韓国の研究陣がスマートフォンとテレビのディスプレーに使われる酸化物半導体の性能を低下させる酸素空孔欠陥の作動原理を解明した。半導体全体の原子密度ではなく、欠陥周辺の金属原子間距離が欠陥の電気的性質を決定するということだ。
ウルサン科学技術院（UNIST）はチョン・チャンウク半導体素材・部品大学院教授の研究チームがこの事実を理論計算で立証したと19日に明らかにした。
インジウム・ガリウム・亜鉛酸化物（IGZO）は低温で薄膜化しやすく、スマートフォンとテレビ画面を駆動する薄膜トランジスタ（TFT）の半導体素材として使用される。ただし製造過程で酸素原子があるべき位置が空く欠陥が生じると、電流の流れや動作電圧が変わり、素子性能が不安定になり得る。
酸素が抜けた位置には電子2個が残る。この電子が欠陥周辺に閉じ込められるか、薄膜全体に広がるかによって、素子のしきい値電圧と電気的特性が異なる。研究チームは酸素空孔周辺の特定金属原子間が近づくと電子が欠陥周辺に閉じ込められ、距離が遠ざかると電子が薄膜全体に広がることを確認した。欠陥に残った電子が位置するエネルギーである「欠陥準位」が低く深いほど、電子は空孔に強く捕捉されて抜け出しにくくなる。
今回の研究は、熱処理と圧縮が酸化物半導体に及ぼす相反する影響も説明する。従来は熱処理で全体の原子密度が高まると欠陥に閉じ込められた電子が広がるとみていたが、薄膜を圧縮して密度が高まる場合には、電子がかえって欠陥周辺に閉じ込められる現象が観察された。
研究チームは、全体密度よりも欠陥周辺の原子配列が重要だと分析した。熱処理や薄膜を引っ張る引張応力は特定金属原子間を広げて欠陥準位を高め、電子が薄膜全体に広がりやすい状態をつくる。逆に圧縮で原子間が近づくと、電子が欠陥周辺に閉じ込められ得る。
研究チームは原子と電子の状態を計算する密度汎関数理論と構成座標分析、原子の動きを時間に沿って再現する第一原理分子動力学シミュレーションを活用した。チョン教授は「酸素空孔欠陥は酸化物半導体で避けがたい欠陥だが、欠陥の電気的役割を工程条件で調節できることを立証した」と述べ、「熱処理条件や薄膜にかかる応力を設計すれば、しきい値電圧と電流のオン・オフ特性、信頼性を併せて制御するのに活用できるだろう」と語った。
研究結果は米国化学会（ACS）が発行する国際学術誌「ケミストリー・オブ・マテリアルズ（Chemistry of Materials）」に先月23日に掲載された。