge, 821 denotes a growth chamber (chamber), and 830 denotes a gate valve. As the film formation substrate 807, a SiO 2 glass substrate (1737 manufactured by Corning) was prepared. As pre-deposition treatment, the substrate was subjected to ultrasonic degreasing and cleaning with acetone, ethanol, and ultrapure water for 5 minutes each and then dried at 100 ° C. in air.
As a target material, a polycrystalline sintered body (size 20 mmΦ5 mmt) having an InGaO 3 (ZnO) 4 composition was used.

この焼結体は、出発原料として、In2O3:Ga2O3:ZnO(各4N試薬)を湿式混合(溶媒:エタノール)し、仮焼(1000 ℃: 2h)、乾式粉砕、本焼結(1550 ℃: 2h)を経て作製した。このターゲット808の電気伝導度は90 (S/cm)であり、半絶縁体状態であった。 In this sintered body, as a starting material, In 2 O 3 : Ga 2 O 3 : ZnO (each 4N reagent) is wet-mixed (solvent: ethanol), calcined (1000 ° C .: 2 h), dry pulverized, main-fired It was produced after crystallization (1550 ° C: 2h). The electric conductivity of the target 808 was 90 (S / cm) and was in a semi-insulating state.

成長室821内の到達真空は、1×10-4 (Pa)であり、成長中の酸素ガスとアルゴンガスの全圧は、4〜0.1×10−1(Pa)の範囲での一定の値とした。そして、アルゴンガスと酸素との分圧比を変えて、酸素分圧を10−3〜2×10−1(Pa)の範囲で変化させた。 The ultimate vacuum in the growth chamber 821 is 1 × 10 −4 (Pa), and the total pressure of oxygen gas and argon gas during growth is constant in the range of 4 to 0.1 × 10 −1 (Pa). The value of And the partial pressure ratio of argon gas and oxygen was changed, and the oxygen partial pressure was changed in the range of 10 < -3 > -2 * 10 <-1> (Pa).

また、基板温度は、室温とし、ターゲット808と被成膜基板807間の距離は、30 (mm)であった。   The substrate temperature was room temperature, and the distance between the target 808 and the deposition target substrate 807 was 30 (mm).

投入電力は、RF180 Wであり、成膜レートは、10 (nm/min)で行った。
得られた膜に関し、膜面にすれすれ入射X線回折(薄膜法、入射角 0.5度)を行ったところ、明瞭な回折ピークは検出されず、作製したIn−Zn−Ga−O系膜はアモルファス膜であることが示された。
The input power was RF 180 W, and the film formation rate was 10 (nm / min).
With respect to the obtained film, grazing incidence X-ray diffraction (thin film method, incident angle 0.5 degree) was performed on the film surface, but no clear diffraction peak was detected, and the produced In—Zn—Ga—O-based film was amorphous. It was shown to be a membrane.

さらに、X線反射率測定を行い、パターンの解析を行った結果、薄膜の平均二乗粗さ(Rrms)は約0.5nmであり、膜厚は約120nmであることが分かった。蛍光X線(XRF)分析の結果、薄膜の金属組成比はIn : Ga : Zn = 0.98 : 1.02 : 4であった。   Furthermore, as a result of measuring the X-ray reflectivity and analyzing the pattern, it was found that the mean square roughness (Rrms) of the thin film was about 0.5 nm and the film thickness was about 120 nm. As a result of X-ray fluorescence (XRF) analysis, the metal composition ratio of the thin film was In: Ga: Zn = 0.98: 1.02: 4.

成膜時の雰囲気の酸素分圧を変化させ、得られたアモルファス酸化物膜の電気伝導度を測定した。その結果を図3に示す。
図3に示すように、酸素分圧を3×10-2Pa超の高い雰囲気中で、成膜することにより、電気伝導度を10S/cm未満に低下させることができた。
酸素分圧をさらに大きくすることにより、電子キャリア数を低下させることができた。
例えば、図3に示す様に、基板温度25℃、酸素分圧10-1Paで成膜したInGaO3(ZnO)薄膜では、さらに、電気伝導度を約10-10S/cmに低下させることができた。また、酸素分圧10-1Pa超で成膜したInGaO3(ZnO)薄膜は、電気抵抗が高すぎて電気伝導度は測定できなかった。この場合、電子移動度は測定できなかったが、電子キャリア濃度が大きな膜での値から外挿して、電子移動度は、約1cm/V・秒と推定された。
The oxygen partial pressure of the atmosphere during film formation was changed, and the electrical conductivity of the obtained amorphous oxide film was measured. The result is shown in FIG.
As shown in FIG. 3, the electrical conductivity could be reduced to less than 10 S / cm by forming a film in an atmosphere having a high oxygen partial pressure exceeding 3 × 10 −2 Pa.
By further increasing the oxygen partial pressure, the number of electron carriers could be reduced.
For example, as shown in FIG. 3, in an InGaO 3 (ZnO) 4 thin film formed at a substrate temperature of 25 ° C. and an oxygen partial pressure of 10 −1 Pa, the electrical conductivity is further reduced to about 10 −10 S / cm. I was able to. In addition, the InGaO 3 (ZnO) 4 thin film formed at an oxygen partial pressure exceeding 10 −1 Pa had an electrical resistance that was too high to measure the electrical conductivity. In this case, although the electron mobility could not be measured, the electron mobility was estimated to be about 1 cm 2 / V · second by extrapolating from the value in the film having a high electron carrier concentration.

トランジスタに酸素分圧3×10-2Pa超、望ましくは5×10-1Pa超のアルゴンガス雰囲気で、スパッタ蒸着法で作製したIn-Ga-Zn-Oから構成され、結晶状態における組成InGaO3(ZnO)m(mは6未満の自然数)で表される透明アモルファス酸化物薄膜を用いた。その結果、ノーマリーオフで、かつオン・オフ比を10超のトランジスタを構成することができた。
本実施例で示した装置、材料を用いる場合は、スパッタによる成膜の際の酸素分圧としては、例えば、3×10-2Pa以上、5×10-1Pa以下の範囲である。なお、パルスレーザー蒸着法およびスパッタ法で作成された薄膜では、図2に示す様に、伝導電子数の増加と共に、電子移動度が増加する。
The transistor is composed of In-Ga-Zn-O produced by sputter deposition in an argon gas atmosphere with an oxygen partial pressure of more than 3 × 10 -2 Pa, preferably more than 5 × 10 -1 Pa. A transparent amorphous oxide thin film represented by 3 (ZnO) m (m is a natural number of less than 6) was used. As a result, a transistor having a normally-off and an on / off ratio exceeding 10 3 could be formed.
In the case of using the apparatus and materials shown in this embodiment, the oxygen partial pressure during film formation by sputtering is, for example, in the range of 3 × 10 −2 Pa to 5 × 10 −1 Pa. In the thin film formed by the pulse laser deposition method and the sputtering method, as shown in FIG. 2, the electron mobility increases as the number of conduction electrons increases.

上記のとおり、酸素分圧を制御することにより、酸素欠陥を低減でき、その結果、電子キャリア濃度を減少できる。また、アモルファス状態では、多結晶状態とは異なり、本質的に粒子界面が存在しないために、高電子移動度のアモルファス薄膜を得ることができる。   As described above, by controlling the oxygen partial pressure, oxygen defects can be reduced, and as a result, the electron carrier concentration can be reduced. In the amorphous state, unlike the polycrystalline state, there is essentially no particle interface, so that an amorphous thin film with high electron mobility can be obtained.

なお、ガラス基板の代わりに厚さ200μmのポリエチレン・テレフタレート(PET)フィルムを用いた場合にも、得られたInGaO(ZnO)アモルファス酸化物膜は、同様の特性を示した。 なお、ターゲットとして、多結晶InGaO3(Zn1-xMgO)m(mは6未満の自然数、0<x≦1)を用いれば、1Pa未満の酸素分圧下でも、高抵抗非晶質InGaO3(Zn1-xMgO)m膜を得ることができる。 Even when a polyethylene terephthalate (PET) film having a thickness of 200 μm was used instead of the glass substrate, the obtained InGaO 3 (ZnO) 4 amorphous oxide film showed similar characteristics. If polycrystalline InGaO 3 (Zn 1-x Mg x O) m (m is a natural number less than 6 and 0 <x ≦ 1) is used as a target, a high-resistance amorphous material even under an oxygen partial pressure of less than 1 Pa. An InGaO 3 (Zn 1-x Mg x O) m film can be obtained.

例えば、Znを80at%のMgで置換したターゲットを使用した場合、酸素分圧0.8Paの雰囲気で、パルスレーザー堆積法で得られた膜の電子キャリア濃度を1016/cm未満とすることができる(電気抵抗値は、約10-2S/cmである。)。 For example, when a target in which Zn is replaced with 80 at% Mg is used, the electron carrier concentration of the film obtained by the pulse laser deposition method is less than 10 16 / cm 3 in an atmosphere with an oxygen partial pressure of 0.8 Pa. (The electric resistance value is about 10 −2 S / cm).

こうした膜の電子移動度は、Mg無添加膜に比べて低下するが、その程度は少なく、室温での電子移動度は約5cm/(V・秒)で、アモルファスシリコンに比べて、1桁程度大きな値を示す。同じ条件で成膜した場合、Mg含有量の増加に対して、電気伝導度と電子移動度は、共に低下するので、Mgの含有量は、好ましくは、20%超、85%未満(xにして、0.2<x<0.85)である。 The electron mobility of such a film is lower than that of the Mg-free film, but the degree is small, and the electron mobility at room temperature is about 5 cm 2 / (V · sec), which is one digit that of amorphous silicon. A large value is shown. When the film is formed under the same conditions, both the electrical conductivity and the electron mobility decrease as the Mg content increases, so the Mg content is preferably more than 20% and less than 85% (x). 0.2 <x <0.85).

上記した非晶質酸化物膜を用いた薄膜トランジスタにおいて、Al、Y、HfO、又はそれらの化合物を少なくとも二つ以上含む混晶化合物をゲート絶縁膜とすることが好ましい。 In the thin film transistor using the above-described amorphous oxide film, a gate insulating film is preferably formed using a mixed crystal compound including at least two of Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , HfO 2 , or a compound thereof.

ゲート絶縁薄膜とチャネル層薄膜との界面に欠陥が存在すると、電子移動度の低下及びトランジスタ特性にヒステリシスが生じる。また、ゲート絶縁膜の種類により、リーク電流が大きく異なる。このために、チャネル層に適合したゲート絶縁膜を選定する必要がある。Al膜を用いれば、リーク電流を低減できる。また、Y膜を用いればヒステリシスを小さくできる。さらに、高誘電率のHfO膜を用いれば、電子移動度を大きくすることができる。また、これらの膜の混晶を用いて、リーク電流、ヒステリシスが小さく、電子移動度の大きなTFTを形成できる。また、ゲート絶縁膜形成プロセス及びチャネル層形成プロセスは、室温で行うことができるので、TFT構造として、スタガ構造及び逆スタガ構造いずれをも形成することができる。 If there is a defect at the interface between the gate insulating thin film and the channel layer thin film, the electron mobility is lowered and the transistor characteristics are hysteresis. Further, the leakage current varies greatly depending on the type of the gate insulating film. For this purpose, it is necessary to select a gate insulating film suitable for the channel layer. If an Al 2 O 3 film is used, leakage current can be reduced. Further, the hysteresis can be reduced by using a Y 2 O 3 film. Further, if a high dielectric constant HfO 2 film is used, the electron mobility can be increased. Further, by using mixed crystals of these films, a TFT with small leakage current and hysteresis and high electron mobility can be formed. In addition, since the gate insulating film formation process and the channel layer formation process can be performed at room temperature, both a staggered structure and an inverted staggered structure can be formed as the TFT structure.

このように形成したTFTは、ゲート端子、ソース端子、及び、ドレイン端子を備えた3端子素子である。そして、このTFTはセラミックス、ガラス、又はプラスチックなどの絶縁基板上に成膜した半導体薄膜を、電子又はホールが移動するチャネル層として用いたものである。さらにこのTFTは、ゲート端子に電圧を印加して、チャンネル層に流れる電流を制御し、ソース端子とドレイン端子間の電流をスイッチングする機能を有するアクテイブ素子である。   The TFT thus formed is a three-terminal element having a gate terminal, a source terminal, and a drain terminal. In this TFT, a semiconductor thin film formed on an insulating substrate such as ceramic, glass, or plastic is used as a channel layer through which electrons or holes move. Further, the TFT is an active element having a function of switching a current between the source terminal and the drain terminal by applying a voltage to the gate terminal to control a current flowing in the channel layer.

なお、酸素欠損量を制御して所望の電子キャリア濃度を達成できていることが本発明においては重要である。   It is important in the present invention that the desired electron carrier concentration can be achieved by controlling the oxygen deficiency.

上記記載においては、非晶質酸化物膜の酸素量(酸素欠損量)の制御を、成膜時に酸素を所定濃度含む雰囲気中で行うことで制御している。しかし、成膜後、当該酸化物膜を酸素を含む雰囲気中で後処理して酸素欠損量を制御(低減あるいは増加)することも好ましいものである。   In the above description, the amount of oxygen (oxygen deficiency) in the amorphous oxide film is controlled by performing it in an atmosphere containing oxygen at a predetermined concentration during film formation. However, it is also preferable to control (reduce or increase) the amount of oxygen vacancies after film formation by post-processing the oxide film in an atmosphere containing oxygen.

効果的に酸素欠損量を制御するには、酸素を含む雰囲気中の温度を0℃以上300℃以下、好ましくは、25℃以上、250℃以下、更に好ましくは100℃以上200℃以下で行うのがよい。   In order to effectively control the oxygen deficiency, the temperature in the atmosphere containing oxygen is 0 ° C. or higher and 300 ° C. or lower, preferably 25 ° C. or higher and 250 ° C. or lower, more preferably 100 ° C. or higher and 200 ° C. or lower. Is good.

勿論、成膜時にも酸素を含む雰囲気中で行い、且つ成膜後の後処理でも酸素を含む雰囲気中で後処理してもよい。また、所定の電子キャリア濃度(1018/cm未満)を得られるのであれば、成膜時には、酸素分圧制御は行わないで、成膜後の後処理を酸素を含む雰囲気中で行ってもよい。 Needless to say, the film formation may be performed in an atmosphere containing oxygen, and the post-treatment after the film formation may be performed in the atmosphere containing oxygen. If a predetermined electron carrier concentration (less than 10 18 / cm 3 ) can be obtained, oxygen partial pressure control is not performed during film formation, and post-treatment after film formation is performed in an atmosphere containing oxygen. Also good.

なお、本発明における電子キャリア濃度の下限としては、得られる酸化物膜をどのような素子や回路あるいは装置に用いるかにもよるが、例えば1014/cm以上である。
(材料系の拡大)
さらに、組成系を拡大して研究を進めた結果、Zn,In及びSnのうち、少なくとも1種類の元素の酸化物からなるアモルファス酸化物で、電子キャリア濃度が小さく、かつ電子移動度が大きいアモルファス酸化物膜を作製できることを見出した。
Note that the lower limit of the electron carrier concentration in the present invention is, for example, 10 14 / cm 3 or more, although it depends on what kind of element, circuit or device the oxide film obtained is used for.
(Expansion of materials)
Furthermore, as a result of expanding the composition system and researching it, an amorphous oxide composed of an oxide of at least one of Zn, In and Sn, an amorphous material with a low electron carrier concentration and a high electron mobility. It has been found that an oxide film can be produced.

また、このアモルファス酸化物膜は、伝導電子数の増加と共に、電子移動度が大きくなるという特異な特性を有することを見出した。   Further, the present inventors have found that this amorphous oxide film has a unique characteristic that the electron mobility increases as the number of conduction electrons increases.

その膜を用いてTFTを作成し、オン・オフ比、ピンチオフ状態での飽和電流、スイッチ速度などのトランジスタ特性に優れたノーマリーオフ型のTFTを作成できる。   A TFT is formed using the film, and a normally-off type TFT excellent in transistor characteristics such as an on / off ratio, a saturation current in a pinch-off state, and a switch speed can be formed.

上記のZn,In及びSnのうち、少なくとも1種類の元素を含むアモルファス酸化物に、以下の元素を含む複合酸化物を構成できる。   Of the above Zn, In, and Sn, a composite oxide containing the following elements can be formed on an amorphous oxide containing at least one element.

Znより原子番号の小さい2族元素M2(M2は、Mg,Ca)、Inより原子番号の小さい3属元素M3(M3は、B,Al、Ga、Y),Snより小さい原子番号の小さい4属元素M4(M4は、Si,Ge,Zr)、5属元素M5(M5は、V,Nb,Ta)およびLu、Wのうち、少なくとも1種類の元素である。   Group 2 element M2 having an atomic number smaller than Zn (M2 is Mg, Ca), Group 3 element M3 having an atomic number smaller than In (M3 is B, Al, Ga, Y), and an atomic number smaller than Sn 4 The genus element M4 (M4 is Si, Ge, Zr), the genus element M5 (M5 is V, Nb, Ta) and at least one element of Lu and W.

本発明には、以下(a)から(h)の特徴を有する酸化物を用いることができる。
(a) 室温での電子キャリア濃度が、1018/cm未満のアモルファス酸化物。
(b) 電子キャリア濃度が増加すると共に、電子移動度が増加することを特徴とするアモルファス酸化物。
In the present invention, an oxide having the following characteristics (a) to (h) can be used.
(A) An amorphous oxide having an electron carrier concentration at room temperature of less than 10 18 / cm 3 .
(B) An amorphous oxide characterized by an increase in electron carrier concentration and an increase in electron mobility.

なおここで、室温とは0℃から40℃程度の温度をいう。アモルファスとは、X線回折スペクトルにおいて、ハローパターンのみが観測され、特定の回折線を示さない化合物をいう。また、ここでの電子移動度は、ホール効果測定で得られる電子移動度をいう。
(c) 室温での電子移動度が、0.1cm/V・秒超であることを特徴とする上記(a)又は(b)に記載されるアモルファス酸化物。
(d) 縮退伝導を示す上記(b)から(c)のいずれかに記載されるアモルファス酸化物である。なお、ここでの縮退伝導とは、電気抵抗の温度依存性における熱活性化エネルギーが、30meV以下の状態をいう。
(e) Zn, In及びSnのうち、少なくとも1種類の元素を構成成分として含む上記(a)から(d)のいずれかに記載されるアモルファス酸化物。
(f) 上記(e)に記載のアモルファス酸化物に、Znより原子番号の小さい2族元素M2(M2は、Mg,Ca)、Inより原子番号の小さい3属元素M3(M3は、B,Al、Ga、Y),Snより小さい原子番号の小さい4属元素M4(M4は、Si,Ge,Zr)、5属元素M5(M5は、V,Nb,Ta)およびLu、Wのうち、少なくとも1種類の元素を含むアモルファス酸化物膜。
(g) 結晶状態における組成がIn1−xM33(Zn1−yM2O)m(0≦x、y≦1、mは0又は6未満の自然数)である化合物単体又はmの異なる化合物の混合体である(a)から(f)のいずれかに記載のアモルファス酸化物膜。M3たとえば、Gaであり、M2は例えば、Mgである。
(h) ガラス基板、金属基板、プラスチック基板又はプラスチックフィルム上に設けた上記(a)から(g)記載のアモルファス酸化物膜。
Here, room temperature refers to a temperature of about 0 ° C. to 40 ° C. Amorphous refers to a compound in which only a halo pattern is observed in an X-ray diffraction spectrum and does not show a specific diffraction line. Moreover, the electron mobility here means the electron mobility obtained by Hall effect measurement.
(C) The amorphous oxide described in the above (a) or (b), wherein the electron mobility at room temperature is more than 0.1 cm 2 / V · sec.
(D) The amorphous oxide described in any one of (b) to (c) above showing degenerate conduction. Here, degenerate conduction refers to a state in which the thermal activation energy in the temperature dependence of electrical resistance is 30 meV or less.
(E) The amorphous oxide described in any one of (a) to (d) above, which contains at least one element of Zn, In, and Sn as a constituent component.
(F) To the amorphous oxide described in (e) above, the Group 2 element M2 having an atomic number smaller than Zn (M2 is Mg, Ca), the Group 3 element M3 having an atomic number smaller than In (M3 is B, Among Al, Ga, Y), Sn group 4 element M4 (M4 is Si, Ge, Zr), group 5 element M5 (M5 is V, Nb, Ta) and Lu, W An amorphous oxide film containing at least one element.
(G) the crystal composition in a state that In 1-x M3 x O 3 (Zn 1-y M2 y O) m (0 ≦ x, y ≦ 1, m is 0 or less than 6 natural number) is a compound alone or m The amorphous oxide film according to any one of (a) to (f), which is a mixture of different compounds. M3 is, for example, Ga, and M2 is, for example, Mg.
(h) The amorphous oxide film according to the above (a) to (g) provided on a glass substrate, metal substrate, plastic substrate or plastic film.

また、本発明は、(10)上記記載のアモルファス酸化物、又はアモルファス酸化物膜をチャネル層に用いた電界効果型トランジスタである。   The present invention is (10) a field effect transistor using the amorphous oxide or the amorphous oxide film described above as a channel layer.

なお、電子キャリア濃度が1018/cm未満、1015/cm超のアモルファス酸化物膜をチャネル層に用い、ソース端子、ドレイン端子及びゲート絶縁膜を介してゲート端子を配した電界効果型トランジスタを構成する。ソース・ドレイン端子間に5V程度の電圧を印加したとき、ゲート電圧を印加しないときのソース・ドレイン端子間の電流を約10−7アンペヤにすることができる。 Note that a field effect type in which an amorphous oxide film having an electron carrier concentration of less than 10 18 / cm 3 and more than 10 15 / cm 3 is used for a channel layer, and a gate terminal is arranged via a source terminal, a drain terminal, and a gate insulating film. A transistor is formed. When a voltage of about 5 V is applied between the source and drain terminals, the current between the source and drain terminals when no gate voltage is applied can be about 10 −7 ampere.

酸化物結晶の電子移動度は、金属イオンのs軌道の重なりが大きくなるほど、大きくなり、原子番号の大きなZn,In,Snの酸化物結晶は、0.1から200cm/(V・秒)の大きな電子移動度を持つ。 The electron mobility of the oxide crystal increases as the s orbital overlap of the metal ions increases, and the oxide crystal of Zn, In, Sn having a large atomic number has a value of 0.1 to 200 cm 2 / (V · sec). It has a large electron mobility.

さらに、酸化物では、酸素と金属イオンとがイオン結合している。   Further, in the oxide, oxygen and metal ions are ionically bonded.

そのため、化学結合の方向性がなく、構造がランダムで、結合の方向が不均一なアモルファス状態でも、電子移動度は、結晶状態の電子移動度に比較して、同程度の大きさを有することが可能となる。   Therefore, even in the amorphous state where there is no chemical bond directionality, the structure is random, and the bond direction is non-uniform, the electron mobility should be comparable to the electron mobility in the crystalline state. Is possible.

一方で、Zn,In,Snを原子番号の小さな元素で置換することにより、電子移動度は小さくなる、こうした結果により、本発明のよるアモルファス酸化物の電子移動度は、約0.01cm/(V・秒)から20cm/(V・秒)である。 On the other hand, by substituting Zn, In, and Sn with an element having a small atomic number, the electron mobility is reduced. As a result, the electron mobility of the amorphous oxide according to the present invention is about 0.01 cm 2 / (V · second) to 20 cm 2 / (V · second).

上記酸化物を用いてトランジスタのチャネル層を作製する場合、トランジスタにおいて、Al、Y、HfO、又はそれらの化合物を少なくとも二つ以上含む混晶化合物をゲート絶縁膜とすることが好ましい。 In the case where a channel layer of a transistor is formed using the above oxide, in the transistor, a mixed crystal compound containing at least two of Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , HfO 2 , or a compound thereof is used as a gate insulating film. It is preferable.

ゲート絶縁薄膜とチャネル層薄膜との界面に欠陥が存在すると、電子移動度の低下及びトランジスタ特性にヒステリシスが生じる。また、ゲート絶縁膜の種類により、リーク電流が大きく異なる。このために、チャネル層に適合したゲート絶縁膜を選定する必要がある。Al膜を用いれば、リーク電流を低減できる。また、Y膜を用いればヒステリシスを小さくできる。さらに、高誘電率のHfO膜を用いれば、電界効果移動度を大きくすることができる。また、これらの化合物の混晶からなる膜を用いて、リーク電流、ヒステリシスが小さく、電界効果移動度の大きなTFTを形成できる。また、ゲート絶縁膜形成プロセス及びチャネル層形成プロセスは、室温で行うことができるので、TFT構造として、スタガ構造及び逆スタガ構造いずれをも形成することができる。 If there is a defect at the interface between the gate insulating thin film and the channel layer thin film, the electron mobility is lowered and the transistor characteristics are hysteresis. Further, the leakage current varies greatly depending on the type of the gate insulating film. For this purpose, it is necessary to select a gate insulating film suitable for the channel layer. If an Al 2 O 3 film is used, leakage current can be reduced. Further, the hysteresis can be reduced by using a Y 2 O 3 film. Furthermore, if a high dielectric constant HfO 2 film is used, the field effect mobility can be increased. In addition, by using a film made of a mixed crystal of these compounds, a TFT with small leakage current and hysteresis and high field effect mobility can be formed. In addition, since the gate insulating film formation process and the channel layer formation process can be performed at room temperature, both a staggered structure and an inverted staggered structure can be formed as the TFT structure.

In酸化物膜は、気相法により成膜でき、成膜中の雰囲気に水分を、0.1Pa程度添加することにより、アモルファス膜が得られる。 The In 2 O 3 oxide film can be formed by a vapor phase method, and an amorphous film can be obtained by adding about 0.1 Pa of moisture to the atmosphere during film formation.

また、ZnO及びSnOは、アモルファス膜を得ることは難しいが、Inを、ZnOの場合には20原子量%程度、SnOの場合には、90原子量%程度添加することによりアモルファス膜を得ることができる。特に、Sn−In―O系アモルファス膜を得るためには、雰囲気中に窒素ガスを0.1Pa程度導入すればよい。 In addition, although it is difficult to obtain an amorphous film of ZnO and SnO 2 , an amorphous film can be obtained by adding In 2 O 3 to about 20 atomic% in the case of ZnO and about 90 atomic% in the case of SnO 2. Can be obtained. In particular, in order to obtain a Sn—In—O-based amorphous film, nitrogen gas may be introduced into the atmosphere at about 0.1 Pa.

上記のアモルファス膜に、Znより原子番号の小さい2族元素M2(M2は、Mg,Ca)、Inより原子番号の小さい3属元素M3(M3は、B、Al、Ga、Y),Snより小さい原子番号の小さい4属元素M4(M4は、Si,Ge,Zr)、5属元素M5(M5は、V,Nb,Ta)およびLu、Wのうち、少なくとも1種類の複合酸化物を構成する元素を添加できる。   From the group II element M2 (M2 is Mg, Ca) having an atomic number smaller than Zn, and the group 3 element M3 (M3 is B, Al, Ga, Y), Sn having an atomic number smaller than In Consists of at least one complex oxide of group 4 element M4 having a small atomic number (M4 is Si, Ge, Zr), group 5 element M5 (M5 is V, Nb, Ta) and Lu, W Can be added.

それにより、室温での、アモルファス膜をより安定化させることができる。また、アモルファス膜が得られる組成範囲を広げることができる。   Thereby, the amorphous film at room temperature can be further stabilized. Moreover, the composition range in which an amorphous film is obtained can be expanded.

特に、共有結合性の強い、B,Si,Geの添加は、アモルファス相安定化に有効であるし、イオン半径の差の大きいイオンから構成される複合酸化物は、アモルファス相が安定化する。   In particular, the addition of B, Si, and Ge, which has strong covalent bonding, is effective for stabilizing the amorphous phase, and the complex phase composed of ions having a large difference in ionic radius stabilizes the amorphous phase.

たとえば、In−Zn−O系では、Inが約20原子%超の組成範囲でないと、室温で安定なアモルファス膜は得難いが、MgをInと当量添加することにより、Inが約15原子量%超の組成範囲で、安定なアモルファス膜を得ることができる。   For example, in the case of the In—Zn—O system, it is difficult to obtain an amorphous film that is stable at room temperature unless In is in a composition range of more than about 20 atomic%. With this composition range, a stable amorphous film can be obtained.

気相法による成膜において、雰囲気を制御することにより、電子キャリア濃度が、1018/cm未満、1015/cm超のアモルファス酸化膜を得ることができる。 In film formation by a vapor phase method, an amorphous oxide film having an electron carrier concentration of less than 10 18 / cm 3 and more than 10 15 / cm 3 can be obtained by controlling the atmosphere.

アモルファス酸化物の成膜方法としては、パルスレーザー蒸着法(PLD法)、スパッタ法(SP法)及び電子ビーム蒸着法などの気相法を用いるのがよい。気相法の中でも、材料系の組成を制御しやすい点では、PLD法が、量産性の点からは、SP法が適している。しかし、成膜法は、これらの方法に限られるのものではない。
(PLD法によるIn−Zn−Ga−O系アモルファス酸化膜の成膜)
KrFエキシマレーザーを用いたPLD法により、ガラス基板(コーニング社製1737)上にIn−Zn―Ga―O系アモルファス酸化物膜を堆積させた。このとき、InGaO(ZnO)及びInGaO(ZnO)組成を有する多結晶焼結体をそれぞれターゲットとした。
As a film formation method of the amorphous oxide, it is preferable to use a vapor phase method such as a pulse laser deposition method (PLD method), a sputtering method (SP method), or an electron beam evaporation method. Among the gas phase methods, the PLD method is suitable from the viewpoint of easily controlling the composition of the material system, and the SP method is suitable from the viewpoint of mass productivity. However, the film forming method is not limited to these methods.
(Formation of In-Zn-Ga-O-based amorphous oxide film by PLD method)
An In—Zn—Ga—O amorphous oxide film was deposited on a glass substrate (1737 manufactured by Corning) by a PLD method using a KrF excimer laser. At this time, polycrystalline sintered bodies having InGaO 3 (ZnO) and InGaO 3 (ZnO) 4 compositions were used as targets, respectively.

成膜装置は、既述の図14に記載されている装置を用い、成膜条件は、当該装置を用いた場合と同様とした。   As the film forming apparatus, the apparatus described in FIG. 14 described above was used, and the film forming conditions were the same as in the case of using the apparatus.

基板温度は25℃である。得られた膜に関し、膜面にすれすれ入射X線回折(薄膜法、入射角 0.5度、SAXS;small angle X-ray scattering method)を行った。すると、明瞭な回折ピークは検出されず、2種類のターゲットから作製したIn−Zn−Ga−O系膜は、いずれもアモルファス膜であることが示された。   The substrate temperature is 25 ° C. The obtained film was subjected to grazing incidence X-ray diffraction (thin film method, incident angle 0.5 degree, SAXS; small angle X-ray scattering method) on the film surface. Then, no clear diffraction peak was detected, indicating that both In—Zn—Ga—O-based films prepared from two types of targets were amorphous films.

さらに、ガラス基板上のIn−Zn―Ga―O系アモルファス酸化物膜のX線反射率測定を行い、パターンの解析を行った結果、薄膜の平均二乗粗さ(Rrms)は約0.5 nmであり、膜厚は約120 nmであることが分かった。   Furthermore, the X-ray reflectivity measurement of the In—Zn—Ga—O-based amorphous oxide film on the glass substrate was performed and the pattern was analyzed. As a result, the mean square roughness (Rrms) of the thin film was about 0.5 nm. The film thickness was found to be about 120 nm.

蛍光X線(XRF)分析の結果、InGaO(ZnO)組成を有する多結晶焼結体をターゲットとして得られた膜の金属組成比はIn : Ga : Zn = 1.1 : 1.1 : 0.9であった。また、InGaO(ZnO)組成を有する多結晶焼結体をターゲットとして得られた膜の金属組成比は、In : Ga : Zn = 0.98 : 1.02 : 4であった。 As a result of X-ray fluorescence (XRF) analysis, the metal composition ratio of a film obtained using a polycrystalline sintered body having an InGaO 3 (ZnO) composition as a target was In: Ga: Zn = 1.1: 1.1: 0. .9. The metal composition ratio of the film obtained using the polycrystalline sintered body having the InGaO (ZnO) 4 composition as a target was In: Ga: Zn = 0.98: 1.02: 4.

成膜時の雰囲気の酸素分圧を変化させ、InGaO(ZnO)組成を有する多結晶焼結体をターゲットとして得られたアモルファス酸化膜の電子キャリア濃度を測定した。その結果を図1に示す。酸素分圧が4.2Pa超の雰囲気中で成膜することにより、電子キャリア濃度を1018/cm未満に低下させることができた。この場合、基板の温度は意図的に加温しない状態でほぼ室温に維持されている。また、酸素分圧が6.5Pa未満の時は、得られたアモルファス酸化物膜の表面は平坦であった。 The oxygen partial pressure of the atmosphere during film formation was changed, and the electron carrier concentration of the amorphous oxide film obtained using a polycrystalline sintered body having an InGaO 3 (ZnO) 4 composition as a target was measured. The result is shown in FIG. By forming a film in an atmosphere having an oxygen partial pressure of over 4.2 Pa, the electron carrier concentration could be lowered to less than 10 18 / cm 3 . In this case, the temperature of the substrate is maintained at substantially room temperature without intentionally heating. When the oxygen partial pressure was less than 6.5 Pa, the surface of the obtained amorphous oxide film was flat.

酸素分圧が5Paの時、InGaO(ZnO)組成を有する多結晶焼結体をターゲットとして得られたアモルファス酸化膜の電子キャリア濃度は1016/cm、電気伝導度は、10−2S/cmであった。また、電子移動度は、約5cm/V・秒と推測された。光吸収スペクトルの解析から、作製したアモルファス酸化物膜の禁制帯エネルギー幅は、約3 eVと求まった。 When the oxygen partial pressure is 5 Pa, the electron carrier concentration of an amorphous oxide film obtained using a polycrystalline sintered body having an InGaO 3 (ZnO) 4 composition as a target is 10 16 / cm 3 , and the electric conductivity is 10 −2. S / cm. The electron mobility was estimated to be about 5 cm 2 / V · sec. From the analysis of the light absorption spectrum, the band gap energy width of the fabricated amorphous oxide film was found to be about 3 eV.

酸素分圧をさらに大きくすると、電子キャリア濃度をさらに低下させることができた。図1に示す様に、基板温度25℃、酸素分圧6Paで成膜したIn−Zn−Ga−O系アモルファス酸化物膜では、電子キャリア濃度を8×1015/cm(電気伝導:約8×10-3S/cm)に低下させることができた。得られた膜は、電子移動度が1cm/(V・秒)超と推測された。しかし、PLD法では、酸素分圧を6.5Pa以上にすると、堆積した膜の表面が凸凹となり、TFTのチャネル層として用いることが困難となった。 Increasing the oxygen partial pressure further reduced the electron carrier concentration. As shown in FIG. 1, an In—Zn—Ga—O-based amorphous oxide film formed at a substrate temperature of 25 ° C. and an oxygen partial pressure of 6 Pa has an electron carrier concentration of 8 × 10 15 / cm 3 (electric conduction: about 8 × 10 −3 S / cm). The obtained film was estimated to have an electron mobility exceeding 1 cm 2 / (V · sec). However, in the PLD method, when the oxygen partial pressure is set to 6.5 Pa or more, the surface of the deposited film becomes uneven, making it difficult to use as a TFT channel layer.

InGaO(ZnO)組成を有する多結晶焼結体をターゲットとし、異なる酸素分圧で成膜したIn−Zn−Ga−O系アモルファス酸化物膜に関して、電子キャリア濃度と電子移動度の関係を調べた。その結果を図2に示す。電子キャリア濃度が、1016/cmから1020/cmに増加すると、電子移動度は、約3cm/(V・秒)から約11cm/(V・秒)に増加することが示された。また、InGaO(ZnO)組成を有する多結晶焼結体をターゲットとして得られたアモルファス酸化膜に関しても、同様の傾向が見られた。 Regarding the In—Zn—Ga—O amorphous oxide film formed with different oxygen partial pressures, targeting a polycrystalline sintered body having an InGaO 3 (ZnO) 4 composition, the relationship between the electron carrier concentration and the electron mobility is as follows. Examined. The result is shown in FIG. It is shown that as the electron carrier concentration increases from 10 16 / cm 3 to 10 20 / cm 3 , the electron mobility increases from about 3 cm 2 / (V · sec) to about 11 cm 2 / (V · sec). It was done. Further, with regard InGaO 3 (ZnO) amorphous oxide film obtained as a target, a polycrystalline sintered body having a composition, similar trend was observed.

ガラス基板の代わりに厚さ200μmのポリエチレン・テレフタレート(PET)フィルムを用いた場合にも、得られたIn−Zn−Ga−O系アモルファス酸化物膜は、同様の特性を示した。
(PLD法によるIn−Zn−Ga−Mg−O系アモルファス酸化物膜の成膜)
ターゲットとして多結晶InGaO (Zn1-xMgO)(0<x≦1)を用い、PLD法により、ガラス基板上にInGaO(Zn1-xMgO)(0<x≦1)膜を成膜した。
Even when a polyethylene terephthalate (PET) film having a thickness of 200 μm was used instead of the glass substrate, the obtained In—Zn—Ga—O-based amorphous oxide film exhibited similar characteristics.
(Formation of In-Zn-Ga-Mg-O-based amorphous oxide film by PLD method)
Polycrystalline InGaO 3 (Zn 1-x Mg x O) 4 (0 <x ≦ 1) was used as a target, and InGaO 3 (Zn 1-x Mg x O) 4 (0 <x ≦ 1) A film was formed.

成膜装置は、図14に記載の装置を用いた。   As the film forming apparatus, the apparatus shown in FIG. 14 was used.

被成膜基板としては、SiO2ガラス基板(コーニング社製1737)を用意した。その基板に前処理として、超音波脱脂洗浄を、アセトン、エタノール、超純水により各5分間ずつ行った後、空気中100℃で乾燥させた。ターゲットとしては、InGa(Zn1-xMgxO)4(x=1-0)焼結体(サイズ 20mmΦ5mmt)を用いた。 As a film formation substrate, a SiO 2 glass substrate (1737 manufactured by Corning) was prepared. As a pretreatment, the substrate was subjected to ultrasonic degreasing cleaning with acetone, ethanol, and ultrapure water for 5 minutes each, and then dried at 100 ° C. in air. As a target, an InGa (Zn 1-x Mg x O) 4 (x = 1-0) sintered body (size 20 mmΦ5 mmt) was used.

ターゲットは、出発原料In2O3:Ga2O3:ZnO:MgO(各4N試薬)を、湿式混合(溶媒:エタノール)、仮焼(1000 ℃: 2h)、乾式粉砕、本焼結(1550 ℃: 2h)を経て作製した。 The target is starting material In 2 O 3 : Ga 2 O 3 : ZnO: MgO (each 4N reagent), wet mixing (solvent: ethanol), calcining (1000 ° C: 2h), dry grinding, main sintering (1550 (C: 2h).

成長室到達真空は、2×10-6 (Pa)であり、成長中の酸素分圧は、0.8 (Pa)とした。基板温度は、室温(25℃)で行い、ターゲットと被成膜基板間の距離は、30 (mm)であった。 The growth chamber reaching vacuum was 2 × 10 −6 (Pa), and the oxygen partial pressure during growth was 0.8 (Pa). The substrate temperature was room temperature (25 ° C.), and the distance between the target and the deposition target substrate was 30 (mm).

なお、KrFエキシマレーザーのパワーは、1.5 (mJ/cm/pulse)、パルス幅は、20 (nsec)、繰り返し周波数は、10 (Hz) 、照射スポット径は、1 × 1 (mm角)とした。 The power of the KrF excimer laser is 1.5 (mJ / cm 2 / pulse), the pulse width is 20 (nsec), the repetition frequency is 10 (Hz), and the irradiation spot diameter is 1 × 1 (mm square) ).

成膜レートは、7 (nm/min)であった。   The film formation rate was 7 (nm / min).

雰囲気は酸素分圧0.8Paで、基板温度は25℃である。得られた膜に関し、膜面にすれすれ入射X線回折(薄膜法、入射角 0.5度)を行ったところ、明瞭な回折ピークは検出されず、作製したIn−Zn−Ga−Mg−O系膜はアモルファス膜であることが示された。得られた膜の表面は平坦であった。   The atmosphere is an oxygen partial pressure of 0.8 Pa, and the substrate temperature is 25 ° C. With respect to the obtained film, grazing incidence X-ray diffraction (thin film method, incident angle 0.5 degree) was performed on the film surface, but no clear diffraction peak was detected, and the produced In—Zn—Ga—Mg—O-based film Was shown to be an amorphous film. The surface of the obtained film was flat.

異なるx値のターゲットを用いて、酸素分圧0.8Paの雰囲気中で成膜したIn−Zn−Ga−Mg−O系アモルファス酸化物膜の電気伝導度、電子キャリア濃度及び電子移動度のx値依存性を調べた。   The electric conductivity, electron carrier concentration, and electron mobility x of an In—Zn—Ga—Mg—O-based amorphous oxide film formed in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 0.8 Pa using targets with different x values. The value dependency was examined.

その結果を、図4に示す。x値が0.4超のとき、酸素分圧0.8Paの雰囲気中で、PLD法により成膜したアモルファス酸化物膜では、電子キャリア濃度を1018/cm未満にできることが示された。また、x値が0.4超のアモルファス酸化物膜では、電子移動度は、1cm/V・秒超であった。 The result is shown in FIG. It was shown that when the x value exceeds 0.4, the electron carrier concentration can be made less than 10 18 / cm 3 in the amorphous oxide film formed by the PLD method in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 0.8 Pa. Further, in the amorphous oxide film having an x value exceeding 0.4, the electron mobility was more than 1 cm 2 / V · second.

図4に示すように、Znを80原子%のMgで置換したターゲットを使用した場合、酸素分圧0.8Paの雰囲気で、パルスレーザー堆積法で得られた膜の電子キャリア濃度を1016/cm未満とすることができる(電気抵抗値は、約10-2S/cmである。)。こうした膜の電子移動度は、Mg無添加膜に比べて低下するが、その程度は少なく、室温での電子移動度は約5cm/(V・秒)で、アモルファスシリコンに比べて、1桁程度大きな値を示す。同じ条件で成膜した場合、Mg含有量の増加に対して、電気伝導度と電子移動度は、共に低下するので、Mgの含有量は、好ましくは、20原子%超、85原子%未満(xにして、0.2<x<0.85)、より好適には0.5<x<0.85である。 ガラス基板の代わりに厚さ200μmのポリエチレン・テレフタレート(PET)フィルムを用いた場合にも、得られたInGaO(Zn1-xMgO)(0<x≦1)アモルファス酸化物膜は、同様の特性を示した。
(PLD法によるInアモルファス酸化物膜の成膜)
KrFエキシマレーザーを用いたPLD法により、In多結晶焼結体をターゲットとして、厚さ200μmのPETフィルム上にIn膜を成膜した。
As shown in FIG. 4, when a target in which Zn is replaced with 80 atomic% Mg is used, the electron carrier concentration of the film obtained by the pulse laser deposition method is 10 16 / in an atmosphere with an oxygen partial pressure of 0.8 Pa. It can be less than cm 3 (the electrical resistance is about 10 −2 S / cm). The electron mobility of such a film is lower than that of the Mg-free film, but the degree is small, and the electron mobility at room temperature is about 5 cm 2 / (V · sec), which is one digit that of amorphous silicon. A large value is shown. When the film is formed under the same conditions, both the electrical conductivity and the electron mobility decrease with an increase in the Mg content. Therefore, the Mg content is preferably more than 20 atomic% and less than 85 atomic% ( x is 0.2 <x <0.85), and more preferably 0.5 <x <0.85. Even when a polyethylene terephthalate (PET) film having a thickness of 200 μm is used instead of the glass substrate, the obtained InGaO 3 (Zn 1-x Mg x O) 4 (0 <x ≦ 1) amorphous oxide film is Showed similar characteristics.
(In 2 O 3 amorphous oxide film deposition by PLD method)
An In 2 O 3 film was formed on a 200 μm thick PET film by using a PLD method using a KrF excimer laser and targeting an In 2 O 3 polycrystalline sintered body.

装置は、図14に示した装置を用いた。被成膜基板として、SiO2ガラス基板(コーニング社製1737)を用意した。 As the apparatus, the apparatus shown in FIG. 14 was used. A SiO 2 glass substrate (1737 manufactured by Corning) was prepared as a film formation substrate.

この基板の前処理として、超音波脱脂洗浄を、アセトン、エタノール、超純水で各5分間ずつ行った後、空気中100℃で乾燥させた。   As a pretreatment of this substrate, ultrasonic degreasing was performed for 5 minutes each with acetone, ethanol, and ultrapure water, and then dried at 100 ° C. in air.

ターゲットとしては、In2O3焼結体(サイズ 20mmΦ5mmt)を用いた。これは、出発原料In2O3(4N試薬)を仮焼(1000 ℃: 2h)、乾式粉砕、本焼結(1550 ℃: 2h)を経て準備した。 As a target, an In 2 O 3 sintered body (size 20 mmΦ5 mmt) was used. This was prepared by calcining the starting material In 2 O 3 (4N reagent) through calcining (1000 ° C .: 2 h), dry grinding and main sintering (1550 ° C .: 2 h).

成長室到達真空は、2×10-6 (Pa)、成長中の酸素分圧は、5 (Pa)、基板温度は室温とした。 The growth chamber reaching vacuum was 2 × 10 −6 (Pa), the oxygen partial pressure during growth was 5 (Pa), and the substrate temperature was room temperature.

酸素分圧は5Pa、水蒸気分圧は0.1Paとし、さらに、酸素ラジカル発生装置に200Wを印加して、酸素ラジカルを発生させた。   The oxygen partial pressure was 5 Pa, the water vapor partial pressure was 0.1 Pa, and 200 W was applied to the oxygen radical generator to generate oxygen radicals.

ターゲットと被成膜基板間の距離は、40 (mm)、KrFエキシマレーザーのパワーは0.5 (mJ/cm/pulse)、パルス幅は、20 (nsec)、繰り返し周波数は、10 (Hz) 、照射スポット径は1 × 1 (mm角)であった。成膜レートは、3 (nm/min)であった。 The distance between the target and the deposition substrate is 40 (mm), the power of the KrF excimer laser is 0.5 (mJ / cm 2 / pulse), the pulse width is 20 (nsec), the repetition frequency is 10 (Hz), The irradiation spot diameter was 1 × 1 (mm square). The film formation rate was 3 (nm / min).

得られた膜に関し、膜面にすれすれ入射X線回折(薄膜法、入射角 0.5度)を行ったところ、明瞭な回折ピークは検出されず、作製したIn−O系膜はアモルファス膜であることが示された。膜厚は、80nmであった。   Regarding the obtained film, grazing incidence X-ray diffraction (thin film method, incident angle 0.5 degree) was performed on the film surface, and no clear diffraction peak was detected, and the produced In-O film was an amorphous film. It has been shown. The film thickness was 80 nm.

得られたIn−O系アモルファス酸化物膜の電子キャリア濃度は5×1017/cmで、電子移動度は、約7cm/V・秒であった。
(PLD法によるIn−Sn−O系アモルファス酸化物膜の成膜)
KrFエキシマレーザーを用いたPLD法により、(In0.9Sn0.1)O3.1多結晶焼結体をターゲットとして、厚さ200μmのPETフィルム上にIn−Sn−O系酸化物膜を成膜した。
The obtained In—O amorphous oxide film had an electron carrier concentration of 5 × 10 17 / cm 3 and an electron mobility of about 7 cm 2 / V · sec.
(Formation of In-Sn-O amorphous oxide film by PLD method)
By using a PLD method using a KrF excimer laser, an In-Sn-O-based oxide film is formed on a PET film having a thickness of 200 [mu] m with a (In < 0.9 > Sn0.1 ) O3.1 polycrystalline sintered body as a target. Was deposited.

具体的には、被成膜基板として、SiO2ガラス基板(コーニング社製1737)を用意した。基板前処理として、超音波脱脂洗浄をアセトン、エタノール、超純水を用いて各5分間ずつ行った。その後、空気中100℃で乾燥させた。ターゲットは、In2O3-SnO2焼結体(サイズ 20mmΦ5mmt)を準備した。これは、出発原料として、In2O3-SnO2(4N試薬)を湿式混合(溶媒:エタノール)、仮焼(1000 ℃: 2h)、乾式粉砕、本焼結(1550 ℃: 2h)を経て得られる。 Specifically, a SiO 2 glass substrate (Corning 1737) was prepared as a film formation substrate. As the substrate pretreatment, ultrasonic degreasing was performed for 5 minutes each using acetone, ethanol, and ultrapure water. Then, it was dried in air at 100 ° C. As a target, an In 2 O 3 —SnO 2 sintered body (size 20 mmΦ5 mmt) was prepared. As a starting material, In 2 O 3 -SnO 2 (4N reagent) is wet mixed (solvent: ethanol), calcined (1000 ° C: 2h), dry pulverized, and finally sintered (1550 ° C: 2h). can get.

基板温度は室温である。酸素分圧は5(Pa)、窒素分圧は、0.1(Pa)とし、さらに、酸素ラジカル発生装置に200Wを印加して、酸素ラジカルを発生させた。   The substrate temperature is room temperature. The oxygen partial pressure was 5 (Pa), the nitrogen partial pressure was 0.1 (Pa), and 200 W was applied to the oxygen radical generator to generate oxygen radicals.

ターゲットと被成膜基板間の距離は、30 (mm)とし、KrFエキシマレーザーのパワーは、1.5 (mJ/cm/pulse)、パルス幅は、20 (nsec)であった、また、繰り返し周波数は、10 (Hz) 、照射スポット径は、1 × 1 (mm角)であった。成膜レートは、6 (nm/min)であった。 The distance between the target and the deposition substrate was 30 (mm), the power of the KrF excimer laser was 1.5 (mJ / cm 2 / pulse), the pulse width was 20 (nsec), and the repetition frequency Was 10 (Hz), and the irradiation spot diameter was 1 × 1 (mm square). The film formation rate was 6 (nm / min).

得られた膜に関し、膜面にすれすれ入射X線回折(薄膜法、入射角 0.5度)を行ったところ、明瞭な回折ピークは検出されず、作製したIn−Sn−O系膜はアモルファス膜であることが示された。   With respect to the obtained film, grazing incidence X-ray diffraction (thin film method, incident angle 0.5 degree) was performed on the film surface, but no clear diffraction peak was detected, and the produced In—Sn—O film was an amorphous film. It was shown that there is.

得られたIn−Sn−Oアモルファス酸化物膜の電子キャリア濃度は、8×1017/cmで、電子移動度は、約5cm2/V・秒であった。膜厚は、100nmであった。
(PLD法によるIn−Ga−O系アモルファス酸化物膜の成膜)
被成膜基板として、SiO2ガラス基板(コーニング社製1737)を用意した。基板の前処理として、超音波脱脂洗浄をアセトン、エタノール、超純水を用いて、各5分間行った後、空気中100℃で乾燥させた。
The obtained In—Sn—O amorphous oxide film had an electron carrier concentration of 8 × 10 17 / cm 3 and an electron mobility of about 5 cm 2 / V · sec. The film thickness was 100 nm.
(Formation of In-Ga-O amorphous oxide film by PLD method)
A SiO 2 glass substrate (1737 manufactured by Corning) was prepared as a film formation substrate. As a pretreatment of the substrate, ultrasonic degreasing cleaning was performed for 5 minutes each using acetone, ethanol, and ultrapure water, and then dried at 100 ° C. in air.

ターゲットとして、(In2O3)1-x-(Ga2O3)x(X = 0-1)焼結体(サイズ 20mmΦ5mmt)を用意した。なお、例えばx=0.1の場合は、ターゲットは、(In0.9Ga0.1多結晶焼結体ということになる。 As a target, an (In 2 O 3 ) 1-x- (Ga 2 O 3 ) x (X = 0-1) sintered body (size 20 mmΦ5 mmt) was prepared. For example, when x = 0.1, the target is an (In 0.9 Ga 0.1 ) 2 O 3 polycrystalline sintered body.

これは、出発原料:In2O3- Ga2O2(4N試薬)を、湿式混合(溶媒:エタノール)、仮焼(1000 ℃: 2h)、乾式粉砕、本焼結(1550 ℃: 2h)を経て得られる。 This consists of starting material: In 2 O 3 -Ga 2 O 2 (4N reagent), wet mixing (solvent: ethanol), calcining (1000 ° C: 2h), dry grinding, main sintering (1550 ° C: 2h) It is obtained through

成長室到達真空は、2×10-6 (Pa)であり、成長中の酸素分圧は、1 (Pa)とした。 The growth chamber reaching vacuum was 2 × 10 −6 (Pa), and the oxygen partial pressure during growth was 1 (Pa).

基板温度は、室温で行い、ターゲットと被成膜基板間の距離は、30 (mm)、KrFエキシマレーザーのパワーは、1.5 (mJ/cm/pulse)、パルス幅は、20 (nsec)、繰り返し周波数は、10 (Hz)、照射スポット径は、1 × 1 (mm角)であった。成膜レートは、6 (nm/min)であった。 The substrate temperature is room temperature, the distance between the target and the deposition substrate is 30 (mm), the power of the KrF excimer laser is 1.5 (mJ / cm 2 / pulse), the pulse width is 20 (nsec), The repetition frequency was 10 (Hz), and the irradiation spot diameter was 1 × 1 (mm square). The film formation rate was 6 (nm / min).

基板温度は25℃である。酸素分圧は1Paであった。得られた膜に関し、膜面にすれすれ入射X線回折(薄膜法、入射角 0.5度)を行った。すると、明瞭な回折ピークは検出されず、作製したIn−Ga−O系膜はアモルファス膜であることが示された。膜厚は、120nmであった。   The substrate temperature is 25 ° C. The oxygen partial pressure was 1 Pa. The resulting film was subjected to grazing incidence X-ray diffraction (thin film method, incident angle 0.5 degree) on the film surface. Then, a clear diffraction peak was not detected, indicating that the manufactured In—Ga—O-based film was an amorphous film. The film thickness was 120 nm.

得られたIn−Ga−Oアモルファス酸化物膜の電子キャリア濃度は、8×1016/cmで、電子移動度は、約1cm2/V・秒であった。
(In−Zn−Ga−O系アモルファス酸化物膜を用いたTFT素子の作製(ガラス基板))
TFT素子の作製
図5に示すトップゲート型TFT素子を作製した。
The obtained In—Ga—O amorphous oxide film had an electron carrier concentration of 8 × 10 16 / cm 3 and an electron mobility of about 1 cm 2 / V · sec.
(Production of TFT element using In—Zn—Ga—O amorphous oxide film (glass substrate))
Fabrication of TFT Element A top gate TFT element shown in FIG. 5 was fabricated.

まず、ガラス基板(1)上に、InGaO(ZnO)組成を有する多結晶焼結体をターゲットとし、酸素分圧5Paの条件で、前述したPLD装置を用いて、In-Ga-Zn-O系アモルファス酸化物膜を作製した。チャンネル層(2)として用いる厚さ120nmのIn-Ga-Zn-O系アモルファス膜を形成した。 First, on a glass substrate (1), a polycrystalline sintered body having an InGaO 3 (ZnO) 4 composition is used as a target, and the above-described PLD apparatus is used under the condition of an oxygen partial pressure of 5 Pa. An O-based amorphous oxide film was prepared. An In-Ga-Zn-O-based amorphous film having a thickness of 120 nm used as the channel layer (2) was formed.

さらにその上に、チャンバー内の酸素分圧を1Pa未満にして、PLD法により電気伝導度の大きなIn-Ga-Zn-O系アモルファス膜及び金膜をそれぞれ30nm積層した。さらに、フォトリゾグラフィー法とリフトオフ法により、ドレイン端子(5)及びソース端子(6)を形成した。   Further, an In—Ga—Zn—O-based amorphous film and a gold film having a high electric conductivity were stacked by 30 nm by the PLD method with an oxygen partial pressure in the chamber of less than 1 Pa. Further, the drain terminal (5) and the source terminal (6) were formed by the photolithography method and the lift-off method.

最後にゲート絶縁膜(3)として用いるY2O3膜を電子ビーム蒸着法により成膜した(厚み:90nm、比誘電率:約15、リーク電流密度:0.5 MV/cm印加時に10-3 A/cm2)。その上に金を成膜し、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート端子(4)を形成した。チャネル長は、50μmで、チャネル幅は、200μmであった。 Finally, a Y 2 O 3 film used as the gate insulating film (3) was formed by electron beam evaporation (thickness: 90 nm, relative dielectric constant: about 15, leakage current density: 10 -3 A when 0.5 MV / cm applied) / cm 2 ). A gold film was formed thereon, and a gate terminal (4) was formed by a photolithography method and a lift-off method. The channel length was 50 μm and the channel width was 200 μm.

TFT素子の特性評価
図6に、室温下で測定したTFT素子の電流−電圧特性を示す。ドレイン電圧VDSの増加に伴い、ドレイン電流IDSが増加したことからチャネルがn型伝導であることが分かる。
FIG. 6 shows the current-voltage characteristics of the TFT element measured at room temperature. As the drain voltage V DS increases, the drain current I DS increases, indicating that the channel is n-type conductive.

これは、アモルファスIn-Ga-Zn-O系アモルファス酸化物膜がn型伝導体であるという事実と矛盾しない。IDSはVDS= 6 V程度で飽和(ピンチオフ)する典型的な半導体トランジスタの挙動を示した。利得特性を調べたところ、VDS = 4 V印加時におけるゲート電圧VGSの閾値は約-0.5 Vであった。 This is consistent with the fact that the amorphous In—Ga—Zn—O amorphous oxide film is an n-type conductor. I DS shows the behavior of a typical semiconductor transistor that saturates (pinch off) at about V DS = 6 V. When the gain characteristic was examined, the threshold value of the gate voltage V GS when V DS = 4 V was applied was about −0.5 V.

また、VG=10 V時には、IDS=1.0 × 10-5Aの電流が流れた。これはゲートバイアスにより絶縁体のIn-Ga-Zn-O系アモルファス酸化物膜内にキャリアを誘起できたことに対応する。 When V G = 10 V, a current of I DS = 1.0 × 10 −5 A flowed. This corresponds to the fact that carriers can be induced in the insulator In-Ga-Zn-O amorphous oxide film by the gate bias.

トランジスタのオン・オフ比は、10超であった。また、出力特性から電界効果移動度を算出したところ、飽和領域において約7cm2(Vs)-1の電界効果移動度が得られた。作製した素子に可視光を照射して同様の測定を行なったが、トランジスタ特性の変化は認められなかった。 The on / off ratio of the transistor was more than 10 3 . When the field effect mobility was calculated from the output characteristics, a field effect mobility of about 7 cm 2 (Vs) −1 was obtained in the saturation region. A similar measurement was performed by irradiating the fabricated device with visible light, but no change in transistor characteristics was observed.

なお、アモルファス酸化物の電子キャリア濃度を1018/cm未満にすることでTFTのチャネル層として適用できる。この電子キャリア濃度としては、1017/cm以下がより好ましく、1016/cm以下にすると更に好ましかった。
(In−Zn−Ga−O系アモルファス酸化物膜を用いたTFT素子の作製(アモルファス基板))
図5に示すトップゲート型TFT素子を作製した。まず、ポリエチレン・テレフタレート(PET)フィルム(1)上に、PLD法により、酸素分圧5Paの雰囲気で、チャンネル層(2)として用いる厚さ120nmのIn−Zn−Ga−O系アモルファス酸化物膜を形成した。ターゲットはInGaO(ZnO)組成を有する多結晶焼結体とした。
In addition, it can apply as a channel layer of TFT by making the electron carrier density | concentration of an amorphous oxide less than 10 < 18 > / cm < 3 >. The electron carrier concentration is more preferably 10 17 / cm 3 or less, and even more preferably 10 16 / cm 3 or less.
(Production of TFT element using In-Zn-Ga-O-based amorphous oxide film (amorphous substrate))
The top gate type TFT element shown in FIG. 5 was produced. First, an In—Zn—Ga—O-based amorphous oxide film having a thickness of 120 nm used as a channel layer (2) on an polyethylene terephthalate (PET) film (1) by an PLD method in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 5 Pa. Formed. The target was a polycrystalline sintered body having an InGaO 3 (ZnO) composition.

さらにその上に、チャンバー内酸素分圧を1Pa未満にして、PLD法により電気伝導度の大きなIn−Zn−Ga−O系アモルファス酸化物膜及び金膜をそれぞれ30nm積層した。さらに、フォトリゾグラフィー法とリフトオフ法により、ドレイン端子(5)及びソース端子(6)を形成した。最後にゲート絶縁膜(3)を電子ビーム蒸着法により成膜して、その上に金を成膜し、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート端子(4)を形成した。チャネル長は、50μmで、チャネル幅は、200μmであった。ゲート絶縁膜として、Y(厚さ:140nm),Al(厚さ:130μm)及びHfO(厚さ:140μm)を用いた3種類の上記の構造を有するTFTを作成した。 Further, an In—Zn—Ga—O-based amorphous oxide film and a gold film having a high electric conductivity were stacked by 30 nm by a PLD method with an oxygen partial pressure in the chamber of less than 1 Pa. Further, the drain terminal (5) and the source terminal (6) were formed by the photolithography method and the lift-off method. Finally, a gate insulating film (3) was formed by an electron beam evaporation method, gold was formed thereon, and a gate terminal (4) was formed by a photolithography method and a lift-off method. The channel length was 50 μm and the channel width was 200 μm. Three types of TFTs having the above-described structures using Y 2 O 3 (thickness: 140 nm), Al 2 O 3 (thickness: 130 μm) and HfO 2 (thickness: 140 μm) as gate insulating films were prepared. .

TFT素子の特性評価
PETフィルム上に形成したTFTの室温下で測定した電流−電圧特性は、図6と同様であった。すなわち、ドレイン電圧VDSの増加に伴い、ドレイン電流IDSが増加したことから、チャネルがn型伝導であることが分かる。これは、アモルファスIn−Ga−Zn−O系アモルファス酸化物膜がn型伝導体であるという事実と矛盾しない。IDSはVDS= 6 V程度で飽和(ピンチオフ)する典型的なトランジスタの挙動を示した。また、V=0のときには、Ids=10−8A,Vg=10 V時には、IDS=2.0 × 10-5Aの電流が流れた。これはゲートバイアスにより絶縁体のIn-Ga-Zn-O系アモルファス酸化物膜内に電子キャリアを誘起できたことに対応する。
Characteristic Evaluation of TFT Element The current-voltage characteristic measured at room temperature of the TFT formed on the PET film was the same as that shown in FIG. That is, as the drain voltage V DS increases, the drain current I DS increases, indicating that the channel has n-type conduction. This is consistent with the fact that the amorphous In—Ga—Zn—O-based amorphous oxide film is an n-type conductor. I DS shows the behavior of a typical transistor that saturates (pinch off) at around V DS = 6 V. Further, when V g = 0, a current of I DS = 2.0 × 10 −5 A flowed when I ds = 10 −8 A and Vg = 10 V. This corresponds to the fact that electron carriers can be induced in the In-Ga-Zn-O amorphous oxide film of the insulator by the gate bias.

トランジスタのオン・オフ比は、10超であった。また、出力特性から電界効果移動度を算出したところ、飽和領域において約7cm2(Vs)-1の電界効果移動度が得られた。 The on / off ratio of the transistor was more than 10 3 . When the field effect mobility was calculated from the output characteristics, a field effect mobility of about 7 cm 2 (Vs) −1 was obtained in the saturation region.

PETフィルム上に作成した素子を、曲率半径30mmで屈曲させ、同様のトランジスタ特性の測定を行ったが、トランジスタ特性に変化は認められなかった。また、可視光を照射して同様の測定を行なったが、トランジスタ特性の変化は認められなかった。   The device prepared on the PET film was bent with a curvature radius of 30 mm, and the same transistor characteristics were measured, but no change was observed in the transistor characteristics. Further, the same measurement was performed by irradiating visible light, but no change in transistor characteristics was observed.

ゲート絶縁膜としてAl膜を用いたTFTでも、図6に示したものと類似のトランジスタ特性を示したが、V=0のときには、Ids=10−8A,Vg=10 V時には、IDS=5.0 × 10-6Aの電流が流れた。トランジスタのオン・オフ比は、10超であった。また、出力特性から電界効果移動度を算出したところ、飽和領域において約2cm2(Vs)-1の電界効果移動度が得られた。 The TFT using the Al 2 O 3 film as the gate insulating film also showed transistor characteristics similar to those shown in FIG. 6, but when V g = 0, I ds = 10 −8 A, Vg = 10 V Occasionally, a current of I DS = 5.0 × 10 −6 A flowed. On-off ratio of the transistor was 10 greater than 2. When the field effect mobility was calculated from the output characteristics, a field effect mobility of about 2 cm 2 (Vs) −1 was obtained in the saturation region.

ゲート絶縁膜としてHfO膜を用いたTFTでも、図6に示したものと類似のトランジスタ特性を示したが、V=0のときには、Ids=10−8A,Vg=10 V時には、IDS=1.0 × 10-6Aの電流が流れた。トランジスタのオン・オフ比は、10超であった。また、出力特性から電界効果移動度を算出したところ、飽和領域において約10cm2(Vs)-1の電界効果移動度が得られた。
(PLD法によるInアモルファス酸化物膜を用いたTFT素子の作成)
図5に示すトップゲート型TFT素子を作製した。まず、ポリエチレン・テレフタレート(PET)フィルム(1)上に、PLD法により、チャンネル層(2)として用いる厚さ80nmのInアモルファス酸化物膜を形成した。
The TFT using the HfO 2 film as the gate insulating film also showed similar transistor characteristics to those shown in FIG. 6, but when V g = 0, I ds = 10 −8 A, and Vg = 10 V, A current of I DS = 1.0 × 10 −6 A flowed. On-off ratio of the transistor was 10 greater than 2. Further, when the field effect mobility was calculated from the output characteristics, a field effect mobility of about 10 cm 2 (Vs) −1 was obtained in the saturation region.
(Creation of TFT element using In 2 O 3 amorphous oxide film by PLD method)
The top gate type TFT element shown in FIG. 5 was produced. First, an 80 nm thick In 2 O 3 amorphous oxide film used as a channel layer (2) was formed on a polyethylene terephthalate (PET) film (1) by a PLD method.

さらにその上に、チャンバー内酸素分圧を1Pa未満にして、さらに酸素ラジカル発生装置への印加電圧をゼロにして、PLD法により、電気伝導度の大きなInアモルファス酸化物膜及び金膜をそれぞれ30nm積層した。そして、フォトリゾグラフィー法とリフトオフ法により、ドレイン端子(5)及びソース端子(6)を形成した。最後にゲート絶縁膜(3)として用いるY2O3膜を電子ビーム蒸着法により成膜して、その上に金を成膜して、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート端子(4)を形成した。 Further, an In 2 O 3 amorphous oxide film and a gold film having a high electric conductivity are formed by PLD method by setting the oxygen partial pressure in the chamber to less than 1 Pa and further applying zero voltage to the oxygen radical generator. Each was laminated with 30 nm. Then, the drain terminal (5) and the source terminal (6) were formed by the photolithography method and the lift-off method. Finally, a Y 2 O 3 film used as a gate insulating film (3) is formed by an electron beam evaporation method, gold is formed thereon, and a gate terminal (4) is formed by a photolithography method and a lift-off method. Formed.

TFT素子の特性評価
PETフィルム上に形成したTFTの室温下で測定した電流−電圧特性を測定した。ドレイン電圧VDSの増加に伴い、ドレイン電流IDSが増加したことからチャネルがn型半導体であることが分かる。これは、In -O系アモルファス酸化物膜がn型伝導体であるという事実と矛盾しない。IDSはVDS= 5 V程度で飽和(ピンチオフ)する典型的なトランジスタの挙動を示した。また、V=0V時には、2×10−8A、VG=10 V時には、IDS=2.0 ×10-6Aの電流が流れた。これはゲートバイアスにより絶縁体のIn-O系アモルファス酸化物膜内に電子キャリアを誘起できたことに対応する。
Characteristic Evaluation of TFT Element A current-voltage characteristic measured at room temperature of a TFT formed on a PET film was measured. As the drain voltage V DS increases, the drain current I DS increases, which indicates that the channel is an n-type semiconductor. This is consistent with the fact that the In—O amorphous oxide film is an n-type conductor. I DS shows the behavior of a typical transistor that saturates (pinch off) at about V DS = 5 V. In addition, when V g = 0V, a current of 2 × 10 −8 A flows, and when V G = 10 V, a current of I DS = 2.0 × 10 −6 A flows. This corresponds to the fact that electron carriers can be induced in the In-O amorphous oxide film of the insulator by the gate bias.

トランジスタのオン・オフ比は、約10であった。また、出力特性から電界効果移動度を算出したところ、飽和領域において約10cm2(Vs)-1の電界効果移動度が得られた。ガラス基板上に作成したTFT素子も同様の特性を示した。 On-off ratio of the transistor was about 10 2. Further, when the field effect mobility was calculated from the output characteristics, a field effect mobility of about 10 cm 2 (Vs) −1 was obtained in the saturation region. The TFT element formed on the glass substrate also showed similar characteristics.

PETフィルム上に作成した素子を、曲率半径30mmで曲げ、同様のトランジスタ特性の測定を行ったが、トランジスタ特性に変化は認められなかった。
(PLD法によるIn−Sn−O系アモルファス酸化物膜を用いたTFT素子の作成)
図5に示すトップゲート型TFT素子を作製した。まず、ポリエチレン・テレフタレート(PET)フィルム(1)上に、PLD法により、チャンネル層(2)として用いる厚さ100nmのIn−Sn−O系アモルファス酸化物膜を形成した。さらにその上に、チャンバー内酸素分圧を1Pa未満にして、さらに酸素ラジカル発生装置への印加電圧をゼロにして、PLD法により、電気伝導度の大きなIn−Sn−O系アモルファス酸化物膜及び金膜をそれぞれ30nm積層した。そして、フォトリゾグラフィー法とリフトオフ法により、ドレイン端子(5)及びソース端子(6)を形成した。最後にゲート絶縁膜(3)として用いるY2O3膜を電子ビーム蒸着法により成膜し、その上に金を成膜して、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート端子(4)を形成した。
The device prepared on the PET film was bent with a radius of curvature of 30 mm and the same transistor characteristics were measured, but no change was observed in the transistor characteristics.
(Preparation of TFT element using In-Sn-O amorphous oxide film by PLD method)
The top gate type TFT element shown in FIG. 5 was produced. First, an In—Sn—O-based amorphous oxide film having a thickness of 100 nm used as a channel layer (2) was formed on a polyethylene terephthalate (PET) film (1) by a PLD method. Further, an In-Sn-O amorphous oxide film having a high electrical conductivity and a PLD method are used by setting the partial pressure of oxygen in the chamber to less than 1 Pa, further reducing the voltage applied to the oxygen radical generator to zero. Each gold film was laminated to 30 nm. Then, the drain terminal (5) and the source terminal (6) were formed by the photolithography method and the lift-off method. Finally, a Y 2 O 3 film used as a gate insulating film (3) is formed by an electron beam evaporation method, gold is formed thereon, and a gate terminal (4) is formed by a photolithography method and a lift-off method. did.

TFT素子の特性評価
PETフィルム上に形成したTFTの室温下で測定した電流−電圧特性を測定した。ドレイン電圧VDSの増加に伴い、ドレイン電流IDSが増加したことからチャネルがn型半導体であることが分かる。これは、In -Sn−O系アモルファス酸化物膜がn型伝導体であるという事実と矛盾しない。IDSはVDS= 6 V程度で飽和(ピンチオフ)する典型的なトランジスタの挙動を示した。また、V=0V時には、5×10−8A、VG=10 V時には、IDS=5.0 × 10-5Aの電流が流れた。これはゲートバイアスにより絶縁体のIn-Sn-O系アモルファス酸化物膜内に電子キャリアを誘起できたことに対応する。
Characteristic Evaluation of TFT Element A current-voltage characteristic measured at room temperature of a TFT formed on a PET film was measured. As the drain voltage V DS increases, the drain current I DS increases, which indicates that the channel is an n-type semiconductor. This is consistent with the fact that the In—Sn—O-based amorphous oxide film is an n-type conductor. I DS shows the behavior of a typical transistor that saturates (pinch off) at about V DS = 6 V. Further, when V g = 0V, a current of 5 × 10 −8 A flows, and when V G = 10 V, a current of I DS = 5.0 × 10 −5 A flows. This corresponds to the fact that electron carriers could be induced in the insulator In—Sn—O amorphous oxide film by the gate bias.

トランジスタのオン・オフ比は、約10であった。また、出力特性から電界効果移動度を算出したところ、飽和領域において約5cm2(Vs)-1の電界効果移動度が得られた。ガラス基板上に作成したTFT素子も同様の特性を示した。 The on / off ratio of the transistor was about 10 3 . Further, when the field effect mobility was calculated from the output characteristics, a field effect mobility of about 5 cm 2 (Vs) −1 was obtained in the saturation region. The TFT element formed on the glass substrate also showed similar characteristics.

PETフィルム上に作成した素子を、曲率半径30mmで曲げ、同様のトランジスタ特性の測定を行ったが、トランジスタ特性に変化は認められなかった。
(PLD法によるIn−Ga−O系アモルファス酸化物膜を用いたTFT素子の作成)
図5に示すトップゲート型TFT素子を作製した。まず、ポリエチレン・テレフタレート(PET)フィルム(1)上に、実施例6に示した成膜法により、チャンネル層(2)として用いる厚さ120nmのIn−Ga−O系アモルファス酸化物膜を形成した。さらにその上に、チャンバー内の酸素分圧を1Pa未満にして、さらに酸素ラジカル発生装置への印加電圧をゼロにして、PLD法により、電気伝導度の大きなIn−Ga−O系アモルファス酸化物膜及び金膜をそれぞれ30nm積層した。そして、フォトリゾグラフィー法とリフトオフ法により、ドレイン端子(5)及びソース端子(6)を形成した。最後にゲート絶縁膜(3)として用いるY2O3膜を電子ビーム蒸着法により成膜し、その上に金を成膜して、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート端子(4)を形成した。
The device prepared on the PET film was bent with a radius of curvature of 30 mm and the same transistor characteristics were measured, but no change was observed in the transistor characteristics.
(Preparation of TFT element using In-Ga-O amorphous oxide film by PLD method)
The top gate type TFT element shown in FIG. 5 was produced. First, an In—Ga—O-based amorphous oxide film having a thickness of 120 nm used as the channel layer (2) was formed on the polyethylene terephthalate (PET) film (1) by the film forming method shown in Example 6. . Further, an In—Ga—O amorphous oxide film having a high electrical conductivity is formed by the PLD method by setting the oxygen partial pressure in the chamber to less than 1 Pa and further applying zero voltage to the oxygen radical generator. And 30 nm thick gold films. Then, the drain terminal (5) and the source terminal (6) were formed by the photolithography method and the lift-off method. Finally, a Y 2 O 3 film used as a gate insulating film (3) is formed by an electron beam evaporation method, gold is formed thereon, and a gate terminal (4) is formed by a photolithography method and a lift-off method. did.

TFT素子の特性評価
PETフィルム上に形成したTFTの室温下で測定した電流−電圧特性を測定した。ドレイン電圧VDSの増加に伴い、ドレイン電流IDSが増加したことからチャネルがn型半導体であることが分かる。これは、In −Ga−O系アモルファス酸化物膜がn型伝導体であるという事実と矛盾しない。IDSはVDS= 6 V程度で飽和(ピンチオフ)する典型的なトランジスタの挙動を示した。また、V=0V時には、1×10−8A、VG=10 V時には、IDS=1.0 × 10-6Aの電流が流れた。これはゲートバイアスにより絶縁体のIn-Ga-O系アモルファス酸化物膜内に電子キャリアを誘起できたことに対応する。
Characteristic Evaluation of TFT Element A current-voltage characteristic measured at room temperature of a TFT formed on a PET film was measured. As the drain voltage V DS increases, the drain current I DS increases, which indicates that the channel is an n-type semiconductor. This is consistent with the fact that the In—Ga—O amorphous oxide film is an n-type conductor. I DS shows the behavior of a typical transistor that saturates (pinch off) at about V DS = 6 V. Further, when V g = 0V, a current of 1 × 10 −8 A flows, and when V G = 10 V, a current of I DS = 1.0 × 10 −6 A flows. This corresponds to the fact that electron carriers could be induced in the insulator In-Ga-O amorphous oxide film by the gate bias.

トランジスタのオン・オフ比は、約10であった。また、出力特性から電界効果移動度を算出したところ、飽和領域において約0.8cm2(Vs)-1の電界効果移動度が得られた。ガラス基板上に作成したTFT素子も同様の特性を示した。 On-off ratio of the transistor was about 10 2. Further, when the field effect mobility was calculated from the output characteristics, a field effect mobility of about 0.8 cm 2 (Vs) −1 was obtained in the saturation region. The TFT element formed on the glass substrate also showed similar characteristics.

PETフィルム上に作成した素子を、曲率半径30mmで曲げ、同様のトランジスタ特性の測定を行ったが、トランジスタ特性に変化は認められなかった。   The device prepared on the PET film was bent with a radius of curvature of 30 mm and the same transistor characteristics were measured, but no change was observed in the transistor characteristics.

なお、アモルファス酸化物の電子キャリア濃度を1018/cm未満にすることでTFTのチャネル層として適用できる。この電子キャリア濃度としては、1017/cm以下がより好ましく、1016/cm以下にすると更に好ましかった。 In addition, it can apply as a channel layer of TFT by making the electron carrier density | concentration of an amorphous oxide less than 10 < 18 > / cm < 3 >. The electron carrier concentration is more preferably 10 17 / cm 3 or less, and even more preferably 10 16 / cm 3 or less.

In-Ga-Zn-Oから構成され、結晶状態に置ける組成がInGa3(Zn)m(mは6未満の自然数)で表されるアモルファス酸化物半導体層の膜厚200 nmの透過率を図7に示す。バンドギャップは約3 eVである。とくに400 nmよりも短波長側にある透過率が60%以下であるような紫外線光に対しては強い感度がある。また、In-Ga-Zn-Mg-Oから構成され、結晶状態の組成がInGaO3(Zn1-xMgxO)m(mは6未満の自然数、0 <x≦1)で表されるアモルファス酸化物半導体層も類似した透過率を示し、紫外線光に対して感度を示す。 The transmittance of an amorphous oxide semiconductor layer composed of In-Ga-Zn-O, whose composition in the crystalline state is represented by InGa 3 (Zn) m (m is a natural number less than 6) at a thickness of 200 nm 7 shows. The band gap is about 3 eV. In particular, it has a strong sensitivity to ultraviolet light whose transmittance on the shorter wavelength side than 400 nm is 60% or less. In addition, it is composed of In-Ga-Zn-Mg-O, and the composition of the crystalline state is represented by InGaO 3 (Zn 1-x Mg x O) m (m is a natural number less than 6, 0 <x ≦ 1) Amorphous oxide semiconductor layers also show similar transmittance and are sensitive to ultraviolet light.

また、有機色素を用いれば、電子の移動度の大きいIn-Ga-Zn-Oを主成分とするアモルファス酸化物半導体は、光の感度波長域を、紫外波長域から可視光波長領域に広げることができ、かつ、高い光電気変換効率を示す。   In addition, if organic dyes are used, amorphous oxide semiconductors mainly composed of In-Ga-Zn-O, which has a high electron mobility, will expand the sensitivity wavelength range of light from the ultraviolet wavelength range to the visible wavelength range. And high photoelectric conversion efficiency.

以下に、実施例を示す。
(実施例1)
図8に示す光センサ素子を形成する。ガラス基板(コーニング社製1737)基板上に、真空蒸着法でAl電極を100 nm形成し下部電極とする。続いて、Krエキシマレーザーを用いたパルスレーザー蒸着法によりInGaO3(ZnO)組成を有する多結晶焼結体をターゲットとしてIn-Ga-Zn-O系アモルファス酸化物半導体薄膜を堆積させる。その上に真空蒸着法でIn2O3(SnO2)を、室温の基板温度で約20 nm積層し上部電極とする。このようにして光センサが形成される。使用時には、光入射側の上部電極に負のバイアスを印加し、下部電極に正のバイアスを印加する。そして、水銀ランプから波長365 nmの紫外光を光センサ素子に照射することにより、紫外線センサとして機能することが確認できる。
(実施例2)
図8に示す光センサ素子を形成する。ガラス基板(コーニング社製1737)基板上に、真空蒸着法でAl電極を100 nm形成し下部電極とする。続いて、Krエキシマレーザーを用いたパルスレーザー蒸着法によりInGaO3(Zn0.9Mg0.1O)組成を有する多結晶焼結体をターゲットとしてIn-Ga-Zn-O系アモルファス酸化物半導体薄膜を堆積させる。アモルファス酸化物半導体膜の層厚は100 nm形成する。その上に真空蒸着法でIn2O3(SnO2)を、室温の基板温度で約20 nm積層し上部電極とする。このようにして形成した光センサ素子に電圧を1 V印加する。使用時には、光入射側の上部電極に負のバイアスを印加し、下部電極に正のバイアスを印加する。そして、水銀ランプから波長365 nmの紫外光を光センサ素子に照射することにより、紫外線センサとして機能することが確認できる。
(実施例3)
図9に示す光センサ素子を形成する。ガラス基板(コーニング社製1737)基板上に、真空蒸着法でAl電極を100 nm形成し下部電極とする。Krエキシマレーザーを用いたパルスレーザー蒸着法によりInGaO3(Zn0.9Mg0.1O)組成を有する多結晶焼結体をターゲットとしてIn-Ga-Zn-O系アモルファス酸化物半導体薄膜を5 nm堆積させる。続いて、InGaO3(ZnO)組成を有する多結晶焼結体をターゲットとしてIn-Ga-Zn-O系アモルファス酸化物半導体薄膜を5 nm堆積させる。この操作を20回繰り返して、200 nmの多層構造半導体層を積層する。アモルファス酸化物半導体膜の層厚は100 nm形成する。その上に真空蒸着法でIn2O3(SnO2)を、室温の基板温度で約20 nm積層し上部電極とする。
(実施例4)
実施例1に示す光センサ素子において、アモルファス酸化物半導体を100 nm積層した後、シアニン色素をメタノールとクロロホルムの混合溶液に0.01%溶解したし色素溶液に、アモルファス酸化物半導体を浸漬し、有機色素を半導体上に吸着結合させる。有機溶剤を揮発させて後、その上に真空蒸着法でIn2O3(SnO2)を、室温の基板温度で約20 nm積層し上部電極とする。このようにして形成した光センサ素子に電圧を1 V印加する。光入射側の上部電極に負のバイアスを印加し、下部電極に正のバイアスを印加する。そして、水銀ランプから波長365 nmの紫外光を光センサ素子に照射することにより、紫外線センサとして機能することが確認できる。
(実施例5)
図9に示す光センサ素子を形成する。ガラス基板(コーニング社製1737)基板上に、真空蒸着法でAl電極を100 nm形成し下部電極とする。Krエキシマレーザーを用いたパルスレーザー蒸着法によりInGaO3(Zn0.9Mg0.1O)組成を有する多結晶焼結体をターゲットとしてIn-Ga-Zn-O系アモルファス酸化物半導体薄膜を5 nm堆積させる。続いて、InGaO3(ZnO)組成を有する多結晶焼結体をターゲットとしてIn-Ga-Zn-O系アモルファス酸化物半導体薄膜を5 nm堆積させる。この操作を20回繰り返して、200 nmの多層構造半導体層を積層する。このようにして形成した光センサ素子に電圧を1 V印加する。光入射側の上部電極に負のバイアスを印加し、下部電極に正のバイアスを印加する。そして、水銀ランプから波長365 nmの紫外光を光センサ素子に照射することにより、紫外線センサとして機能することが確認できる。
(実施例6)
非平面イメージャのTFTとして、図5に示すトップゲート形MISFETを作成する。基板としては、厚さ0.3 mmポリイミドシートを使用する。
Examples are shown below.
Example 1
The optical sensor element shown in FIG. 8 is formed. A 100 nm Al electrode is formed on a glass substrate (Corning 1737) by vacuum deposition to form a lower electrode. Subsequently, an In-Ga-Zn-O amorphous oxide semiconductor thin film is deposited by using a polycrystalline sintered body having an InGaO 3 (ZnO) 4 composition as a target by a pulse laser deposition method using a Kr excimer laser. On top of that, In 2 O 3 (SnO 2 ) is stacked by about 20 nm at a substrate temperature of room temperature to form an upper electrode by vacuum deposition. In this way, an optical sensor is formed. In use, a negative bias is applied to the upper electrode on the light incident side, and a positive bias is applied to the lower electrode. And it can confirm that it functions as an ultraviolet sensor by irradiating an optical sensor element with the ultraviolet light of wavelength 365nm from a mercury lamp.
(Example 2)
The optical sensor element shown in FIG. 8 is formed. A 100 nm Al electrode is formed on a glass substrate (Corning 1737) by vacuum deposition to form a lower electrode. Subsequently, an In-Ga-Zn-O amorphous oxide semiconductor thin film is deposited by using a polycrystalline sintered body having a composition of InGaO 3 (Zn 0.9 Mg 0.1 O) 4 by a pulse laser deposition method using a Kr excimer laser. Let The amorphous oxide semiconductor film is formed to a thickness of 100 nm. On top of that, In 2 O 3 (SnO 2 ) is stacked by about 20 nm at a substrate temperature of room temperature to form an upper electrode by vacuum deposition. A voltage of 1 V is applied to the photosensor element thus formed. In use, a negative bias is applied to the upper electrode on the light incident side, and a positive bias is applied to the lower electrode. And it can confirm that it functions as an ultraviolet sensor by irradiating an optical sensor element with the ultraviolet light of wavelength 365nm from a mercury lamp.
(Example 3)
The optical sensor element shown in FIG. 9 is formed. A 100 nm Al electrode is formed on a glass substrate (Corning 1737) by vacuum deposition to form a lower electrode. Deposit 5 nm of In-Ga-Zn-O amorphous oxide semiconductor thin film using polycrystalline sintered compact with InGaO 3 (Zn 0.9 Mg 0.1 O) 4 composition as a target by pulsed laser deposition using Kr excimer laser . Subsequently, an In-Ga-Zn-O amorphous oxide semiconductor thin film is deposited to a thickness of 5 nm using a polycrystalline sintered body having an InGaO 3 (ZnO) 4 composition as a target. This operation is repeated 20 times to laminate a 200 nm multilayer semiconductor layer. The amorphous oxide semiconductor film is formed to a thickness of 100 nm. On top of that, In 2 O 3 (SnO 2 ) is deposited by vacuum deposition at a substrate temperature of room temperature to a thickness of about 20 nm to form the upper electrode.
Example 4
In the optical sensor element shown in Example 1, after depositing 100 nm of amorphous oxide semiconductor, 0.01% of cyanine dye was dissolved in a mixed solution of methanol and chloroform, and the amorphous oxide semiconductor was immersed in the dye solution. An organic dye is adsorbed onto the semiconductor. After volatilizing the organic solvent, about 20 nm of In 2 O 3 (SnO 2 ) is laminated on the substrate at a room temperature of room temperature by vacuum deposition to form the upper electrode. A voltage of 1 V is applied to the photosensor element thus formed. A negative bias is applied to the upper electrode on the light incident side, and a positive bias is applied to the lower electrode. And it can confirm that it functions as an ultraviolet sensor by irradiating an optical sensor element with the ultraviolet light of wavelength 365nm from a mercury lamp.
(Example 5)
The optical sensor element shown in FIG. 9 is formed. A 100 nm Al electrode is formed on a glass substrate (Corning 1737) by vacuum deposition to form a lower electrode. Deposit 5 nm of In-Ga-Zn-O amorphous oxide semiconductor thin film using polycrystalline sintered compact with InGaO 3 (Zn 0.9 Mg 0.1 O) 4 composition as a target by pulsed laser deposition using Kr excimer laser . Subsequently, an In-Ga-Zn-O amorphous oxide semiconductor thin film is deposited to a thickness of 5 nm using a polycrystalline sintered body having an InGaO 3 (ZnO) 4 composition as a target. This operation is repeated 20 times to laminate a 200 nm multilayer semiconductor layer. A voltage of 1 V is applied to the photosensor element thus formed. A negative bias is applied to the upper electrode on the light incident side, and a positive bias is applied to the lower electrode. And it can confirm that it functions as an ultraviolet sensor by irradiating an optical sensor element with the ultraviolet light of wavelength 365nm from a mercury lamp.
(Example 6)
A top gate type MISFET shown in FIG. 5 is formed as a TFT of a non-planar imager. As the substrate, a polyimide sheet having a thickness of 0.3 mm is used.

KrFエキシマレーザーを用いたパルスレーザー蒸着法により、InGaO3(ZnO)4組成を有する多結晶焼結体をターゲットとして、ポリイミドシート上にIn-Ga-Zn-O系アモルファス酸化物半導体薄膜を堆積させる。チャンネル層として用いる厚さ120nmのアモルファス酸化物半導体層InGaO3(ZnO)4膜を形成する。さらにその上に、チャンバー内酸素分圧を1Pa未満にして、パルスレーザー堆積法により電気伝導度の大きなInGaO3(ZnO)4及び金膜をそれぞれ30nm積層した。そして、フォトリゾグラフィー法とリフトオフ法により、ドレイン端子及びソース端子を形成する。最後にゲート絶縁膜として用いるY2O3膜を電子ビーム蒸着法により成膜し(厚み:90nm、比誘電率:約15、リーク電流密度:0.5 MV/cm印加時に10-3 A/cm2)、その上に金を成膜した。そして、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート端子を形成する。 In-Ga-Zn-O amorphous oxide semiconductor thin film is deposited on a polyimide sheet using a polycrystalline sintered body with InGaO 3 (ZnO) 4 composition as a target by pulsed laser deposition using KrF excimer laser . An amorphous oxide semiconductor layer InGaO 3 (ZnO) 4 film having a thickness of 120 nm used as a channel layer is formed. Further, an InGaO 3 (ZnO) 4 and a gold film having a large electric conductivity were laminated to 30 nm by a pulse laser deposition method with an oxygen partial pressure in the chamber of less than 1 Pa. Then, a drain terminal and a source terminal are formed by a photolithography method and a lift-off method. Finally, a Y 2 O 3 film used as a gate insulating film was formed by electron beam evaporation (thickness: 90 nm, relative dielectric constant: about 15, leakage current density: 10 −3 A / cm 2 when 0.5 MV / cm applied) ), And a gold film was formed thereon. Then, a gate terminal is formed by a photolithography method and a lift-off method.

非平面イメージャのセンサとして図8に示す光センサ素子を形成する。前記ポリイミド基板上に、真空蒸着法でAl電極を100 nm形成し下部電極とする。続いて、Krエキシマレーザーを用いたパルスレーザー蒸着法によりInGaO3(ZnO)4組成を有する多結晶焼結体をターゲットとしてIn-Ga-Zn-O系アモルファス酸化物半導体薄膜を堆積させる。アモルファス酸化物半導体膜の層厚は100 nm形成する。シアニン色素をメタノールとクロロホルムの混合溶液に0.01%溶解したし色素溶液に、アモルファス酸化物半導体を浸漬し、有機色素を半導体上に吸着結合させる。 The optical sensor element shown in FIG. 8 is formed as a sensor of a non-planar imager. An Al electrode having a thickness of 100 nm is formed on the polyimide substrate by vacuum deposition to form a lower electrode. Subsequently, an In-Ga-Zn-O-based amorphous oxide semiconductor thin film is deposited by using a polycrystalline sintered body having an InGaO 3 (ZnO) 4 composition as a target by a pulse laser deposition method using a Kr excimer laser. The amorphous oxide semiconductor film is formed to a thickness of 100 nm. The cyanine dye is dissolved in a mixed solution of methanol and chloroform by 0.01%, and the amorphous oxide semiconductor is immersed in the dye solution to adsorb and bond the organic dye onto the semiconductor.

その上に真空蒸着法でIn2O3(SnO2)を、室温の基板温度で約20 nm積層し上部電極とする。該上部電極上にシンチレータとしてCdWO4層を、スパッタ法で400μm堆積する。そして図10に示すX線センサを形成する。このようなTFTとX線センサを組み合わせて図11に示す回路を形成し、図12に示す非平面イメージャを構成する。このような非平面イメージャ内に、非測定物として、小型のデジタルカメラを設置してx線測定を行う。従来の平面x線イメージャを用いた画像よりも、ひずみの少ない画像が得られる。
(実施例7)
非平面イメージャのTFTとして、図5に示すトップゲート形MISFETを作成する。基板としては、厚さ0.3 mmプラスチックシートを使用する。KrFエキシマレーザーを用いたパルスレーザー蒸着法により、ポリイミドシート上にIn-Ga-Zn-O系アモルファス酸化物半導体薄膜を堆積させる。このときInGaO3(Zn0.9Mg0.1O)4組成を有する多結晶焼結体をターゲットに用いる。チャンネル層として用いる厚さ120nmのアモルファス酸化物半導体層InGaO3(Zn0.9Mg0.1O)4膜を形成する。さらにその上に、チャンバー内酸素分圧を1Pa未満にして、パルスレーザー堆積法により電気伝導度の大きなInGaO3(Zn0.9Mg0.1O)4及び金膜をそれぞれ30nm積層する。そして、フォトリゾグラフィー法とリフトオフ法により、ドレイン端子及びソース端子を形成する。最後にゲート絶縁膜として用いるY2O3膜を電子ビーム蒸着法により成膜し(厚み:90nm、比誘電率:約15、リーク電流密度:0.5 MV/cm印加時に10-3 A/cm2)、その上に金を成膜した。そして、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート端子を形成する。
On top of that, In 2 O 3 (SnO 2 ) is deposited by vacuum deposition at a substrate temperature of room temperature to a thickness of about 20 nm to form the upper electrode. A 400 μm thick CdWO 4 layer is deposited on the upper electrode as a scintillator by sputtering. Then, the X-ray sensor shown in FIG. 10 is formed. A circuit shown in FIG. 11 is formed by combining such a TFT and an X-ray sensor to constitute a non-planar imager shown in FIG. In such a non-planar imager, a small digital camera is installed as a non-measurement object to perform x-ray measurement. An image with less distortion can be obtained than an image using a conventional planar x-ray imager.
(Example 7)
A top gate type MISFET shown in FIG. 5 is created as a TFT of a non-planar imager. As the substrate, a plastic sheet having a thickness of 0.3 mm is used. An In-Ga-Zn-O-based amorphous oxide semiconductor thin film is deposited on a polyimide sheet by pulsed laser deposition using a KrF excimer laser. At this time, a polycrystalline sintered body having an InGaO 3 (Zn 0.9 Mg 0.1 O) 4 composition is used as a target. An amorphous oxide semiconductor layer InGaO 3 (Zn 0.9 Mg 0.1 O) 4 film having a thickness of 120 nm used as a channel layer is formed. Further, an InGaO 3 (Zn 0.9 Mg 0.1 O) 4 and a gold film having a high electric conductivity are laminated to 30 nm by a pulse laser deposition method with an oxygen partial pressure in the chamber of less than 1 Pa. Then, a drain terminal and a source terminal are formed by a photolithography method and a lift-off method. Finally, a Y 2 O 3 film used as a gate insulating film was formed by electron beam evaporation (thickness: 90 nm, relative dielectric constant: about 15, leakage current density: 10 −3 A / cm 2 when 0.5 MV / cm applied) ), And a gold film was formed thereon. Then, a gate terminal is formed by a photolithography method and a lift-off method.

非平面イメージャのセンサとして図9に示す光センサ素子を形成する。前記プラスチック基板上に、真空蒸着法でAl電極を100 nm形成し下部電極とする。Krエキシマレーザーを用いたパルスレーザー蒸着法によりInGaO3(Zn0.9Mg0.1O)4組成を有する多結晶焼結体をターゲットとしてIn-Ga-Zn-O系アモルファス酸化物半導体薄膜を5 nm堆積させる。続いて、InGaO3(ZnO)4組成を有する多結晶焼結体をターゲットとしてIn-Ga-Zn-O系アモルファス酸化物半導体薄膜を5 nm堆積させる。この操作を20回繰り返して、200 nmの多層構造半導体層を積層する。アモルファス酸化物半導体膜の層厚は100 nm形成する。各酸化物半導体層を積層する毎に、フタロシアニン色素を真空蒸着して、該酸化物半導体層上に単分子膜程度積層する。その上に真空蒸着法でIn2O3(SnO2)を、室温の基板温度で約20 nm積層し上部電極とする。 The optical sensor element shown in FIG. 9 is formed as a sensor of a non-planar imager. An Al electrode having a thickness of 100 nm is formed on the plastic substrate by vacuum deposition to form a lower electrode. 5 nm of In-Ga-Zn-O amorphous oxide semiconductor thin film is deposited using a polycrystalline sintered body with InGaO 3 (Zn 0.9 Mg 0.1 O) 4 composition as a target by pulsed laser deposition using Kr excimer laser . Subsequently, an In-Ga-Zn-O amorphous oxide semiconductor thin film is deposited to a thickness of 5 nm using a polycrystalline sintered body having an InGaO 3 (ZnO) 4 composition as a target. This operation is repeated 20 times to laminate a 200 nm multilayer semiconductor layer. The amorphous oxide semiconductor film is formed to a thickness of 100 nm. Each time the oxide semiconductor layers are stacked, a phthalocyanine dye is vacuum-deposited, and a monomolecular film is stacked on the oxide semiconductor layer. On top of that, In 2 O 3 (SnO 2 ) is deposited by vacuum deposition at a substrate temperature of room temperature to a thickness of about 20 nm to form the upper electrode.

このようなTFTとX線センサを組み合わせて図11に示す回路を形成し、図12に示す非平面イメージャを構成する。このような非平面イメージャ内に、非測定物として、小型のデジタルカメラを設置してX線測定を行う。従来の平面X線イメージャを用いた画像よりも、ひずみの少ない画像が得られる。   A circuit shown in FIG. 11 is formed by combining such a TFT and an X-ray sensor to constitute a non-planar imager shown in FIG. In such a non-planar imager, a small digital camera is installed as a non-measurement object and X-ray measurement is performed. An image with less distortion than that obtained using a conventional planar X-ray imager can be obtained.

本発明は紫外光、可視光、X線に対して高い感度を有するセンサ及び非平面イメージャに適用できる。   The present invention can be applied to sensors and non-planar imagers having high sensitivity to ultraviolet light, visible light, and X-rays.

パルスレーザー蒸着法で成膜したIn-Ga-Zn-O系アモルファス酸化物半導体の電子キャリア濃度と成膜中の酸素分圧の関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between the electron carrier concentration of an In—Ga—Zn—O amorphous oxide semiconductor film formed by pulsed laser deposition and the oxygen partial pressure during film formation. パルスレーザー蒸着法で成膜したIn-Ga-Zn-O系アモルファス酸化物半導体の電子キャリア濃度と電子移動度の関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between the electron carrier concentration and the electron mobility of an In—Ga—Zn—O amorphous oxide semiconductor film formed by pulsed laser deposition. アルゴンガスを用いたスパッタ法で成膜したIn-Ga-Zn-O系アモルファス酸化物半導体の電気伝導度と成膜中の酸素分圧の関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between the electric conductivity of an In—Ga—Zn—O-based amorphous oxide semiconductor film formed by sputtering using argon gas and the oxygen partial pressure during film formation. 酸素分圧0.8 Paの雰囲気でパルスレーザー蒸着法で成膜したInGaO3(Zn1-xMgxO)のxの値に対する電気伝導度、キャリア濃度、電子移動度の変化を示すグラフである。 3 is a graph showing changes in electrical conductivity, carrier concentration, and electron mobility with respect to the value of x of InGaO 3 (Zn 1-x Mg x O) formed by pulse laser deposition in an atmosphere with an oxygen partial pressure of 0.8 Pa. 本発明の光センサに使用しているアモルファス酸化物半導体を評価するために作成したTFTの模式的構造図である。FIG. 3 is a schematic structural diagram of a TFT created for evaluating an amorphous oxide semiconductor used in the optical sensor of the present invention. トップゲート型MISFET素子の電流−電圧特性を示すグラフである。It is a graph which shows the current-voltage characteristic of a top gate type MISFET element. In−Ga-Zn-Oから構成されるアモルファス半導体層(200 nm)の透過率のグラフである。It is a graph of the transmittance | permeability of the amorphous semiconductor layer (200 nm) comprised from In-Ga-Zn-O. 本発明の光センサの模式的説明図である。It is typical explanatory drawing of the optical sensor of this invention. 本発明の光センサの、第二の例の模式的説明図である。It is typical explanatory drawing of the 2nd example of the optical sensor of this invention. 本発明のX線センサの模式的構造図である。It is a typical structure figure of the X-ray sensor of the present invention. 本発明の非平面イメージャの画素回路図である。It is a pixel circuit diagram of the non-planar imager of the present invention. 本発明の非平面イメージャの作成方法の模式的説明図である。It is typical explanatory drawing of the creation method of the non-planar imager of the present invention. 本発明の非平面イメージャを使用しX線測定の模式的説明図である。It is typical explanatory drawing of a X-ray measurement using the non-planar imager of this invention. パルスレーザー蒸着装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows a pulse laser vapor deposition apparatus. スパッタ成膜装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows a sputtering film-forming apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

701,801,901 基板
702,802,902 下部電極
703,903 半導体層
704,804,904 上部電極
803 多層構造半導体層
905 シンチレータ
701, 801, 901 Substrate 702, 802, 902 Lower electrode 703, 903 Semiconductor layer 704, 804, 904 Upper electrode 803 Multilayer semiconductor layer 905 Scintillator

Claims (15)

受容した電磁波を検知するセンサであって、
第1の電極と、第2の電極と、該第1及び第2の電極の間に設けられている非晶質酸化物層とを備えることを特徴とするセンサ。
A sensor for detecting received electromagnetic waves,
A sensor comprising: a first electrode; a second electrode; and an amorphous oxide layer provided between the first and second electrodes.
前記非晶質酸化物層の電子キャリア濃度が1018/cm3未満であることを特徴とする請求項1記載のセンサ。 The sensor according to claim 1, wherein the amorphous oxide layer has an electron carrier concentration of less than 10 18 / cm 3 . 前記非晶質酸化物層が、In、Zn及びSnの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項1又は2記載のセンサ。   The sensor according to claim 1, wherein the amorphous oxide layer includes at least one of In, Zn, and Sn. 前記非晶質酸化物層が、InとZnとSnを含む酸化物、InとZnを含む酸化物、InとSnを含む酸化物、またはInを含む酸化物のいずれかであることを特徴とする請求項1又は2記載のセンサ。 The amorphous oxide layer is any one of an oxide containing In, Zn and Sn, an oxide containing In and Zn, an oxide containing In and Sn, or an oxide containing In. The sensor according to claim 1 or 2. 前記非晶質酸化物層が、In、Ga及びZnを含むことを特徴とする請求項1又は2記載のセンサ。   The sensor according to claim 1, wherein the amorphous oxide layer contains In, Ga, and Zn. 前記第1の電極は、前記非晶質酸化物層が感度を有する波長域の光に対して、透過性を有することを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載のセンサ。   The sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein the first electrode is transmissive to light in a wavelength region in which the amorphous oxide layer is sensitive. 前記非晶質酸化物層に有機色素が設けられていることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載のセンサ。   6. The sensor according to claim 1, wherein an organic dye is provided on the amorphous oxide layer. 可撓性基板上に前記第1及び第2の電極と、前記非晶質酸化物層とが設けられていることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載のセンサ。   The sensor according to any one of claims 1 to 7, wherein the first and second electrodes and the amorphous oxide layer are provided on a flexible substrate. 前記第1の電極と第2の電極間には、複数の非晶質酸化物層を有することを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載のセンサ。   The sensor according to any one of claims 1 to 8, wherein a plurality of amorphous oxide layers are provided between the first electrode and the second electrode. 受容した電磁波を検知するセンサであって、
第1の電極と第2の電極との間に設けられている非晶質酸化物層を備え、
該非晶質酸化物層は、電子キャリア濃度が増加すると共に、電子移動度が増加する傾向を示す非晶質酸化物であることを特徴とするセンサ。
A sensor for detecting received electromagnetic waves,
An amorphous oxide layer provided between the first electrode and the second electrode,
The sensor, wherein the amorphous oxide layer is an amorphous oxide having a tendency to increase electron mobility as electron carrier concentration increases.
撮像装置であって、
可撓性基板と、
該可撓性基板上に設けられているX線センサと、
該X線センサからの信号を読み出すための電界効果型トランジスタとを備え、
該電界効果型トランジスタは、活性層として非晶質酸化物を有し、且つ
該非晶質酸化物は、その電子キャリア濃度が1018/cm3未満であるか、あるいは該非晶質酸化物は、電子キャリア濃度が増加すると共に、電子移動度が増加する傾向を示す酸化物であることを特徴とする撮像装置。
An imaging device comprising:
A flexible substrate;
An X-ray sensor provided on the flexible substrate;
A field effect transistor for reading a signal from the X-ray sensor,
The field effect transistor has an amorphous oxide as an active layer, and the amorphous oxide has an electron carrier concentration of less than 10 18 / cm 3 , or the amorphous oxide An imaging device, characterized in that the imaging device is an oxide that has a tendency to increase electron mobility as electron carrier concentration increases.
非平面の撮像領域を有する請求項11に記載の撮像装置。   The imaging device according to claim 11, wherein the imaging device has a non-planar imaging region. 前記X線センサが、X線を光に変換するシンチレータと光電変換素子とを含み構成されていることを特徴とする請求項11又は12に記載の撮像装置。   The imaging apparatus according to claim 11 or 12, wherein the X-ray sensor includes a scintillator that converts X-rays into light and a photoelectric conversion element. 前記X線センサは、半導体層を含み構成され、該半導体層は、非晶質酸化物からなることを特徴とする請求項11又は12記載の撮像装置。   The imaging apparatus according to claim 11, wherein the X-ray sensor includes a semiconductor layer, and the semiconductor layer is made of an amorphous oxide. 撮像装置であって、
非平面領域を有する基板と、
該基板上に設けられているX線センサと、
該X線センサからの信号を読み出すための電界効果型トランジスタとを備え、
該電界効果型トランジスタは、非晶質酸化物からなる活性層を有するノーマリーオフ型のトランジスタであることを特徴とする撮像装置。
An imaging device comprising:
A substrate having a non-planar region;
An X-ray sensor provided on the substrate;
A field effect transistor for reading a signal from the X-ray sensor,
The field effect transistor is a normally-off transistor having an active layer made of an amorphous oxide.
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