東京工大、溶液法で高性能のpチャネルTFTを開発：既存物質を組み合わせ長所生かす

東京工業大学は、溶液法を用いて、優れた半導体特性を有する「pチャネル薄膜トランジスタ（TFT）」の開発に成功した。新規開発の材料ではなく、既存の物質同士をうまく組み合わせることによって実現した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

IGZO-TFTと組み合わせ、高性能CMOSとして機能

　東京工業大学元素戦略研究センターの金正煥（キム・ジョンファン）助教、細野秀雄栄誉教授らは2022年1月、溶液法を用いて、優れた半導体特性を有する「pチャネル薄膜トランジスタ（TFT）」の開発に成功したと発表した。新規開発の材料ではなく、既存の物質同士をうまく組み合わせ、それぞれの長所を生かすことによって実現した。

　n型半導体は、アモルファス酸化物半導体「InGaZnO（IGZO）」を用いたTFTが、高精細液晶ディスプレイなどで実用化されている。IGZO-TFTは、シリコン系TFTに比べ、「キャリア移動度が10倍以上高く、大面積の薄膜を低温プロセスで作製できる」などの特長がある。

　こうしたことから、論理回路への応用も期待されているが、そのためにはIGZO-TFTと組み合わせて用いるp型半導体の性能を向上させる必要がある。半導体の特性として、特に重要となるのが、優れた「キャリア制御性」と「キャリア移動度」である。しかし、これらをクリアできる新たな材料は、まだ探し出せていないという。

　そこで研究チームは、既存の物質同士をうまく組み合わせることによって、優れた半導体特性を実現することにした。そこで着目したのが金属ハロゲン化物（ヨウ化物）半導体である。今回は、PEA₂SnI₄（フェニチルアンモニウムイオン、スズ、ヨウ素からなる2次元構造化合物）と、FASnI₃（ホルムアミジウムイオン、スズ、ヨウ素からなる3次元構造化合物）を用いた。

　いずれもペロブスカイト型の結晶構造を持つ物質であるが、その特性は異なる。PEA₂SnI₄はキャリア制御性に優れるが、電気抵抗は高くキャリア移動度が低い。これに対しFASnI₃は、キャリア移動度は高いが、キャリア濃度の制御が難しいという。今回はこの2つの物質を混在させ、微細構造を制御することにより、両者の長所を生かすことにした。

　具体的には、キャリアが3次元相と2次元相の両方を通過して電流が流れる構造（コア-シェル構造）を作ることが必要と考えた。その上で3次元相が2次元相によって完全に隔離されているような構造になるよう、製膜の作製条件を設定した。

上図は2次元および3次元ペロブスカイトTFTが抱えている現状の問題点、左下は2／3次元コア−シェル型複合相からなるTFT、右下は2／3次元相の混合層からなるTFT［クリックで拡大］ 出所：東京工業大学

　実験では、PEA₂SnI₄とFASnI₃を含む溶液を塗布した後、加熱・真空処理を行って薄膜を作製した。そして、「PEA₂SnI₄とFASnI₃の比率」や、「添加物の有無」「添加物の量」などが、生成する薄膜にどのような影響を与えるか検証した。

　PEA₂SnI₄とFASnI₃を1対6の比率で混ぜた溶液に、微量（2mol％）のフッ化スズ（SnF₂）を添加したところ、コア−シェル構造が得られた。TFTの特性からは、約5Vのしきい値電圧でスイッチングをしていることが分かった。ところが、SnF₂添加剤を用いない場合、しきい値電圧は約90Vと極めて高くなった。

薄膜作製時のSnF₂添加剤依存性。左は2／3次元ペロブスカイト薄膜構造比較、中央と右はTFT特性の比較［クリックで拡大］ 出所：東京工業大学

　さらに研究チームは、従来のnチャネルIGZO-TFTと、開発したpチャネル2／3次元ペロブスカイトTFTを組み合わせてCMOSインバーターを作製した。これを評価したところ、PEA₂SnI₄とFASnI₃の比率を1対9にすると、25cm²/Vsという極めて高い電界効果移動度を得られることが分かった。しかも、このCMOSインバーターからは、約180V/V（V_DD＝20V）という極めて高いゲインが得られたという。

IGZO TFTと2／3次元ペロブスカイトTFTの伝達特性および、CMOSインバーターの電圧伝達特性［クリックで拡大］ 出所：東京工業大学

　研究チームは今後、研究成果の早期実用化を目指し、大気中における安定性などペロブスカイト型ハロゲン化物特有の課題解決に向けて、産学共同で取り組む考えである。