ガラス基板上での 高性能機能Si TFT素子の開発 琉球大学 工学部 教授 電気電子工学科 野口隆 1 ナノ時代の Si トランジスタ （研究推進領域） Bulk Bip. Tr.-ÆIC---------ÆBip. LSI-------------MOS FET-----ÆMOS IC-ÆMOS LSI-----ÆSOC SOI-----------Æ(3D) (For LSI, fine patterning, Lowering voltage) 新技術研究 開拓領域 Thin Film a-Si TFT-----------------------Æ Poly-Si TFT ----------------(x-Si TFT)ÆSOP LCD----ÆO-LED (For FPD , on Glass----------Æon Flexible substrate) 2 研究背景 ＊なぜ Si 系結晶化薄膜か？ ＊なぜSi TFTか? AM-OLEDの必要性 2 Mobility (cm /Vs) OTFT a-Si:H TFT poly-Si TFT ∼ 0.5 0.3 ~ 1 10 ~ 400 Smart SOP (System on Panel)を実現するために、 CPU Driver IC ROM RAM A/D ＊ディスプレイシステムの機能性向上 Æ 高感度光センサ ＊高変換効率で省資源型の薄膜太陽電池 3 パネル上のLTPS TFT のためのコア技術 1. Si deposition 2. Si crystallization 3. Gate insulator formation 4. Doping 5. Plastic substrate treatment Metal electrode Source Inter layer dielectrics Drain Gate Active layer : poly-Si Panel (Glass) Gate insulator Buffer layer For TFT fabrication on glass (on plastic), all process must be carried out below 600oC (300℃). 4 *ELA (レーザアニール)の特徴 Effective Crystallization Techniques SPC (FA) ELC (MIC) O Δ O Crystallinity Δ O Δ Smoothness O Δ Uniformity O Δ Throughput X O Growth model Δ Grain size Process temp. ∼600℃ O <450℃ Δ ∼500℃ Higher mobility requires higher crystallinity 5 新技術の基となる研究成果・技術 Si薄膜の形成法（スパッタ法） Æオンパネル RTA、レーザーによる高品質微小結晶粒Si膜 ÆTFTによるOLED駆動 結晶性の向上Æ素子性能向上 薄膜での低抵抗化Æ機能素子の電極へ。 6 •従来は、ガラス基板上に、良好な結晶化Si薄 膜を作製することは困難で、応用にも限界が あったが、製法、構造、結晶化法を工夫する ことで、より高い結晶性の薄膜と構造が実現 でき、機能性の素子応用が期待できる。 7 従来技術とその課題 既に実用化されているものには、結晶化Si 薄膜が あるが、 FPDシステム応用においては、機能化、コストなど の限界等の課題があり、広く利用されるまでには 至っていなく、より改善が求められている。 一方、太陽電池では、安定で高性能な薄膜の素子 パネルが求められている。 8 新技術の特徴・従来技術との比較 • 従来技術の課題であるガラス上のSi薄膜の 結晶性、電気的特性を改善。 • 素子性能が向上できるため、より高性能化機 能化が可能となる。 9 ¾ Si薄膜の結晶性向上による低抵抗化の実験方法 * Deposition method P.E. CVD (or Sputtering) Si – 500 A *Impurity doping P+; 2 x1015/cm2 Glass B+; 5 x1015/cm2 * ELA condition • 200 ~ 500 mJ/cm2 (2, 10, 100 shot) 10 Dependence of sheet resistance on pulse energy density for various shot number (n-type) 11 TEM image of activated poly-Si film P doped (2E15/cm2) T. Noguchi, J.J.A.P., 42, p.1858 (2008). B doped (5E15/cm2) J.K.P.S., T. Noguchi et al., 54, 12 Comparison with activation into x-Si in equilibrium condition Resistivity(ohm cm) Irvine curve* P-type N-type N-type 350mJ/cm2, 100shot ▼ Impurity concentration( /cm3 ) P-type 350mJ/cm2, • The ELA sample shows high crystallinity 100shot • Low Rs : Non-equilibrium state by rapid melting *J.C. Irvin, Bell System Tech. J., (1962) 387. 13 まとめ ¾レーザアニールは、LTPS 、ULTPS プロセスとして、 TFTの結晶化として有効。 ¾RTA、レーザアニールによる活性化は有効 （高性能素子の電極へ）。 ¾パネルシステムとしての高性能TFT、高感度光センサダイ オード、高変換効率薄膜太陽電池に応用が期待。 14 3D TFT System on Glassとしての提案の例 Photosensor BL Top electrode X-Ge film Bottom electrode Gate Source Contact plug Drain WL X-Si TFT Buffer layer (I) Glass substrate 15 想定される用途 • 本技術をもとに、ガラス基板上の新しい機能 性ディスプレイシステム、新しい集積化の製法 と光センサーなどの光電素子応用などが考え られる。 • 上記以外に、光導電発電素子によるクリーン エネルギーへの用途に展開することも可能と 思われる。 16 想定される業界 • 利用者・対象 日本国内外のディスプレイ製造メーカー 太陽電池の製造メーカー • 市場規模 17 実用化に向けた課題 • 現在、レーザ、RTAによるSi薄膜の電気的活 性化の基礎データにおいては、世界最高レベ ルの結果を出している。 • 今後、Si系薄膜、（および厚膜＜１μｍ）に対 するRTA、レーザーアニール結晶化について の有効な実験データを取得し、素子適用への 条件設定を行っていく。 • 実用化に向けて、高性能素子（TFT、光セン サー、太陽電池）を作製するべく技術を確立 する。 18 企業への期待 • 独自の製造技術、半導体プロセス、解析技術 を持つ企業との共同研究を希望。 • TFTセンサシステムを開発中の企業、太陽電 池分野への展開を考えている企業には、 今後、本研究室の技術の導入、提携が有効と 考える。 19 本技術に関する知的財産権 • 1. 特願２００６−２９３５０８、太陽電池パネルの製造方法、発明者：野口 隆、鈴木康真、福里克彦、茂垣聰、坂野一宗、 出願人：琉球大学。 • ２. 特願２００７−１２７７３８、太陽電池パネルの製造方法、 発明者：福里克彦、鈴木康真、茂垣聰、野口隆、 出願人：琉球大学。 • ３. 特願２００７−４９６２８２、３次元集積回路装置およびその製造方法、 発明者：野口隆、 出願人：琉球大学。 • ４. 特願２００８−６９９７８、半導体装置の製造方法、半導体装置、 発明者：野口隆、 出願人：琉球大学。 • ５．特願２００９−０８０３４３， 太陽電池、センサ、ダイオード及びその製 造方法、発明者：野口隆、 出願人：琉球大学。 20 産学連携の経歴 • • • • （2006年 海外より帰国。本学着任） 200６年-200８年 SEN社、西華産業（株）と共同研究実施 2008年-2009年 JSTシーズ発掘に採択 2008年日立CP社と共同研究実施 2009年JST A-stepに採択、コーニング（Japan)社 と共同研究実施 • 2010年- 21 お問い合わせ先 • • • • • • 琉球大学 産学連携推進機構 特命准教授・産官学連携コーディーネーター 宮里 大八 (Miyazato Daiya) TEL：098-895-8599 FAX：098-895-8957 E-mail：[email protected] 22
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