部家 彰

本研究では,Si基板を用いて100nm程度のギャップを持つ電極を作製し,電極間に固定されたDNAの伝導特性,及び,n^-Si基板をゲート電極とした3端子トランジスタ特性について調べる.その結果,DNA両端を固定した電極をもつ試料のみで伝導を確認した.この伝導は電極間に固定化されたDNA本体を流れるキャリアが担っていると考えられるが,バンド伝導であるかホッピング伝導であるかは不明である.又,トランジスタ特性に関しては,ゲート電圧の負方向への増加に従い,電流値が増加する事からホール伝導である事が確認され,又,電流飽和が観測された事から,5極管特性の傾向が見られた.ホールの起源は,n^-Si電極からの少数キャリヤであるホール注入と考えられる.DNAトランジスタに関して,ゲート電圧による電流値制御が可能であることが初めて明らかとなった.

ペンタセン膜厚1,3,10,50nmの有機薄膜トランジスタ(OTFT)およびペンタセン縦方向評価試料を作製し,その電気特性のペンタセン膜厚依存性からキャリア伝導機構について検討した.膜厚3nm OTFTのソース・ドレイン電極間に20V印可した場合,ペンタセン膜厚方向とチャネル横方向の正味の電圧はそれぞれ16Vと2Vであり,電圧は主にチャネル横方向に印可されていた.On電流は膜厚3nmの0TFTの方が50mmのOTFTよりも高く,ペンタセン/SiO_2界面付近のポテンシャル分布計算から,3nmでは界面に三角ポテンシャルが形成されており,そのため,電流値が増加したと考えられる.

エキシマレーザ・アニール法により形成したpoly-Si膜のディスク状結晶粒成長に対する水素の効果を検討した.レーザ照射密度250mJ/cm^2ではディスク状結晶粒は観察されなかったが,300mJ/cm^2ではわずかに観察され,ショット数が増加してもディスク状結晶粒の面密度および,粒径は変化しなかった.水素はディスク状結晶粒の核形成,核成長を阻害した.双晶がディスク状結晶粒の核と仮定すると,水素により双晶の形成が阻害されるために,ディスク状結晶粒の核形成が阻害されたと考えられる.

LPXを照射したa-Si膜を、ラマン分光法、分光エリプソメトリ、ESRを用いて解析した。LPX照射によりa-Si膜上部の屈折率、消衰係数、膜中のダングリングボンド数が変化していることが分かった。このことから擬似結晶核を形成するエンブリオの形成について議論する。また、全過程におけるLPX照射による低温結晶化についても擬似結晶核の生成と関連付けて議論する。

アンジュレータ光源から発生した軟X線をa-Si膜(膜厚1,50nm)に照射したときの特性変化を検討した.照射前後で表面粗さRaは0.63nmから1.70nmへ変化した.これに対応して電気抵抗値も増加した.膜厚が薄い場合,単位原子当たりの光の吸収量が大きい.フォトンによるSi原子の振動励起がトリガーとなり,膜厚方向へ働く力が大きくなる.Si原子の移動が連続的に生じ凝集現象が起き,表面形状が変化したと考えられる.

加熱触媒体線で分解・生成した原子状水素をゲート絶縁膜に吹き付ける「原子状水素アニール(AHA)処理」を行うことで,絶縁膜の表面改質を行い,その上に形成されるペンタセン膜の膜質を変化させるとともに,有機薄膜トランジスタの特性を向上させることを試みた.AHA処理によりゲート絶縁膜(SiO_2)表面の還元反応が起こり,SiO_2の表面エネルギーが42dyne/cmから39dyne/cmに変化した.また,AHA処理によりペンタセン膜の結晶粒径は増加しなかったが,I_<on/off>が1桁向上し,閾値電圧も65Vから16Vに減少した.これは原子状水素によりSiO_2膜/Si基板界面付近の負電荷が除去されたためであると考えられる.

レーザ・プラズマ軟X線(Laser Plasma Soft X-ray: LPX)照射、続いでエネルギー密度が40〜60mJ/cm^2でのエキシマ・レーザ・アニール(Excimer Laser Annealing: ELA)によるa-Si薄膜の結晶化について研究を行った。LPXを前処理として照射したのち、エネルギー密度が50-60mJ/cm^2のELAによるa-Si膜の結晶化においては、poly-Si結晶化率は75-85%であった。更に、前処理として電気炉を使用した実験結果と比較して、この現象がLPX照射による温度上昇に拠らないという事を示し、その機構に関しても若干議論する。

エキシマレーザアニール法によるpoly-Si膜の形成における水素の役割をa-Si膜中の水素に濃度分布を持たせることで検討した。低温プロセスでpoly-Si膜を形成する場合、a-Si膜中の水素濃度分布を制御することにより、良好なpoly-Si膜を得ることができることが示唆された。この理由として、水素が固化直前のSi溶融中に結晶核を形成することが考えられる。

触媒CVD(Cat-CVD)法を用いて、有機エレクトロルミネッセンス(EL)素子用水蒸気バリア膜として窒化シリコン(SiN_x)膜の低温形成を行った。原料ガス(SiH_4およびNH_3)にH_2を添加することにより、基板温度80℃以下で透明(波長400nmで光吸収率数%以下)かつ低内部応力(100MPa以下)の水蒸気バリア性の高いSiN_x膜を高速形成(100nm/min以上)できることを明らかとした。プラスチックフィルム上にSiN_x膜を形成した場合、水蒸気透過率はモコン法の検出限界以下であり、有機EL素子に実装試験を行った場合、実使用時間で少なくとも7000時間は劣化しないことを確認した。

窒化シリコン(SiNx)膜は半導体デバイスの絶縁膜だけでなく、保護膜としての応用も検討されている。我々は、真空槽内に設置した加熱金属線上で原料ガス（SiH4、NH3、H2）を分解し、低温で薄膜を形成する触媒CVD法を用いて、有機EL保護膜用SiNx膜の低温形成を試みている。この場合、保護膜には1）低温形成（80℃以下）、2）耐湿性、3）透明、4）低膜応力（100MPa以下）などが要求される。これまでに、80℃以下の低温において、高耐湿性（モコン法の検出限界0.01g/m2day以下）、透明（膜自体の吸収なし）、低応力（数10MPa以下）のSiNx膜の形成に成功した。さらに室温形成や100nm/min以上の高速成膜が可能であることも見出した。