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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 電気電子工学科

教授 野口隆

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ナノ時代の Si トランジスタ

BulkBip. Tr.- IC--------- Bip. LSI--------------

MOS FET----- MOS IC- MOS LSI----- SOCSOI----------- (3D)

(For LSI, fine patterning, Lowering voltage)

Thin Filma-Si TFT-----------------------

Poly-Si TFT ----------------(x-Si TFT) SOP

LCD---- O-LED

(For FPD , on Glass---------- on Flexible substrate)

（研究推進領域）

新技術研究開拓領域

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＊なぜSi TFTか?

Smart SOP (System on Panel)を実現するために、

＊ディスプレイシステムの機能性向上 高感度光センサ

＊高変換効率で省資源型の薄膜太陽電池

CPUROM

RAMA/D

Driver IC

AM-OLEDの必要性

OTFT a-Si:H TFT poly-Si TFT

Mobility (cm2/Vs) ～ 0.5 0.3 ~ 1 10 ~ 400

研究背景＊なぜ Si系結晶化薄膜か？

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1. Si deposition2. Si crystallization3. Gate insulator formation

4. Doping5. Plastic substrate treatment

Buffer layer

Active layer : poly-Si

Metal electrode

Gate

(Glass)

DrainSourceInter layer dielectrics

Gate insulator

パネル上のパネル上のLTPS TFT LTPS TFT のためのコア技術のためのコア技術

For TFT fabrication on glass (on plastic), all process must be carried out below 600oC (300℃).

Panel

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Effective Crystallization Techniques

SPC (FA) ELC (MIC)

Grain size

Crystallinity

Smoothness

Uniformity

Throughput

Growth model

Process temp.

O

O

<450℃

O

O

O

～600℃ ～500℃O

OΔ

Δ

Δ

Δ

Δ

Δ Δ

X

*ELA (レーザアニール)の特徴

Higher mobility requires higher crystallinity

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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） オンパネル

RTA、レーザーによる高品質微小結晶粒Si膜TFTによるOLED駆動

結晶性の向上 素子性能向上

薄膜での低抵抗化 機能素子の電極へ。

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•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。

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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。

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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。

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Si薄膜の結晶性向上による低抵抗化の実験方法

Glass

Si – 500 A

* Deposition methodP.E. CVD (or Sputtering)

*Impurity dopingP+; 2 x1015/cm2

* ELA condition

• 200 ~ 500 mJ/cm2 (2, 10, 100 shot)

B+; 5 x1015/cm2

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Dependence of sheet resistance on pulse energy density for various shot number (n-type)

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TEM image of activated poly-Si film

P doped (2E15/cm2) B doped (5E15/cm2)

T. Noguchi, J.J.A.P., 42, p.1858 (2008). J.K.P.S., T. Noguchi et al., 54, p 463 (2009)

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Comparison with activation into x-Si in equilibrium condition

P-type

N-type

N-type 350mJ/cm2, 100shot

Resistivity(ohmcm)

Impurity concentration( /cm3 )

Irvine curve*

• The ELA sample shows high crystallinity• Low Rs : Non-equilibrium state by rapid melting

▼

P-type 350mJ/cm2, 100shot

*J.C. Irvin, Bell System Tech. J., (1962) 387.

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まとめ

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。

RTA、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）。

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。

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3D TFT System on Glassとしての提案の例

Glass substrate

Buffer layer (I)Source Drain

Bottom electrodeX-Ge film

Contact plugGateX-Si TFT

Top electrode

BL

WL

Photo-sensor

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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。

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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

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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。

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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。

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• 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。

本技術に関する知的財産権

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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-

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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：daiya@lab.u-ryukyu.ac.jp