低温多結晶シリコン

低温多結晶シリコン（LTPS）は、比較的低温（約650 ℃以下）で合成された多結晶シリコンです。LTPSは、大型ガラスパネルの使用により変形を引き起こす高温への曝露が禁止されているため、ディスプレイ産業にとって重要です。より具体的には、薄膜トランジスタ（LTPS-TFT）における多結晶シリコンの使用は、フラットパネルLCDディスプレイやイメージセンサーなどの電子機器の大規模生産において大きな可能性を秘めています。^{[ 1 ]} 

LTPSは、従来の製法（900 ℃ 以上）と比較して、約650℃以下の温度で合成された多結晶シリコンである。 

多結晶シリコン（p-Si）は、高度に秩序だった結晶格子の結晶粒、つまり多数の結晶子から構成される、純粋で導電性のあるシリコンです。1984年に、アモルファスシリコン（a-Si）が、安定した構造と低い表面粗さを持つp-Si膜を形成するための優れた前駆体であることが研究で示されました。^{[ 2 ]}シリコン膜は、表面粗さを最小限に抑えるために、低圧化学気相成長法 （LPCVD）によって合成されます。まず、アモルファスシリコンを560～640 ℃で堆積します。次に、950～1000  ℃で熱アニール（再結晶化）します。結晶を直接堆積するのではなく、アモルファス膜から始めることで、優れた構造と望ましい平滑性を持つ製品が得られます。^{[ 3 ] [ 4 ]} 1988年に、研究者らは、アニール中の温度をさらに下げ、高度なプラズマ強化化学気相成長法（PECVD）と組み合わせることで、さらに高い導電率を実現できることを発見しました。これらの技術は、マイクロエレクトロニクス、太陽光発電、ディスプレイ強化といった産業に大きな影響を与えてきた。

アモルファスシリコンTFTは、複雑な高電流ドライバ回路に組み込むことができるため、液晶ディスプレイ（LCD）フラットパネルで広く使用されています。アモルファスSi-TFT電極は、LCDの結晶の配向を駆動します。LTPS-TFTの進化は、デバイス解像度の向上、合成温度の低下、必須基板の価格の低下など、多くの利点をもたらします。^{[ 5 ]}しかし、LTPS-TFTにはいくつかの欠点もあります。たとえば、従来のa-SiデバイスのTFTの面積は大きいため、開口率（不透明なTFTによって遮られず、光を通す面積）が小さくなります。異なる開口率の非互換性により、LTPSベースの複雑な回路やドライバをa-Si材料に集積することができません。^{[ 6 ]}さらに、トランジスタをオンにしたときの温度上昇により、材料中のSi-H結合が切断されてフィルムが劣化するため、LTPSの品質は時間とともに低下します。これにより、デバイスはドレイン破壊や電流漏れに悩まされることになる^{[ 7 ]。}特に、放熱性の低い小型で薄いトランジスタでは顕著である^{[ 8 ] 。}

XeClエキシマレーザーアニーリング（ELA）は、レーザー照射によってアモルファスシリコン（a-Si）材料を溶融させることでp-Siを製造する最初の重要な手法です。a-Siの対となる多結晶シリコンは、特定のプロセスによってアモルファスシリコンから合成することができ、広く使用されているa-Si TFTに比べていくつかの利点があります。

1. 高い電子移動度；
2. 高解像度と高い開口率。
3. 回路の高集積化に利用可能。^{[ 9 ]}

XeCl-ELAは、基板を加熱することなく、a-Si（厚さ500～10000Å）をp-Siに結晶化することに成功している。^{[ 10 ]}多結晶形態は、粒界からの散乱が減少するため、TFTの移動度が向上する大きな結晶粒を持つ。^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}この技術により、LCDディスプレイに複雑な回路を統合することに成功している。^{[ 14 ]}

TFT自体の改良に加えて、LTPSをグラフィックディスプレイに適用する成功は、革新的な回路にも依存します。最近の技術の1つは、トランジスタからの出力電流がしきい値電圧に依存しないため、均一な輝度を生成するピクセル回路です。^{[ 15 ] [ 16 ]} LTPS-TFTは、高解像度で大型パネルに対応できるため、 OLEDディスプレイの 駆動によく使用されます。しかし、LTPS構造の変動により、従来の回路では信号のしきい値電圧が不均一になり、輝度も不均一になります。新しいピクセル回路には、4つのn型TFT、1つのp型TFT、コンデンサ、および画像解像度を制御する制御要素が含まれています。^{[ 16 ]} LTPSアクティブマトリクスOLEDを進歩させるには、TFTの性能とマイクロリソグラフィを強化することが重要です。

これらの多くの重要な技術により、結晶膜の移動度は最大 13 cm2/Vs に達し、解像度 500 ppi を超える LED や LCD の量産が可能になった。 ^{[ 10 ]} 

低温多結晶酸化物（LTPO ）は、 Appleが開発したOLEDディスプレイバックプレーン技術の一種で、LTPS TFTと酸化物TFT（インジウムガリウム亜鉛酸化物、IGZO）を組み合わせたものです。LTPOでは、スイッチング回路にLTPSを使用し、駆動TFTにIGZO材料を使用します。^{[ 17 ]} LTPOは、酸化物ゲート絶縁のリークが少ないため、電力効率が向上します。LTPOディスプレイはバッテリー寿命の向上で知られており、一部のスマートフォン、スマートウォッチ、その他のモバイルデバイスに搭載されています。 ^{[ 18 ]}

LTPOの中核技術はAppleによって開発されているが、SamsungもLTPS TFTとハイブリッド酸化物および多結晶シリコン（HOP）を組み合わせたLTPO AMOLEDパネルの独自の技術を持っている。 ^{[ 19 ]}

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