JP2013042086A - 酸化物粒子分散液 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】酸化物粒子、金属塩及び分散媒を含む分散液。
【選択図】図1
Description
アモルファスシリコンは、比較的低温で形成できる利点を有するが、結晶性シリコンと比較してスイッチング速度が遅い。このため、表示装置を駆動するスイッチング素子として使用したときに、高速な動画の表示に追従できない場合がある。
しかしながら、気相法は真空設備が必要であり、大面積の表示装置に適用するためには、真空設備が大掛かりかつ複雑となる。
しかしながら、このような高温工程を設けると、高温に耐えうる基板を選定しなければならず、また、製造装置を高性能化する必要が生じる。これらは半導体デバイスの製造において大きな制約となる。
尚、非特許文献2に開示された方法は、我々の検討により、成膜性にも課題があることが分かった。
1.酸化物粒子、金属塩及び分散媒を含む分散液。
2.前記酸化物粒子のBET粒子径が100nm以下である1に記載の分散液。
3.前記酸化物粒子がSn,Zn,In及びGaから選ばれる1以上の金属の酸化物である1又は2に記載の分散液。
4.前記酸化物粒子がコアシェル型粒子であり、Sn,Zn及びInから選ばれる1以上の金属の酸化物をコアとし、かつSn,Zn,In,Ga,Al,Ti,Zr,Hf及びCuから選ばれる1以上の金属の酸化物をシェルとする1〜3のいずれかに記載の分散液。
5.前記金属塩がSn,Zn,In及びGaから選ばれる1以上の金属の塩である1〜4のいずれかに記載の分散液。
6.前記金属塩がInの硝酸塩とGaの硝酸塩の混合物である1〜5のいずれかに記載の分散液。
7.1〜6のいずれかに記載の分散液から得られる半導体薄膜。
8.7に記載の半導体薄膜を半導体層として用いる半導体デバイス。
中でも、製造コストの観点からSnO2及びZnOが好ましく、化学的な安定性の観点からSnO2が好ましい。
また、高移動度の観点からSnO2,ZnO及びIn2O3が好ましい。さらに、SnO2又はZnOを用いると、稀少元素の使用を低減できるため好ましい。
また、コアシェル型粒子を構成する他の金属元素に対して価数の低いCu等の元素を用いることによっても、キヤリア濃度を低減することができる。
この反応は、例えば不活性ガス雰囲気(窒素等)又は大気雰囲気下で、例えば0.1〜10時間で行う。
金属塩は、好ましくはSn,Zn,In及びGaから選択される1以上の金属の硝酸塩又は酢酸塩であり、より好ましくはInの硝酸塩とGaの硝酸塩の混合物である。
中でも、プロピレングリコールモノメチルエーテル(PGME)、エタノール等のアルコール類が好ましい。これらは1種で使用してもよく、2種以上を混合して使用してもよい。
本発明において「実質的」とは、分散液としての効果が上記に起因すること、又は分散液の95重量%以上100重量%以下(好ましくは98重量%以上100重量%以下)が上記成分であることを意味する。
上記のように本発明の分散液は、実質的に酸化物粒子、金属塩及び分散媒からなっており、本発明の効果を損なわない範囲で他に不可避不純物を含んでいてもよい。
尚、本発明では、これらの成分を予め混合した状態で貯蔵してもよく、また、半導体膜作製の直前に混合してもよい。
金属塩の溶液は、上述した金属塩を分散媒に溶解させたものである。特に、金属塩として、Inの硝酸塩とGaの硝酸塩の混合物であり、Inの硝酸塩1モルに対して、Gaの硝酸塩が0.01〜0.7モルである混合物が好ましい。この金属塩混合物をPGMEに溶解させた溶液は、アミン類を添加しなくとも非常に安定で固形分の沈降もないため好適である。
塗布手段としては、スピンコーター法の他、例えば、印刷法、インクジェット方式、及びディスペンサー方式等の、基板又は基体に向かって分散液を吐出する方法が挙げられる。
半導体薄膜を形成する基材としては、薄膜トランジスタの場合、ゲート絶縁膜が挙げられる。
乾燥は通常、分散剤が蒸発して固形分(溶質)の薄膜が形成されるまで行なう。乾燥は、不活性ガス雰囲気中又は大気雰囲気中で行なうことができる。乾燥温度と乾燥時間は、膜の形成状態を考慮して、適宜設定できる。例えば、室温〜100℃程度、5分〜1時間程度である。
乾燥後、焼成処理を行うことで半導体デバイス(TFT)の性能が向上し、高い移動度を得ることができる。
以下、本発明の半導体デバイスの一実施形態として、TFTについて説明する。
薄膜トランジスタ1は、基板(ゲート電極)10上に絶縁膜20を有し、絶縁膜20上に所定の間隔をあけて形成された一対のソース電極30及びドレイン電極40を有し、ソース電極30及びドレイン電極40の間の絶縁膜20を覆うようにチャネル層50が設けられている。
チャネル層50が本発明の分散液から形成した薄膜からなる。
本実施形態では、基板10がゲート電極を兼ねており、基板10に印加される電圧によってソース電極30とドレイン電極40の間のチャネル層50に流れる電流が制御されることで、薄膜トランジスタ1がオン/オフ動作する。
(1)金属塩溶液の調製
硝酸ガリウム・8水和物0.60g(0.0015mol)、硝酸インジウム・3水和物4.79g(0.0135mol)、1−メトキシ−2−プロパノール45.01gを容器にとり、室温で7時間撹拌した。16時間静置後、さらに4時間撹拌した。孔径0.2μmのメンブランフィルターでろ過して金属塩溶液(以下IGOゾル)を得た。
上記IGOゾル1gをサンプル瓶に秤量し、これに市販のシリカゾルであるスノーテックスO(日産化学工業株式会社製、20wt%、BET粒子径20nm)溶液0.045gを添加し、超音波洗浄器にて4時間分散させ、混合溶液を得た。
図2に示すトップコンタクト型のTFT2を作製した。
300nm厚みの熱酸化膜(SiO2膜)付きの導電性シリコン基板を使用した。熱酸化膜がゲート絶縁膜20として機能し、導電性シリコン部がゲート電極10として機能する。
尚、上記100℃30分間の乾燥の前に、大気下で1時間静置し、膜の安定性を目視で評価した。膜が吸湿してやせ細る等の変化は見られず、安定性に優れることが明らかになった。
移動度及びドレイン電流の最大値と最小値の比(オン/オフ比)を算出し、TFT特性の目安とした。TFT特性は良好であった。結果を表1に示す。
(1)半導体微粒子分散液の調製
酸化錫超微粒子(三菱マテリアル株式会社製、商品名S−1、BET粒子径20nm)0.04gをPGME4gに添加し、市販の分散剤(BYK−2000:ビックケミージャパン株式会社製、高分子量タイプ湿潤分散剤)0.004gをさらに添加して、超音波洗浄機にて4時間分散させて半導体微粒子分散液を調製した。
実施例1(1)のIGOゾル(金属塩溶液)0.5gをサンプル瓶に秤量し、これに上記の半導体微粒子分散液2.5gを添加し、超音波洗浄器にて4時間分散させて混合溶液を得た。
素子加熱条件を270℃窒素雰囲気1時間、さらに大気中にて250℃1時間とした他は実施例1と同様にTFTを作製し、成膜性、移動度、オン/オフ比を評価した。結果を表1に示す。
(1)コアシェル型半導体微粒子の調製
酸化錫超微粒子(三菱マテリアル株式会社製、商品名S−1、BET粒子径20nm)を9.348g秤量し、硝酸インジウム・3水和物0.22g、硝酸ガリウム・8水和物0.248g及び硝酸亜鉛・6水和物0.184gを水2gに混合、溶解した水溶液をこれに加え、遊星ボールミルにて2時間混合した。
水を含む混合物を乾燥機にて90℃で3時間、大気雰囲気下で乾燥した後、500℃で30分間焼成し、淡黄色の微粒子酸化物を得た。この微粒子のBET粒子径は22nmであった。
上記半導体微粒子0.04gをPGME4gに添加し、超音波洗浄機にて4時間分散させて半導体微粒子分散液を調製した。
実施例1(1)のIGOゾル(金属塩溶液)1gをサンプル瓶に秤量し、これに上記の半導体微粒子分散液1.0gを添加し、超音波洗浄器にて4時間分散させて混合溶液(分散液)を得た。
素子加熱条件を270℃窒素雰囲気1時間、さらに大気中にて250℃1時間とした他は実施例1と同様にTFTを作製し、成膜性、移動度、オン/オフ比を評価した。結果を表1に示す。
(1)コアシェル型半導体微粒子の調製
酸化錫超微粒子(三菱マテリアル株式会社製、商品名S−1、BET粒子径20nm)を9.333g秤量し、硝酸インジウム・3水和物0.593g及び硝酸ガリウム・8水和物0.074gを水2gに混合、溶解した水溶液をこれに加え、遊星ボールミルにて2時間混合した。
水を含む混合物を乾燥機にて90℃で3時間、大気雰囲気下で乾燥した後、500℃で30分間焼成し、淡黄色の微粒子酸化物を得た。この微粒子のBET粒子径は22nmであった。
上記半導体微粒子0.04gをPGME4gに添加し、超音波洗浄機にて4時間分散させ、半導体微粒子分散液を調製した。
実施例1(1)のIGOゾル(金属塩溶液)0.5gをサンプル瓶に秤量し、これに上記の半導体微粒子分散液1.0gを添加し、超音波洗浄器にて4時間分散させて混合溶液(分散液)を得た。
素子加熱条件を270℃窒素雰囲気1時間、さらに大気中にて250℃1時間とした他は実施例1と同様にTFTを作製し、成膜性、移動度、オン/オフ比を評価した。結果を表1に示す。
(1)コアシェル型半導体微粒子の調製
酸化インジウム微粒子(アジア物性株式会社製、BET比表面積27m2/g、BET粒子径27nm)を9.279g秤量し、硝酸インジウム・3水和物0.64g及び硝酸ガリウム・8水和物0.08gを水2gに混合、溶解した水溶液をこれに加え、遊星ボールミルにて2時間混合した。
水を含む混合物を乾燥機にて90℃で3時間、大気雰囲気下で乾燥した後、500℃で30分間焼成し、淡黄色の微粒子酸化物を得た。この微粒子のBET粒子径は21nmであった。
上記半導体微粒子0.04gをPGME4gに添加し、超音波洗浄機にて4時間分散させて半導体微粒子分散液を調製した。
実施例1(1)のIGOゾル(金属塩溶液)0.75gをサンプル瓶に秤量し、これに上記の半導体微粒子分散液1.0gを添加し、超音波洗浄器にて4時間分散させて混合溶液(分散液)を得た。
素子加熱条件を270℃窒素雰囲気1時間、さらに大気中にて250℃1時間とした他は実施例1と同様にTFTを作製し、成膜性、移動度、オン/オフ比を評価した。結果を表1に示す。
実施例1(1)のIGOゾル(金属塩溶液)を用いて、実施例1と同様にしてTFTを作製した。大気中で静置したところ膜が吸湿してやせ細り、膜形状を保つことができず性能評価に至らなかった。
10 基板(ゲート電極)
20 絶縁膜
30 ソース電極
40 ドレイン電極
50 チャネル層
Claims (8)
- 酸化物粒子、金属塩及び分散媒を含む分散液。
- 前記酸化物粒子のBET粒子径が100nm以下である請求項1に記載の分散液。
- 前記酸化物粒子がSn,Zn,In及びGaから選ばれる1以上の金属の酸化物である請求項1又は2に記載の分散液。
- 前記酸化物粒子がコアシェル型粒子であり、Sn,Zn及びInから選ばれる1以上の金属の酸化物をコアとし、かつSn,Zn,In,Ga,Al,Ti,Zr,Hf及びCuから選ばれる1以上の金属の酸化物をシェルとする請求項1〜3のいずれかに記載の分散液。
- 前記金属塩がSn,Zn,In及びGaから選ばれる1以上の金属の塩である請求項1〜4のいずれかに記載の分散液。
- 前記金属塩がInの硝酸塩とGaの硝酸塩の混合物である請求項1〜5のいずれかに記載の分散液。
- 請求項1〜6のいずれかに記載の分散液から得られる半導体薄膜。
- 請求項7に記載の半導体薄膜を半導体層として用いる半導体デバイス。
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