PRESS RELEASE 2024/8/7
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〜次世代の超⼤型有機ＥＬテレビ開発に必要不可⽋なデバイス〜
ポイント
・電⼦移動度 78 cm2/Vs を⽰す実⽤レベルの酸化インジウム薄膜トランジスタを実現。
・原⼦レベルでピッタリ結合する保護膜を使⽤し、安定性を⼤きく改良。
・次世代の超⼤型有機 EL テレビ開発を後押し。
概要
北海道⼤学電⼦科学研究所の曲学群の古⽥勇作助教、太⽥裕道教授らの研究グループは、⾼知⼯科⼤学理⼯守教授らと共同で、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。
現在の 4K 有機 EL テレビの画⾯には酸化物 IGZO 薄膜トランジスタ＊1 が使⽤されています。その
電⼦移動度は 5 ~ 10 cm2/Vs 程度ですが、次世代の超⼤型 8K 有機 EL テレビを開発するためには 70
cm2/Vs 以上の電⼦移動度を⽰す酸化物薄膜トランジスタが必要不可⽋です。曲助教らは、2022 年に電⼦移動度 140 cm2/Vs を⽰す酸化インジウム薄膜トランジスタを実現しましたが、安定性が極めて悪いという、実⽤化に向かない⼤きな⽋点がありました。本研究では、不安定性の原因になっている空気中の気体分⼦の吸着・脱離が起こらないように、酸化インジウム薄膜の表⾯を原⼦レベルでピッタリ保護する膜で覆うことで、⾼い電⼦移動度（移動度 78 cm2/Vs）を維持したまま、安定性を⼤きく改良することに成功しました。現在の画⾯サイズの 4 倍の超⼤型 8K 有機 EL テレビ実現に向けた⼤きな成果と⾔えます。
なお、本研究成果は、2024 年 8 ⽉ 3 ⽇（⼟）公開の Small Methods 誌に掲載されました。

現在の 4K 有機 EL テレビの画⾯には移動度 5 ~ 10 cm2/Vs 程度の IGZO-TFT が使⽤されている。本研究では、次世代 8K 有機 EL テレビの画⾯に必要な酸化物 TFT（移動度 78 cm2/Vs）の開発に成功。±20 V を 1.5 時間印加し続けても特性変化せず、安定に使⽤できる。

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【背景】
現在商品化されている、有機 EL テレビやスマートフォンの画⾯を駆動するための薄膜トランジスタ（TFT）⽤の活性層材料として、酸化物半導体であるアモルファス InGaZnO4（a-IGZO）が使⽤されています。IGZO-TFT の電⼦移動度は 5 ~ 10 cm2/Vs 程度ですが、有機 EL テレビなどの超⼤型化・超⾼精細化が進められており、次世代 8Ｋディスプレイを開発するためには、70 cm2/Vs 以上の電⼦移動度を⽰す TFT が必要不可⽋とされています。この問題に対し、研究グループは、酸化インジウム（In2O3）薄膜を活性層とすることで電⼦移動度 140 cm2/Vs を⽰す TFT を実現しましたが[Y. Magariら、Nature communications 13, 1078 (2022)]、実⽤化のために必要な安定性（信頼性）が悪いという⼤きな⽋点がありました。⼀般に、活性層である薄膜表⾯に吸着した空気中の気体が、電圧の印加により脱離（または吸着）することが原因であると考えられています（図 1）。
【研究⼿法】
本研究では、活性層薄膜の表⾯を保護膜で覆うことにより、空気中の気体が吸着しないように TFTを作製しました。保護膜として、酸化インジウムと同じ結晶構造をもつ酸化イットリウムや酸化エルビウムを含む希⼟類酸化物を中⼼に検討し、⽐較として⼀般的に⽤いられている酸化アルミニウムなどの保護膜も試しました（図 2）。
【研究成果】
⼀般的に⽤いられる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⾒られませんでした（図 3b）。⼀⽅、酸化イットリウムと酸化エルビウムを保護膜にした
TFT は極めて安定性が⾼いことが分かりました（図 3c）。その電⼦移動度は 78 cm2/Vs であり、次世代 8Ｋディスプレイの要求を満たしています。電⼦顕微鏡で原⼦配列を観察したところ、酸化インジウムと酸化イットリウムは原⼦レベルでピッタリ結合（ヘテロエピタキシャル成⻑）することが分かりました。⼀⽅、安定性が悪かった他の TFT では、酸化インジウムと保護膜の界⾯はアモルファスになることが分かりました。以上の結果から、酸化インジウム表⾯を原⼦レベルでピッタリ保護することで、気体の吸着・脱離を抑制し、⾼い電⼦移動度（78 cm2/Vs）を保ったまま安定性を⼤きく改良することに成功しました。
【今後への期待】次世代 8K 有機 EL テレビ実現に向けたディスプレイ開発を⼤きく加速する結果です。
【謝辞】
本研究は JSPS 科研費 JP19H05791、JP22K14303、JP22H00253、JP22K04200、⽂科省マテリア
ル先端リサーチインフラ JPMXP1223HK0082 の助成を受けたものです。

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論⽂情報
論⽂名

Reliable Operation in High-Mobility Indium Oxide Thin Film Transistors（⾼移動度酸化インジウム薄膜トランジスタの⾼信頼性化）

著者名

ゲディア

プラシャント 1、曲 勇作 1、定平 光 2、遠堂敬史 1、古⽥ 守 3、張⾬橋 4、松尾保孝 1、太⽥裕道 1（1 北海道⼤学電⼦科学研究所、2 北海道⼤学⼤学院情報科学院、3 ⾼知⼯科⼤学理⼯学群、4 中国・江蘇⼤学）
雑誌名

Small Methods（独 Wiley-VCH 社が出版する材料科学誌）

ＤＯＩ 10.1002/smtd.202400578
公表⽇2024 年 8 ⽉ 3 ⽇（⼟）（オンライン公開）

お問い合わせ先
北海道⼤学電⼦科学研究所
ＴＥＬ 011-706-9432
ＵＲＬ

助教

曲

勇作（まがりゆうさく）

ＦＡＸ 011-706-9431

メール magari.yusaku@es.hokudai.ac.jp

https://functfilm.es.hokudai.ac.jp/

配信元
北海道⼤学社会共創部広報課（〒060-0808 札幌市北区北 8 条⻄ 5 丁⽬）
ＴＥＬ 011-706-2610

ＦＡＸ 011-706-2092

メール

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ＴＥＬ 0887-53-1080

ＦＡＸ 0887-57-2000

メール kouhou@ml.kochi-tech.ac.jp【参考図】

図 1．気体分⼦が吸着すると TFT の安定性が悪化するモデル。（左）酸化インジウム薄膜表⾯はカバーされていないので、空気中の気体分⼦（⽔、酸素）が⾃由に吸着・脱離する。
（右）ゲート電圧を 20 V印加したままにする信頼性試験を⾏うと、気体分⼦の吸着・脱離が起こって、TFT の特性が変化する。

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図 2．保護膜=酸化イットリウム→エピタキシャル成⻑でガスを吸着させない、保護膜=酸化アルミニウ
ム→アモルファスでガスが吸着するというモデル。酸化インジウムと酸化イットリウムは原⼦の配列がお互いに良く似ているので、隙間なくピッタリ結合すると期待した。⼀⽅、酸化インジウムと酸化アルミニウムは原⼦の配列が全く異なるので、隙間だらけの結合になる。

b

保護膜なしc

酸化アルミニウム保護膜

酸化イットリウム保護膜

10-3 不安定

10-3

10 -510-5

10-5

ストレス時間（秒）10 -7010100
1000
2000
3000
4000
5000

10 -9
10-11
10-13-10010

ゲート電圧 (V)

ストレス時間（秒）

10-7

0
10100
1000
2000
3000
4000
5000

10-9
10 -1120

10 -13-10

ドレイン電流 (A)

10 -3 不安定

ドレイン電流 (A)ドレイン電流 (A)

a010

安定

ストレス時間（秒）

10-7

0
10100
1000
2000
3000
4000
5000

10-9
10 -1120

10 -13-10ゲート電圧 (V)01020

ゲート電圧 (V)

図 3．酸化インジウム TFT 信頼性試験（±20 V を 1.5 時間印加）結果。(a) 保護膜なし→安定性低い、(b) 酸化アルミニウム→安定性低い、(c) 酸化イットリウム→安定性⾼い【⽤語解説】＊1 酸化物 IGZO 薄膜トランジスタ … In、Ga、Zn の⾦属元素を含む酸化物薄膜を使⽤したトランジスタのこと。現在市販されている多くの有機 EL テレビの画⾯の駆動⽤デバイスとして広く実⽤化されている。

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