• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 前のページに戻る

半導体レーザーによる酸化物半導体の単結晶帯成長と高性能フレキシブルデバイスの創出

研究課題

研究課題/領域番号 22K14303
研究種目

若手研究

配分区分基金
審査区分 小区分21060:電子デバイスおよび電子機器関連
研究機関北海道大学

研究代表者

曲 勇作  北海道大学, 電子科学研究所, 助教 (20874887)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2022年度)
配分額 *注記
4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2025年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2024年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2023年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2022年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
キーワード酸化物半導体 / 薄膜トランジスタ / 高移動度 / 低温固相結晶化 / フレキシブルデバイス / レーザーアニール
研究開始時の研究の概要

申請者は酸化物半導体の低温(~300℃)固相結晶化技術を開発し、水素添加した多結晶酸化物半導体(In2O3:H)にて、非晶質InGaZnOの10倍の移動度(139 cm2V-1s-1)を有する薄膜トランジスタを実現した。
そこで本研究では、更なる高移動度化に向けレーザーアニールによる酸化物半導体の単結晶帯化を試みる。結晶成長メカニズムを明らかにし、その制御技術を確立することで、高性能単結晶酸化物フレキシブルデバイスという新たな分野を開拓していく。

研究実績の概要

申請者は2022年、水素を添加し低温(~300℃)で固相結晶化した水素化多結晶In2O3(In2O3:H)膜を活性層に用いた薄膜トランジスタ(TFT)にて、IGZO TFTの10倍、多結晶Si TFTに匹敵する電界効果移動度(uFE)を示す世界最高性能酸化物TFTを実証した。本研究では、In2O3:H薄膜の結晶化・横方向成長メカニズムを明らかにすることを目的とし、結晶粒径制御技術を確立することで更なる高移動度酸化物デバイスの実現を目指す。
初年度前半は、半導体レーザーアニーリングによる非晶質In2O3:H薄膜の結晶化を試みた。波長405 nmの半導体レーザーの走査速度・パワー密度を調整することで、In2O3:H薄膜の横方向成長に成功し、結晶粒径は約2 umまで増大した。しかし、得られた多結晶In2O3:H薄膜のキャリア濃度は高く、TFTはスイッチング特性を示さなかった。レーザー走査時に酸素が脱離し、膜中に酸素欠損が生成されたものと考えられる。
その後、申請者の異動に伴い、使用できる実験装置に変更が生じた。初年度後期は、パルスレーザー堆積(PLD)法によるIn2O3:H薄膜の成膜条件およびTFT作製プロセスの検討を行った。PLDチャンバー内の背圧を高くした状態でIn2O3膜を成膜することで、空気中の水分をIn2O3膜に取り込み、H2ガスを流すことなく水素濃度制御を可能とした。背圧を高くしてIn2O3:H薄膜を成膜することで、アニール処理時に異常粒成長(~3 um)が起こり、それに伴ってHall移動度が増大(> 100 cm2 V-1 s-1)することがわかった。さらに本手法により作製した多結晶In2O3:H TFTにおいてuFE = 80~90 cm2 V-1 s-1を実現した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本プロジェクト開始早々、申請者の異動に伴う実験装置の変更が生じたものの、新たな研究環境においてIn2O3:H薄膜の成膜条件およびTFT作製プロセスを構築し、高移動度TFT作製に成功しているため。

今後の研究の推進方策

2023年度以降も薄膜合成とデバイス作製・評価を相補的に進め、薄膜・デバイス構造の設計にフィードバックをかける。
以下の点に着目し研究を進める。
① In2O3:H薄膜の結晶化・横方向成長メカニズムの解明: 成膜条件・アニール条件を変化させ作製した結晶状態の異なる多結晶In2O3:H薄膜の電子状態・局所構造などを評価することで結晶成長メカニズムを検討する。
② TFT構造の最適化: 熱電能電界変調法により多結晶In2O3:H TFTの熱電能を計測することで、有効チャネル厚さを求め、デバイス構造を最適化する。
③ TFTの信頼性評価向上: 多結晶In2O3:H TFTの熱や電気的ストレスに対する安定性を評価し、高性能・高信頼性TFT実現に向けた基礎データを蓄積する。
④ フレキシブル基板上での高移動度酸化物TFT作製: 実際にフィルム上に多結晶In2O3:H TFTを作製し、デバイスの初期特性・ストレス信頼性・折り曲げ耐性などを評価する。

報告書

(1件)
  • 2022 実施状況報告書
  • 研究成果

    (25件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 2件、 査読あり 4件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 8件、 招待講演 3件) 備考 (4件)

  • [国際共同研究] Beijing Jiaotong University/Jiangsu University(中国)

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Improved Electron Transport Properties of Zn-Rich In?Ga?Zn?O Thin-Film Transistors2023

    • 著者名/発表者名
      Ghediya Prashant、Yang Hui、Fujimoto Takashi、Zhang Yuqiao、Matsuo Yasutaka、Magari Yusaku、Ohta Hiromichi
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 127 号: 5 ページ: 2622-2627

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.2c07442

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Bottom gate single crystal Si thin-film transistors fabricated by all sputtering processes2022

    • 著者名/発表者名
      Yeh Wenchang、Ohtoge Kaisei、Magari Yusaku
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 61 号: 8 ページ: 086501-086501

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ac5812

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Influence of Grain Boundary Scattering on the Field-Effect Mobility of Solid-Phase Crystallized Hydrogenated Polycrystalline In2O3 (In2O3:H)2022

    • 著者名/発表者名
      Magari Yusaku、Yeh Wenchang、Ina Toshiaki、Furuta Mamoru
    • 雑誌名

      Nanomaterials

      巻: 12 号: 17 ページ: 2958-2958

    • DOI

      10.3390/nano12172958

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Hydrogenated Polycrystalline In2O3 (In2O3:H) Thin-Film Transistor with High Mobility Exceeding 100 cm2V-1s-1 Via Solid-Phase Crystallization2022

    • 著者名/発表者名
      Magari Yusaku、Kataoka Taiki、Yeh Wenchang、Furuta Mamoru
    • 雑誌名

      ECS Meeting Abstracts

      巻: MA2022-02 号: 35 ページ: 1277-1277

    • DOI

      10.1149/ma2022-02351277mtgabs

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Thermopower Modulation Analyses of High-Mobility Transparent Amorphous Oxide Semiconductor Thin-Film Transistors2022

    • 著者名/発表者名
      Yang Hui、Zhang Yuqiao、Matsuo Yasutaka、Magari Yusaku、Ohta Hiromichi
    • 雑誌名

      ACS Applied Electronic Materials

      巻: 4 号: 10 ページ: 5081-5086

    • DOI

      10.1021/acsaelm.2c01210

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Electric Field Thermopower Modulation Analyses of High Mobility In-Sn-Zn-O Thin Film Transistors2023

    • 著者名/発表者名
      Hui Yang, Yuqiao Zhang, Yasutaka Matsuo, Hiromichi Ohta
    • 学会等名
      7th International Conference on Advances in Functional Materials (AFM 2023)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Electric Field Thermopower Modulation Analyses of the Operation Mechanism of Amorphous InGaO3(ZnO)m Thin Film Transistors2023

    • 著者名/発表者名
      Prashant R. Ghediya, Hui Yang, Takashi Fujimoto, Yuqiao Zhang, Yasutaka Matsuo, Hiromichi Ohta
    • 学会等名
      7th International Conference on Advances in Functional Materials (AFM 2023)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 高背圧下でのPLDによる高移動度In2O3薄膜作製2023

    • 著者名/発表者名
      曲 勇作,ゲディアプラシャント, 楊 卉, 張 雨橋, 松尾保孝, 太田裕道
    • 学会等名
      第70回 応用物理学会 春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 強誘電体HfO2-ZrO2ゲート透明InSnZnOx薄膜メモリー2023

    • 著者名/発表者名
      楊 卉,Prashant Ghediya,張 雨橋,松尾保孝,曲 勇作,太田裕道
    • 学会等名
      第70回 応用物理学会 春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 高背圧下PLDにより作製した高移動度In2O3薄膜を活性層とするTFT2023

    • 著者名/発表者名
      ゲディアプラシャント, 曲 勇作, 楊 卉, 張 雨橋, 松尾保孝, 太田裕道
    • 学会等名
      第70回 応用物理学会 春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      曲 勇作, 片岡 大樹, 葉 文昌, 古田 守
    • 学会等名
      シリコン材料・デバイス研究会(SDM)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Hydrogenated Polycrystalline In2O3 (In2O3:H) Thin-Film Transistor with High Mobility Exceeding 100 cm2V-1s-1 Via Solid-Phase Crystallization2022

    • 著者名/発表者名
      Yusaku Magari, Taiki Kataoka, Wenchang Yeh, and Manoru Furuta
    • 学会等名
      The 242th Electrochemical Society (ECS)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] High-mobility (>100 cm2V-1s-1) In2O3:H Thin-film Transistors by Solid-phase Crystallization2022

    • 著者名/発表者名
      Yusaku Magari, Wenchang Yeh, and Mamoru Furuta
    • 学会等名
      The 29th International Display Workshops (IDW ’22)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Origin of High-Mobility in Transparent Oxide Semiconductor Thin Film Transistors toward Super High-Definition Displays2022

    • 著者名/発表者名
      Hui Yang, Yuqiao Zhang, Yasutaka Matsuo, Yusaku Magari, and Hiromichi Ohta,
    • 学会等名
      The 23rd RIES-Hokudai International Symposium 拓 [Taku]
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Electric Field Thermopower Modulation Analyses of Operation Mechanism of InGaO3(ZnO)m Thin Film Transistors2022

    • 著者名/発表者名
      Prashant Ghediya, Hui Yang, Takashi Fujimoto, Yuqiao Zhang, Yasutaka Matsuo, Yusaku Magari, and Hiromichi Ohta
    • 学会等名
      The 23rd RIES-Hokudai International Symposium 拓 [Taku]
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Thermopower Modulation Analyses of High-mobility Transparent Amorphous Oxide Semiconductor InSnZnOx Thin-Film Transistors2022

    • 著者名/発表者名
      Hui Yang, Yuqiao Zhang, Yasutaka Matsuo, Yusaku Magari, and Hiromichi Ohta
    • 学会等名
      薄膜材料デバイス研究会 第19回研究集会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Electric Field Thermopower Modulation Analyses of InGaO3(ZnO)m (m = 1 - 30) Thin Film Transistors2022

    • 著者名/発表者名
      Prashant Ghediya, Hui Yang, Takashi Fujimoto, Yuqiao Zhang, Yasutaka Matsuo, Yusaku Magari, and Hiromichi Ohta
    • 学会等名
      薄膜材料デバイス研究会 第19回研究集会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Thermopower Modulation Analyses of High-mobility InSnZnOx Thin-Film Transistors2022

    • 著者名/発表者名
      Hui Yang, Yuqiao Zhang, Yasutaka Matsuo, Yusaku Magari, and Hiromichi Ohta
    • 学会等名
      令和4年度日本セラミックス協会東北北海道支部研究発表会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Electric Field Thermopower Modulation Analyses of Transistor Characteristics of High-mobility In-Sn-Zn-O Thin Film Transistors2022

    • 著者名/発表者名
      Hui Yang, Yuqiao Zhang, Yasutaka Matsuo, Hiromichi Ohta
    • 学会等名
      The 29th International Display Workshops (IDW ’22)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Electric Field Thermopower Modulation Analyses of Effective Channel Thickness of Amorphous InGaO3(ZnO)m Thin Film Transistors2022

    • 著者名/発表者名
      Prashant Ghediya, Hui Yang, Takashi Fujimoto, Yuqiao Zhang, Yasutaka Matsuo, Hiromichi Ohta
    • 学会等名
      The 29th International Display Workshops (IDW ’22)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [備考] 超高解像度テレビ用材料の高い電子移動度の起源を解明

    • URL

      https://www.hokudai.ac.jp/news/2022/10/100cm2vs.html

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [備考] 北大、透明酸化物半導体「ITZO」の高電子移動度の起源を解明

    • URL

      https://news.mynavi.jp/techplus/article/20221011-2478429/

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [備考] 北大,高性能透明酸化物の高電子移動度の起源解明

    • URL

      https://optronics-media.com/news/20221011/78870/

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [備考] 北大、透明酸化物半導体「ITZO」の高電子移動度の起源を解明

    • URL

      https://www.mapion.co.jp/news/column/cobs2493096-1-all/

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2022-04-19   更新日: 2023-12-25  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi