场效应晶体管、显示元件、图像显示装置和系统的制作方法
专利名称：场效应晶体管、显示元件、图像显示装置和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及场效应晶体管、显示元件、图像显示装置和系统。更具体地，本发明涉 及具有由氧化物半导体形成的活性层的场效应晶体管、每个都包括场效应晶体管的显示元 件以及图像显示装置、以及具有图像显示装置的系统。
背景技术：
场效应晶体管(FET)是用于通过施加电压到栅极电极以取决于沟道的电场而提 供用于电子或者空穴流动的栅极，从而控制在源极电极与漏极电极之间流动的电流的晶体管。由于它的特性，将FET用作开关元件和放大元件。因为FET显示出小的栅极电流， 并具有平坦的轮廓，所以与双极晶体管相比可以容易地制造或者集成。因此，现在FET是用 于电子装置的集成电路中不可缺少的元件。在有源矩阵类型显示器中已经将FET应用为薄膜晶体管(TFT)。近年来，液晶显示器、有机EL(电致发光)显示器、电子纸等已经作为平板显示器 (FPD)投入实际使用中。FPD由包括TFT的驱动电路驱动，该TFT具有由无定形硅或者多晶硅形成的活性层 (active layer)。要求FPD实现进一步扩大、更高清晰度、以及更高驱动速度。根据这些要 求，要求TFT具有更高载流子迁移率、特性随时间推移改变较少、以及在面内的较少特性变 化。然而，具有由无定形硅(a-Si)或者多晶硅(特别地，低温多晶硅(LTPS))形成的 活性层的TFT具有优点和缺点。因此，它难以同时满足所有要求。例如，a-Si TFT具有用于高速驱动大屏幕LCD (Liquid Crystal Display :液晶显 示器)的迁移率不足、以及在连续驱动时阈值电压变动大的缺点。虽然LTPS-TFT具有高迁 移率，但是由于通过使用受激准分子激光器退火而结晶活性层的处理，其具有阈值电压变 化大的缺点；因此，不能使用用于大规模生产线的大尺寸母体玻璃。另外，为了实现轻重量、柔性、高抗震、以及便宜的显示器，已经研究使用诸如塑料 膜之类的柔性衬底。在这种情况下，鉴于柔性衬底的抗热性，不可能使用在制造时需要比较高温度的 处理的硅。为了满足这些要求，积极开发了通过使用氧化物半导体形成的TFT，从其中可以预 期比无定形硅更高的载流子迁移率(例如，见专利文件1至5，以及非专利文件1和2)。专利文件1公开了一种透明半导体装置，其具有由掺杂(dope) 3d过渡金属元素的 氧化锌等形成的透明沟道层，且不需要热处理。专利文件2公开了具有由ZnO形成的活性层的TFT。专利文件3和4公开了一种具有包括一个或多个金属氧化物的沟道的半导体装 置，其中该金属氧化物包括锌(Zn)-镓(Ga), Ig (Ca)-镓(( )，以及镉(Cd)-铟(In)。
专利文件5公开了一种具有由同系化合物InMO3(ZnO)m(M = 111、佝、6￡1、或者41，111 =1至49的整数)薄膜形成的活性层的透明薄膜场效应晶体管。非专利文件1公开了一种具有通过使用单一晶体^ifeO3(ZnO)5形成的沟道的TFT。非专利文件2公开了一种具有通过使用无定形h-Ga-Si氧化物形成的活性层的 TFT。非专利文件3公开了一种Mgh204_x烧结体的化学态以及光电性能。非专利文件4 公开了具有高导电性的Mgln204。[专利文件1]日本专利申请公开No. 2002-76356[专利文件2]美国专利No. 7067843[专利文件3]日本专利申请公开No. 2007-529119[专利文件4]美国专利No. 7297977[专利文件5]日本专利申请公开No. 2004-103957[非专利文件 1]K. Nomura，以及其他五人，"Thin-Film TransistorFabricated in Single-Crystalline Transparent Oxide Semiconductor，，，SCIENCE, VOL. 300, 2003 年 5 月 23 日，p. 1269-1272[非专利文件 2]K. Nomura,以及其他 5 人，“Room-temperature fabricationof transparent flexible thin-film transistors using amorphous oxidesemiconductors”，NATURE, VOL. 432，2004 年 11 月 25 日，p. 488-492[非专禾Ij 文件3]Naoko Hikima, 以及其他4人，“New TransparentElectroconductive Oxide. 2. Chemical States and Optical-Electrical Properties ofSintered Mgln204_x，，,The Japan Society of Applied Physics and Related Societies (The 39th Spring Meeting,1992), Extended Abstracts, No. 3,30p-C~2,p.851[4] N. Ueda, UR^i^k 6 A, "New oxide phase with wide bandgap and high electroconductivity,MgIn2O4", App 1. Phys，Lett. 61 (16)，1992 年 10 月 19 日， p.1954-1955在显示器的驱动电路中使用的TFT需要具有所谓的常关(normally-off)特性。 然而，当&10、CdO、Cd-In氧化物以及Cd-Ga氧化物用于TFT的活性层时，容易导致氧空位 (vacancy)或者空隙(interstitial)金属原子。结果，电子载流子浓度增加。因此，难以实 现常关特性。鉴于此，建议掺杂微量金属以降低电子载流子浓度(见专利文件1)。但是，难以将 微量金属均勻地掺杂到大的面积上。此外，专利文件2中公开的TFT具有常关特性，其是通过在沉积活性层时准确控制 氧的量而实现的。但是，由于窄的处理公差(裕度)，这种方法是不实际的。作为TFT的另一重要特性，在源极电极与漏极电极以及活性层之间有接触电阻。 在专利文件3和4公开的半导体装置中，Zn-fei氧化物的导电带最小值的能级相当高。因此， 难以注入电子载流子并获得良好的结点(junction)(见Appl. Phys. Lett. 64，1077(1994))此外，因为分别是wurtz类型以及同源类型(六方晶系)的SiO以及h-Ga-Si-O 的晶体结构是高度各向异性的，所以需要控制薄膜的方向。因此，预期难以将该晶体结构应 用到大面积的显示器上。
鉴于以上事实，提出采用活性层无定形。但是，当Si浓度增加时，ZnO容易结晶且 In-Ga-Zn-O容易结晶以获得高迁移率。另外，因为h-Ga-Si-O是三元氧化物系统，不能容易地控制其成分。因此，当用溅 射方法沉积^-Ga-Si-O时，存在膜成分大大偏离目标成分的缺点。另外，在源极电极与漏极电极以及活性层之间，h-Ga-Si-O具有相当高的接触电 阻。因此，存在以下问题由于接触电阻所导致的电压降，晶体管的导通电流降低，且因为各 个TFT的接触电阻变化，所以容易导致TFT特性的恶化，诸如晶体管特性的变化。在本发明中，提供具有高的载流子迁移率的场效应晶体管，其通过使用主要由成 分容易控制的两种金属元素形成的活性层材料形成，并具有通过抑制源极电极与漏极电极 以及活性层之间的接触电阻到很小而改进了的特性。因为非专利文件3和4中公开的Mg-^i氧化物具有高的导电性，所以使用该Mg-In 氧化物作为TFT的材料是不合适的。但是，通过各种重复实验等，本发明人发现通过使用Mg^n氧化物形成场效应晶 体管来解决上述问题是可能的。
发明内容
基于本发明人的上述发现而做出本发明。根据本发明的一个方面，场效应晶体管包括向其施加栅极电压的栅极电极；用于 获得响应于栅极电压的电流的源极电极以及漏极电极；邻近源极电极和漏极电极提供的、 并由包括镁和铟作为主要组分的氧化物半导体形成的活性层；以及在栅极电极与活性层之 间提供的栅极绝缘层。
图1是根据本发明实施例的电视设备的配置的框图；图2是用于描述图1的图像显示装置的图；图3是用于描述图1的图像显示装置的图；图4是用于描述图1的图像显示装置的图；图5是用于描述显示元件的图；图6是用于描述有机EL元件的图；图7是用于描述场效应晶体管的图；图8是用于描述实施例1的场效应晶体管的特性的图；图9是用于描述比较示例3的场效应晶体管的特性的图；图10是用于描述比较示例4的场效应晶体管的特性的图；图11是用于描述有机EL元件以及场效应晶体管的布置的图；图12是用于描述显示控制装置的图；图13是用于描述有机EL元件以及场效应晶体管的布置的修改示例的图；图14是用于描述“底部接触底部栅极类型(bottom contact bottom gatetype)，， 场效应晶体管的图；图15是用于描述“顶部接触顶部(top)栅极类型”场效应晶体管的图16是用于描述“底部接触顶部栅极类型”场效应晶体管的图；图17是用于描述当场效应晶体管是“顶部接触顶部栅极类型”场效应晶体管时有 机EL元件以及场效应晶体管的布置示例1的图；图18是用于描述当场效应晶体管是“顶部接触顶部栅极类型”场效应晶体管时有 机EL元件以及场效应晶体管的布置示例2的图；图19是用于描述修改示例1的场效应晶体管的特性的图；图20是用于描述修改示例2的场效应晶体管的特性的图；图21是用于描述修改示例3的场效应晶体管的特性的图；图22是用于描述液晶显示器的图；图23是用于描述图22的显示元件的图；图M是用于描述比较示例1的场效应晶体管的图；图25是用于描述实施例2的场效应晶体管的特性的图；图沈是用于描述比较示例2的场效应晶体管的特性的图。
具体实施例方式以下参考图1至图12描述本发明的实施例1。图1示出作为根据本发明实施例1 的系统的电视设备100的示意性配置。图1中的连接线表示代表性信号和数据的流，且没 有示出块之中的所有连接关系。电视设备100包括主控制装置101、调谐器103、AD(模拟-数字)转换器 (ADC) 104、解调电路105、TS (Transport Stream 传输流)解码器106、音频解码器111、 DA (数字-模拟)转换器(DAC) 112、音频输出电路113、扬声器114、视频解码器121、视频/ OSD (操作顺序图)合成电路122、视频输出电路123、图像显示装置1M、OSD制图电路125、 内存131、操作装置132、驱动接口(驱动IF) 141、硬盘装置142、光盘装置143、IR(红外) 接收器151、通信控制装置152、等等。主控制装置101控制整个电视装置100，并由CPU、闪存ROM (Read OnlyMemory 只 读存储器)、RAM (Random Access Memory 随机存取存储器)等形成。闪存ROM存储以由CPU 可解码的代码写入的程序、用于CPU的处理的各种数据等。RAM是工作存储器(存储)。调谐器103从由天线210接收的广播波中选择预定频道的广播。ADC 104将调谐器103的输出信号(模拟数据)转换为数字数据。解调电路105解调由ADC 104输出的数字数据。TS解码器106执行解调电路105的输出信号的TS解码并分离音频数据与视频数 据。音频解码器111解码由TS解码器106输出的音频数据。DA转换器(DAC) 112将音频解码器111的输出信号转换为模拟信号。音频输出电路113将DA转换器(DAC) 112的输出信号输出到扬声器114。视频解码器121解码由TS解码器106输出的视频数据。视频/OSD合成电路122合成视频解码器121与OSD制图电路125的输出信号。视频输出电路123将视频/OSD合成电路122的输出信号输出到图像显示装置 124。
OSD制图电路125包括用于在图像显示装置124的屏幕上显示文本和图的字符生 成器，并根据操作装置132与顶接收器151的指令生成包括显示数据的信号。存储器131暂时累积AV(视-听)数据等。例如，操作装置132包括诸如控制面板之类的输入介质(图中未示出)，由此由用 户输入的各种信息被报告给主控制装置101。驱动IF 141是双向通信接口，其符合例如ATAPI (AT Attachment PacketInterface =AT 附加分组接口 )。硬盘装置142包括硬盘、用于驱动硬盘的驱动装置等。驱动装置在硬盘中记录数 据并再现记录在硬盘中的数据。光盘装置143在光盘(诸如DVD(Digital Versatile Disc 数字通用盘))中记 录数据并再现记录在光盘中的数据。顶接收器151接收来自遥控发送器220的光信号并将接收的信号报告给主控制装 置 101。通信控制装置152控制与因特网的通信。通信控制装置152可以通过因特网获得 各种信息。图像显示装置IM包括例如显示装置300和显示控制装置400，如图2所示。如图3的示例所示，显示装置300包括显示器310，其中以矩阵布置多个(这里， nXm个)显示元件302。另外，如图4的示例所示，显示器310包括以相等间隔沿X轴方向布置的η条扫描 线(Χ0，XI，Χ2，Χ3，...，)(11-2和)(11-1)、以相等间隔沿Y轴方向布置的m条数据线(ΥΟ,ΥΙ, Υ2，Υ3，...和Ym-I)、以及以相等间隔沿Y轴方向布置的m条电流供应线(YOi，Yli, Y2i， Y3i,...和Ym-li)。显示元件可以由扫描线和数据线指定。如图5的示例所示，每个显示元件包括有机EL (电致发光)元件350和用于使有 机EL元件350发光的驱动电路320。也就是说，显示器310是所谓的有源矩阵有机EL显示 器。此外，虽然显示器310是32英寸彩色显示器，但是显示器310的尺寸并不限于此。如图6的示例所示，有机EL元件350包括有机EL薄膜层340、阴极312、以及阳极 314。阴极312使用铝(Al)形成。阴极312可以使用镁(Mg)-银(Ag)合金、铝(Al)-锂 (Li)合金、IT0(Indium Tin Oxide 氧化铟锡)等形成。阳极314使用ITO形成。阳极314可以使用诸如In203、Sn02和ZnO之类的导电氧 化物、银(Ag)-钕(Nd)合金等形成。有机EL薄膜层340包括电子传输层342、光发射层344和空穴传输层346。电子 传输层342连接到阴极312，而空穴传输层346连接到阳极314。当在阳极314与阴极312 之间施加预定电压时，光发射层344发射光。在图5中，驱动电路320包括两个场效应晶体管10与20以及电容器30。场效应晶体管10操作为开关元件。场效应晶体管10具有连接到预定扫描线的栅 极电极G以及连接到预定数据线的源极电极S。另外，场效应晶体管10的漏极电极D连接 到电容器30的一个端子。电容器30用于记录场效应晶体管10的状态，即，数据。电容器30的另一端子连接到预定的电流供应线。场效应晶体管20提供大的电流给有机EL元件350。场效应晶体管20具有连接到 场效应晶体管10的漏极电极D的栅极电极G以及连接到有机EL元件350的阳极314的漏 极电极D。场效应晶体管20的源极电极S连接到预定电流供应线。当场效应晶体管10导通时，有机EL元件350由场效应晶体管20驱动。如图7的示例所示，每个场效应晶体管10和20都包括衬底21、活性层22、源极电 极23、漏极电极M、栅极绝缘层25和栅极电极26。这里，每个场效应晶体管10和20都是所谓的“顶部接触底部栅极类型”晶体管。场效应晶体管的制造方法简述如下。(1)在玻璃衬底21上沉积IOOnm厚的铝(Al)。通过执行光刻法，将沉积的铝图案 化(pattern)为线以形成栅极电极沈。(2)通过执行等离子CVD (Chemical Vapor D印osition 化学气相沉积)，在衬底 上沉积200nm厚的SW2以形成栅极绝缘膜25。(3)在栅极绝缘膜25上应用抗蚀剂，在其上具有抗蚀剂的衬底上执行曝光和显 影。因此，形成图案化为与活性层22对应的形状的抗蚀剂层。(4)通过执行射频溅射方法，形成用作活性层22的Mg-In氧化膜。这里，具有^i2MgO4成分的多晶烧结体(直径为4英寸)用作溅射的目标。溅射室中 的背压力设置为2X 10_5Pa。控制溅射时提供的氩气和氧气的流速，以便总压力变成0. 3Pa, 氧气分压力变成1. 7X 10_3!^。在溅射处理期间，用水冷却支撑衬底21的支撑架，以便控制 衬底21的温度为15至35°C。通过以150W的溅射功率执行溅射30分钟，形成IOOnm厚的 MgHn氧化膜。(5)通过移除抗蚀剂来执行剥离(liftoff)处理，活性层22形成为期望的形状。(6)通过执行光刻法以及剥离方法，源极电极和漏极电极由IOOnm厚的铝(Al)形 成。这里，沟道长度设置为50 μ m，且沟道宽度设置为2mm。当测量以与上述条件相同的条件沉积在玻璃衬底上的Mg-h氧化膜的体电阻率 时，其是10 Ω Cm。另外，当通过使用装有平行光系统的X射线光栅设备，以铜(Cu)的Ka线 扫描Mg-h氧化膜(入射角=Γ，2Θ = 10°至70° )时，观察不到指示结晶度的顶点， 且因此确认形成的膜是无定形态。用上述制造方法制造的场效应晶体管是以电子作为载流子的典型的N型晶体管。 图8示出当在该场效应晶体管中源-漏电压Vds是20V时栅极电极\和源-漏电流Ids之 间的关系。因此，当栅极电压Ve是IV时，源-漏电流Ids是4 々，其是最小值。当栅极电压 Ve是OV时，源-漏电流Ids是接近于最小值的值。也就是说，该场效应晶体管呈现出良好的 常关特性。当栅极电压Ve是20V时，源-漏电流Ids (源极和漏极之间流动的电流)是90μΑ。 饱和区中计算的场效应迁移率是2. IcmVVs0也就是说，该实施例的场效应晶体管具有高的载流子迁移率和常关特性。如比较示例1，通过执行以下步骤制造图M所示的具有由无定形硅形成的活性层 的场效应晶体管。(1)在玻璃衬底500上溅射200nm厚的钼(Mo)。通过光刻法将形成的膜图案化为线，形成栅极电极501。(2)通过等离子CVD，顺序地沉积将成为栅极绝缘膜502的SiNx、将成为活性层 503的无定形硅仏^: )、将要掺杂磷的无定形硅504(11+-￡1^: )这三层。这三层的膜厚 度分别是300nm、200nm和50nm。用250°C的衬底温度、3kccm的SiH4流速、3kccm的H2流 速、0. ITorr的压力以及lOOmW/cm2的功率密度沉积活性层503。提供n+-a-Si:H以改善活 性层503与源极电极和漏极电极505和506之间的接触。接着，通过光刻法将TFT形成为 岛(island)。(3)形成IOOnm厚的铝(Al)层。通过光刻法将该铝层图案化为源极电极505和漏 极电极506的形状。(4)通过使用源极电极和漏极电极505和506作为掩模，通过活性离子刻蚀(RIE) 形成后沟道。通过该蚀刻，移除源极电极与漏极电极之间的n+-a-Si :H(沟道部分)，并获得 图M所示的场效应晶体管。晶体管的沟道长度和沟道宽度分别设置为50 μ m和0. 2mm。上述场效应晶体管呈现出典型的N型晶体管的特性。当源-漏电压(源极与漏极 之间的电压)Vds是IOV时，晶体管处于关断状态，并且当栅极电压Ve = OV时，源-漏电流 Ids大约是ΙΟρΑ。另外，在Ve = 20V的情况下，Ids是3 μ Α,且饱和区中计算的场效应迁移率 是 0. 3cm2/Vs0 通过上述实施例1以及比较示例1，示出具有由MgHn氧化膜形成的活性层的场效 应晶体管可以实现比具有由a-Si形成的活性层的典型的晶体管更高的载流子迁移率。作为本发明的实施例2，通过以下步骤制造如图14所示的底部栅极底部接触类型
晶体管。(1)通过汽相沉积在玻璃衬底21上沉积IOOnm厚的铝(Al)。通过光刻法将沉积 膜图案化为线，形成栅极电极26。(2)通过等离子CVD沉积200nm厚的SW2以形成栅极绝缘膜25。(3)通过DC溅射方法，形成用作源极电极23和漏极电极M的ITO膜。然后，通过 光刻法将ITO膜图案化为所期望的电极形状。(4)通过抗蚀剂的应用、曝光和显影，形成图案化为与活性层22对应的形状的抗 蚀剂层。(5)通过射频溅射方法，形成用作活性层22的Mg^n氧化膜。使用与实施例1类 似的用于沉积的条件。(6)通过移除抗蚀剂执行剥离处理，以便将活性层22形成为期望的形状。因为用 于沉积Mg^n氧化膜的条件与实施例1的相同，实施例2的Mg^n氧化膜也是无定形态，且 也具有大约10 Ω cm的体电阻率。通过执行上述步骤，获得具有5 μ m沟道长度和1. 5mm沟道宽度的场效应晶体管。 另外，通过重复同样的步骤，制造该场效应晶体管的四个样品。图25示出在源-漏电压Vds是20V的情况下，这四个场效应晶体管中的每一个的栅 极电压Ve与源-漏电流Ids的关系。由具有不同图案的一条实线与三条虚线示出的四个晶 体管的特性相互匹配得很好，这意味着以好的可复制性实现了具有良好特性的晶体管。饱 和区中计算的场效应迁移率是0. 8至1. IcmVVs0另外，源极电极与活性层之间以及漏极电极与活性层之间的接触电阻大约是2k Ω。作为比较示例2，除了将无定形h-Ga-Si氧化物用作形成活性层的材料之外，以 类似于实施例2的方式制造场效应晶体管。通过DC溅射方法沉积h-Ga-Si氧化膜。使用具有^( 成分的多晶烧结体 (直径为4英寸)作为目标。溅射室中的背压力设置为2X10_5!^。控制溅射时提供的氩气 和氧气的流速，以便总压力变成0. 7Pa，且氧气分压力变成1. IeXlO-2Pa0在溅射期间，通过 用水冷却支撑衬底21的支撑架，控制衬底21的温度在15至35°C范围之内。通过设置溅射 功率为140W以及溅射时间为30分钟，形成IOOnm厚的h-Ga-Si氧化膜。通过类似于实施例2的步骤，获得5 μ m沟道长度和1. 5mm沟道宽度的场效应晶体 管。另外，通过重复同样的步骤，制造该场效应晶体管的四个样品。图沈示出在源-漏电压Vds是20V的情况下，这四个场效应晶体管中的每一个的 栅极电压Ve与源-漏电流Ids的关系。由具有不同图案的一条实线与三条虚线示出的四个 晶体管的特性明显地变化。例如，在样品之中，晶体管导通时获得的电流值有很大的差别。 饱和区中计算的场效应迁移率从0. 8至3. OcmVVs变化。另外，源极电极与活性层之间以及漏极电极与活性层之间的接触电阻大约是 50kQ。另一方面，在晶体管导通(例如，Ve = 20V)的情况下，沟道的电阻(沟道电阻)估 计大约为证0。在该样品中，因为接触电阻比沟道电阻高，所以接触电阻的影响大。因此， 该样品的特性是不稳定的。接触电阻趋向于取决于样品而变化，其是晶体管的特性变化的 原因。通过上述实施例2以及比较示例2，示出使用Mg-h氧化物作为活性层比 In-Ga-Zn氧化物可以减小接触电阻一个数量级或者更多，且可以获得具有均勻特性的晶体管。作为比较示例3，除了用于溅射Mg-h氧化膜的氧气分压力设置为小于上述制造 方法的氧气分压力的1. 3X10_3I^之外，以类似于实施例1的方式制造场效应晶体管。在比 较示例3的场效应晶体管中，图9示出当源-漏电压Vds是20V时，栅极电压Ve与源-漏电 流Ids之间的关系。因此，即使当栅极电压Ve从-40改变到20V时，源-漏电流Ids的改变 也很小。因此，在栅极电压Ve的该范围内不能实现关断状态。在这些条件下形成的Mg-^i 氧化膜的体电阻率是4X 10_3 Ω cm。在各种实验之后，发现当用于溅射Mg-In氧化膜的氧气分压力降低时，MgHn氧化 膜的体电阻率降低，且制造的场效应晶体管的阈值电压向负方向变动(降低)。通过Mg-In 氧化膜的体电阻率与常关特性之间的关系的检查，发现当Mg-^1氧化膜的体电阻率小于 ΙΟ"2 Ω cm时，不能实现常关特性。作为比较示例4，除了用于溅射MgHn氧化膜的氧气分压力设置为比上述制造方 法的氧气分压力更高的5. OX KT3Pa之外，以类似于实施例1的方式制造场效应晶体管。在 比较示例4的场效应晶体管中，图10示出当源-漏电压Vds是20V时，栅极电压Ve与源-漏 电流Ids之间的关系。因此，当栅极电压Ve是5V时，源-漏电流Ids是0. 5pA，其是最小值。 当栅极电压Ve是20V时，Ids = O. 14 4 4。饱和区中计算的场效应迁移率是7\10_6側2八8，其 小于场效应晶体管需要的值。在这些条件下形成的Mg-h氧化膜的体电阻率是2Χ109Ω cm。通过各种实验，发现当用于溅射Mg-In氧化膜的氧气分压力增加时，获得的Mg-In氧化膜的体电阻率增加，且制造的场效应晶体管的导通电流与场效应迁移率的值趋向于降 低。作为考虑Mg^n氧化膜的体电阻率与场效应迁移率之间的关系的结果，发现当Mg^n 氧化膜的体电阻率变得高于IO9 Ω cm时，场效应迁移率变得低于1 X 10_5cm2/Vs，且晶体管特 性降低到不适合于实际使用的程度。表1示出实施例1和2、比较示例3和4以及修改示例1至3的晶体管的用作活性 层的Mg-In氧化膜的体电阻率与晶体管特性。表权利要求
1.一种场效应晶体管，包括 栅极电极，向其施加栅极电压；源极电极和漏极电极，用于获得响应于所述栅极电压的电流； 活性层，邻近所述源极电极和漏极电极提供，并由包括镁和铟作为主要组分的氧化物 半导体形成；以及栅极绝缘层，在所述栅极电极与所述活性层之间提供。
2.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，所述氧化物半导体具有IO-2Qcm至 IO9Qcm的体电阻率。
3.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，包括在所述氧化物半导体中的铟由铝 和镓中的至少一个部分地代替。
4.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，包括在所述氧化物半导体中的镁由钙、 锶和钡中的至少一个部分地代替。
5.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，所述氧化物半导体的至少一部分具有 尖晶石结构或者橄榄石结构。
6.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，所述氧化物半导体的至少一部分是无 定形的。
7.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，包括在所述氧化物半导体中的氧由氮 和氟中的至少一个部分地代替。
8.一种显示元件，包括光控制元件，根据驱动信号控制其光输出；以及驱动电路，包括根据权利要求1所述的场效应晶体管，并被配置为驱动所述光控制元件。
9.根据权利要求8所述的显示元件，其中，所述光控制元件包括有机电致发光元件。
10.根据权利要求8所述的显示元件，其中，所述光控制元件包括液晶元件。
11.一种用于根据图像数据显示图像的图像显示装置，包括 多个以矩阵形式布置的、根据权利要求8所述的显示元件；多条导线，被配置为分别施加栅极电压到所述多个显示元件的每个场效应晶体管；以及显示控制装置，被配置为根据所述图像数据通过所述多条导线分别控制施加到每个场 效应晶体管的栅极电压。
12.—种系统，包括根据权利要求11所述的图像显示装置；以及图像数据形成装置，被配置为根据将要显示的图像信息形成图像数据并输出所述图像 数据到所述图像显示装置。
全文摘要
提供了场效应晶体管、显示元件、图像显示装置和系统。场效应晶体管包括向其施加栅极电压的栅极电极；用于获得响应于栅极电压的电流的源极电极和漏极电极；邻近源极电极和漏极电极提供的、并由包括镁和铟作为主要组分的氧化物半导体形成的活性层；以及在栅极电极与活性层之间提供的栅极绝缘层。
文档编号G09F9/30GK102132413SQ200980132268
公开日2011年7月20日 申请日期2009年8月13日 优先权日2008年8月20日
发明者中村有希, 安部由希子, 曾根雄司, 植田尚之, 近藤浩 申请人:株式会社理光
技术领域：
本发明涉及场效应晶体管、显示元件、图像显示装置和系统。更具体地，本发明涉 及具有由氧化物半导体形成的活性层的场效应晶体管、每个都包括场效应晶体管的显示元 件以及图像显示装置、以及具有图像显示装置的系统。
背景技术：
场效应晶体管(FET)是用于通过施加电压到栅极电极以取决于沟道的电场而提 供用于电子或者空穴流动的栅极，从而控制在源极电极与漏极电极之间流动的电流的晶体管。由于它的特性，将FET用作开关元件和放大元件。因为FET显示出小的栅极电流， 并具有平坦的轮廓，所以与双极晶体管相比可以容易地制造或者集成。因此，现在FET是用 于电子装置的集成电路中不可缺少的元件。在有源矩阵类型显示器中已经将FET应用为薄膜晶体管(TFT)。近年来，液晶显示器、有机EL(电致发光)显示器、电子纸等已经作为平板显示器 (FPD)投入实际使用中。FPD由包括TFT的驱动电路驱动，该TFT具有由无定形硅或者多晶硅形成的活性层 (active layer)。要求FPD实现进一步扩大、更高清晰度、以及更高驱动速度。根据这些要 求，要求TFT具有更高载流子迁移率、特性随时间推移改变较少、以及在面内的较少特性变 化。然而，具有由无定形硅(a-Si)或者多晶硅(特别地，低温多晶硅(LTPS))形成的 活性层的TFT具有优点和缺点。因此，它难以同时满足所有要求。例如，a-Si TFT具有用于高速驱动大屏幕LCD (Liquid Crystal Display :液晶显 示器)的迁移率不足、以及在连续驱动时阈值电压变动大的缺点。虽然LTPS-TFT具有高迁 移率，但是由于通过使用受激准分子激光器退火而结晶活性层的处理，其具有阈值电压变 化大的缺点；因此，不能使用用于大规模生产线的大尺寸母体玻璃。另外，为了实现轻重量、柔性、高抗震、以及便宜的显示器，已经研究使用诸如塑料 膜之类的柔性衬底。在这种情况下，鉴于柔性衬底的抗热性，不可能使用在制造时需要比较高温度的 处理的硅。为了满足这些要求，积极开发了通过使用氧化物半导体形成的TFT，从其中可以预 期比无定形硅更高的载流子迁移率(例如，见专利文件1至5，以及非专利文件1和2)。专利文件1公开了一种透明半导体装置，其具有由掺杂(dope) 3d过渡金属元素的 氧化锌等形成的透明沟道层，且不需要热处理。专利文件2公开了具有由ZnO形成的活性层的TFT。专利文件3和4公开了一种具有包括一个或多个金属氧化物的沟道的半导体装 置，其中该金属氧化物包括锌(Zn)-镓(Ga), Ig (Ca)-镓(( )，以及镉(Cd)-铟(In)。
专利文件5公开了一种具有由同系化合物InMO3(ZnO)m(M = 111、佝、6￡1、或者41，111 =1至49的整数)薄膜形成的活性层的透明薄膜场效应晶体管。非专利文件1公开了一种具有通过使用单一晶体^ifeO3(ZnO)5形成的沟道的TFT。非专利文件2公开了一种具有通过使用无定形h-Ga-Si氧化物形成的活性层的 TFT。非专利文件3公开了一种Mgh204_x烧结体的化学态以及光电性能。非专利文件4 公开了具有高导电性的Mgln204。[专利文件1]日本专利申请公开No. 2002-76356[专利文件2]美国专利No. 7067843[专利文件3]日本专利申请公开No. 2007-529119[专利文件4]美国专利No. 7297977[专利文件5]日本专利申请公开No. 2004-103957[非专利文件 1]K. Nomura，以及其他五人，"Thin-Film TransistorFabricated in Single-Crystalline Transparent Oxide Semiconductor，，，SCIENCE, VOL. 300, 2003 年 5 月 23 日，p. 1269-1272[非专利文件 2]K. Nomura,以及其他 5 人，“Room-temperature fabricationof transparent flexible thin-film transistors using amorphous oxidesemiconductors”，NATURE, VOL. 432，2004 年 11 月 25 日，p. 488-492[非专禾Ij 文件3]Naoko Hikima, 以及其他4人，“New TransparentElectroconductive Oxide. 2. Chemical States and Optical-Electrical Properties ofSintered Mgln204_x，，,The Japan Society of Applied Physics and Related Societies (The 39th Spring Meeting,1992), Extended Abstracts, No. 3,30p-C~2,p.851[4] N. Ueda, UR^i^k 6 A, "New oxide phase with wide bandgap and high electroconductivity,MgIn2O4", App 1. Phys，Lett. 61 (16)，1992 年 10 月 19 日， p.1954-1955在显示器的驱动电路中使用的TFT需要具有所谓的常关(normally-off)特性。 然而，当&10、CdO、Cd-In氧化物以及Cd-Ga氧化物用于TFT的活性层时，容易导致氧空位 (vacancy)或者空隙(interstitial)金属原子。结果，电子载流子浓度增加。因此，难以实 现常关特性。鉴于此，建议掺杂微量金属以降低电子载流子浓度(见专利文件1)。但是，难以将 微量金属均勻地掺杂到大的面积上。此外，专利文件2中公开的TFT具有常关特性，其是通过在沉积活性层时准确控制 氧的量而实现的。但是，由于窄的处理公差(裕度)，这种方法是不实际的。作为TFT的另一重要特性，在源极电极与漏极电极以及活性层之间有接触电阻。 在专利文件3和4公开的半导体装置中，Zn-fei氧化物的导电带最小值的能级相当高。因此， 难以注入电子载流子并获得良好的结点(junction)(见Appl. Phys. Lett. 64，1077(1994))此外，因为分别是wurtz类型以及同源类型(六方晶系)的SiO以及h-Ga-Si-O 的晶体结构是高度各向异性的，所以需要控制薄膜的方向。因此，预期难以将该晶体结构应 用到大面积的显示器上。
鉴于以上事实，提出采用活性层无定形。但是，当Si浓度增加时，ZnO容易结晶且 In-Ga-Zn-O容易结晶以获得高迁移率。另外，因为h-Ga-Si-O是三元氧化物系统，不能容易地控制其成分。因此，当用溅 射方法沉积^-Ga-Si-O时，存在膜成分大大偏离目标成分的缺点。另外，在源极电极与漏极电极以及活性层之间，h-Ga-Si-O具有相当高的接触电 阻。因此，存在以下问题由于接触电阻所导致的电压降，晶体管的导通电流降低，且因为各 个TFT的接触电阻变化，所以容易导致TFT特性的恶化，诸如晶体管特性的变化。在本发明中，提供具有高的载流子迁移率的场效应晶体管，其通过使用主要由成 分容易控制的两种金属元素形成的活性层材料形成，并具有通过抑制源极电极与漏极电极 以及活性层之间的接触电阻到很小而改进了的特性。因为非专利文件3和4中公开的Mg-^i氧化物具有高的导电性，所以使用该Mg-In 氧化物作为TFT的材料是不合适的。但是，通过各种重复实验等，本发明人发现通过使用Mg^n氧化物形成场效应晶 体管来解决上述问题是可能的。
发明内容
基于本发明人的上述发现而做出本发明。根据本发明的一个方面，场效应晶体管包括向其施加栅极电压的栅极电极；用于 获得响应于栅极电压的电流的源极电极以及漏极电极；邻近源极电极和漏极电极提供的、 并由包括镁和铟作为主要组分的氧化物半导体形成的活性层；以及在栅极电极与活性层之 间提供的栅极绝缘层。
图1是根据本发明实施例的电视设备的配置的框图；图2是用于描述图1的图像显示装置的图；图3是用于描述图1的图像显示装置的图；图4是用于描述图1的图像显示装置的图；图5是用于描述显示元件的图；图6是用于描述有机EL元件的图；图7是用于描述场效应晶体管的图；图8是用于描述实施例1的场效应晶体管的特性的图；图9是用于描述比较示例3的场效应晶体管的特性的图；图10是用于描述比较示例4的场效应晶体管的特性的图；图11是用于描述有机EL元件以及场效应晶体管的布置的图；图12是用于描述显示控制装置的图；图13是用于描述有机EL元件以及场效应晶体管的布置的修改示例的图；图14是用于描述“底部接触底部栅极类型(bottom contact bottom gatetype)，， 场效应晶体管的图；图15是用于描述“顶部接触顶部(top)栅极类型”场效应晶体管的图16是用于描述“底部接触顶部栅极类型”场效应晶体管的图；图17是用于描述当场效应晶体管是“顶部接触顶部栅极类型”场效应晶体管时有 机EL元件以及场效应晶体管的布置示例1的图；图18是用于描述当场效应晶体管是“顶部接触顶部栅极类型”场效应晶体管时有 机EL元件以及场效应晶体管的布置示例2的图；图19是用于描述修改示例1的场效应晶体管的特性的图；图20是用于描述修改示例2的场效应晶体管的特性的图；图21是用于描述修改示例3的场效应晶体管的特性的图；图22是用于描述液晶显示器的图；图23是用于描述图22的显示元件的图；图M是用于描述比较示例1的场效应晶体管的图；图25是用于描述实施例2的场效应晶体管的特性的图；图沈是用于描述比较示例2的场效应晶体管的特性的图。
具体实施例方式以下参考图1至图12描述本发明的实施例1。图1示出作为根据本发明实施例1 的系统的电视设备100的示意性配置。图1中的连接线表示代表性信号和数据的流，且没 有示出块之中的所有连接关系。电视设备100包括主控制装置101、调谐器103、AD(模拟-数字)转换器 (ADC) 104、解调电路105、TS (Transport Stream 传输流)解码器106、音频解码器111、 DA (数字-模拟)转换器(DAC) 112、音频输出电路113、扬声器114、视频解码器121、视频/ OSD (操作顺序图)合成电路122、视频输出电路123、图像显示装置1M、OSD制图电路125、 内存131、操作装置132、驱动接口(驱动IF) 141、硬盘装置142、光盘装置143、IR(红外) 接收器151、通信控制装置152、等等。主控制装置101控制整个电视装置100，并由CPU、闪存ROM (Read OnlyMemory 只 读存储器)、RAM (Random Access Memory 随机存取存储器)等形成。闪存ROM存储以由CPU 可解码的代码写入的程序、用于CPU的处理的各种数据等。RAM是工作存储器(存储)。调谐器103从由天线210接收的广播波中选择预定频道的广播。ADC 104将调谐器103的输出信号(模拟数据)转换为数字数据。解调电路105解调由ADC 104输出的数字数据。TS解码器106执行解调电路105的输出信号的TS解码并分离音频数据与视频数 据。音频解码器111解码由TS解码器106输出的音频数据。DA转换器(DAC) 112将音频解码器111的输出信号转换为模拟信号。音频输出电路113将DA转换器(DAC) 112的输出信号输出到扬声器114。视频解码器121解码由TS解码器106输出的视频数据。视频/OSD合成电路122合成视频解码器121与OSD制图电路125的输出信号。视频输出电路123将视频/OSD合成电路122的输出信号输出到图像显示装置 124。
OSD制图电路125包括用于在图像显示装置124的屏幕上显示文本和图的字符生 成器，并根据操作装置132与顶接收器151的指令生成包括显示数据的信号。存储器131暂时累积AV(视-听)数据等。例如，操作装置132包括诸如控制面板之类的输入介质(图中未示出)，由此由用 户输入的各种信息被报告给主控制装置101。驱动IF 141是双向通信接口，其符合例如ATAPI (AT Attachment PacketInterface =AT 附加分组接口 )。硬盘装置142包括硬盘、用于驱动硬盘的驱动装置等。驱动装置在硬盘中记录数 据并再现记录在硬盘中的数据。光盘装置143在光盘(诸如DVD(Digital Versatile Disc 数字通用盘))中记 录数据并再现记录在光盘中的数据。顶接收器151接收来自遥控发送器220的光信号并将接收的信号报告给主控制装 置 101。通信控制装置152控制与因特网的通信。通信控制装置152可以通过因特网获得 各种信息。图像显示装置IM包括例如显示装置300和显示控制装置400，如图2所示。如图3的示例所示，显示装置300包括显示器310，其中以矩阵布置多个(这里， nXm个)显示元件302。另外，如图4的示例所示，显示器310包括以相等间隔沿X轴方向布置的η条扫描 线(Χ0，XI，Χ2，Χ3，...，)(11-2和)(11-1)、以相等间隔沿Y轴方向布置的m条数据线(ΥΟ,ΥΙ, Υ2，Υ3，...和Ym-I)、以及以相等间隔沿Y轴方向布置的m条电流供应线(YOi，Yli, Y2i， Y3i,...和Ym-li)。显示元件可以由扫描线和数据线指定。如图5的示例所示，每个显示元件包括有机EL (电致发光)元件350和用于使有 机EL元件350发光的驱动电路320。也就是说，显示器310是所谓的有源矩阵有机EL显示 器。此外，虽然显示器310是32英寸彩色显示器，但是显示器310的尺寸并不限于此。如图6的示例所示，有机EL元件350包括有机EL薄膜层340、阴极312、以及阳极 314。阴极312使用铝(Al)形成。阴极312可以使用镁(Mg)-银(Ag)合金、铝(Al)-锂 (Li)合金、IT0(Indium Tin Oxide 氧化铟锡)等形成。阳极314使用ITO形成。阳极314可以使用诸如In203、Sn02和ZnO之类的导电氧 化物、银(Ag)-钕(Nd)合金等形成。有机EL薄膜层340包括电子传输层342、光发射层344和空穴传输层346。电子 传输层342连接到阴极312，而空穴传输层346连接到阳极314。当在阳极314与阴极312 之间施加预定电压时，光发射层344发射光。在图5中，驱动电路320包括两个场效应晶体管10与20以及电容器30。场效应晶体管10操作为开关元件。场效应晶体管10具有连接到预定扫描线的栅 极电极G以及连接到预定数据线的源极电极S。另外，场效应晶体管10的漏极电极D连接 到电容器30的一个端子。电容器30用于记录场效应晶体管10的状态，即，数据。电容器30的另一端子连接到预定的电流供应线。场效应晶体管20提供大的电流给有机EL元件350。场效应晶体管20具有连接到 场效应晶体管10的漏极电极D的栅极电极G以及连接到有机EL元件350的阳极314的漏 极电极D。场效应晶体管20的源极电极S连接到预定电流供应线。当场效应晶体管10导通时，有机EL元件350由场效应晶体管20驱动。如图7的示例所示，每个场效应晶体管10和20都包括衬底21、活性层22、源极电 极23、漏极电极M、栅极绝缘层25和栅极电极26。这里，每个场效应晶体管10和20都是所谓的“顶部接触底部栅极类型”晶体管。场效应晶体管的制造方法简述如下。(1)在玻璃衬底21上沉积IOOnm厚的铝(Al)。通过执行光刻法，将沉积的铝图案 化(pattern)为线以形成栅极电极沈。(2)通过执行等离子CVD (Chemical Vapor D印osition 化学气相沉积)，在衬底 上沉积200nm厚的SW2以形成栅极绝缘膜25。(3)在栅极绝缘膜25上应用抗蚀剂，在其上具有抗蚀剂的衬底上执行曝光和显 影。因此，形成图案化为与活性层22对应的形状的抗蚀剂层。(4)通过执行射频溅射方法，形成用作活性层22的Mg-In氧化膜。这里，具有^i2MgO4成分的多晶烧结体(直径为4英寸)用作溅射的目标。溅射室中 的背压力设置为2X 10_5Pa。控制溅射时提供的氩气和氧气的流速，以便总压力变成0. 3Pa, 氧气分压力变成1. 7X 10_3!^。在溅射处理期间，用水冷却支撑衬底21的支撑架，以便控制 衬底21的温度为15至35°C。通过以150W的溅射功率执行溅射30分钟，形成IOOnm厚的 MgHn氧化膜。(5)通过移除抗蚀剂来执行剥离(liftoff)处理，活性层22形成为期望的形状。(6)通过执行光刻法以及剥离方法，源极电极和漏极电极由IOOnm厚的铝(Al)形 成。这里，沟道长度设置为50 μ m，且沟道宽度设置为2mm。当测量以与上述条件相同的条件沉积在玻璃衬底上的Mg-h氧化膜的体电阻率 时，其是10 Ω Cm。另外，当通过使用装有平行光系统的X射线光栅设备，以铜(Cu)的Ka线 扫描Mg-h氧化膜(入射角=Γ，2Θ = 10°至70° )时，观察不到指示结晶度的顶点， 且因此确认形成的膜是无定形态。用上述制造方法制造的场效应晶体管是以电子作为载流子的典型的N型晶体管。 图8示出当在该场效应晶体管中源-漏电压Vds是20V时栅极电极\和源-漏电流Ids之 间的关系。因此，当栅极电压Ve是IV时，源-漏电流Ids是4 々，其是最小值。当栅极电压 Ve是OV时，源-漏电流Ids是接近于最小值的值。也就是说，该场效应晶体管呈现出良好的 常关特性。当栅极电压Ve是20V时，源-漏电流Ids (源极和漏极之间流动的电流)是90μΑ。 饱和区中计算的场效应迁移率是2. IcmVVs0也就是说，该实施例的场效应晶体管具有高的载流子迁移率和常关特性。如比较示例1，通过执行以下步骤制造图M所示的具有由无定形硅形成的活性层 的场效应晶体管。(1)在玻璃衬底500上溅射200nm厚的钼(Mo)。通过光刻法将形成的膜图案化为线，形成栅极电极501。(2)通过等离子CVD，顺序地沉积将成为栅极绝缘膜502的SiNx、将成为活性层 503的无定形硅仏^: )、将要掺杂磷的无定形硅504(11+-￡1^: )这三层。这三层的膜厚 度分别是300nm、200nm和50nm。用250°C的衬底温度、3kccm的SiH4流速、3kccm的H2流 速、0. ITorr的压力以及lOOmW/cm2的功率密度沉积活性层503。提供n+-a-Si:H以改善活 性层503与源极电极和漏极电极505和506之间的接触。接着，通过光刻法将TFT形成为 岛(island)。(3)形成IOOnm厚的铝(Al)层。通过光刻法将该铝层图案化为源极电极505和漏 极电极506的形状。(4)通过使用源极电极和漏极电极505和506作为掩模，通过活性离子刻蚀(RIE) 形成后沟道。通过该蚀刻，移除源极电极与漏极电极之间的n+-a-Si :H(沟道部分)，并获得 图M所示的场效应晶体管。晶体管的沟道长度和沟道宽度分别设置为50 μ m和0. 2mm。上述场效应晶体管呈现出典型的N型晶体管的特性。当源-漏电压(源极与漏极 之间的电压)Vds是IOV时，晶体管处于关断状态，并且当栅极电压Ve = OV时，源-漏电流 Ids大约是ΙΟρΑ。另外，在Ve = 20V的情况下，Ids是3 μ Α,且饱和区中计算的场效应迁移率 是 0. 3cm2/Vs0 通过上述实施例1以及比较示例1，示出具有由MgHn氧化膜形成的活性层的场效 应晶体管可以实现比具有由a-Si形成的活性层的典型的晶体管更高的载流子迁移率。作为本发明的实施例2，通过以下步骤制造如图14所示的底部栅极底部接触类型
晶体管。(1)通过汽相沉积在玻璃衬底21上沉积IOOnm厚的铝(Al)。通过光刻法将沉积 膜图案化为线，形成栅极电极26。(2)通过等离子CVD沉积200nm厚的SW2以形成栅极绝缘膜25。(3)通过DC溅射方法，形成用作源极电极23和漏极电极M的ITO膜。然后，通过 光刻法将ITO膜图案化为所期望的电极形状。(4)通过抗蚀剂的应用、曝光和显影，形成图案化为与活性层22对应的形状的抗 蚀剂层。(5)通过射频溅射方法，形成用作活性层22的Mg^n氧化膜。使用与实施例1类 似的用于沉积的条件。(6)通过移除抗蚀剂执行剥离处理，以便将活性层22形成为期望的形状。因为用 于沉积Mg^n氧化膜的条件与实施例1的相同，实施例2的Mg^n氧化膜也是无定形态，且 也具有大约10 Ω cm的体电阻率。通过执行上述步骤，获得具有5 μ m沟道长度和1. 5mm沟道宽度的场效应晶体管。 另外，通过重复同样的步骤，制造该场效应晶体管的四个样品。图25示出在源-漏电压Vds是20V的情况下，这四个场效应晶体管中的每一个的栅 极电压Ve与源-漏电流Ids的关系。由具有不同图案的一条实线与三条虚线示出的四个晶 体管的特性相互匹配得很好，这意味着以好的可复制性实现了具有良好特性的晶体管。饱 和区中计算的场效应迁移率是0. 8至1. IcmVVs0另外，源极电极与活性层之间以及漏极电极与活性层之间的接触电阻大约是2k Ω。作为比较示例2，除了将无定形h-Ga-Si氧化物用作形成活性层的材料之外，以 类似于实施例2的方式制造场效应晶体管。通过DC溅射方法沉积h-Ga-Si氧化膜。使用具有^( 成分的多晶烧结体 (直径为4英寸)作为目标。溅射室中的背压力设置为2X10_5!^。控制溅射时提供的氩气 和氧气的流速，以便总压力变成0. 7Pa，且氧气分压力变成1. IeXlO-2Pa0在溅射期间，通过 用水冷却支撑衬底21的支撑架，控制衬底21的温度在15至35°C范围之内。通过设置溅射 功率为140W以及溅射时间为30分钟，形成IOOnm厚的h-Ga-Si氧化膜。通过类似于实施例2的步骤，获得5 μ m沟道长度和1. 5mm沟道宽度的场效应晶体 管。另外，通过重复同样的步骤，制造该场效应晶体管的四个样品。图沈示出在源-漏电压Vds是20V的情况下，这四个场效应晶体管中的每一个的 栅极电压Ve与源-漏电流Ids的关系。由具有不同图案的一条实线与三条虚线示出的四个 晶体管的特性明显地变化。例如，在样品之中，晶体管导通时获得的电流值有很大的差别。 饱和区中计算的场效应迁移率从0. 8至3. OcmVVs变化。另外，源极电极与活性层之间以及漏极电极与活性层之间的接触电阻大约是 50kQ。另一方面，在晶体管导通(例如，Ve = 20V)的情况下，沟道的电阻(沟道电阻)估 计大约为证0。在该样品中，因为接触电阻比沟道电阻高，所以接触电阻的影响大。因此， 该样品的特性是不稳定的。接触电阻趋向于取决于样品而变化，其是晶体管的特性变化的 原因。通过上述实施例2以及比较示例2，示出使用Mg-h氧化物作为活性层比 In-Ga-Zn氧化物可以减小接触电阻一个数量级或者更多，且可以获得具有均勻特性的晶体管。作为比较示例3，除了用于溅射Mg-h氧化膜的氧气分压力设置为小于上述制造 方法的氧气分压力的1. 3X10_3I^之外，以类似于实施例1的方式制造场效应晶体管。在比 较示例3的场效应晶体管中，图9示出当源-漏电压Vds是20V时，栅极电压Ve与源-漏电 流Ids之间的关系。因此，即使当栅极电压Ve从-40改变到20V时，源-漏电流Ids的改变 也很小。因此，在栅极电压Ve的该范围内不能实现关断状态。在这些条件下形成的Mg-^i 氧化膜的体电阻率是4X 10_3 Ω cm。在各种实验之后，发现当用于溅射Mg-In氧化膜的氧气分压力降低时，MgHn氧化 膜的体电阻率降低，且制造的场效应晶体管的阈值电压向负方向变动(降低)。通过Mg-In 氧化膜的体电阻率与常关特性之间的关系的检查，发现当Mg-^1氧化膜的体电阻率小于 ΙΟ"2 Ω cm时，不能实现常关特性。作为比较示例4，除了用于溅射MgHn氧化膜的氧气分压力设置为比上述制造方 法的氧气分压力更高的5. OX KT3Pa之外，以类似于实施例1的方式制造场效应晶体管。在 比较示例4的场效应晶体管中，图10示出当源-漏电压Vds是20V时，栅极电压Ve与源-漏 电流Ids之间的关系。因此，当栅极电压Ve是5V时，源-漏电流Ids是0. 5pA，其是最小值。 当栅极电压Ve是20V时，Ids = O. 14 4 4。饱和区中计算的场效应迁移率是7\10_6側2八8，其 小于场效应晶体管需要的值。在这些条件下形成的Mg-h氧化膜的体电阻率是2Χ109Ω cm。通过各种实验，发现当用于溅射Mg-In氧化膜的氧气分压力增加时，获得的Mg-In氧化膜的体电阻率增加，且制造的场效应晶体管的导通电流与场效应迁移率的值趋向于降 低。作为考虑Mg^n氧化膜的体电阻率与场效应迁移率之间的关系的结果，发现当Mg^n 氧化膜的体电阻率变得高于IO9 Ω cm时，场效应迁移率变得低于1 X 10_5cm2/Vs，且晶体管特 性降低到不适合于实际使用的程度。表1示出实施例1和2、比较示例3和4以及修改示例1至3的晶体管的用作活性 层的Mg-In氧化膜的体电阻率与晶体管特性。表权利要求
1.一种场效应晶体管，包括 栅极电极，向其施加栅极电压；源极电极和漏极电极，用于获得响应于所述栅极电压的电流； 活性层，邻近所述源极电极和漏极电极提供，并由包括镁和铟作为主要组分的氧化物 半导体形成；以及栅极绝缘层，在所述栅极电极与所述活性层之间提供。
2.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，所述氧化物半导体具有IO-2Qcm至 IO9Qcm的体电阻率。
3.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，包括在所述氧化物半导体中的铟由铝 和镓中的至少一个部分地代替。
4.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，包括在所述氧化物半导体中的镁由钙、 锶和钡中的至少一个部分地代替。
5.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，所述氧化物半导体的至少一部分具有 尖晶石结构或者橄榄石结构。
6.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，所述氧化物半导体的至少一部分是无 定形的。
7.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，包括在所述氧化物半导体中的氧由氮 和氟中的至少一个部分地代替。
8.一种显示元件，包括光控制元件，根据驱动信号控制其光输出；以及驱动电路，包括根据权利要求1所述的场效应晶体管，并被配置为驱动所述光控制元件。
9.根据权利要求8所述的显示元件，其中，所述光控制元件包括有机电致发光元件。
10.根据权利要求8所述的显示元件，其中，所述光控制元件包括液晶元件。
11.一种用于根据图像数据显示图像的图像显示装置，包括 多个以矩阵形式布置的、根据权利要求8所述的显示元件；多条导线，被配置为分别施加栅极电压到所述多个显示元件的每个场效应晶体管；以及显示控制装置，被配置为根据所述图像数据通过所述多条导线分别控制施加到每个场 效应晶体管的栅极电压。
12.—种系统，包括根据权利要求11所述的图像显示装置；以及图像数据形成装置，被配置为根据将要显示的图像信息形成图像数据并输出所述图像 数据到所述图像显示装置。
全文摘要
提供了场效应晶体管、显示元件、图像显示装置和系统。场效应晶体管包括向其施加栅极电压的栅极电极；用于获得响应于栅极电压的电流的源极电极和漏极电极；邻近源极电极和漏极电极提供的、并由包括镁和铟作为主要组分的氧化物半导体形成的活性层；以及在栅极电极与活性层之间提供的栅极绝缘层。
文档编号G09F9/30GK102132413SQ200980132268
公开日2011年7月20日 申请日期2009年8月13日 优先权日2008年8月20日
发明者中村有希, 安部由希子, 曾根雄司, 植田尚之, 近藤浩 申请人:株式会社理光
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