マイクロ熱プラズマジェット照射による四族半導体単結晶ナノ薄膜成長

微热等离子体射流辐照生长IV族半导体单晶纳米薄膜

基本信息

批准号：
22360126
负责人：
東清一郎
金额：
$ 8.57万
依托单位：
Hiroshima University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2010
资助国家：
日本
起止时间：
2010 至 2012
项目状态：
已结题

项目摘要

本年度は高速で高結晶性シリコン膜を作製するアプローチとして、高パワー密度化したマイクロ熱プラズマジェット(μ-TPJ)照射によるシリコン膜の相変化過程について調べ、アモルファスシリコン(a-Si)膜上に形成した溶融領域を高速走査することによる大粒径シリコン結晶成長の実現に注力した。ノズル径(φ)を従来の4mmから0.8mmへ縮小し、更に陽極-陰極間距離(アークギャップ)を従来の1.0mmから2.0mmへ拡大した。この結果、従来～8kW/cm^2であったピークパワー密度を最大53kW/cm^2まで高めることができた。高パワー密度化したμ-TPJを用いて石英基板上に堆積したa-Si膜の結晶化を試みた。その場観測技術から、μ-TPJ照射によってa-Siはまず固相結晶化(SPC)し、その後、溶融・再結晶化の過程で横方向への長距離結晶成長が誘起される事が明らかになった。μ-TPJ照射によりa-Si膜中に発生した溶融ゾーンを高速操作(～4000mm/s)する事で横方向温度勾配を生成し、長さ～60μmに達する結晶成長が可能となった。高速横成長結晶化(HSLC)技術で得られた(111)優先配向大粒径結晶をチャネルに用いてTFTを作製した。SPCおよびHSLC条件において、それぞれ電界効果移動度μFE～10及び350cm^2V^<-1>s^<-1>の値が得られた。結晶粒径が20nm程度のSPCに対して、大幅な粒径増加を達成できるHSLCでは、4000mm/sという高い走査速度でも極めて高い移動度が得られ、本研究提案の結晶化手法が大面積に適用可能な結晶成長技術として高い可能性を有する事が実証された。

今年，作为高速制备高结晶硅薄膜的方法，我们研究了高功率密度微热等离子体射流（μ-TPJ）辐照硅薄膜的相变过程，重点实现了大尺寸硅薄膜的生长。通过高速扫描形成的熔融区域来晶粒硅晶体。喷嘴直径（φ）从传统的4毫米减小到0.8毫米，阳极-阴极距离（电弧间隙）从传统的1.0毫米扩大到2.0毫米。结果，我们能够将峰值功率密度从 8kW/cm^2 提高到最大值 53kW/cm^2。我们尝试使用高功率密度的 μ-TPJ 使沉积在石英基板上的非晶硅薄膜结晶。原位观察技术揭示，μ-TPJ辐照首先使a-Si发生固相结晶（SPC），然后在熔化和再结晶过程中诱导横向长距离晶体生长。通过高速（~4000mm/s）μ-TPJ照射在a-Si薄膜中产生的熔化区，产生横向温度梯度，使得可以生长长度达~60μm的晶体。我们使用高速横向生长结晶（HSLC）技术获得的（111）择优取向大晶粒晶体作为沟道来制造TFT。在SPC和HSLC条件下分别获得场效应迁移率μFE~10和350cm^2V^<-1>s^<-1>。与晶粒尺寸约为20 nm的SPC相比，HSLC可以实现晶粒尺寸的显着增大，即使在4000 mm/s的高扫描速度下也能获得极高的迁移率，使得结晶成为可能。本研究提出的方法可应用于大面积，已证明该方法作为适用的晶体生长技术具有很高的潜力。