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環境負荷の小さい有機金属錯体を用いた酸化亜鉛薄膜の製造方法とその応用デバイス
仙台高等専門学校仙台高等専門学校 広瀬キャンパス広瀬キャンパス
地域イノベーションセンター地域イノベーションセンター 羽賀浩一羽賀浩一
講演内容 １．酸化亜鉛薄膜の今昔
２．研究の狙い
３．酸化亜鉛の製造方法
４．電気特性と応用事例
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酸化亜鉛研究の狙い酸化亜鉛研究の狙い
大面積デバイスの作成（大面積デバイスの作成（CVDCVD法）法）
安価な材料及び作成装置安価な材料及び作成装置
安全な材料と製法（環境に優しい）安全な材料と製法（環境に優しい）
高機能デバイスへの展開高機能デバイスへの展開
工業的応用工業的応用
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酸化亜鉛の今昔酸化亜鉛の今昔
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ZnOZnO薄膜の作成方法薄膜の作成方法
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化学気相成長法（ＣＶＤ）法の特徴化学気相成長法（ＣＶＤ）法の特徴
１ｍ２サイズの大面積薄膜が作成できる
堆積に超高真空が不要（大気圧成長も可）
低温堆積が可能（プラズマCVD)
工業生産性が高い
組成が一定の原料を長時間連続的に
供給できる
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CVDCVD原料についての検討原料についての検討
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アセチルアセトン金属原料とはアセチルアセトン金属原料とは
ZnO
CH
CH
CHC
CO
Metal Organic Structure
2
2
23
zinc acetylacetonateZn(C5H7O2)2
・大気中で安定である・毒性がない・安価である（低純度で1万円/kg)
高純度原料を製品化
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市販のアセチルアセトン原料Zn(C5H7O2)2の熱分析結果
水分の蒸発
２つの構造が混じって供給される(水和・非水和物）
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考案したMO-CVD 装置
TC
ExhaustHeaterTCSubstrate
holder
Substrate
TC
RP1 RP2
Pre-heatingarea
TC
Ga(acac)3vessel
Zn(acac)2vessel
FM
FM
TCN2 O2
予備加熱領域の導入が製法特許出願に繋がる
原料はすべてアセチルアセトン金属錯体に統一
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減圧MO-CVD装置製品化
型式：KH2001-50K
マルチチャンバMO-CVD装置
マイクロ波プラズマCVD装置
リモートプラズマMO-CVD装置
常圧MO-CVD装置
設計試作した設計試作したMOMO--CVDCVD装置群装置群
装置の製品化を達成
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0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5Film Thickness (μm)
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3FW
HMΔ
2 θ(d
eg.)
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
0.55
0.6
FWH
M Δω
(deg
.)○ FWHM (11̄20 Δ2θ)● FWHM (11̄20 Δω)
Reference： A. Ohtomo, K. Tamura, K. Saikusa, K. Takahashi, T.
Makino, Y. Segawa, H. Koinuma, M. Kawasaki, Appl. Phys. Lett. 75,
2635 (1999)
最先端の研究グループと同程度の結晶性を実現
基板温度500℃
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200 400 600 800 1000Wavelength (nm)
0
5000
10000
15000
Inte
nsity
(cps
)
RP-MO-CVD
AP-MO-CVD (0.32 μm)AP-MO-CVD (0.48 μm)
hydrothermal methode
band edge emission
green emission
カソードルミネッセンススペクトルカソードルミネッセンススペクトル
5kV、5nA、室温で測定
非常に優れた発光特性を示した
（水熱合成単結晶））
本製法
従来のCVD法単結晶ZnO基板
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酸化亜鉛透明導電膜
60 80 100Ga(C5H7O2)3 Cylinder Temperature(℃)
non-doping
1018
1019
1020
1021
Car
rier C
once
ntra
tion
(cm
-3)
10-4
10-3
10-2
10-1
Res
istiv
ity ( Ω・
cm) ●Sapphire(R)
■Pyrex Glass
Ts = 520℃
ホール移動度
40.9 cm/V.secキャリア濃度
2.2x1020 cm-3
抵抗率
6.9x10-4Ω.cm
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高知工大 平成16年度卒業論文資料から参照
on Glasson Sapphire
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窓ガラスが太陽電池や壁照明に変貌
自動車のフロントガラスに情報を表示
透明回路の未来予想図透明回路の未来予想図
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液晶ディスプレイの現状
高画素化
･ 消費電力が大きくなる･ 高価格化
･強いバックライト光の照射･ マイクロレンズアレイによる光の集束
現状
照射光
透過光
11画素画素
液晶駆動液晶駆動TFTTFT開口率低下
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研究初期の透明トランジスタ研究初期の透明トランジスタ
0 5 10 15Vsd (V)
0
5
10
15
I d (n
A)
Vg = 0VVg = 2VVg = 4VVg = 6V
On電流が全く確保できず
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目標とする透明トランジスタの構造目標とする透明トランジスタの構造
GlassITO
SiO2ZnO
In2O3 In2O3
ゲートドレイン ソース
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研究の現状（2009年）
0 10 20 30Drain Voltage VD (V)
0
50
100
Dra
in C
urre
nt I D
(x10
-6A
) Vg=25 V
=20 V
=15 V
=10 V
=5 V
Ts=10nm
-20 0 20 40 60Gate Voltage VG (V)
10-1010-910-810-710-610-510-410-310-2
Dra
in C
urre
nt I D
(A)
VD=25V
ts=10nm
VD-ID特性
VG-ID特性電界効果移動度（μFE）
=６cm2/V.secon/off比=１０６
十分なOn電流
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新規錯体原料の探索（科学研究補助金(基盤B)で実施中）
極めて平坦な表面と優れた結晶性の薄膜が実現
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想定されるユーザーと市場規模想定されるユーザーと市場規模
想定されるユーザー
・半導体産業
・自動車産業
・建築業者
・広告会社等のディスプレイ関連企業
想定される市場規模
本CVD原料は環境負荷が小さいことから、環境への配慮が望まれる多くの産業に応用できる。さらにこの原料で得られた透明デバイスは多くの応用展開が期待される。
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企業への期待企業への期待
CVD装置を実用化するに当たり、企業が持ちうる多くのノウハウを教えて頂きたい。
CVD材料及び装置技術を有する企業との共同研究を希望する。
本研究は材料、装置、デバイスプロセスがすべて新規技術であり、研究課題も多く、早期の産学連携体制を希望する。
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本技術に関する知的財産権本技術に関する知的財産権(権利化済）(1) 羽賀浩一、酸化亜鉛半導体材料の製造方法、中華民国特許、台公告
478179 (2002).(2) 羽賀浩一、酸化亜鉛半導体材料、中華民国特許、台公告 485419 (2002).(3)
羽賀浩一、多結晶半導体部材及びその製造方法、中華民国特許、台公告 505946 (2002).(4) K. Haga, Zinc
Oxide Semiconductor Member Formed on Silicon Substrate, United
States Patent US 6589362 (2003) (5) K. Haga, Method for preparing
zinc oxide semiconductor material, United States Patent US 6860937
(2005)(6) K. Haga, Zinc Oxide Semiconductor Material, United States
Patent US 6936188 (2005)(7) 羽賀浩一、酸化亜鉛半導体材料 韓国特許、韓国
10-0610580(8)羽賀浩一、酸化亜鉛半導体材料の製造方法 韓国特許、韓国 10-0581011(9)
羽賀浩一、酸化亜鉛半導体材料 日本国特許、特許第3903209 (2006)(10) 羽賀浩一、酸化亜鉛半導体材料の製造方法
日本国特許、特許第3826165 (2005)
(出願済）(1) 特開2008-231457 酸化亜鉛薄膜の製造方法(2) 特開2008-145506
圧電素子による光学素子とその作成方法(3) 特開2004-363519有機金属化学気相成長装置および有機金属化学気相成長方法(4)
特開2003-031846 シリコン基板上に形成された酸化亜鉛半導体部材(5) 特開2002-093879
真空反応装置における基板の搬送・設置・取り出し機構(6) 特開2002-093823 薄膜形成装置(7) 特開2002-088477
気化物供給方法および装置ならびに有機金属化学気相蒸着方法および装置(8) 特開2001-326097
ＥＣＲマイクロ波放電イオン発生装置(9) 特開2001-116943 金属酸化物薄膜素子の製造方法(10) 特開2000-276943
透明導電膜(11) 特開平05-246716 酸化物薄膜機能性部材(12) 特開平05-202480 薄膜形成方法(13)
再表02/017368 多結晶半導体部材およびその作成方法(14) 再表01/073170 酸化亜鉛半導体材料(15)
再表01/073160 酸化亜鉛半導体材料の製造方法
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