単結晶の薄膜トランジスタが次世代のディスプレイを支える

ディスプレイ画面に使われる薄膜トランジスタ

テレビ、スマホ、電子ペーパーなどの画面では1つずつの画素の明るさを制御する「薄膜トランジスタ（TFT）」がコア技術として使われています。大面積ガラス板上にガラスが耐えうる低い温度で作る半導体デバイスです。TFTに使う薄膜は、気相堆積法でガラス板に堆積させて作りますが、今の技術では非晶質や微結晶しかできません。このためTFT性能は低いものになります。性能をさらに上げるために、半導体膜にレーザー照射してその非結晶や微結晶のシリコンを溶かし、結晶がより大きい多結晶にする手法がとられています。

次世代ディスプレイには単結晶シリコンが必須

しかし、画面の解像度がさらに進化したとき、または次世代のμLEDになったとき、多結晶TFTでは性能が足りなくなります。単結晶膜が根本的な解決法ですが、ガラス上に形成する技術はありません。そこで紫外半導体レーザービームの形状をシェブロン型にして膜を走査することで単結晶帯成長する方法が考えられました。これで性能と均一性が優れたTFTが作れます。均一性は、ムラのない画面を作るために大事です。現在、4族元素のSiやGeにとどまらず、酸化物などの様々な膜でも単結晶帯成長を実現しています。これら単結晶膜は薄膜太陽電池の発電効率を格段に高められることが期待できます。

環境にやさしい製法も大切

画面は情報を人に伝える装置です。今後は屋外のポスターにも使われるようになり、使用総面積が増えますが、これは製造で使われてる人にも環境にも悪い物質も増えることになります。さらに半導体デバイスは彫刻と同じく不要部分を切り落とすサブストラクト製法で無駄が多いです。しかし、薄膜堆積にスパッタ法という有害ガスを使わない成膜法に徹し、且つ塑像と同じく必要部分を加えるアディティブ製法が開発されたことで、環境負荷物質をほぼ使わない高性能な単結晶Si-TFTが実現しました。この先も画面製造での環境負担を限りなく小さくする努力は続きます。

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島根大学総合理工学部物理工学科教授葉文昌先生

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半導体デバイス

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メッセージ

デバイスの研究開発は、単にものを作って極めるのではなく、革新が大切です。そして革新は発想だけではなくそれを実現するまで過程です。優れたデバイスを作るには、まず材料を制しないといけません。成功条件は狭い範囲にあることは多く、自分で見つけなければなりません。探し出す過程は日常生活で言えば「料理」に似ています。素材の組合せ、調理手段の選択、温度や時間の制御、を材料で起きていることへの洞察とこれまでの経験をもとに、描いた味を求める過程です。時に退屈ですが、実現できた時は大変うれしいです。

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