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株式会社半導体エネルギー研究所

June 1, 2012

新新新新しいしいしいしい結晶性酸化物半導体結晶性酸化物半導体結晶性酸化物半導体結晶性酸化物半導体新新新新しいしいしいしい結晶性酸化物半導体結晶性酸化物半導体結晶性酸化物半導体結晶性酸化物半導体

CAAC(C-Axis Aligned Crystal）

2

内容

1. 背景 ・・・ 3

2. CAAC と それを用いたIGZO TFTの特性 ・・・ 9

3. まとめ ・・・ 17

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1.背景背景背景背景

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IGZOの歴史

1985 君塚らは世界で初めて IGZO 結晶の合成に成功した。

君塚はその後も10年以上にわたり、精力的にIGZO等のホモロガス構造について研究をおこなった。

2004 東工大野村らはアモルファス IGZO TFTを Natureに発表した。

2009 SEL は c-axis aligned crystal (CAAC)構造を発見した。

2012 シャープ・SELはその量産技術を確立した。

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C-Axis Aligned Crystal（CAAC）とは何か?

これまで薄膜のIGZOはアモルファス構造を持ち、薄膜での結晶化

は不可能とされていた。しかし, SELは結晶性IGZO薄膜として、全く新しい結晶の

C-Axis Aligned Crystalを見いだした。

CAAC は単結晶構造とも、アモルファス構造とも異なる構造を

もっている。

単結晶単結晶 CAACCAAC アモルファスアモルファス

結晶性

高い 低い

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単結晶

IGZO

CAAC(C-Axis Aligned Crystal)

結晶系

アモルファス

酸化物半導体材料 IZO

ZnO

IHZO

多結晶B

C

結晶構造と材料

酸化物半導体結晶相

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OStronics

Display

LCD

電子ペーパー(idling stop driving (IDS))

CPU

イメージセンサー

NOSRAM

DOSRAM(dynamic oxide semiconductor random access memory)

(nonvolatile oxide semiconductorrandom access memory)

A

アプリケーション

Non-display(Si＼OS LSI)

OLED

タッチセンサー

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2. CAAC ととととそれをそれをそれをそれを用用用用いたいたいたいたIGZO TFTのののの特性特性特性特性

9

IGZOの結晶構造

ｃ軸方向から見ると、IGZO 結晶は六角形構造になっている。

ｃ軸に垂直な方向から見ると、 IGZO 結晶は層状構造になっている。

：：：：In ：：：：Ga or Zn ：：：：O

a

b

c axisc axisc axisc axis

(Ga(Ga(Ga(Ga、、、、Zn)OZn)OZn)OZn)O

InOInOInOInO2222

InOInOInOInO2222

InOInOInOInO2222

InOInOInOInO2222

(Ga(Ga(Ga(Ga、、、、Zn)OZn)OZn)OZn)O

(Ga(Ga(Ga(Ga、、、、Zn)OZn)OZn)OZn)O

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平面 TEM 画像

アモルファス IGZOアモルファス IGZO

六角形構造が見られる結晶構造は見られない

CAAC IGZOCAAC IGZO(a-b 面)

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断面TEM 画像 (ｃ軸に垂直方向)

アモルファス IGZOアモルファス IGZO CAAC IGZOCAAC IGZO

層構造が見られる結晶構造は見られない

C軸

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TEM 画像から、 IGZO 結晶のｃ軸は膜表面に垂直であることが

わかる。SELではこれを C-Axis Aligned Crystal （CAAC）と名付けた。

C-Axis Aligned Crystal

膜表面膜表面膜表面膜表面

断面断面断面断面TEM 画像画像画像画像C軸

c axisc axisc axisc axis

InOInOInOInO2222

InOInOInOInO2222

InOInOInOInO2222

InOInOInOInO2222

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CAAC IGZOの XRD スペクトル

1.0x104

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

intensity(arb.units)

908070605040302010

2θ(deg.)

Amorphous

CAAC

試料構造quartz＼IGZO(300nm)as-depo

out-of-plane (009)(InGaZnO4)

CAAC のXRD スペクトル（out-of-plane） ピークはIGZO 結晶のピークと一致している.

これは CAAC IGZO のｃ軸が薄膜表面に垂直であることを示している。

(IGZO)

out-of- plane

14

1.4x105

1.2

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

intensity(arb.units)

20016012080400-40-80-120-160φ(deg.)

単結晶IGZO膜

CAAC IGZO 単結晶単結晶単結晶単結晶 IGZO

CAAC IGZO の XRD スペクトル

In-Plane 測定で2θ を (110) 面に固定し、 φ を変化させた。

CAAC IGZOは a-b 面には配列していない

120

100

80

60

40

20

intensity(arb.units)

-160 -120 -80 -40 0 40 80 120 160

φ(deg.)

試料構造CAACquartz＼IGZO(300nm)as-depo

(110)面内回転

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光マイナスバイアスストレス時の特性変動が小さい

バイアス、温度条件: 80 °C, Vgs = ±30 V, 2000 sec (10000 lx, white LED)

プラスプラスプラスプラス バイアスバイアスバイアスバイアス ストレスストレスストレスストレス マイナスマイナスマイナスマイナス バイアスバイアスバイアスバイアス ストレスストレスストレスストレスL= 6 µ m

W=50 µ m

CAAC IGZO TFTの信頼性 （光照射あり）

BTストレスによる Id-Vg 特性変動 （光照射あり）

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3.まとめまとめまとめまとめ

17

１． これまで薄膜のIGZOはアモルファス構造を持ち、その結晶化は不可能

とされていた。

このたび, SELは結晶性IGZO薄膜として、新しい結晶であるC-Axis Aligned Crystal（CAAC)を見いだした。

CAAC は単結晶構造とも、アモルファス構造とも異なる構造をもっている。

２． CAAC IGZOはアモルファスIGZOよりも信頼性に優れた性能を持っていることがわかった。

３． このたびかかる酸化物半導体を用いて、液晶ディスプレイを試作し、後方に展示していますので、ぜひご覧下さい。

３．まとめ

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君塚昇博士とは

（略歴）

1967年 科学技術庁無機材質研究所入所

1985年 無機材研において世界で初めて結晶ＩＧＺＯの合成をおこなう。

その後 約１０年精力的にホモロガス構造のＩＧＺＯ等の開発に従事。

現在、ポーランド在住

（発表論文）

1) N. Kimizuka and T. Mohri: J. Solid State Chem. 60 (1985) 382.

2) N. Kimizuka et al.: J. Solid State Chem. 116 (1995) 170.

3) ホモロガス相、InFeO3（ZnO）mとその同型化合物の合成と結晶構造

中村・君塚・毛利・磯部 固体物理(1993)317

3) M. Nakamura: NIRIM NEWSLETTER 150 (1995) 1.

4) M. Nakamura et al.: J. Solid State Chem. 93 (1991) 298.