北大、従来⽐10倍の性能を⽰す酸化物薄膜トランジスタを実現✨
発表日：2024年8月7日
北海道⼤学電⼦科学研究所の研究グループは、従来⽐10倍の性能を⽰す実⽤レベルの酸化物薄膜トランジスタを実現しました。次世代の超⼤型8K有機ELテレビ開発を後押しする成果です。この記事では、今回開発された技術に関して、詳しく紹介していきます✨
薄膜トランジスタ（TFT）とは、テレビやスマートフォンの画面の各画素を制御する重要な役割を担っている電子デバイスです。
ちなみにトランジスタの基礎については、こちらの記事で詳しく説明しているので、良ければ読んでみて下さい👇
現在の主流技術であるアモルファスInGaZnO4（a-IGZO）を用いたTFTの電子移動度は5〜10 cm²/Vs程度ですが、8K解像度の大画面有機ELテレビの実現には、その7倍以上の性能が求められていました。
今回の研究成果
東京工業大学の真栄城徳泰准教授らの研究グループは、酸化インジウム（In2O3）薄膜を活性層とし、酸化イットリウム（Y2O3）または酸化エルビウム（Er2O3）を保護膜として用いる新しいTFT構造を開発しました。
この新構造により、以下の驚異的な性能を達成しました：
電子移動度: 78 cm²/Vs（従来のa-IGZOの約8倍）
安定性: 長時間動作後も性能低下がほぼ見られない
製造プロセス: 既存の製造ラインとの互換性が高い
特筆すべきは、この高い電子移動度と安定性の両立です。従来、チャネル材料である酸化インジウム薄膜は気相中に暴露されているため、空気中の気体分子（水、酸素）が自由に吸着・脱離します。
この状態で、ゲート電圧を20V印加したままに信頼性試験を行うと、気体分子の吸着・脱離が起こることでTFTの特性が変化します。
このように、従来の高移動度TFTでは安定性が課題となっていましたが、本研究では保護膜を導入することでこの問題を見事に解決しました。
本技術の核心部分
本技術の鍵が保護膜にあることには変わりないのですが、特に重要なのが保護膜とチャネル材料の界面構造です。
この研究では、保護膜として酸化イットリウム、酸化エルビウム、酸化ハフニウム、酸化アルミニウムなどの複数材料を成長させて、その性能を比較しました。
その結果、酸化ハフニウムや酸化アルミニウムを保護膜として用いたTFTでは安定性の向上が全く確認できませんでした。
一方で、酸化イットリウム、酸化インジウムを用いたTFTは極めて高い安定性を示すことが明らかとなりました。その電子移動度も78 cm2/Vsとなっており、8Kディスプレイの要求を満たしていました。
この要因が上記の界面構造にあります。
チャネル材料である酸化インジウムに対して、安定性の高かった酸化イットリウムは、原子配列（格子定数）が非常に近いため、隙間なく結晶が成長するヘテロエピタキシャル成長していることが判明しました。
一方で、酸化アルミニウム等の材料では、チャネル材料である酸化インジウムと結晶構造が大きく異なるため、成長した膜はアモルファス化しており、隙間から気体分子の脱吸着が行ったことが想定されます。
産業への影響と今後の展望
この技術は、以下のような観点でディスプレイ産業に影響を及ぼす可能性があります：
超大型8K有機ELテレビの実現: 100インチを超える大画面でも鮮明な映像表示が可能に
モバイルデバイスの性能向上: スマートフォンやタブレットの省電力化と高精細化
新たな応用分野の開拓: 医療用高精細ディスプレイや次世代AR/VRデバイスへの展開
また、この技術の応用範囲をさらに広げるための研究も重要でしょう。例えば、フレキシブルディスプレイへの適用や、さらなる高性能化を目指した新材料の探索などが期待されます。
まとめ
新開発のTFTは電子移動度78 cm²/Vsを達成し、次世代8Kディスプレイの要求を満たす
酸化インジウムを活性層、希土類酸化物を保護膜とする新構造が高性能と高安定性を実現
ヘテロエピタキシャル成長による原子レベルの完璧な保護が技術の核心
超大型8K有機ELテレビやモバイルデバイスの性能向上、新たな応用分野の開拓が期待される
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参考文献
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