素粒子ミュオンで透明半導体IGZO中の不純物水素の局所電子状態を解明――微量な水素の振る舞いが明らかに KEKら

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高エネルギー加速器研究機構(KEK)は2019年9月27日、東京工業大学と共同で、ディスプレイ用として広く使われている透明半導体IGZO(イグゾー)における微量の不純物水素の振る舞いを明らかにしたと発表した。

IGZOは、高性能で均質なアモルファス薄膜形成に適し、薄膜トランジスタ材料として近年急速に普及しているが、長時間のバックライト照射/電圧下でのトランジスタの閾値電圧がシフトする不安定性といった問題があるという。

これらの問題には不純物としての水素が絡んでいることが多く、物質材料の内部に存在する微量 (ppm以下)の水素を原子スケールで調べることが望まれていた。そこで研究グループは今回、素粒子の一つのミュオンを利用し、同じ質量で反対の電荷を持つ正ミュオンと負ミュオンの性質を利用して不純物水素の振る舞いを解明しようと試みた。

正ミュオンを物質に注入/停止させると、そこであたかも水素のように振る舞う(=擬水素)ことが予想され、物質中でのミュオンの局所状態を詳細に観測し、対応する水素情報を得ることができる。

研究グループは、実際にIGZOに正ミュオンを注入し、ミュオンスピン回転法(µSR測定)によりその局所状態を詳細に観測。µSR測定で得られる正ミュオン位置での内部磁場分布から、正ミュオンに最隣接しているIn、Ga、 Zn、Oという4種類の原子の分布に関する情報を得て、第一原理計算で結晶 IGZO中の水素について予想される候補位置での分布、および形成エネルギーを比較することでミュオンの局所状態を推定した。

実験/解析の結果、正ミュオンが感じる内部磁場の分布幅から、結晶IGZOおよびアモルファスIGZO薄膜ではミュオンがZn-Oの結合中心付近にあってMu+の状態を取っていることが分かった。

つまり、水素が不純物として侵入した場合、その濃度が希薄であれば結晶/アモルファスのいずれにおいてもZn-Oの結合中心近くに存在すること、さらに、いずれの場合にも水素はそこでイオン化して電子を供給し、意図しないn型伝導を引き起こす原因となることを意味することを明らかにした。

一方、あらかじめ水素プラズマ処理により水素を高濃度で導入したアモルファスIGZO薄膜中に注入された正ミュオンでは、未処理のIGZOの場合に比べて観測される内部磁場の分布がローレンツ分布型となって大きく乱れていた。

周りの原子分布も0.5ナノメートル以下の長さスケールで乱れており、さらに内部磁場の大きさから、水素処理により注入された水素のそばに正ミュオンが存在している可能性が高いことが分かった。

これは、酸素空孔中に2つの水素が捕獲されて2Hという水素の負イオン状態を作る、という最近の理論的な予想とも整合し、水素が1個だけ存在する酸素空孔に後から来た正ミュオンが捕獲される傾向を示唆している。また、この場合にはO2-イオンが抜けた後を2Hが占めるので、電子供給は起きない。

なお、このような水素負イオンは、光励起により電子を伝導帯に供給することが知られており、同じことがアモルファスIGZOで現在問題となっているNBISの原因ではないかと指摘されている。また、アモルファスIGZO薄膜中にもそのような水素負イオン状態が実際にあり得ることを今回の実験が示唆している。

同研究は、擬水素としてのミュオンからの情報と、近年発展している第一原理計算による予想を組み合わせることが、水素を捉えるために有効であることを示している。また同手法が、さまざまな電子材料中での水素不純物の影響を調べる研究に応用されることが期待できるとしている。

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