[发明专利]氧氮化物半导体

说明书

技术领域

本发明涉及金属氧氮化物半导体。

背景技术

为了实现具有优异特性的半导体器件，例如薄膜晶体管、薄膜二极管和太阳能电池，对于用作有源层(active layer)的半导体膜而言必须具有高载流子(电子或空穴)迁移率。

迁移率高的半导体膜，例如由多晶Si制成的半导体膜通常由高温法形成。因此，存在的问题是不能使用低成本衬底例如树脂衬底，可例示低软化点玻璃衬底或塑料衬底。

为了解决该问题，开发出称为低温法的技术，用于用高功率脉冲激光束照射无定形Si膜以形成多晶Si膜，因此能够使用相对低成本的耐热玻璃。但是，激光束的稳定性不足，因此难以均匀地处理大面积衬底的整个表面。因此，难以得到在相同衬底上具有均匀特性的多个半导体器件。还存在由于激光束的照射面积小而生产量低的问题。

近年来，已积极开发由例如Zn-O、In-Ga-Zn-O或In-O制成并且能够在低温下无激光束照射下形成的氧化物半导体薄膜。

已知甚至在室温下形成的氧化物半导体薄膜的空穴迁移率为等于或大于10cm²/Vs的较高值。已尝试在柔性衬底例如塑料衬底或塑料膜上形成柔性薄膜晶体管(TFT)。

例如，在日本专利申请公开No.2002-76356中记载了将含有Zn-O作为主要组分的氧化物膜用作有源层的TFT的技术。

在Nature，第432卷，25，2004年11月(488-492)中记载了将在室温下形成并且含有In、Zn和Ga的无定形氧化物膜用作有源层的TFT的技术。

在Nature Materials，第5卷，2006年11月(893-900)中记载了将在室温下形成并且含有In-O作为主要组分的氧化物薄膜用作有源层的TFT。

在Nature，第432卷，25，2004年11月(488-492)中记载的氧化物半导体的情况下，在室温下其空穴迁移率值在5cm²/Vs-10cm²/Vs的范围内。将氧化物半导体用于有源层的TFT的场效应迁移率值在6cm²/Vs-9cm²/Vs的范围内。因此，期望应用于使用液晶器件或电致发光器件的平板显示器所需的有源矩阵。但是，使用上述材料时，难以进一步增加迁移率。因此，在高速运转上存在限制，所以其应用受到限制。

相反，在Nature Materials，第5卷，2006年11月(893-900)中记载的氧化物半导体的情况下，在室温下其空穴迁移率值约为30cm²/Vs。将氧化物半导体用于有源层的TFT的场效应迁移率值在10cm²/Vs-140cm²/Vs的范围内，取决于栅极绝缘膜材料。

根据本发明的发明人进行的研究，发现室温下形成的In-O膜具有低的环境稳定性并且当将该In-O膜放置在气氛(atmosphere)中时其电阻率显著变化。例如，将In-O膜放置在温度20℃和湿度50％的气氛中1个月时，观察到电阻率的1或2个数量级的减小。甚至在日本专利申请公开No.2002-76356中记载的含有Zn-O作为主要组分的氧化物半导体的情况下，观察到上述电阻率的减小。

日本专利申请公开No.2002-76356、Nature，第432卷，25，2004年11月(488-492)和Nature Materials，第5卷，2006年11月(893-900)的每一个中记载的氧化物半导体的情况下，在光学特性方面，其带隙为约3eV的大值。因此，难以说该氧化物半导体适合在可见光区中需要感光性的光接收器件，例如可见光接收器件或太阳能电池。因此，其应用领域有限。

发明内容

完成了本发明以解决上述问题。本发明的目的是提供既具有高迁移率又具有环境稳定性并且包括氧氮化物的半导体以及使用该半导体的半导体器件。

本发明的另一目的是提供在可见光区中具有感光性并且包括氧氮化物的半导体以及使用该半导体的半导体器件。

为了实现上述目的，本发明的发明人集中于并深入研究氧氮化物半导体。结果，完成了本发明。本发明的主要特征是包含金属氧氮化物的氧氮化物半导体，该金属氧氮化物含有Zn和选自In、Ga、Sn、Mg、Si、Ge、Y、Ti、Mo、W和Al中的至少一种元素；并且该金属氧氮化物具有7原子％-80原子％的N的原子组成比N/(N+O)。

此外，根据本发明的氧氮化物半导体是具有纤锌矿结构的原子排列的晶体。

此外，根据本发明的氧氮化物半导体中，该金属氧氮化物具有1eV-2eV的带隙。