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

關鍵詞:光纖；藍色激光二極管；BLDA；橫向生長；活化；TFT。

低溫多晶硅(LTPS) TFT技術在平板顯示行業(yè)取得了巨大的成功。從高分辨率液晶顯示器(LCD)開始，已經擴展到OLED顯示器，特別是智能手機中廣泛采用的柔性OLED顯示器。由于高畫質和產品設計的靈活性，OLED在平板電腦、筆記本電腦、汽車等多種市場的應用正在擴大。這引發(fā)了對LTPS技術的大規(guī)模生產設施的強烈需求，這些設施使用比目前的G6更大的基板尺寸。

顯示行業(yè)的另一個趨勢是micro-LED顯示屏的出現(xiàn)。與OLED相比，micro-LED既保持了OLED對比度高、色彩鮮艷、響應時間快等優(yōu)點，又具有目前OLED或LCD無法達到的亮度高達10000尼特（nit）的優(yōu)越性能，在汽車和戶外應用中是必不可少的。LTPS技術被認為是micro-LED顯示屏的關鍵技術。

圖1：BLDA設備的組成，光學結構的配置。

在LTPS TFT制造中，離子摻雜對于TFT的Vth控制、關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，離子摻雜是通過注入實現(xiàn)的。然而，離子注入會對多晶硅薄膜的晶體結構造成破壞，在摻雜離子的通道中產生富含非晶態(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TFT器件硅的晶體結構，這一過程稱為活化。在目前的TFT制造中，采用了快速-熱退火(RTA)技術，這是一項從LTPS TFT工業(yè)開始就被使用的技術。

當LTPS TFT技術應用于G8以上的大型基板時，而RTA采用熱加熱，耗能大，占地面積大，這急需要迫切改進。日本V Technology公司開發(fā)了利用藍光半導體二極管激光器進行結晶的激光退火工藝（BLDA）。與使用準分子激光的傳統(tǒng)激光退火相比，BLDA可以顯著降低能耗。除了結晶外，實驗表明，BLDA還可以應用于離子摻雜硅薄膜的活化。

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

本文中，研究人員驗證了連續(xù)波藍光半導體二極管激光器(BLDA)的活化效應。圖1顯示了BLDA的設備概念。在BLDA設備中，采用波長為450nm的藍光半導體激光二極管。激光通過一個耦合模塊被吸引到光纖中。采用光纖可以更容易地構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，產生均勻的光束強度分布。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，通過掃描襯底實現(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、用于表面電阻測量和四針電阻測量的條帶。采用HIOKI 3239 DIGITAL HiTESTER進行電阻測量。

圖2：電阻測量

實驗中改變激光功率，研究薄片電阻與激光功率的關系如圖3所示。當激光功率增大時，薄片電阻先減小，然后略有增大，再減小，最后達到飽和。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系

BLDA激光退火一次活化結晶

圖4：經BLDA結晶活化后的硅薄膜微觀結構。

圖5：離子摻雜結晶非晶膜片阻與激光功率的關系

BLDA活化的機制

活化過程的機制可以通過分析吸收激光能量后雜質的釋放和再結晶來解釋，如圖6所示。結果表明，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的釋放而不改變晶格。激光輻照功率越大，雜質釋放量越大，薄片電阻越低。在所有雜質釋放后，釋放量沒有增加，因此阻力首先飽和。當激光功率進一步提高時，硅晶體部分熔化再結晶，熔化導致晶格缺陷，載流子遷移率下降，導致片電阻增大。隨著激光輻照能量的增加，合金的熔融再結晶率和晶粒尺寸逐漸增大，最終達到完全熔融和再結晶后的側向結晶。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色激光二極管(BLDA)活化摻雜硅膜的新技術。實驗表明，用專用的光束形狀掃描CW藍光激光照射薄膜表面可以實現(xiàn)活化。

新的活化技術可能會給顯示器制造帶來三個重要的影響。最重要的效果是改善TFT器件性能，實現(xiàn)更高的載波遷移率。二是降低活化過程的能耗。第三是減少量產設備的空間，這使得LTPS TFT技術的基板尺寸有可能超過G6，達到G8或G10。該技術可用于開發(fā)用于OLED顯示器或micro-LED顯示器的新一代LTPS TFT。

相關論文鏈接：

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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