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シェブロン型レーザビーム走査による走査領域の局所単結晶化
JST 材料新技術説明会 2016.7.
島根大学大学院 総合理工学研究科准教授 葉 文昌
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ガラス基板上半導体膜の応用と問題点
平面ディスプレイ薄膜Si太陽電池
n
ip
ガラス基板
結晶粒界
粒界での再結合⇒効率の低下
n
ip
ガラス基板
電極
種結晶
変換効率が改善されていない
粒界制御と大粒径化⇒高効率化
高解像度化と高レート化と共に、薄膜トランジスタ(TFT)の大きい移動度が求められる
a-Si移動度
<1 cm2/Vs
IGZO ~10 cm2/Vs
Poly-Si >100 cm2/Vs
最大解像度@120HzFull HD
4K8K
>8K4K
近年、スマートフォンのVR応用が提案されている
網膜細胞の解像度限界を実現するには、両目で16K8Kが必要(~3000dpi)単結晶Si-TFTでのみ、高い均一性と高い移動度とを実現できる
問題点:単結晶Si膜のガラス上への形成2
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エキシマレーザ結晶化法 cw レーザアニール
SiO2
SiSiO2
Siレーザ
核発生
レーザ
レーザ
結晶粒界
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これまでのpoly-Si薄膜の形成方法
T. Sameshima et. al. N. Sasaki et. al.
ゲート ゲート
ソース
ドレイン
断面図
平面図
ソース
ドレイン
移動方向
移動度低下均一性劣化
均一性劣化オフ時漏れ電流
TFT形成後
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cwレーザアニールにおけるSi膜単結晶化への試み
単結晶粒
多結晶
ドーナツ型ビーム
気体レーザに凹面共振鏡を用いて生成
デュアルビーム
二のレーザスポットを位置合せ
ドーナツ型ビーム走査 デュアルビーム走査
S. Kawamura ら, APL 40, p394 (1981)N. Sasaki ら, APL 45, p1098 (1984)
半導体レーザが応用できない数百ミクロンオーダー多結晶領域が形成される
ビームアライメントが困難数十ミクロンオーダー多結晶領域が形成される
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1.シェブロン型ビーム走査
本研究の提案
単一LDが使用可ビームのアレイ化が容易
→スキャン方向単結晶Si
poly-Si
熔融Si
a-Si
結晶成長方向
シェブロン型レーザビーム
単一LDの出力
2.考案した片側ダブプリズムによるシェブロン型ビーム生成
W. Yeh et.al, APEX, 9, 025503 (2016).
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実験方法
回転台
405nm, 1.2W, cw-LD光学系
周速度 0.02 m/s
試料
装置概略図:
試料構造:
Si:60nmSiO2: 300nm
ガラス基板
成膜方法:
Si、SiO2ともにPECVD
回転台曲率半径:200mm
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Scan direction ➡
実験結果
10µm
レーザ照射されたSi膜の可視光像
I型ビーム結晶化Si膜のセコエッチング後SEM像
Si膜のEBSD像
従来のI型ビーム
I型ビームでは単結晶化には至らない! 7
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10µm
レーザ照射されたSi膜の可視光像
結晶化Si膜のセコエッチング後SEM像
本研究が提案したシェブロン型ビーム
25µm
Si膜のEBSD像(ND方向)
単結晶成長に成功! 8
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試料構造:
Si:60nmSiO2: 300nm
極薄フレキシブルガラス基板170µm
極薄フレキシブルガラス基板への応用例
シェブロン型レーザビーム(レーザ点滅により不連続結晶成長)
回転ロール
成膜方法:
Si、SiO2ともに低温スパッタ堆積
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フレキシブルガラス基板上へ形成した単結晶粒のEBSD像(ND方向)
異なるレーザパワーで走査した後の、セコエッチング後可視光像
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シェブロン型レーザビーム
Rotating role
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従来技術と比較した時の本方法の利点
エキシマレーザ結晶化技術
面照射⇒不要領域も結晶化気体レーザ⇒不安定、高コスト多結晶膜⇒性能低い
本方法
ピンポイント選択照射固体レーザ単結晶膜
ディスプレイ顕微鏡写真
TFTチャネルが占める面積:<1/100大画面化とともに比率は桁違いに小さくなる
シェブロン型ビーム
a-Si膜
基板
結晶化領域
低い装置コストと維持コスト、桁違いに高いスループット、高性能単結晶Si-TFT
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企業への期待
装置の共同開発デバイスの共同開発特許のライセンス
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問い合わせ先
本技術に関する知的財産権
• 発明の名称:結晶化方法、パターニング方法、および、薄膜トランジスタ作製方法
• 出願番号:特願2015-135706• 出願人:国立大学法人島根大学• 発明者:葉 文昌
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島根大学研究機構産学連携センター
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]
島根大学研究機構産学連携センター
知的財産創活部門 教授 阿久戸敬治
Tel: 0852-60-2290 Fax: 0852-60-2395
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