４．ＰＬＤ法で作製したＩＴＯ膜の基本的性質
ＰＬＤ法（レーザーアシスト照射なし）で作製したＩＴＯ膜の成膜条件（組成、基板温度、酸素分圧）と電気的性質、構造（結晶構造、表面構造）、光学的性質の実験結果を整理して示します。
電気的性質 結晶構造 表面構造 光学的性質
電気的性質の酸素分圧依存性
- 種々の酸素分圧下で成膜したＩｎ２Ｏ３（酸化インジウム）及びＩＴＯ膜（Ｓｎ含有量５ｗｔ％および１０ｗｔ％）の抵抗率（ρ）、キャリア密度（ｎ）、ホール移動度（μ）の成膜中の酸素分圧に対する依存性をＦｉｇ．４−１に示します。（基板温度：○室温、●２００℃）
- いずれの組成、温度でも抵抗率は酸素分圧が１０−２Ｔｏｒｒ付近で極小を示しています。
- 室温で作製した膜の抵抗率は、より大きな酸素分圧依存性を示しています。
- キャリア密度（２００℃）は、１０−２Ｔｏｒｒ以下ではほぼ一定（１０２１ｃｍ−３）であり、高酸素分圧では急激に低下します。
- キャリア密度（室温）は、低酸素分圧・高酸素分圧で著しく低下します。
- ホール移動度（室温および２００℃）は、１〜１．５×１０−２Ｔｏｒｒ付近で極大値を示します。
- 以上の結果より、いずれの組成・基板温度でも成膜中の酸素分圧が１×１０−２Ｔｏｒｒ付近でもっとも良い電気的性質を示すことがわかりました。
Ｆｉｇ．４−１ 電気的性質の酸素分圧依存性
電気的性質の基板温度依存性
- 抵抗率（ρ）、キャリア密度（ｎ）、ホール移動度（μ）の基板温度に対する依存性をＦｉｇ．４−２に示します。（酸素分圧は１×１０−２Ｔｏｒｒで一定）
- Ｉｎ２Ｏ３膜の抵抗率は、１５０℃以下で低く（約３×１０−４Ωｃｍ）、２００℃以上では上昇しています（約１×１０−３Ωｃｍ）。
- 逆にＩＴＯ膜（５％、１０％とも）の抵抗率は、１５０℃以下で高く（約６×１０−４Ωｃｍ）、２００℃以上では減少しています（約１．５×１０−４Ωｃｍ）。
- Ｉｎ２Ｏ３膜のキャリア密度は２００℃以上で低下しています。一方、ＩＴＯ膜のキャリア密度は２００℃以上で増加しています。
- Ｉｎ２Ｏ３膜のホール移動度は基板温度の上昇とともに徐々に低下しています。一方、ＩＴＯ膜のホール移動度は基板温度とともに増加しています。
- 以上の結果から、Ｉｎ２Ｏ３膜は１５０℃以下、ＩＴＯ膜は２００℃以上で良い電気的性質を示すことがわかりました。ＩＴＯ５％膜と１０％膜の電気的性質は似た傾向を示していますが、５％の方が変化が急峻です。
Ｆｉｇ．４−２ 電気的性質の基板温度依存性
結晶構造（Ｘ線回折）
- ＸＲＤパターンの基板温度依存性（Ｉｎ２Ｏ３及びＩＴＯ５％、１０％、酸素分圧：１×１０−２Ｔｏｒｒ一定）と成膜中の酸素分圧依存性（５％のみ、基板温度：２００℃一定）をＦｉｇ．４−３に示します。
- すべての組成で１００℃付近から弱い回折線が観察され始め、２００℃でほぼ結晶化しています。ただし、ＩＴＯ１０％の結晶性は他の組成より低いことがわかります。
- ＩＴＯ５％の２００℃での酸素分圧依存性では、１×１０−２Ｔｏｒｒ付近でもっとも高い結晶性を示しています。この酸素分圧はもっとも良い電気的性質を示す酸素分圧と一致しています。
- 以上の結果から、ＩＴＯ膜では基板温度２００℃以上、酸素分圧１×１０−２Ｔｏｒｒ付近で結晶性がもっとも高くなることがわかりました。この成膜条件は、良好な電気的性質を示す条件と一致しています。一方、Ｉｎ２Ｏ３膜では基板温度１５０℃以下のアモルファスに近い膜が高いキャリア密度を保持できるため、低い抵抗率を示すことがわかりました。
- 回折パターンを詳細に観察すると、ピーク位置のシフトや非対称化、さらにピークの分裂が観察されます。詳細な構造解析やこれらの原因については、「６．シンクロトロン放射光によるＩＴＯ膜の構造解析」の項で説明します。
| In2O3 vs Ts |
ITO5% vs Ts |
 |
 |
| ITO10% vs Ts |
ITO5% vs Po2 |
 |
 |
Ｆｉｇ．４−３ ＸＲＤパターンの基板温度および成膜中の酸素分圧依存性
表面構造（ＡＦＭ観察）
- 種々の基板温度で作製したＩｎ２Ｏ３およびＩＴＯ５％膜のＡＦＭによる表面構造測定結果をＦｉｇ．４−４に示します。
- いずれの組成でも基板温度が室温および２００℃では平均粗さ（Ｒａ）が１．３ｎｍ以下のきわめて平滑な表面を有していることがわかりました。
- 基板温度が１５０℃および２００℃では表面粗さは増加し、Ｒａは２．５〜５ｎｍを示しました。
- 表面粒子の形状を比較すると、Ｉｎ２Ｏ３がＩＴＯより大きな粒径を示しています。
| |
In2O3 |
ITO5% |
|
RT |
|
|
|
100℃ |
|
|
|
150℃ |
|
|
|
200℃ |
|
|
Ｆｉｇ．４−４ 種々の基板温度でのＩｎ２Ｏ３およびＩＴＯ５％の表面ＡＦＭ測定結果
光学的性質（透過率スペクトル）
- 基板温度が室温および２００℃、種々の酸素分圧で作製したＩｎ２Ｏ３およびＩＴＯ５％膜の透過率測定結果をＦｉｇ．４−５に示します。
- いずれの組成、温度でも１×１０−３Ｔｏｒｒでは可視光域（４００〜８００ｎｍ）の透過率が低く、酸素不足のため着色していることがわかります。
- 成膜中の酸素分圧が１×１０−２Ｔｏｒｒ以上では、可視光域での透過率が８０％以上の透明な膜が得られることがわかります。
- ２×１０−２Ｔｏｒｒ以上の高い酸素分圧下で作製した膜は、赤外域の透過率が高いことがわかります。これは、キャリア密度が低く赤外光に対する反射率が低いためと考えられます。
- ＩＴＯ５％で１×１０−２Ｔｏｒｒ付近の酸素分圧で作製した膜は、高い可視光透過率と、赤外光反射率を示し、優れた光学的性質を有していることがわかります。
Ｆｉｇ．４−５ 種々の基板温度でのＩｎ２Ｏ３およびＩＴＯ５％の透過率測定結果
ＵＨＱホームページ
