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

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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。