ゲルマニウム結晶薄膜の 低温形成（<200℃） 芝浦工業大学 工学部 教授 材料工学科 弓野 健太郎 1 本研究開発の背景(1) • ウェアラブルデバイス、IoT用センサー、医療デバイス 向けのフレキシブルエレクトロニクス • ガラス、有機フィルム上の半導体薄膜の必要性 バルク 薄膜 （低温プロセスが必要） Gate Source SiO2 Drain Si 2 本研究開発の背景(2) 液晶ディスプレイの進歩 ・・・ 薄膜トランジスタ (TFT: Thin‐Film Transistor) ●大型ディスプレ用TFT：アモルファス（非晶質）シリコン 移動度 ～0.5cm2/Vs （プロセス温度 ～500℃） ●中小型ディスプレイ用TFT: ポリシリコン（多結晶） 移動度 ～100cm2/Vs （プロセス温度 ～500℃） ●フレキシブルディスプレイ用TFT: 有機分子 移動度 ～20cm2/Vs ～300℃ → ポリイミド(PI) ～150℃ → ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリカーボネート(PC) ～80℃ → ポリエチレンテレフタレート(PET) 移動度 無機 有機 プロセス温度 3 本研究開発の背景(3) 物質 Ge（ゲルマニウム） ●単体 (vs IGZO) ●移動度が高い ●バンドギャップが小さい ●結晶化温度が低い (Ge ～400℃ < Si ～600℃) MIC法 (Metal-Induced Crystallization) Ge Au RT 製法 加熱基板上への金属触媒と Geの同時スパッタによる結晶化 ●大面積化が容易 ●触媒による結晶化反応の促進 → プロセスの低温化 Annealing (250℃, 50-200h) amorphous Ge Au RT Au crystalline Ge 250℃ J-H.Park et al., Appl.Phys.Lett. 103,082102 (2013) 4 今回紹介する新技術 従来のMIC法 (Metal-Induced Crystallization) Ge Au RT Annealing (250℃, 50-200h) amorphous Ge Au RT Au crystalline Ge 250℃ J-H.Park et al., Appl.Phys.Lett. 103,082102 (2013) 本手法 (Co-Deposition of Au and Ge on a Hot Substrate) Ge Au Au crystalline Ge 170℃ 従来より80℃低い!! 成膜のみで結晶化!! ポリイミドフィルム上に成膜した 結晶Ge薄膜（171℃） 5 新手法による実験例(1) 5種類の基板温度で成膜した試料（Au22%）のXRDスペクトル。加熱 時間（=成膜時間）は189秒。いずれの温度においてもGeの結晶化 が確認され、(111)配向していることがわかる。 6 新手法による実験例(2) 成膜した結晶Ge薄膜の断面（左図）と表面（右図）のSEM 像。成膜後、Auは表面偏析するため、選択エッチングする ことが可能。 7 新技術の特徴・従来技術との比較 • 従来技術に比べて、プロセス温度の低下とプロセス 時間の短縮に成功した。 • ドーパントを添加することで、同程度のプロセス温度 でn-Geを実現。p型、n型半導体を組み合わせたデバ イスの作製も可能に。 実用化に向けた課題 • リーク電流の低減、キャリア移動度の向上が課題。 • 今後、成膜プロセスの最適化を行っていく。 8 想定される用途 • 低温プロセスの特徴を生かした、フレキシブルデバイ スへの応用。（TFTのチャネル層、pn接合、太陽電池 のボトム層、・・・・・） • 多孔体の形成も可能で、リチウムイオン電池の負極 材料への応用も可能。 9 企業への期待 • フレキシブルエレクトロニクスへの展開を検討してい る企業との共同研究を希望。 • リチウムイオン電池の負極材料としてGeの利用を検 討している企業との共同研究等。 10 本技術に関する知的財産権 • 発明の名称： ゲルマニウム層の製造方法、ゲルマ ニウム層、ゲルマニウム層付き基板、ゲルマニウム ナノドット、ゲルマニウムナノワイヤ付き基板、積層 体、薄膜トランジスタおよび半導体素子 • 出願番号： 特願2015-169569 • 出願人： 芝浦工業大学 • 発明者： 弓野健太郎、大石知司、三芝直也、杉山 貴俊、原浩子、鈴木竜也 11 お問い合わせ先 芝浦工業大学 研究推進室 研究企画課 産学官連携コーディネータ 吉田 晃 ＴＥＬ 03－5859 － 7180 ＦＡＸ 03－5859 － 7181 e-mail [email protected] 12
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