日本V Technology公司利用CW半導(dǎo)體藍(lán)光二極管激光器對(duì)LTPS TFT摻雜多晶硅薄膜進(jìn)行了活化退火工藝（（BLDA））研究。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)充分熔融再結(jié)晶，薄膜電阻可顯著降低至傳統(tǒng)快速-熱退火（RTA）技術(shù)處理的1/3。

關(guān)鍵詞:光纖；藍(lán)色激光二極管；BLDA；橫向生長(zhǎng)；活化；TFT。

低溫多晶硅(LTPS) TFT技術(shù)在平板顯示行業(yè)取得了巨大的成功。從高分辨率液晶顯示器(LCD)開(kāi)始，已經(jīng)擴(kuò)展到OLED顯示器，特別是智能手機(jī)中廣泛采用的柔性O(shè)LED顯示器。由于高畫(huà)質(zhì)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的靈活性，OLED在平板電腦、筆記本電腦、汽車(chē)等多種市場(chǎng)的應(yīng)用正在擴(kuò)大。這引發(fā)了對(duì)LTPS技術(shù)的大規(guī)模生產(chǎn)設(shè)施的強(qiáng)烈需求，這些設(shè)施使用比目前的G6更大的基板尺寸。

顯示行業(yè)的另一個(gè)趨勢(shì)是micro-LED顯示屏的出現(xiàn)。與OLED相比，micro-LED既保持了OLED對(duì)比度高、色彩鮮艷、響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)，又具有目前OLED或LCD無(wú)法達(dá)到的亮度高達(dá)10000尼特（nit）的優(yōu)越性能，在汽車(chē)和戶(hù)外應(yīng)用中是必不可少的。LTPS技術(shù)被認(rèn)為是micro-LED顯示屏的關(guān)鍵技術(shù)。

圖1：BLDA設(shè)備的組成，光學(xué)結(jié)構(gòu)的配置。

在LTPS TFT制造中，離子摻雜對(duì)于TFT的Vth控制、關(guān)斷漏電流的減小和通斷電流的減小都是非常重要的。在目前的LTPS工藝中，離子摻雜是通過(guò)注入實(shí)現(xiàn)的。然而，離子注入會(huì)對(duì)多晶硅薄膜的晶體結(jié)構(gòu)造成破壞，在摻雜離子的通道中產(chǎn)生富含非晶態(tài)的缺陷。要使離子摻雜有效地發(fā)揮TFT器件的特性，就必須減少缺陷，恢復(fù)TFT器件硅的晶體結(jié)構(gòu)，這一過(guò)程稱(chēng)為活化。在目前的TFT制造中，采用了快速-熱退火(RTA)技術(shù)，這是一項(xiàng)從LTPS TFT工業(yè)開(kāi)始就被使用的技術(shù)。

當(dāng)LTPS TFT技術(shù)應(yīng)用于G8以上的大型基板時(shí)，而RTA采用熱加熱，耗能大，占地面積大，這急需要迫切改進(jìn)。日本V Technology公司開(kāi)發(fā)了利用藍(lán)光半導(dǎo)體二極管激光器進(jìn)行結(jié)晶的激光退火工藝（BLDA）。與使用準(zhǔn)分子激光的傳統(tǒng)激光退火相比，BLDA可以顯著降低能耗。除了結(jié)晶外，實(shí)驗(yàn)表明，BLDA還可以應(yīng)用于離子摻雜硅薄膜的活化。

盡管激光活化有發(fā)展?jié)摿?，但至今為止還沒(méi)有引起太多關(guān)注。在半導(dǎo)體器件的研究中，法國(guó)研究小組報(bào)道了利用脈沖寬度為200納秒的準(zhǔn)分子激光進(jìn)行活化的研究成果。數(shù)據(jù)表明，雜質(zhì)分布隨激光能量密度的變化而變化。

本文中，研究人員驗(yàn)證了連續(xù)波藍(lán)光半導(dǎo)體二極管激光器(BLDA)的活化效應(yīng)。圖1顯示了BLDA的設(shè)備概念。在BLDA設(shè)備中，采用波長(zhǎng)為450nm的藍(lán)光半導(dǎo)體激光二極管。激光通過(guò)一個(gè)耦合模塊被吸引到光纖中。采用光纖可以更容易地構(gòu)建從光源到襯底退火位置的光通道。光纖還可以作為積分器，產(chǎn)生均勻的光束強(qiáng)度分布。將多根光纖組裝成光纖陣列模塊，其中所有光纖的輸出端設(shè)置在垂直于后續(xù)投影透鏡光軸的平面上。在激光照射下，通過(guò)掃描襯底實(shí)現(xiàn)活化。在激光掃描后，襯底的薄膜可以被活化。

圖2顯示了激光束形狀、用于表面電阻測(cè)量和四針電阻測(cè)量的條帶。采用HIOKI 3239 DIGITAL HiTESTER進(jìn)行電阻測(cè)量。

圖2：電阻測(cè)量

實(shí)驗(yàn)中改變激光功率，研究薄片電阻與激光功率的關(guān)系如圖3所示。當(dāng)激光功率增大時(shí)，薄片電阻先減小，然后略有增大，再減小，最后達(dá)到飽和。使用常規(guī)RTA的樣品的薄片電阻約為20 KΩ/sq。飽和區(qū)片材電阻約為7 KΩ/sq。它被還原了2/3。這可能有助于顯著改善TFT的通流能力。

圖3：活化退火中表面電阻與激光功率的關(guān)系

BLDA激光退火一次活化結(jié)晶

圖4：經(jīng)BLDA結(jié)晶活化后的硅薄膜微觀結(jié)構(gòu)。

圖5：離子摻雜結(jié)晶非晶膜片阻與激光功率的關(guān)系

BLDA活化的機(jī)制

活化過(guò)程的機(jī)制可以通過(guò)分析吸收激光能量后雜質(zhì)的釋放和再結(jié)晶來(lái)解釋?zhuān)鐖D6所示。結(jié)果表明，在不同能量的激光照射下，硅薄膜電阻的變化與晶體狀態(tài)的變化是一致的。在圖3中，第一次減少可能是由于雜質(zhì)的釋放而不改變晶格。激光輻照功率越大，雜質(zhì)釋放量越大，薄片電阻越低。在所有雜質(zhì)釋放后，釋放量沒(méi)有增加，因此阻力首先飽和。當(dāng)激光功率進(jìn)一步提高時(shí)，硅晶體部分熔化再結(jié)晶，熔化導(dǎo)致晶格缺陷，載流子遷移率下降，導(dǎo)致片電阻增大。隨著激光輻照能量的增加，合金的熔融再結(jié)晶率和晶粒尺寸逐漸增大，最終達(dá)到完全熔融和再結(jié)晶后的側(cè)向結(jié)晶。遷移率隨晶粒尺寸的增大而增大，薄片電阻隨激光能量的增大而減小。遷移率在橫向區(qū)域飽和，因此薄片電阻飽和。

圖6：不同激光功率的活化模型

日本V Technology公司提出了一種利用藍(lán)色激光二極管(BLDA)活化摻雜硅膜的新技術(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，用專(zhuān)用的光束形狀掃描CW藍(lán)光激光照射薄膜表面可以實(shí)現(xiàn)活化。

新的活化技術(shù)可能會(huì)給顯示器制造帶來(lái)三個(gè)重要的影響。最重要的效果是改善TFT器件性能，實(shí)現(xiàn)更高的載波遷移率。二是降低活化過(guò)程的能耗。第三是減少量產(chǎn)設(shè)備的空間，這使得LTPS TFT技術(shù)的基板尺寸有可能超過(guò)G6，達(dá)到G8或G10。該技術(shù)可用于開(kāi)發(fā)用于OLED顯示器或micro-LED顯示器的新一代LTPS TFT。

相關(guān)論文鏈接：

SID Symposium Digest of Technical PapersVolume 54: International Conference on Display Technology 2023 (Volume 54, Issue S1) https://doi.org/10.1002/sdtp.16251

PING MEI, etc., MRS online Proceedings Library (OPL) , Volume 297: Symposium A - Amorphous Silicon Technology - 1993, 1993, 151. DOI: https://doi.org/10.1557/PROC-297-151.

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