10 プラスチック上にも形成できる高速薄膜トランジスタ

10 プラスチック上にも形成できる
高速薄膜トランジスタ
島根大学総合理工学部
電子制御システム工学科
梶川靖友
トランジスタとは
ソース電極金属
絶縁体膜
ゲート電極金属
ドレイン電極金属
半導体結晶
電子の流れ
（電圧）
通常のトランジスタ
VS
薄膜トランジスタ(TFT)
(コンピュータなどの集積回路)
(液晶ディスプレイ)
1万分の1mm
ソース
ゲート
ドレイン
ソース
Si単結晶
0.5mm
電子の流れ
電子のスピードが速い
ゲート
ドレイン
ガラス
アモルファスSi
これをプラスチックに
またはSi多結晶
電子のスピードが遅い
高速化
電子スピードと電子の移動度（易動度）
120
電子速度(cm/s)
100
80
60
この比例直線の
傾きが移動度
40
20
（単位はcm2/Vs）
0
0
5
10
15
電界(V/cm)
トランジスタ用半導体は移動度が命
多結晶
（多数の結晶粒の集まり）
単結晶
電子
非晶質
（アモルファス）
電子
高速
平坦な舗装道路
舗装の途切れた道路
低速
でこぼこ道
従来技術
ガラス
薄膜トランジスタ
個々の画素の液晶にかける電圧を
ON/OFFするスイッチの役割
液晶ディスプレイ
（アクティブマトリックス方式）
欠点：暗い
アクティブマトリックス方式の有機ELディスプレイ
長所：明るい
プラスチック基板に
移動度が小さいと、十分な電流が流れない
従来技術とその問題点
曲げられる有機ELディスプレイ用には、
プラスチック上にも形成できるほどの低温で製膜でき、
しかも、移動度の高い半導体薄膜材料が必要
高形成温度
移動度
非晶質シリコン
低（◎）
低（×）
多結晶シリコン
高（×）
高（○）
非晶質シリコン
低い温度で形成できるためプラスチック上にも形成できるが、
電子移動度が低いため、スピードやパワーが出ない。
多結晶シリコン
高い電子移動度を持つが、
形成には高温が必要なのでプラスチック上に形成するのは困難。
新技術
曲げられる有機ELディスプレイ用の半導体薄膜材料
として、
III-V族化合物半導体の混晶のひとつである
InGaAsの多結晶薄膜
を用いる
InGaAs多結晶薄膜とは？
半導体の種類
IV族
元素半導体
III-V族化合物半導体
II-VI族化合物半導体
Si, Ge
GaAs, InP
ZnO, CdTe
混晶
InAs : GaAs = 7: 3の混晶
InAs : GaAs = (1 - x) : xの混晶
In0.7Ga0.3As
In1-xGaxAs
半導体の用途
Si
InGaAs
単結晶
トランジスタ
多結晶薄膜
トランジスタ
集積回路
液晶ディスプレイ
高周波用トランジスタ
（携帯電話、衛星放送）
曲げられる
有機ELディスプレイ
毒物
無毒
リン化合物
ジクロルフォス
リン酸カルシウム
メタミドフォス
InP, GaP
ヒ素化合物
亜ヒ酸
InAs, GaAs
InGaAsに毒性はない
300℃まで耐えられる
耐熱性プラスチック
基板を200℃程度に加熱し、InGaAsを分子線蒸着法により堆積した
分子線蒸着装置
Molecular-beam Epitaxy (MBE)
As
Ga
In
原子間力顕微鏡(AFM)での観察結果
電気的特性の組成による変化
103
電子移動度(cm2/Vs)
電子濃度(cm-3)
1019
1018
1017
1016
1015
1014
0
0.2
0.4
Ga組成 x
0.6
102
101
0
0.2
0.4
Ga組成x
0.6
新技術の特徴・従来技術との比較
高形成温度
移動度
非晶質シリコン
低（◎）
低（×）
多結晶シリコン
高（×）
高（○）
多結晶InGaAs
低（○）
高（◎）
フレキシブルな
薄膜トランジスタ用
材料として有望
電子移動度（cm2/Vs)
1000
Si単結晶
多結晶
InGaAs
100
多結晶Si
10
多結晶
ZnO
1
非晶質 Si
0.1
0
200
400
600
形成温度（℃）
800
1000
多結晶のSiやZnO
多結晶のInGaAs
低速
高速
電子
電子
結晶粒
結晶粒
粒界
粒界でのエネルギー障壁が高い
結晶粒
結晶粒
粒界
粒界での障壁がほとんどない
電子移動度のアレニウスプロット（測定温度に対するプロット）
1000
x=0
電子移動度 [cm2/Vs]
x=0.19
100
x=0.3
x=0.36
10
x=0.44
Ga組成 x=0.53
1
0
2
4
6
8
1000/T [K-1]
10
12
14
電子移動度の活性化エネルギー（障壁の高さ）
400
Si多結晶
基板温度350℃
基板温度200℃
CdTe多結晶
E μ[meV]
300
CdS多結晶
200
100
0
0
CuInSe2
（CIS）多結晶
0.2
0.4
Ga組成
0.6
・InGaAs多結晶薄膜を分子線蒸着法にて堆積させた。
このとき，基板は200～300℃に加熱した。
・基板加熱温度が低いので
耐熱性プラスチック（ポリイミド）上にも堆積できた。
・電子移動度は，500cm2/Vsと
Si単結晶に匹敵するほど高かった。
・電子移動度が高いので，有機EL素子の電流駆動用の
フレキシブルなトランジスタとして利用できる。
想定される用途
・有機ELディスプレイ駆動用トランジスタ
・曲面形状の高速電子回路
・シート状パソコン
実用化に向けた課題
・Role-to-role製膜装置の開発
企業への期待
・薄膜トランジスタを試作できる企業、
Role-to-role製膜装置を開発する企業
との共同研究を希望。
本技術に関する知的財産権
•
•
•
•
発明の名称：
出願番号：
出願人：
発明者：
半導体多結晶薄膜及び半導体装置
特願2007-322712
国立大学法人島根大学
梶川靖友
問い合わせ先
島根大学産学連携センター地域産業共同研究部門
教授北村寿宏
ＴＥＬ : 0852-60-2290
ＦＡＸ : 0852-60-2395
e-mail: [email protected]
島根大学産学連携センター知的財産創活部門
教授阿久戸敬治
ＴＥＬ : 0852-60-2290
ＦＡＸ : 0852-60-2395
e-mail: [email protected]

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