1
はじめに
昨今の科学・技術の発展により、情報デバイスは 現代の社会生活において必要不可欠なものとなって いる．1897 年のブラウン管の発明，1926 年の高柳 健次郎博士による世界初の映像の送受信，また 1937 年の世界初のテレビ放送開始（イギリス）以降，デ ィスプレイ技術は発展を遂げてきた［1］．図 1 に示さ れるような薄型大画面テレビ，ノート型パソコン （PC），タブレット型コンピュータ，スマートフォ ン，電子書籍リーダーなどのディスプレイは液晶デ ィスプレイや，プラズマディスプレイのような大型 ディスプレイ，主に中小型のディスプレイに使われ る有機 EL ディスプレイ，電子書籍端末に使われる 電子ペーパー等，用途やコストに応じて使い分けら れている［2］．本稿では， 1）液晶ディスプレイに関する技術 2）液晶駆動用薄膜トランジスタ（TFT）に関す る研究開発状況 3）薄膜形成技術 5）電子ペーパーに関する技術 6）フレキシブルデバイスへの応用 について，各表示デバイスの作製に関する研究・開 発の現状を述べる．2
液晶ディスプレイ
液晶ディスプレイ，プラズマディスプレイ，有機 EL ディスプレイ，電子ペーパーなどの表示デバイ スは，基本的に画素を基板上に並べた構造をしてお り，各画素は表示部分と，そのスイッチング部分と からなる． 図 2 に示されるように，液晶ディスプレイは，バ解説
次世代ディスプレイの研究・開発の現状と，今後の
フレキシブルデバイス化へ向けた展開について
松 田 時 宜
Tokiyoshi MATSUDA
理工学部電子情報学科 助教Assistant Professor, Department of Electronics and Informatics
図 1 情報デバイスの例 ― １５ ―
ックライトによる白色光を各画素に形成された TFTによってスイッチングされた液晶によって透 過光を制御し，赤，緑，青（RGB）3 色のカラーフ ィルターによって映像を表示している［3］． 各画素や画面を構成する要素技術に関して開発が 進んでいるが，今回は，特に昨今注目を浴びている TFTについて詳しく紹介する． ディスプレイ駆動用 TFT は通常無アルカリガラ スなどの基板上に形成されており，表 1 のように， 各デバイスに即した特性・性能を持つ素子が採用さ れている．図 3 に，TFT 素子の一例を示す．TFT は，ゲート電極，ゲート絶縁膜，半導体（活性層）， 保護膜，電極などより形成される．各レイヤーは数 10 nm∼数 100 nm の膜厚で成膜され，フォトレジ スト塗布・フォトマスクによるパターン露光・フォ トリソグラフィによるレジストパターン形成・エッ チングによるパターン形成・レジスト剥離を一つの サイクルとして，形成する［4−7］． 各材料パターンの形成・エッチングなどはその材 料の特性や，積層された膜とのエッチング選択比な どの相性によって形成プロセスが設計され，目的と する TFT 素子を形成する． 薄膜トランジスタの活性層は TFT 素子の最も重 要な材料であると言ってよい．材料としては，表 1 に示されるようにいくつかの種類がある．アモルフ ァスシリコンは大面積基板に均一な薄膜を形成する 技術がほぼ確立されているため，現行の大型ディス プレイの TFT 素子に採用されている．しかし，TFT 活性層としての性能の指標である，電界効果移動度 が 0.5 cm2 /V・s 程度と低いため，図 4 に示されるよ うな，3 D 映像やスーパーハイビジョンへ向けて今 後必要とされる，高い画面書き換え周波数（フレー ムレート），高解像度化に対して課題が指摘されて いる［8］． 一方，多結晶シリコンは，TFT 電界効果移動度 に関しては 100 cm2 /V・s と高いため，今後のディス プレイの高性能化には対応できるが，大面積に均一 図 2 液晶テレビの断面構造 （フジフィルムホームページより） 図 3 TFT の断面構造 図 4 Samsungにより発表された，アモルファ ス Si TFT 駆動液晶ディスプレイの限界 （出展：日経マイクロデバイス，2008. 5. 5 号） 表 1 提案されている絶縁膜成膜方法とその特性 材料 項目 アモルファ スシリコン ポリシリコン 酸化物 半導体 電界効果移動度 （cm2 /V・s） 0.5 100 10∼ 代表的な 成膜方法 P-CVD P-CVD レーザーアニール スパッタ リング法 大面積性 容易 困難 容易 高精細化 △ 可能 可能 低温プロセス （200 度以下） 困難 困難 容易 ― １６ ―
な素子を作製することに課題があるとされている． それは，多結晶シリコンはアモルファスシリコンを レーザーで結晶化することによって作製されるた め，レーザーのパワーに不足が生じるためである． そのため，次世代ディスプレイ向け TFT の活性層 として，新しい材料が待ち望まれている．その中 で，近年注目を浴びているのが，酸化物半導体材料 である．酸化物半導体は，10 cm2 /V・s の高電界効果 移動度とスパッタリング法という比較的容易に大面 積に成膜可能であるため，期待が大きく，現在活発 に研究・開発が行われている． 2. 1 ZnO系酸化物半導体 酸化物半導体の一種である ZnO TFT に関しては 1968年に最初の報告がある［9］．2001 年に Ohya, et.
al.により発表された ZnO TFT によると，ZnO は Si
ウェハ上に溶液法によって塗布され，600 度∼900 度程度の高温で焼成することで形成されている［10］． その後 2004 年に国内外の研究機関より ZnO につい て，現在主流のアモルファスシリコン TFT の数倍 以上の電界効果移動度での TFT 特性が実証され た［11−15］． Hoffmanによる報告においては，ZnO 薄膜はマ グネトロンスパッタリング法によって形成されてお り，Si ウェハ上に ZnO TFT を形成することに成功 している．この報告によると，ZnO 薄膜の電界効 果移動度は，ゲート電圧に依存して大きく変化す る．これらの報告をはじめ，酸化物 TFT の詳細な 特性などに関する研究報告が増加している［13, 14］． また，ZnO 薄膜については，低温で多結晶性の 薄膜が得られることが多数報告されている．その特 徴を活かすために，PLD 法及び分子線エピタキシ 法による高結晶性 ZnO 薄膜を用いた高移動度 ZnO TFT が 東 北 大 学 の グ ル ー プ よ り 報 告 さ れ て い る［16−19］． その後，図 5 に示すように，研究室レベルのデバ イス形成が中心であった 2005 年当時，高知工科大 学とカシオ計算機（株）による ZnO TFT による液 晶ディスプレイの実証を契機としてディスプレイデ バ イ ス 応 用 に 向 け た 研 究 開 発 が 活 発 化 し て い る［20］．当時，世界最大のディスプレイ関係の国際
学会（Society for Information Displays）での酸化物 半導体 TFT の発表はわずかであったが，表 2 に示 されるように，2007 年には酸化物半導体セッショ ンが創設され，現在では TFT 技術の中核テーマと して活発な議論が行われており，毎年多数の論文が 発表されている［21−33］． 2. 2 非晶質酸化物半導体 2003∼2004 年に東京工業大学のグループによっ て，酸化物半導体（InGaZnO4（IGZO））を用いた薄 膜トランジスタに関する報告がなされた［27−28］．本 報告以降，非晶質酸化物に関する研究が活発化して いる．現状では IGZO の電界効果移動度は 8 cm2 /V・ s以上とされており，現在大型液晶ディスプレイの 駆動に用いられているアモルファスシリコンを凌駕 する性能が確かめられており，研究・開発による実 図 5 ZnO TFT素子の概念図と ZnO TFT 駆動 液晶ディスプレイ（Hirao, et al.,（2006）） ― １７ ―
用化及び今後の応用展開の広がりが注目を浴びてい る． 酸化物 TFT による液晶ディスプレイや有機 EL ディスプレイといった実用化を目指した研究開発は 韓国をはじめ，各国で進められている．2010 年に アメリカで行われた SID 2010 では，台湾の AU Op-tics社が 32 インチの IGZO 駆動液晶ディスプレイ を［34］，SONY が 11.7 インチの IGZO 駆動有機 EL ディスプレイを［35］，また韓国の Samsung は 19 イ ンチの有機 EL ディス プ レ イ を そ れ ぞ れ 発 表 し た［36］．現在の主な研究・開発課題は TFT 特性の安 定性，プロセスの安定性，光応答特性などの，実用 化への基礎的な裏づけとなるテーマや，素子のセン サー応用へ向けたものが増加している［37］．また， 2011年 4 月にはシャープ株式会社が，中・小型 IGZO TFTディスプレイの量産を発表した［38］． 2. 3 有機薄膜トランジスタ TFT 技術のフレキシブルデバイス応用技術の候 補として，TFT の活性層として有機材料を用いる， 有機薄膜トランジスタも提案されている．これまで の研究・開発ではペンタセン，アントラセン，ルブ レンなどを活性層とした薄膜トランジスタが提案， 発表されている．当初は p 型の有機半導体材料が 提案されていたが，材料探索が進み，n 型の有機半 導体材料も報告がなされている．TFT 特性として は電界効果移動度が 0.1∼40 cm2 /V・s 程度であり， 今後の特性向上が注目されている［39−42］．SONY は 2010年に巻き取り可能な有機半導体駆動有機 EL ディスプレイを発表している［43］． 前述のように，TFT 素子は複数の薄膜によって 形成されているが，透明電極・絶縁膜などの要素技 術に関しても，研究・開発が推進されている．透明 電極は，現行では In2O3: Sn（ITO）が用いられてい 表 2 次世代酸化物半導体層の開発経緯 Year 活性層材料 TFT 文献（Ref） 材料 成膜方法 成膜温度 構造 基板 ゲート 絶縁膜 μ On/off 比
1968 ZnO Bulk −−− Coplanar ZnO SiO2 ［9］Proc. of the IEEE（1968）2094 1997 SnO2: Sb PLD −−− Bottom SrTiO3PbZr0.2Ti0.8O3 7×10
3
［25］Appl. Phys. Lett. 70（1997）458 2001 ZnO Solution 900 Bottom Si Th-SiO2 10
3
［10］Jpn. J. Appl. Phys., 40,（2001）297
2003
ZnO Sputtering RT Bottom Si Th-SiO2 2 ＞10 6
［12］Appl. Phys. Lett. 82（2003）1117 ZnO IB sputtering RTA Bottom Glass ATO 2.5 107
［13］Appl. Phys. Lett. 82（2003）733 ZnO PLD 300 Bottom CaHfO/SiN 7 ＞106
［16］Jpn. J. Appl. Phys. 42（2003）L 347 InGaO（ZnO）3 5 PLD 1400 Top YSZ HfO2 80 10
6
［27］Science 300（2003）1269
2004
ZnO Sputtering RT Bottom Glass SiOxNy 70 5×10 5
［23］J. Non-cryst. Solids 338−340（2004）806 Zn0.9Mg0.1O : P0.02 PLD 400 Top Glass HfO2 5 ［24］Appl. Phys. Lett. 84（2004）2685
a-IGZO PLD RT Top PET Y2O3 9 10 3
［28］Nature 432（2004）490
2005
a-ZnSnO Sputtering 600 Bottom Glass ATO 50 107
［29］Appl. Phys. Lett. 86（2005）013503 a-ZnInO Sputtering 300 Bottom Glass ATO 30 106
［30］J. Appl. Phys. 97（2005）064505 ITO Sputtering 300 Bottom Si BLT 9.1 ＞104
［31］Appl. Phys. Lett. 86（2005）162902 2006 a-IZO Sputtering. RT Bottom Glass ATO 40 ＞107
［32］J. Non-cryst. Solids 352（2006）1749 2007 In2O3 Evap. 300 Bottom Si Th-SiO2 27 10
4
［33］Appl. Phys. Lett. 91（2007）132111 2008 SID 2008 Oxide TFT 1 session : 15 presentations in 550 total
2009 SID 2009 Oxide TFT 2 sessions : 11 presentation in 444 total 2010 SID 2010 Oxide TFT 2 sessions : 21 presentations in 520 total 2011 SID 2011 Oxide TFT 2 sessions : 34 presentations in 465 total
るが，昨今のレアメタルの偏在及びそれに起因する 価格高騰の影響を受けて次世代材料が研究・開発さ れている．特に，酸化亜鉛系の ZnO : Ga や ZnO : Alのような，透明導電膜が開発され，対向電極と しての試作品が発表されている［44−50］． また，液晶パネルの低価格化競争により，ゲート 絶縁膜の低コスト成膜方法や，半導体活性層との界 面形成及び制御に関する研究開発は非常に重要な研 究テーマである．したがって，複数の薄膜材料によ って形成される TFT 素子は，各薄膜に関する研究 ・開発が重要であると同時に，各材料の薄膜界面の 研究・開発も非常に重要な研究・開発内容であ る［51−52］．
3
プラズマディスプレイ
図 6 に示されるプラズマディスプレイは各画素内 に封入された Xe ガスを励起し，それによって放出 される紫外線で RGB 3 色の蛍光体を発光させるこ とによって画面を描画している．プラズマにさらさ れる MgO 薄膜の特性や，その形成技術も非常に重 要である［53］．4
有機 EL ディスプレイ
図 7 に示される有機 EL ディスプレイの各画素 は，電流駆動素子であり，スイッチングを行う TFT 素子と駆動 TFT 素子の，2 個の TFT 素子を各画素 に含んでいる．そのため，各素子の高性能化が必要 とされている［54］．5
液晶ディスプレイなどに用いられている
真空プロセス例
前述のように，各薄膜は一般的に真空装置を用い たプラズマ技術によって形成される．表 3 のような プラズマ技術は電力技術や真空技術の発達に伴って 照明，半導体などの薄膜形成，プラズマディスプレ イのような映像技術，表面のコーティングや処理技 術など，広範囲な領域で用いられており，現代の社 会 生 活 に と っ て 必 要 不 可 欠 な 技 術 と な っ て い る［55−57］． 以下に，現在，量産技術に使われている代表的な 薄膜形成方法及び研究・開発が推進されている成膜 技術などについてまとめる． 5. 1 マグネトロンスパッタリング法 図 8 に示されるマグネトロンスパッタリング法 は，液晶ディスプレイ製造プロセスにおいて用いら れており，大型基板に適応可能な成膜手法である． 真空チャンバー内に Ar や O2のようなガスを導入 し，出発物質を焼結したターゲットに対してマッチ ングボックスを介して 13.56 MHz の電力を投入す ることでプラズマを生成する．それによって，ヒー ターで温度制御された基板に対して薄膜を形成す る．DC 電力を投入する方法もある． 図 6 プラズマディスプレイ発光原理と蛍光体 の例 図 7 有機 EL の構造の例（SONY ホームページより） ― １９ ―5. 2 プラズマ化学気相成長法（Plasma chemical va-por deposition（P-CVD）） 図 9 に示される P-CVD 法は，真空チャンバーに 材料ガスを導入し，設置された平行平板電極の一方 に基板を設置し，もう一方に RF 電力を印加するこ とでプラズマを形成し，化学反応をおこさせて基板 に成膜を行う方法である．本方法は大面積基板に適 用可能な方法であり，TFT 用絶縁膜である，SiNx, SiO2，活性層であるアモルファスシリコン薄膜の形 成に広く用いられている．ただし，プラズマ密度が 低いため，基板温度の低下とともに膜質が著しく劣 化するため，低耐熱性基材には適応しにくいという 課題がある． 5. 2. 1 誘導結合プラズマ（Inductively coupled plasma（ICP）） 図 10 に示される ICP-CVD 法は磁界の時間変化 で電界を誘導し放電を維持するタイプのプラズマを 誘 導 結 合 プ ラ ズ マ （ Inductively Coupled Plasma :
ICP）と呼ぶ［58, 59］．磁界はコイルなどによって誘起 され，誘電体窓などを介して真空チャンバーへと導 入され，プラズマ密度が 1012 ∼1018 cm−3 と高いこと が特徴である．しかし，大口径化が難しく，メート 図 8 RF マグネトロンスパッタリング法の概念図 図 9 プラズマ CVD 法の概念図 表 3 提案されている絶縁膜成膜方法とその特性 成膜方法 大面積化 最高成膜速度（nm/min.） プラズマ密度（cm−3 ） 備考 RFマグネトロンスパッタ ○ 5 ∼1010 低成膜速度で高性能膜 基板へのダメージ大 平行平板プラズマ CVD ○ 100 107 ∼108 大面積基板適用可能 低温化に課題 ICP-CVD △ 35 1012 ∼1013 基板パルスバイアス ALD × 2 LSI・研究用途・膜質良好 ECRスパッタ・CVD × 5 1012 ∼1013 高密度プラズマ PLD × 2 − 研究用途・膜質良好 Cat-CVD ○ 180 − 研究開発が行われている マイクロ波プラズマ × − 1010 ∼1011 研究開発が行われている 図 10 ICP-CVD 法の概念図 ― ２０ ―
ルサイズの均一な ICP は実現できていないのが実 情である．また，基板側にバイアス電力を印加する ことによって反応性を制御し，膜質の劣化を防ぎな がら成膜レートを向上する方法が高知工科大学の研 究グループによって提案されている［60］． 5. 2. 2 電子サイクロトロン共鳴（ECR）プラズマ法 図 11 に示される ECR 法は，投入するマイクロ 波の周波数と電子サイクロトロン周波数が等しくな る磁場を印加し，電子サイクロトロン共鳴吸収 （Electron Cyclotron Resonance : ECR）過程によって 電子を選択的に加速することで高密度なプラズマを 発生する手法である．これにより，真空チャンバ中 の材料ガスを反応させ，基板へと成膜する．しかし ECR共鳴を起こす磁場を大面積にわたり均一生成 することが困難なため，大面積化には課題を有す る［61, 62］．
5. 2. 3 パルスレーザー堆積法（Pulsed laser
deposi-tion（PLD）） 図 12 に示される PLD 法は，真空チャンバー中 に設置された出発材料を，パルス状のエキシマレー ザーによって叩き出し，基板に成膜を行う方法であ る．本方法は出発材料に対して形成された薄膜の組 成ずれが少ない方法である．出発材料が非常に精度 よく薄膜として形成できるため，研究分野で活用さ れている．ただし，本方法は大面積基板への適用は 困難であるとされている［16, 61］． 5. 2. 4 触媒化学気相成長（Cat-CVD）法 図 13 に示される CAT-CVD 法は，真空チャンバ ー中に材料ガスを導入し，真空内部に設置された高 温の触媒によって化学反応を促進し，基板へと成膜 を行う方法である．本方法は，北陸先端科学技術大 学院大学にて提案された方法であり，現在研究開発 が活発に行われている方法である［64, 65］．
5. 2. 5 原子層堆積法（Atomic layer deposition （ALD）） 図 14 に示される原子層堆積法は，図に示すよう に，目標とする元素を含む材料を順に基板に供給， 排気を繰り返し，一層ずつの分子膜を形成していく 方法である．本方法により，超格子などの極めて精 密に制御された薄膜を形成することができる．その ため，研究・開発ともに広い範囲で推進されてい る［66］． 半導体デバイス技術の発達や低コスト化，高性能 化の要請から高品質な薄膜を大面積に速く低コスト 図 11 ECR-CVD 法の概念図 図 12 PLD 法の概念図 図 13 Cat-CVD 法の概念図 ― ２１ ―
で形成する技術が望まれている．従来実用化されて いる成膜用プラズマ装置としては，高付加価値な電 子デバイス製品などに向けた薄膜形成装置であった ため，大掛かりで初期投資の大きい真空チャンバ， 真空用排気装置，成膜ガス供給装置，プラズマ形成 用電源などから成っている．しかし，技術の発達， 拡散，それによる価格や機能の競争が激しくなり， 製品の低コスト化・高効率化が国際的に必要となっ てきている．そのため，企業，大学，研究機関より 各方面へ向けた応用を目指したプラズマ源の提案が 行われている． 各成膜方法には全て一長一短があり，大面積に低 コストで薄膜を合成する技術に関しては未だ有効な 解決方法は存在していない．そのため，今後も研究 開発競争が激化していくと考えられる． また，これら薄膜形成用プラズマ技術は，ガラス 基板のように数百度以上の熱処理に対して安定な基 板に対して薄膜を形成することを目的としている． そのため，今後必要とされる低耐熱性基材への薄膜 形成については，広い範囲での技術開発が必要とさ れている．
6
電子書籍端末の現状
これまではディスプレイ技術として，表示してい る間絶えずに電力を消費するものを紹介してきた． それに対して，電子ペーパーは画像を書き換えると きにのみ電源を消費し，バックライトを必要としな い，超低消費電力表示デバイスである．電子ペーパ ーは，ノートパソコン，携帯電話，また新聞等の現 存する情報端末と比べ，携帯性，可搬性，軽量性な どに優れている．そのため，用途として，動画表示 の性能が必要とされない個人情報端末や車内・公共 交通等の広告，行先表示（デジタル・サイネージ）， 電子新聞等情報端末として莫大な市場が期待されて いる． そのため，電子書籍や，電子辞書のような個人用 の情報端末は 20 年以上前より開発が行われている． 電子辞書はその利便性から一般に普及しているのに 対し，電子書籍は多数の商品が開発されたが，この 2, 3年前まで一般に普及するような製品はなかった．近年 SONY の Librie や Amazon の Kindle シリー ズなどが商品として提案されている．特に 2008 年 に米 Amazon 社から発表されたマイクロカプセル 方式電子ペーパーを採用した電子書籍端末「Kin-dle」は，その性能・デザイン・コンテンツから大 人気となった．これを契機に電子書籍市場は爆発的 な広がりをみせており，Google 社などが参入して いる． 現状では電子ペーパーの表示デバイスは，ガラス 基板に対して白黒のマイクロカプセル方式モジュー ルを採用した凸版印刷（株）と米 E Ink 社の独占状 態にある．本 E Ink は電子ペーパーとしては世界で 圧倒的なシェアを誇る表示技術である．本技術はア メリカのマサチューセッツ工科大学の研究所に所属 していた 20 歳代の若者が提案し，その後 4 人でベ ンチャー企業 E Ink 社を設立し，広がってきたと言 われている．わが国でも，このような世界中にイン パクトを与えるような技術が若い世代から生まれる に違いないと考えている［67−70］．現行の電子ペーパ ーは全て白黒であり，カラー電子ペーパーを実用化 することができれば，大きな展開を見せることは明 白である．そのため，表 4 に示すように各社がカラ ー電子ペーパー技術を提案している．米 SiPix Imag-ing社はマイクロカップ内で粒子を移動させ，液体 の色を表示させる方式を，またブリヂストン社は着 色した電子粉粒体をピクセル内で移動させることで 色を表示させる方式を提案している．本方式による 図 14 ALD 法の概念図 ― ２２ ―
方式 粒子移動型
開発メーカー 米E Ink 米SiPix Imaging社 ブリヂストン 富士通
原理と 基本構造 マイクロカプセル内の 粒子を電界で上下させる。 マイクロカップ内の 粒子で液体の色を表示 電子粉粒体の 移動で階調を 表示 RGB3色の光を反射する 液晶を積層。 製品像 SONY Reader PRS-700BC Amazon Kindle 6インチ A3サイズ物 棚札等 8型最大26万色 試作段階 ボタン 代替 6型 コレステリック液晶 カラー電子ペーパーは A 3 サイズの棚札をテスト 販売するレベルまできている．また，富士通は RGB 三色の光を反射するコレステリック液晶を積層する ことでカラー表示を行う方式を提案している． 2010年 7 月には電子書籍の業界団体が発足し， 同年 12 月には凸版印刷株式会社が，有機トランジ スタをフレキシブル基板上に形成することに成功し ており，今後カラー化も含めて大きな進展を見せる ことが期待される［67−71］．
7
フレキシブルディスプレイへ向けて
従来の薄型ディスプレイ技術の発達により，情報 端末用ディスプレイは液晶ディスプレイに代表とさ れるように，軽量化，低価格化が極めて急速に進ん でいる．それとともに，ガラス基板ではなく，有機 材料を中心とした軽量でフレキシブルな基板を用い たディスプレイの開発が進んでいる．一般に，フレ キシブル基板と言った場合は，可塑性のある部分を 持つプリント基板（Flexible printed circuits（FPC）） のことを示すことが多いが，本稿では，FPC では なく，基板自体が可塑性を持つ基板材料を示す． 例として，酸化物半導体 TFT が PET などの可塑 性のある，プラスチック基板上に形成されたよう に，半導体デバイスをフレキシブル基板上に形成す る技術が提案されている． 本技術によって，フレキシブルデバイスが実現さ れる可能性も出てきた．しかし前述のように，半導 体デバイスは複数の薄膜で形成されており，その実 現のためには，各材料に関して技術の進展が必要と される．特に，基板そのものがフレキシブルになる ため，その上でのデバイス形成は非常に困難が予想 される． これらの技術の発達に際して必要不可欠な材料 が，当然のことながらガラス基板に替わるフレキシ ブル基板である．それに必要とされる特性は， 1）曲げても壊れないこと 2）軽いこと 3）熱安定性が高いこと（寸法安定性，機械強度） 4）透明であること 5）化学的に安定であること 6）従来の薄膜形成技術と親和性が高いこと があげられる．そのための候補となるデバイス用フ レキシブル基板材料を以下に紹介する． 7. 1 ステンレス基板 フレキシブルデバイス形成のアプローチとして， 基材が低耐熱性である必要は全くない．そのため， 従来の TFT 形成温度に対して耐熱性のある基板を 用いる方法も提案されている．2010 年にはフレキ シブルなステンレス基板を用いた電子ペーパーの実 用化が報じられた．本デバイスは，ガラス基板をフ レキシブルステンレス基板に置き換えたアモルファ 表 4 電子ペーパーの表示形式 ― ２３ ―材料名称 化学式 ガラス転移温度℃ PEN ポリエチレン 2,6ナフタレート PES ポリエーテル サルフォン COS シクロオレフィン ポリマー PC ポリカーボネ―ト PET ポリエチレン テレフタレート 170~200 180~225 123~139 155 80~100 スシリコン TFT によって E Ink 社の電子ペーパー を駆動したデバイスであるとされている［70, 72］． 7. 2 フレキシブル基板の種類 フレキシブル基板としては，有機材料が一般的に 取り上げられる．フィルムとしては極めて多数の材 料が見出されており，その用途はスーパーマーケッ トの買い物袋のような一般的な包装から，光学的な 機能をもたせたものや，映画のフィルムのようなデ ータ記録用フィルム，高温でも安定なポリイミドテ ープ，テフロンのような化学的に極めて安定かつ絶 縁性が高い材料，また，電池のセパレータや，撥水 性を持ちながら水蒸気は透過するような多機能な膜 などまで，その機能，コスト，目的に合わせた材料 が各方面で実用化されている． 本報告ではガラス基板に変わる透明な有機フレキ シブル基板として，PEN, PES, COS, PC, PET の化
学式とガラス転移温度を表 5 にまとめた［73−75］．各 材料はその特性に応じて 2 軸延伸形成などによって 強度を制御したり，バリア性を上げるための表面処 理をしたりするなどの方法が取られる．フレキシブ ル基板の開発は多方面で進められており，今後も高 品質な基材が発表されることが見込まれる． 7. 3 フレキシブルディスプレイ これらの基板を使ったフレキシブルデバイスの試 作は今世紀に入ってから活発化している．デバイス の内容としては，フレキシブル基板上に形成した TFTを用いた液晶ディスプレイや有機 EL デバイ ス，電子ペーパーなどが上げられる．フレキシブル デバイス用 TFT 素子としては，従来のシリコン系 材料を用いたものや，ZnO や IGZO などの酸化物 TFTを用いた材料，また有機材料を TFT の活性層 としたデバイスが開発されている．その論文数は各 分野においてこの数年で爆発的に増加している．現 状では低温形成トランジスタの研究・開発の焦点 は，その特性の継続動作に対する安定性に関する評 価・そのメカニズム解析・安定性向上のための新規 材料開発などへと移ってきている． 図 15，16 のように，フレキシブルなディスプレ 表 5 フレキシブル基材の例 図 15 SONY 社による巻き取り可能な有機 EL ディスプレイ［43］ 図 16 アリゾナ大学によるフレキシブルディス プレイ［76］ ― ２４ ―
イとして，有機材料によるディスプレイなどの試作 が各所で行われている［43］． 7. 4 フレキシブルデバイスへ向けたその他の要素 技術 フレキシブルデバイス形成のためには，曲がりや すい基材への成膜，パターン形成のための露光，エ ッチング，基材の洗浄など，すべてのデバイス形成 プロセスを開発する必要がある．したがって，フィ ルムへの成膜関連技術，フレキシブル基材用露光装 置，フレキシブル基材用スパッタ装置，パターン転 写技術などが活発に開発されている［56］．
8
むすび
昨今の酸化物半導体を用いた薄膜デバイスや，そ の応用に関する研究・開発の進展は目覚ましいもの があり，その波及効果は多方面にわたり，国際的な ものとなっている．本稿で述べたように，研究テー マは材料や，その形成プロセス，素子の形成技術， そのデバイス応用技術，各デバイスの他分野への展 開など，多岐にわたっており，今後も研究・開発は 広範囲で行われるであろう． 参考文献 ［ 1 ］ ガラス産業連合会 GIC ガラスミュージアム http : //www.gic.jp/museum/tv_tale/. ［ 2 ］ 日経エレクトロニクス 2009 年 6 月 29 日号（2009） 33. ［ 3 ］ フジフィルムホームページ http : //www.fujifilm.jp/. ［ 4 ］ 薄膜材料デバイス研究会，“薄膜トランジスタ”，コ ロナ社（2008）．［ 5 ］ C. R. Kagan, P. Andry, “ THIN-FILM TRANSIS-TORS”, MARCEL DEKKER, Inc., New York, USA （2003）．
［ 6 ］ C. Y. Chang, S. M. Sze, “ ULSI Technology ”, McGRAW-HILL Co. Inc. , New York, USA, 184 （1996）．
［ 7 ］ S. M. Sze，“半導体デバイス−基礎理論とプロセス 技術−”，産業図書株式会社（2004）．
［ 8 ］ Samsung，日経マイクロデバイス 2008 年 5 月 5 日 号，“アモルファス Si はもう限界？”．
［ 9 ］ G. F. Boesen, J. E. Jacobs,“ZnO field-effect transis-tor”,Proc. of the IEEE, 2094（1968）．
［10］ Y. Ohya, T. Niwa, T. Ban, Y. Takahashi,“Thin Film Transistor of ZnO Fabricated by Chemical Solution Deposition”,Jpn. J. Appl. Phys. 40, 297（2001）． ［11］ P. F. Carcia, R. S. McLean, M. H. Reilly, I.
Malajo-vich, K. G. Sharp, S. Agrawal, and G., Nunes,“ZnO Thin Film Transistors for Flexible Electronics“ , Jr : Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 769（2003）H 7.2.1. ［12］ P. F. Carcia, R. S. McLean, M. H. Reilly, and G.
Nunes,“Transparent ZnO thin-film transistor fabricated by rf magnetron sputtering”, Jr : Appl. Phys. Lett. 82, 1117（2003）．
［13］ R. L. Hoffman, B. J. Norris, J. F. Wagera,“ZnO-based transparent thin-film transistors”, Appl. Phys. Lett. 82, 733（2003）．
［14］ R. L. Hoffman, “ ZnO-channel thin-film transistors : Channel mobility”,J. Appl. Phys. 95, 5813（2004）． ［15］ Elvira M. C. Fortunato, Pedro M. C. Barquinha, Ana C.
M. B. G. Pimentel, Alexandra M. F. Gonçalves, Antó-nio J. S. Marques, Luís M. N. Pereira, and Rodrigo F. P. Martins,“Fully Transparent ZnO Thin-Film Transis-tor Produced at Room Temperature”, Adv. Mater., 17, 590（2005）．
［16］ J. Nishii, F. M. Hossain, S. Takagi, T. Aita, K. Saikusa, Y. Ohmaki, I. Ohkubo, S. Kishimoto, A. Ohtomo, T. Fukumura, F. Matsukura, Y. Ohno, H. Koinuma ; H. Ohno, M. Kawasaki,“High Mobility Thin Film Transis-tors with Transparent ZnO Channels”, Jpn. J. Appl. Phys. 42, L 347（2003）．
［17］ A. Tsukazaki, A. Ohtomo, T. Kita, Y. Ohno, H. Ohno, M. Kawasaki,“ Quantum Hall Effect in Polar Oxide Heterostructures”,Science, 315, 1388（2007）． ［18］ A. Tsukazaki, A. Ohtomo, M. Kawasaki, S. Akasaka,
H. Yuji, K. Tamura, K. Nakahara, T. Tanabe, A. Ka-misawa, T. Gokmen, J. Shavani, M. Shayegan,“Spin susceptibility and effective mass of two-dimensional electrons in MgxZn1-xO / ZnO heterostructures”, Phys. Rev. B 78, 233308（2008）．
［19］ M. Nakano, A. Tsukazaki, A. Ohtomo, K. Ueno, S. Akasaka, H. Yuji, K. Nakahara, T. Fukumura, M. Kawasaki,“ Electric-field control of two-dimensional electrons in polymer-gated oxide semiconductor het-erostructures”,Adv. Materr. 22, 876（2010）． ［20］ T. Hirao, M. Furuta, H. Furuta, T. Matsuda, T.
Hiramatsu, H. Hokari, M. Yoshida,“ High Mobility
Top-Gate Zinc Oxide Thin-Film Transistors（ ZnO-TFTs）”,SID 2006 Digest, 18, 18（2006）．
［21］ T. Hirao, M. Furuta, T. Hiramatsu, T. Matsuda, C. Li, H. Furuta, H. Hokari, M. Yoshida, H. Ishii, and M. Kakegawa,“Bottom-gate zinc oxide thin-film transistors （ ZnO TFTs ） for AM-LCDs ”, IEEE Trans. Electr.
Dev., 15, 3136（2008）．
［22］ S. Masuda, K. Kitamura, Y. Okumura, S. Miyatake, “Transparent thin film transistors using ZnO as an ac-tive channel layer and their electrical properties”, J. Appl. Phys. 93, 1624（2003）．
［23］ E. Fortunato, A. Pimentel, L. Pereira, A. Gonçalves, G. Lavareda, H. Águas, I. Ferreira, C. N. Carvalho and R. Martins,“High field-effect mobility zinc oxide thin film transistors produced at room temperature”, J Non-Cryst. Solids, 338−340, 806（2004）．
［24］ Y. Kwon, Y. Li, Y. W. Heo, M. Jones, P. H. Holloway, D. P. Norton, Z. V. Park, and S. Li,“Enhancement-Mode Thin-Film Field-Effect Transistor Using Phos-phorus-Doped（ Zn, Mg ） O Channel ”, Appl. Phys. Lett., 84, 2685（2004）．
［25］ M. W. J. Prins, S. E., Zinnemers, J. F. M. Cilessen, and J. B. Giesbers,“ Depletion-type Thin-Film Transistors with a Ferroelectric Insulator”, Appl. Phys., Lett, 70, 458（1997）．
［26］ K. Tominaga, K. Kuroda, and O. Tada,“Radiation Ef-fect due to Energetic Oxygen Atoms on Conductive Al-Doped ZnO Films”, Jpn. J. Appl. Phys. , 27, 1176 （1988）．
［27］ K. Nomura, H. Ohta, K. Ueda, T. Kamiya, M. Hirano, and H. Hosono,“ Thin-Film Transistor Fabricated in Single-Crystalline Transparent Oxide Semiconductor”, Science 300, 1269（2003）．
［28］ K. Nomura, H. Ohta, A. Takagi, T. Kamiya, M. Hirano and H. Hosono,“ Room-temperature fabrication of transparent flexible thin-film transistors using amor-phous oxide semiconductors.”, Nature 432, 488 （2004）．
［29］ H. Q. Chiang, J. F. Wager, R. L. Hoffman, J. Jeong, and D. A. Keszler,“High Mobility Transparent Thin-Film Transistors with Amorphous Zinc Tin Oxide Channel Layer”,Appl Phys. Lett, 86, 013503（2005）． ［30］ N. L. Dehuff, E. S. Kettenring, D. Hong, H. Q. Chiang, J. F. Wager, R. L. Hoffman, C. -H. Park, and D. A. Keszler,“ Transparent Thi-Film Transistors with Zinc Indium Oxide Channel Layer”, J Appl. Phys. , 97,
064505（2005）．
［31］ T. Miyasako, M. Senoo, and E. Tokumitsu,“Ferroelect-ric-gate thin-film transistors using indium-tin-oxide channel with large charge controllability”, Appl Phys Lett, 86, 162902（2005）．
［32］ P. Barquinha, A. Pimentel, A. Marques, L. Pereira, R. Martins, and E. Fortunato,“Influence of the Semicon-ductor Thickness on the Electrical Properties of Trans-parent TFTs Based on Indium Zinc Oxide”, J. Non-Crystalline Solids, 352, 1749（2006）．
［33］ Dhananjay, and C. W. Chu,“Realization of In2O3Thin Film Transistors Through Reactive Evaporation Proc-ess”,Appl Phys. Lett, 91, 132111（2007）．
［34］ H. H. Lu, H. C. Ting, T. H. Shih, C. Y. Chen, C. S. Chuang, and Y. Lin,“32-inch LCD Panel Using Amor-phous Indium-Gallium-Zinc-Oxide TFTs”, SID 10 Di-gest, 1136（2010）．
［35］ T. Arai, N. Morosawa, K. Tokunaga, Y. Terai, E. Fuku-moto, T. Fujimori, T. Nakayama, T. Yamaguchi, and T. Sasaoka,“ Highly Reliable Oxide-Semiconductor TFT for AM-OLED Display”,SID 10 Digest, 1033（2010）． ［36］ Y. G. Mo, M. Kim, C. K. Kang, J. H. Jeong, Y. S.
Park, C. G. Choi, H. D. Kim, and S. S. Kim,“Amor-phous Oxide TFT Backplane for Large Size AMOLED TVs”,SID 10 Digest, 1037（2010）．
［37］ M. Kimura, M. Furuta, Y. Kamada, T. Hiramatsu, T. Matsuda, H. Furuta, C. Li, S. Fujita, and T. Hirao, “ ZnO Thin-Film Transistors with SiNx/ SiOx Stacked Gate Insulators : Trap Densities and N2O Flow Rate Dependence”, Electrochem. Sol. Stat. Lett., 14, H 365 （2011）．
［38］ シャープ株式会社ホームページ http : //www.sharp.co.jp/
［39］ Hasegawa, and Takeya,“Organic Field-Effect Transis-tors Using Single Crystals”, Sci. Technol. Adv. Mater., 10, 024314（2009）．
［40］ Yamashita,“ Organic Semiconductors for Field-Effect Transistors”, Sci Technol. Adv. Mater. , 10, 024313 （2009）．
［41］ C. D. Dimitrakopoulos, and P. R. L. Malenfant,“Or-ganic Thin Film Transistors for Large Area Electron-ics”,Adv. Mater., 14, 99（2002）．
［42］ C. Reese, M. Roberts, M. Ling and Z. Bao.,“Organic Thin Film Transistors”,Mater. Today, 7, 20（2004）． ［43］ M. Noda, N. Kobayashi, M. Katsuhara, A. Yumoto, S.
Ushikura, R. Yasuda, N. Hirai, G. Yukawa, I. Yagi, K.
Nomoto, and T. Urabe,“A Rollable AM-OLED Display Driven by OTFTs”,SID 10 Digest 710（2010）． ［44］ T. Minami, H. Sato, S. Takata, N. Ogawa, T. Mouri,
“Large-Area Milky Transparent Conducting Al-Doped ZnO Films Prepared by Magnetron Sputtering”, Jpn. J. Appl Phys., 31, L 1106（1992）．
［45］ T. Yamamoto and H. Katayama-Yoshida,“Solution Us-ing a CodopUs-ing Method to Unipolarity for the Fabrica-tion of p-Type ZnO”, Jpn. J. Appl. Phys., 38, L 1666 （1999）．
［46］ H. Agura, A. Suzuki, T. Matsushita, T. Aoki, and M. Okuda,“ Low Resistivity Transparent Conducting Al-Doped ZnO Films Prepared by Pulsed Laser Deposi-tion”,Thin Solid Films, 445, 263（2003）．
［47］ T. Minami,“Transparent Conducting Oxide Semicon-ductors for Transparent Electrodes”, Sci. Technol., 20, S 35（2005）．
［48］ T. Yamada, A. Miyake, S. Kishimoto, H. Makino, N. Yamamoto, and T. Yamamoto,“ Low-resistivity Ga-doped ZnO thin films of less than 100 nm thickness prepared by ion plating with direct current arc dis-charge”,Appl. Phys. Lett. 91, 051915（2007）． ［49］ H. K. Kim, M. S. Yi, S. N. Lee,“Low-resistance and
highly transparent Ag / IZO ohmic contact to p-type GaN”,Thin Solid Film., 517, 4039（2009）．
［50］ 日本学術振興会透明酸化物光・電子材料第 166 委員 会，“透明導電膜の技術”オーム社（1999）． ［51］ T. Matsuda, M. Furuta, T. Hiramatsu, C. Li, H. Furuta,
H. Hokari, and T. Hirao,“ Influence of amorphous buffer layer on the crystallinity of sputter-deposited un-doped ZnO films”,J. Cryst. Growth, 310, 31（2008）． ［52］ M. Furuta, T. Nakanishi, M. Kimura, T. Hiramatsu, T. Matsuda, H. Furuta, T. Kawaharamura, C. Li, and T. Hirao,“Effect of Surface Treatment of Gate-Insulator on Uniformity in Bottom-Gate ZnO Thin-Film Transis-tors”,Electrochem. Sol. Stat. Lett., 13, H 101（2010）． ［53］ パナソニックホームページ http : //www.panasonic.co.jp/ ［54］ SONY ホームページ http : //www.sony.co.jp/ ［55］ 小島啓安，“現場のスパッタリング薄膜 Q&A−反応 性高速スパッタの実務アドバイス”，日刊工業新聞 社（2008）． ［56］ 日本学術振興会プラズマ材料科学第 153 委員会， “大気圧プラズマ”オーム社（2009）． ［57］ 市川幸美，佐々木敏明，堤井信力，“プラズマ半導 体プロセス工学”，内田老鶴圃（2003）．
［58］ J. W. Lee, K. D. Mackenzie, D. Johnson, J. N. Sas-serath, S. J. Pearton, and F. Ren,“Low Temperature Silicon Nitride and Silicon Dioxide Film Processing by Inductively Coupled Plasma Chemical Vapor Deposi-tion”,J Electrochem. Sod., 147, 1481（2000）． ［59］ H. Furuta, M. Furuta, T. Matsuda, T. Hiramatsu, and T.
Hirao,“SiO2Insulator Film Synthesized at 100°C Using Tetramethylsilane by Inductively Coupled Plasma Chemical Vapor Deposition”, Jpn. J. Appl. Phys., 46, L 237（2007）．
［60］ T. Hiramatsu, T. Matsuda, H. Furuta, H. Nitta, T. Kawaharamura, C. Li, M. Furuta, and T. Hirao,“Effect of Pulsed Substrate Bias on Film Properties of SiO2 De-posited by Inductively Coupled Plasma Chemical Vapor Deposition”,Jpn. J. Appl. Phys., 49, 03CA03（2010）． ［61］ A. Y. Kovalgin, G. Isai, J Holleman, and J. Schmitz,
“Low-Temperature SiO2Layers Deposited by Combina-tion of ECR Plasma and Supersonic Silane / Helium Jet,”J. Electrochem. Soc. 155, G 21（2008）． ［62］ S. Matsuo, M. Kikuchi,“Low Temperature Chemical
Vapor Deposition Method Utilizing an Electron Cycrlo-tron Resonance Plasma”, Jpn. J. Appl. Phys. 22, L 210 （1983）．
［63］ Douglas B. Chrisey and Graham K. Hubler,“ Pulsed Laser Deposition of Thin Films”, John Wiley & Sons （1994）．
［64］ K. Fujimaru, R. Sasajima, H. Matsumura, C. Niikura, A. Masuda, H. Matsumura,“Nanoscale Metal Transistor Control of Fowler-Nordheim Tunneling Currents Through 16 nm Insulating Channel”, J. Appl. Phys., 85, 6912 （1999）．
［65］ 中山弘，“触媒 CVD（Cat-CVD）の新展開−ラジカ ルを用いる新プロセス技術”，シーエムシー出版 （2008）．
［66］ S. M. George,“Atomic Layer Deposition : An Over-view”,Chem. Rev., 110, 111（2010）． ［67］ 凸版印刷ホームページ http : //www.toppan.co.jp/ ［68］ E-Ink ホームページ http : //www.eink.com/ ［69］ 日経エレクトロニクス 2008 年 6 月 16 日号 ［70］ 日経 Tech-On! より http : //itpro.nikkeibp.co.jp/article /COLUMN/20100202/344084/
［71］ Y. Ito, R. Matsubara, O. Kina, M. Ishizaki, M. Ito, “All-Printed Flexible 5.35-in. Organic TFTs with 150 ppi Relolution for Electrophoretic Electronic Papers”, Proc. IDW 10, 467（2010）．
［72］ T. Serikawa and F. Omata, “ High-Mobility Poly-Si
TFT’s Fabrication on Flexible Stainless-Steel Sub-strates”,IEEE Elect. Dev. Lett., 20, 574（1999）． ［73］ 帝人デュポンフィルム株式会社ホームページ http : //www.teijindupontfilms.jp/ ［74］ 三井化学株式会社ホームページ http : //jp.mitsuichem.com/ ［75］ SONY プレスリリース http : //www.sony.co.jp/Sony-Info/News/Press/201005/10−070/ ［76］ アリゾナ大学フレキシブルディスプレイセンター http : //flexdisplay.asu.edu/ ― ２８ ―
