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Low-temperature solid-phase crystallization of oxide semiconductors and its application to high-performance flexible devices

Research Project

Project/Area Number 20K22415
Research Category

Grant-in-Aid for Research Activity Start-up

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section 0302:Electrical and electronic engineering and related fields
Research InstitutionShimane University

Principal Investigator

Magari Yusaku  島根大学, 学術研究院理工学系, 助教 (20874887)

Project Period (FY) 2020-09-11 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Keywords酸化物半導体 / 薄膜トランジスタ / 固相結晶化 / 水素化 / 高移動度 / 低温プロセス / フレキシブルデバイス / 電子デバイス / 低温固相結晶 / 水素
Outline of Research at the Start

申請者は、これまでワイドギャップ非晶質酸化物半導体の低温(150℃)形成技術の開発を行ってきた。本低温形成技術を酸化インジウム系の結晶性酸化物に発展させたところ、成膜初期膜の結晶性を制御でき、低温固相成長により107 cm2V-1s-1(非晶質の約10倍)のキャリア(電子)移動度を有する多結晶膜の形成に成功した。そこで本申請では、酸化物半導体の低温固相成長メカニズムおよび、キャリアの生成・輸送機構を明らかにし、制御技術を確立することで、100 cm2V-1s-1を超えるキャリア移動度を有する高性能フレキシブルデバイスの実現を目指す。

Outline of Final Research Achievements

Oxide semiconductors have been extensively studied as active channel layers of thin-film transistors (TFTs) for electronic applications. However, the field-effect mobility (μFE) of oxide TFTs is not sufficiently high to compete with that of low-temperature-processed polycrystalline-Si TFTs (50-100 cm2V-1s-1). Here, we propose a simple process to obtain high-performance TFTs, namely hydrogenated polycrystalline In2O3 (In2O3:H) TFTs grown via the low-temperature solid-phase crystallization (SPC) process. In2O3:H TFTs fabricated at 300 °C exhibit superior switching properties with μFE = 139.2 cm2V-1s-1. The hydrogen introduced during sputter deposition plays an important role in enlarging the grain size and decreasing the carrier density in SPC-prepared In2O3:H. We believe these SPC-grown In2O3:H TFTs have a great potential for use in future electronic applications.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

これまで酸化インジウム薄膜は太陽電池用の窓層(透明導電膜)として研究が活発であるが、金属的伝導を示し半導体としての用途は限定されていた。本研究では、酸化インジウムスパッタ成膜時に導入した水素がキャリア補償・結晶性制御に重要な役割を果たしていることを明らかにした。
固相結晶化In2O3:H薄膜は高移動度(> 130 cm2V-1s-1)・ワイドバンドギャップ(~3.7 eV)・低温プロセス(~300℃)、大面積均一性の特徴を有するため、高性能・低消費電力FETや、高精細・透明・フレキシブルディスプレイなどの次世代半導体材料への発展が期待できる。

Report

(3 results)
  • 2021 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2020 Research-status Report
  • Research Products

    (14 results)

All 2022 2021 Other

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 4 results) Remarks (5 results)

  • [Journal Article] High-mobility hydrogenated polycrystalline In2O3 (In2O3:H) thin-film transistors2022

    • Author(s)
      Magari Yusaku、Kataoka Taiki、Yeh Wenchang、Furuta Mamoru
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 13 Issue: 1 Pages: 1-8

    • DOI

      10.1038/s41467-022-28480-9

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Nondegenerate Polycrystalline Hydrogen-Doped Indium Oxide (InOx:H) Thin Films Formed by Low-Temperature Solid-Phase Crystallization for Thin Film Transistors2021

    • Author(s)
      Kataoka Taiki、Magari Yusaku、Makino Hisao、Furuta Mamoru
    • Journal Title

      Materials

      Volume: 15 Issue: 1 Pages: 187-187

    • DOI

      10.3390/ma15010187

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] High-mobility (>100 cm2V-1s-1) In2O3:H Thin-film Transistors by Solid-phase Crystallization2022

    • Author(s)
      Yusaku Magari, Wenchang Yeh, and Mamoru Furuta
    • Organizer
      The 29th International Display Workshops (IDW ’22)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] High-mobility hydrogenated polycrystalline In2O3 (In2O3: H) thin-film transistors2022

    • Author(s)
      Yusaku Magari, Wenchang Yeh, and Mamoru Furuta
    • Organizer
      242nd ECS Meeting
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 固相結晶化In2O3:Hによる薄膜トランジスタの 高移動度化(>100 cm2V-1s-1)2022

    • Author(s)
      曲 勇作, 片岡 大樹, 葉 文昌, 古田 守
    • Organizer
      シリコン材料・デバイス研究会(SDM)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 水素化In2O3(In2O3:H)固相結晶化温度がキャリア輸送特性に及ぼす影響2022

    • Author(s)
      曲 勇作, 片岡 大樹, 古田 守, 葉 文昌
    • Organizer
      第69回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 酸化物半導体の低温形成技術とフレキシブルデバイス応用2021

    • Author(s)
      曲 勇作, 葉 文昌, 古田 守
    • Organizer
      電気学会 電気材料研究会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 曲 勇作, 片岡 大樹, 古田 守, 葉 文昌2021

    • Author(s)
      高移動度水素化多結晶In2O3:H 薄膜トランジスタ
    • Organizer
      第18回 薄膜材料デバイス研究会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 第82回応用物理学会秋季学術講演会2021

    • Author(s)
      高移動度水素化In2O3薄膜トランジスタ
    • Organizer
      曲 勇作, 片岡 大樹, 古田 守, 葉 文昌
    • Related Report
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  • [Remarks] 世界最高性能の酸化物薄膜トランジスタを実現

    • URL

      https://www.shimane-u.ac.jp/_files/00263054/20220301release-1.pdf

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  • [Remarks] IGZOの約10倍の電界効果移動度を持つ酸化物半導体を高知工科大が開発

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      https://news.mynavi.jp/techplus/article/20220307-2287129/

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      https://www.mapion.co.jp/news/column/cobs2378255-1-all/

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      https://optronics-media.com/news/20220303/76546/

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  • [Remarks] 古田 守教授らの研究グループが酸化物半導体薄膜トランジスタの飛躍的性能向上に成功

    • URL

      https://www.kochi-tech.ac.jp/news/2022/005684.html

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Published: 2020-09-29   Modified: 2023-12-25  

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