Аморфный оксид и полевой транзистор с его использованием

Аморфный оксид и полевой транзистор с его использованием

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к аморфному оксиду. Настоящее изобретение также относится к полевому транзистору, выполненному с использованием указанного аморфного оксида.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В последние годы плоскопанельный дисплей (ППД) получил широкое распространение в результате технологического прогресса в области жидких кристаллов и электролюминесценции (EL). ППД приводится в действие посредством схемы активной матрицы, состоящей из тонкопленочного полевого транзистора (ТПТ), использующего в качестве активного слоя тонкую аморфную кремниевую пленку или тонкую пленку из поликристаллического кремния, расположенную на стеклянной подложке.

С другой стороны, была сделана попытка вместо стеклянной подложки использовать легкую и гибкую полимерную подложку, чтобы еще больше уменьшить толщину ППД, сделать его более тонким и стойким к разрушению. Однако поскольку для производства транзистора с использованием вышеописанной тонкой кремниевой пленки требуется термический процесс со сравнительно высокой температурой, трудно сформировать тонкую кремниевую пленку непосредственно на полимерной подложке с низкой термостойкостью.

В связи с этим активно разрабатывался (выложенная заявка на патент Японии № 2003-298062) ТПТ, использующий тонкую полупроводниковую оксидную пленку, содержащую в основном, например, ZnO, который может быть сформирован в виде пленки при низкой температуре.

Однако ТПТ, использующий обычные тонкие пленки оксидных полупроводников, не обеспечивает производительность на том уровне, который характерен для ТПТ, использующего кремний.

Настоящее изобретение относится к аморфному оксиду, а также к полевому транзистору, использующему аморфный оксид.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является предоставление аморфного оксида, который функционирует как подходящий полупроводник, для использования в активном слое полупроводникового устройства, например тонкопленочного транзистора, а также предоставление полевого транзистора.

Согласно аспекту настоящего изобретения предоставляется аморфный оксид, содержащий микрокристаллы и имеющий концентрацию электронных носителей менее 10¹⁸/см³. Аморфный оксид предпочтительно содержит, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из In, Zn и Sn.

В качестве альтернативы аморфный оксид предпочтительно представляет собой любой оксид, выбранный из группы, состоящей из оксида, содержащего In, Zn и Sn; оксида, содержащего In и Zn; оксида, содержащего In и Sn; и оксида, содержащего In.

В качестве альтернативы аморфный оксид предпочтительно представляет собой оксид, содержащий In, Zn и Sn.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предоставляется аморфный оксид, в котором подвижность электронов увеличивается с увеличением концентрации электронных носителей.

Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения предоставляется полевой транзистор, содержащий активный слой, сформированный из аморфного оксида, содержащий микрокристаллы и электрод затвора, сформированный таким образом, чтобы он был обращен к активному слою через изолятор затвора.

Транзистор предпочтительно представляет собой транзистор нормально выключенного типа.

Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения предоставляется аморфный оксид, состав которого изменяется с толщиной слоя и который имеет концентрацию электронных носителей менее 10¹⁸/см³.

Аморфный оксид предпочтительно содержит, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из In, Zn и Sn.

В качестве альтернативы аморфный оксид предпочтительно выбирают из группы, состоящей из оксида, содержащего In, Zn и Sn; оксида, содержащего In и Zn; оксида, содержащего In и Sn; и оксида, содержащего In.

В качестве альтернативы аморфный оксид предпочтительно представляет собой оксид, содержащий In, Zn и Sn.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предоставляется полевой транзистор, содержащий

активный слой из аморфного оксида, состав которого изменяется с толщиной слоя и

электрод затвора, сформированный таким образом, чтобы он был обращен к активному слою через изолятор затвора,

причем активный слой содержит первую область и вторую область, которая расположена ближе к изолятору затвора, чем первая область, и концентрация кислорода в первой области выше, чем концентрация кислорода во второй области.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предоставляется полевой транзистор, содержащий

активный слой из аморфного оксида, имеющий, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из In, Zn и Sn, и

электрод затвора, сформированный таким образом, чтобы он был обращен к активному слою через изолятор затвора,

причем активный слой содержит первую область и вторую область, которая расположена к изолятору затвора ближе первой области, и концентрация In во второй области выше, чем концентрация кислорода в первой области, или концентрация Zn во второй области выше, чем концентрация кислорода в первой области.

Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения предоставляется аморфный оксид, состав которого изменяется в направлении толщины слоя,

причем подвижность электронов увеличивается с увеличением концентрации электронных носителей.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предоставляется полевой транзистор, содержащий

активный слой из аморфного оксида, имеющего, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из In и Zn, и

электрод затвора, сформированный таким образом, чтобы он был обращен к активному слою через изолятор затвора,

причем активный слой содержит первую область и вторую область, которая расположена ближе к изолятору затвора, чем первая область, и концентрация In во второй области выше, чем концентрация In в первой области, или концентрация Zn во второй области выше, чем концентрация Zn в первой области.

Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения предоставляется аморфный оксид, содержащий один тип элемента или множество типов элементов, выбранных из группы, состоящей из Li, Na, Mn, Ni, Pd, Cu, Cd, C, N, P, Ti, Zr, V, Ru, Ge, Sn и F, и имеющий концентрацию электронных носителей менее 10¹⁸/см³.

Аморфный оксид предпочтительно содержит, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из In, Zn и Sn.

В качестве альтернативы аморфный оксид предпочтительно выбирают из группы, состоящей из оксида, содержащего In, Zn и Sn; оксида, содержащего In и Zn; оксида, содержащего In и Sn; оксида, содержащего In.

В качестве альтернативы аморфный оксид предпочтительно содержит In, Zn и Ga.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предоставляется аморфный оксид, содержащий, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из Li, Na, Mn, Ni, Pd, Cu, Cd, C, N, P, Ti, Zr, V, Ru, Ge, Sn и F, причем подвижность электронов увеличивается с увеличением концентрации электронных носителей.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предоставляется полевой транзистор, содержащий

активный слой из аморфного оксида, содержащего, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из Li, Na, Mn, Ni, Pd, Cu, Cd, C, N, P, Ti, Zr, V, Ru, Ge, Sn и F, и

электрод затвора, сформированный таким образом, чтобы он был обращен к активному слою через изолятор затвора.

Более того, в настоящем изобретении аморфный оксид предпочтительно выбирают из группы, состоящей из оксида, содержащего In, Zn и Sn; оксида, содержащего In и Zn; оксида, содержащего In и Sn; оксида, содержащего In.

В результате исследований оксидных полупроводников авторами настоящего изобретения было обнаружено, что вышеуказанный ZnO формируется в виде поликристаллической фазы, вызывающей рассеяние носителей на поверхности между поликристаллическими гранулами с более низкой электронной подвижностью. Более того, было обнаружено, что в ZnO образуется большое количество кислородных дефектов, что приводит к появлению большого количества электронов и усложняет уменьшение электропроводности. Таким образом, даже если к транзистору не приложено напряжение затвора, между терминалом истока и терминалом стока возникает сильный электрический ток, который не позволяет получить нормально выключенное состояние ТПТ и увеличивает отношение транзистора включено/выключено.

Авторы настоящего изобретения исследовали пленку из аморфного оксида Zn_xM_yIn_zO_{(x+3y/2+3z/2)} (где М представляет собой, по меньшей мере, один из Al или Ga), описанную в выложенной заявке на патент Японии №2000-044236. Материал имеет концентрацию электронных носителей не менее 1×10¹⁸/см³ и подходит для использования в качестве прозрачного электрода. Однако оксид с концентрацией электронных носителей не менее 1×10¹⁸/см³, используемый в канальном слое ТПТ, не может обеспечить достаточное отношение включено/выключено и не подходит для ТПТ нормально выключенного типа. Таким образом, обычная пленка из аморфного оксида не обеспечивает концентрацию электронных носителей, меньшую чем 1×10¹⁸/см³.

Авторы настоящего изобретения изготовили ТПТ, используя в качестве активного слоя полевого транзистора аморфный оксид с концентрацией электронных носителей менее 1×10¹⁸/см³. Было обнаружено, что ТПТ имеет желаемые характеристики и может быть использован в плоскопанельном дисплее, таком как светоизлучающее устройство.

Более того, авторы настоящего изобретения исследовали материал InGaO₃(ZnO)_m и условия формирования пленки из этого материала и обнаружили, что путем управления параметрами кислородсодержащей атмосферы во время формирования пленки можно довести концентрацию носителей в этом материале до уровня менее 1×10¹⁸/см³.

Приведенные выше пояснения даны с точки зрения использования аморфного оксида в качестве активного слоя, который функционирует, например, в качестве канального слоя ТПТ. Однако настоящее изобретение не ограничивается случаем, в котором используется такой активный слой.

Вышеприведенное описание в основном дано для случая, в котором аморфный оксид используется в качестве активного слоя, функционирующего в качестве канального слоя ТПТ. Однако настоящее изобретение не ограничивается таким случаем.

Согласно настоящему изобретению предоставляется аморфный оксид, который подходит для использования в канальном слое транзистора, например ТПТ. Настоящее изобретение также предоставляет полевой транзистор, имеющий хорошие рабочие характеристики.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 представляет собой диаграмму, показывающую связь между концентрацией электронных носителей в аморфной пленке на основе In-Ga-Zn-O, сформированной способом импульсного лазерного осаждения, и парциальным давлением кислорода во время формирования пленки;

Фиг.2 представляет собой диаграмму, показывающую связь между электропроводностью аморфной пленки на основе In-Ga-Zn-O, сформированной способом напыления в атмосфере аргона, и парциальным давлением кислорода во время формирования пленки;

Фиг.3 представляет собой диаграмму, показывающую связь между количеством электронных носителей и подвижностью электронов в аморфной пленке на основе In-Ga-Zn-O, сформированной способом импульсного лазерного осаждения;

Фиг.4А, 4В и 4С представляют собой диаграммы, показывающие изменение электропроводности, концентрации носителей и подвижности электронов в зависимости от значения х в пленке InGaO₃(Zn_1-xMg_xO), сформированной способом импульсного лазерного осаждения в атмосфере при парциальном давлении кислорода, равном 0,8 Па;

Фиг.5 представляет собой блок-схему, показывающую структуру МДП-транзистора с верхним затвором;

Фиг.6 представляет собой диаграмму, показывающую вольт-амперную характеристику МДП-транзистора с верхним затвором;

Фиг.7 представляет собой блок-схему, показывающую устройство для импульсного лазерного осаждения;

Фиг.8 представляет собой блок-схему, показывающую устройство для формирования пленки напылением.

НАИЛУЧШИЕ РЕЖИМЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ниже описаны 1-3 варианты осуществления изобретения. Затем описан материал аморфного оксида, применяемый в настоящем изобретении. В описанных ниже вариантах осуществления оксид на основе In-Ga-Zn-O, как правило, описывается в вариантах осуществления; однако настоящее изобретение не ограничено таким материалом.

Первый вариант осуществления: аморфный оксид, имеющий микрокристаллы

Первый вариант осуществления изобретения относится к аморфному оксиду, отличающемуся тем, что он содержит микрокристалл (микрокристаллы). Содержится или нет микрокристалл (микрокристаллы) в аморфном оксиде, определяют, используя ТЕМ (трансмиссионную электронную микроскопическую) фотографию участка, сформированного пленкой из аморфного оксида. Пленка из аморфного оксида согласно настоящему изобретению содержит In-Ga-Zn-O, и состав пленки из аморфного оксида в кристаллическом состоянии представлен в виде InGaO₃(ZnO)_m (m представляет собой натуральное число меньше 6).

Оксиды, обозначенные в описании термином “аморфный оксид”, имеют концентрацию электронных носителей менее 10¹⁸/см³ или проявляют тенденцию, при которой с увеличением подвижности электронов увеличивается концентрация электронных носителей. В зависимости от типа использования ТПТ предпочтительным является изготовление ТПТ нормально выключенного типа.

В качестве альтернативы пленка из аморфного оксида согласно настоящему изобретению содержит In-Ga-Zn-Mg-O, и состав пленки из аморфного оксида в кристаллическом состоянии представлен в виде InGaO₃(Zn_1-xMg_xO)_m (m представляет собой натуральное число меньше 6, 0<x≤1). Предпочтительным является то, что такие пленки из аморфного оксида имеют подвижность электронов выше 1 см²/В·сек.

Авторы настоящего изобретения обнаружили, что использование такой упомянутой выше пленки в качестве канального слоя создает возможность для формирования гибкого ТПТ со следующими рабочими характеристиками: ток затвора менее 0,1 микроампер в выключенном ТПТ (нормально выключен), отношение включено/выключено превышает 1×10³ и является проницаемым для видимого света.

Такая прозрачная пленка характеризуется тем, что подвижность электронов увеличивается с увеличением количества проводящих электронов. В качестве подложки для формирования прозрачной пленки можно использовать стеклянную подложку, пластмассовую подложку и пластмассовую пленку.

При использовании в качестве канального слоя транзистора прозрачной оксидной пленки предпочтительным является использование в качестве изолятора затвора одного типа соединения, выбранного из группы, состоящей из Al₂O₃, Y₂O₃ и HfO₂, или смешанного кристаллического соединения, содержащего, по меньшей мере, два типа соединений, выбранных из группы, состоящей из Al₂O₃, Y₂O₃ и HfO₂.

С целью усиления электрической сопротивляемости предпочтительным является формирование пленки (прозрачной оксидной пленки) в содержащей кислород атмосфере при облучении света без добавления посторонних ионов.

Состав пленки

В прозрачной тонкой пленке из аморфного оксида, которая имеет состав в кристаллическом состоянии, представленный в виде InGaO₃(ZnO)_m (m представляет собой натуральное число меньше 6), аморфное состояние сохраняется до температуры 800°С или выше, если m меньше 6. Однако поскольку m увеличивается, другими словами, отношение ZnO к InGaO₃ увеличивается (то есть состав пленки приближается к ZnO), пленка кристаллизуется легче.

По этой причине предпочтительным является, чтобы значение m было меньше 6 при использовании аморфной пленки в качестве канального слоя аморфного ТПТ. Однако было обнаружено, что при формировании пленки при облучении светом микрокристаллы могут формироваться даже при небольших значениях m.

Пленка может быть сформирована способом формирования пленки из паровой фазы с поликристаллическим спеченным корпусом, имеющим состав InGaO₃(ZnO)_m, который используется в качестве мишени. Для способа формирования пленки из паровой фазы являются подходящими способ напыления и способ импульсного лазерного осаждения. Более того, способ напыления более предпочтителен с точки зрения массового производства.

Однако при формировании такой аморфной пленки в обычных условиях в основном образуются кислородные дефекты. Следовательно, концентрация электронных носителей не может быть уменьшена ниже 1×10¹⁸/см³, другими словами, 10 См/см или меньше в терминах электропроводности. При использовании такой обычной тонкой пленки не может быть сформирован транзистор нормально выключенного типа. Однако если прозрачная пленка из аморфного оксида, имеющая состав In-Ga-Zn-O, причем состав в кристаллическом состоянии представлен в виде InGaO₃(ZnO)_m (m представляет собой натуральное число меньше 6), формируется способом импульсного лазерного осаждения при помощи устройства, показанного на Фиг.7, в атмосфере, имеющей парциальное давление кислорода выше 3,2 Па, концентрация электронных носителей может быть уменьшена ниже чем 1×10¹⁸/см³. В этом случае подложку специально не нагревают и, следовательно, поддерживают приблизительно комнатную температуру. Если в качестве подложки используется пластмассовая пленка, температура пластмассовой пленки предпочтительно поддерживается ниже 100°С.

Согласно варианту осуществления изобретения аморфный оксид содержит In-Ga-Zn-O и формируется при помощи способа импульсного лазерного осаждения при облучении светом. Более конкретно, изобретение относится к прозрачной тонкой пленке из аморфного оксида, содержащей микрокристалл (микрокристаллы), представленный составом в кристаллическом состоянии в виде InGaO₃(ZnO)_m (m представляет собой натуральное число меньше 6). С использованием такой пленки может быть сформирован транзистор нормально выключенного типа.

В такой тонкой пленке можно получить подвижность электронов, превышающую 1 см²/В·сек, и высокое отношение включено/выключено, превышающее 1×10³.

Более того, настоящее изобретение относится к аморфному оксиду, содержащему In-Ga-Zn-O и сформированному способом напыления с использованием газообразного аргона при облучении светом. Более конкретно, настоящее изобретение относится к прозрачной тонкой пленке из аморфного оксида, содержащей микрокристалл (микрокристаллы), представленный составом в кристаллическом состоянии в виде InGaO₃(ZnO)_m (m представляет собой натуральное число меньше 6). Такая пленка может быть получена способом напыления при помощи устройства, показанного на Фиг.8, в атмосфере с парциальным давлением кислорода выше 1×10^-2 Па. В этом случае температуру подложки специально не увеличивают и, таким образом, поддерживают приблизительно комнатную температуру. Если в качестве подложки используется пластмассовая пленка, температура подложки предпочтительно поддерживается ниже 100°С. Количество электронных носителей может быть уменьшено путем увеличения парциального давления кислорода.

Более конкретно, настоящее изобретение относится к аморфному оксиду, содержащему In-Ga-Zn-O и сформированному способом напыления при облучении светом. Согласно настоящему изобретению транзистор нормально выключенного типа, имеющий отношение включено/выключено, превышающее 1×10³, может быть сформирован при помощи прозрачной тонкой пленки из аморфного оксида, содержащей микрокристалл (микрокристаллы), представленный составом в кристаллическом состоянии в виде InGaO₃(ZnO)_m (m представляет собой натуральное число меньше 6).

В тонкой пленке, изготовленной при помощи способа импульсного лазерного осаждения и способом напыления при облучении светом, подвижность электронов увеличивается с увеличением количества проводящих электронов.

В этом случае, если в качестве мишени используется поликристалл InGaO₃(Zn_1-xMg_xO)_m (m представляет собой натуральное число меньше 6, 0<x≤1), может быть получена аморфная пленка с высокой устойчивостью, имеющая состав InGaO₃(Zn_1-xMg_xO)_m даже при парциальном давлении кислорода меньше 1 Па.

Как описано выше, можно избежать образования кислородных дефектов, регулируя парциальное давление кислорода. В результате концентрация электронных носителей может быть уменьшена без добавления заданных посторонних ионов. Аморфный оксид согласно настоящему изобретению может быть получен путем формирования тонкой пленки согласно любой одной из Фиг.1-5 при облучении светом. Если используется устройство по Фиг.7 или 8, пленка может быть сформирована при парциальном давлении кислорода, например, в заданной области, как описано ниже. В аморфном состоянии, содержащем микрокристалл (микрокристаллы) граница раздела зерен микрокристалла покрыта (окружена) аморфной структурой. Следовательно, фактически не существует границы раздела зерен, способной захватывать подвижные электроны и дырки в отличие от поликристаллического состояния, подобного оксиду цинка. В результате может быть получена тонкая аморфная пленка, имеющая высокую подвижность электронов. Более того, количество проводящих электронов может быть уменьшено без добавления заданных посторонних ионов. Поскольку электроны не рассеиваются ионами примеси, может сохраняться высокая подвижность электронов. Микрокристаллы согласно настоящему изобретению не ограничены микрокристаллами, имеющими состав, представленный в виде InGaO₃(ZnO)_m (m представляет собой натуральное число меньше 6).

В транзисторе с тонкой пленкой, использующем вышеуказанную прозрачную пленку, изолятор затвора предпочтительно формируют из смешанного кристаллического соединения, содержащего, по меньшей мере, два соединения, выбранных из группы, состоящей из Al₂O₃, Y₂O₃ и HfO₂. Если дефект (дефицит) имеется на границе между затвором, изолирующим тонкую пленку и тонкую пленку канального слоя, то подвижность электронов уменьшается и имеет место гистерезис как характеристика транзистора. Более того, если тип изолятора затвора отличается, ток утечки сильно изменяется. По этой причине необходимо выбрать подходящий изолятор затвора для канального слоя. Если используется Al₂O₃ пленка (в качестве изолятора затвора), ток утечки может быть уменьшен. Если используется Y₂O₃ пленка (в качестве изолятора затвора), может быть уменьшен гистерезис. Если используется HfO₂ пленка, имеющая высокую диэлектрическую постоянную, может быть увеличена подвижность электронов. Более того, если используется смешанный кристалл из этих соединений (в качестве изолятора затвора), можно сформировать ТПТ, имеющий небольшой ток утечки и гистерезис и большую подвижность электронов. Поскольку процесс формирования изолятора затвора и процесс формирования канального слоя могут выполняться при комнатной температуре, может быть сформирован не только ТПТ с шахматной структурой, а также ТПТ с обратной шахматной структурой.

ТПТ представляет собой устройство, имеющее три терминала, а именно терминал затвора, терминал истока и терминал стока. Полупроводниковая тонкая пленка, сформированная на изолирующей подложке, такой как керамическое стекло, или пластмассовая подложка используются в ТПТ в качестве канального слоя для миграции электронов и дырок через этот слой. Ток, текущий через канальный слой, управляется путем приложения напряжения к терминалу затвора, тем самым переключая ток между терминалом истока и терминалом стока. Поскольку ТПТ имеет такую функцию переключения, он является активным устройством. Необходимо отметить, что микрокристаллы, содержащиеся в аморфном оксиде, могут быть сформированы путем облучения светом (а именно, облучением света, используя галогенную лампу или УФ-облучение), как упоминалось выше, и могут быть сформированы другими способами помимо облучения светом.

Второй вариант осуществления: композиционное распределение аморфного оксида

Согласно этому варианту осуществления аморфный оксид характеризуется составом, изменяющимся в направлении толщины.

Фраза “состав, изменяющийся в направлении толщины” означает, что количество кислорода, содержащегося в оксиде, изменяется в направлении толщины пленки, и элементы, составляющие оксид, изменяются в середине (то есть изменяется состав), и изменяется содержание элементов, составляющих оксид.

Следовательно, если аморфный оксид используется в качестве активного слоя (также называемого канальным слоем) полевого транзистора, например, является предпочтительным следующее строение. В транзисторе, имеющем активный слой, содержащем аморфный оксид и изолятор затвора, которые находятся в контакте друг с другом на границе раздела, слой аморфного оксида устроен таким образом, что концентрация кислорода около границы раздела выше, чем в области, удаленной от границы раздела. В этом случае, поскольку электрическое сопротивление слоя аморфного оксида, расположенного ближе к границе раздела, выше, то так называемый канал транзистора формируется внутри слоя аморфного оксида, удаленного от границы раздела. Такое строение является предпочтительным, когда граница раздела представляет собой неровную поверхность, поскольку может быть уменьшена утечка тока.

То есть в случае использования вышеуказанного аморфного оксида в качестве активного слоя транзистора является предпочтительным разработать активный слой таким образом, чтобы он содержал первую область и вторую область, расположенную к изолятору затвора ближе первой области, причем концентрация кислорода во второй области превышала концентрацию кислорода в первой области. В этой связи нет необходимости в том, чтобы обе области различались на своих границах, но соответствующие их составы могут меняться постепенно или ступенчато.

В частности, концентрация электронных носителей аморфного оксида предпочтительно меньше 10¹⁸/см³.

Направление пленки, сформированное на подложке, означает любое направление, которое не является направлением на плоскости подложки, т.е. направлением, перпендикулярным направлению плоскости подложки. Более того, в транзисторе, имеющем активный слой, сформированный аморфным оксидом, имеющим, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из In и Zn, и изолятор затвора, находящийся в контакте с активным слоем на границе раздела, концентрация In и Zn, содержащаяся в области слоя аморфного оксида (активного слоя), расположенной близко к границе раздела, выше, чем их концентрация в области, расположенной дальше от границы раздела. В этом случае может быть увеличена дрейфовая подвижность электронов.

То есть в случае использования вышеуказанного аморфного оксида в качестве активного слоя транзистора предпочтительной является разработка активного слоя таким образом, чтобы он содержал первую область и вторую область, которая расположена к изолятору затвора ближе первой области, причем концентрация In и Zn во второй области выше их концентрации в первой области.

Согласно второму варианту осуществления изобретения оксидная пленка содержит In-Ga-Zn-O, и ее состав изменяется в направлении толщины пленки, и отличается тем, что состав части, имеющей кристаллическое состояние, представлен в виде InGaO₃(ZnO)_m (m представляет собой натуральное число меньше 6), и концентрация электронных носителей ниже 1×10¹⁸/см³.

В качестве альтернативы оксидная пленка согласно второму варианту осуществления изобретения представляет собой прозрачную пленку из аморфного оксида, содержащую In-Ga-Zn-Mg-O и отличающуюся тем, что состав изменяется в направлении толщины пленки, и состав части, находящейся в кристаллическом состоянии, представлен в виде InGaO₃(Zn_1-xMg_xO)_m (m представляет собой натуральное число меньше 6, 0<x≤1), и концентрация электронных носителей ниже 1×10¹⁸/см³. Необходимо отметить, что также является предпочтительным, чтобы эти пленки имели подвижность электронов выше 1 см²/В·сек.

Если вышеуказанная пленка используется в качестве канального слоя, предпочтительным является получение гибкого ТПТ, имеющего следующие характеристики транзистора: ток затвора меньше 0,1 микроампера при выключенном ТПТ (нормально выключенном), отношение включено/выключено выше 1×10⁴, проницаемость для видимого света.

Необходимо отметить, что такая прозрачная пленка отличается тем, что подвижность электронов увеличивается с увеличением количества проводящих электронов. В качестве подложки для формирования прозрачной пленки может использоваться стеклянная подложка, пластмассовая подложка или пластмассовая пленка.

Если прозрачная оксидная пленка используется в качестве канального слоя транзистора, предпочтительным является использование в качестве изолятора затвора одного типа из соединений, выбранных из группы, состоящей из Al₂O₃, Y₂O₃ и HfO₂, или смешанного кристаллического соединения, содержащего, по меньшей мере, два типа соединений, выбранных из группы, состоящей из Al₂O₃, Y₂O₃ и HfO₂.

Предпочтительным является, чтобы пленка (прозрачная оксидная пленка) была сформирована в атмосфере, содержащей кислород, без добавления посторонних ионов с целью усиления электрического сопротивления.

Авторы настоящего изобретения обнаружили специфическую особенность полуизолирующей тонкой пленки из аморфного оксида. То есть подвижность электронов увеличивается с увеличением количества проводящих электронов. Был сформирован ТПТ, использующий такую пленку, и было обнаружено, что дополнительно улучшились рабочие характеристики транзистора, такие как отношение включено/выключено, ток насыщения в состоянии отсечки и скорость переключения.

В пленочном транзисторе, сформированном с использованием прозрачной полуизолирующей тонкой пленки из аморфного оксида в качестве канального слоя, если подвижность электронов больше 1 см²/В·сек, предпочтительно больше 5 см²/В·сек, и концентрация электронных носителей ниже 1×10¹⁸/см³, предпочтительно ниже 1×10¹⁶/см³, ток между терминалами стока и истока во время выключения (не прикладывается напряжение затвора) может быть уменьшен ниже 10 микроампер, предпочтительно ниже 0,1 микроампер. Более того, в этом случае (при использовании вышеупомянутой тонкой пленки), если подвижность электронов выше 1 см²/В·сек, предпочтительно выше 5 см²/В·сек, ток насыщения после отсечки может быть увеличен выше 10 микроампер. Другими словами, отношение ВКЛЮЧЕНО/ВЫКЛЮЧЕНО может быть увеличено до 1×10⁴.

В ТПТ высокое напряжение прикладывается к терминалу затвора в состоянии отсечки, что приводит к возникновению большой плотности электронов в канале. Следовательно, согласно настоящему изобретению ток насыщения может увеличиваться во время соответствующего увеличения подвижности электронов. В результате почти все рабочие характеристики транзистора, такие как включено/выключено, ток насыщения и скорость переключения увеличиваются и улучшаются. Необходимо отметить, что в обычном соединении, при увеличении количества электронов между ними происходят столкновения друг с другом, в результате которых снижается подвижность электронов.

Аморфный оксид согласно настоящему изобретению может использоваться в ТПТ, имеющем шахматную структуру (верхний затвор), в котором изолятор затвора и терминал затвора формируют последовательно в таком порядке на полупроводящем канальном слое, и ТПТ, имеющем обратную шахматную структуру (нижний затвор), в котором изолятор затвора и полупроводящий канальный слой формируют последовательно в таком порядке на терминале затвора.

Состав пленки

В прозрачной тонкой пленке из аморфного оксида, кристаллическая часть которой имеет состав, представленный в виде InGaO₃(ZnO)_m (m представляет собой натуральное число меньше 6), если значение m меньше 6, аморфное состояние может стабильно поддерживаться до температуры 800°С или больше. Однако с увеличением значения m, другими словами, отношение ZnO к InGaO₃ увеличивается (т.е. состав пленки приближается к ZnO), пленка кристаллизуется легче.

По этой причине предпочтительным является, чтобы значение m было меньше 6, если аморфная пленка используется в качестве канального слоя аморфного ТПТ.

В тонкопленочном транзисторе, использующем вышеуказанную прозрачную пленку, предпочтительно используется изолятор затвора, сформированный из смешанного кристаллического соединения, содержащего один тип соединения, выбранного из группы, состоящей из Al₂O₃, Y₂O₃ и HfO₂, или смешанное кристаллическое соединение, содержащее, по меньшей мере, два типа соединений, выбранных из группы, состоящей Al₂O₃, Y₂O₃ и HfO₂. Если дефект (дефицит) имеется на границе между затвором, изолирующим тонкую пленку и тонкую пленку канального слоя, подвижность электронов уменьшается и имеет место гистерезис как характеристика транзистора. Более того, если тип изолятора затвора отличается, ток утечки сильно изменяется. По этой причине необходимо выбирать подходящий изолятор затвора для канального слоя. Если используется Al₂O₃ пленка (в качестве изолятора затвора), ток утечки может быть уменьшен. Если используется Y₂O₃ пленка (в качестве изолятора затвора), может быть уменьшен гистерезис. Если используется HfO₂ пленка, имеющая высокую диэлектрическую постоянную, может быть увеличена подвижность электронов. Более того, если используется смешанный кристалл из этих соединений (в качестве изолятора затвора), можно сформировать ТПТ, имеющий небольшой ток утечки и гистерезис и большую подвижность электронов. Поскольку процесс формирования изолятора затвора и процесс формирования канального слоя могут выполняться при комнатной температуре, может быть сформирован не только ТПТ с шахматной структурой, а также ТПТ с обратной шахматной структурой.

ТПТ представляет собой устройство, имеющее три терминала, а именно терминал затвора, терминал истока и терминал стока. Полупроводниковая тонкая пленка, сформированная на изолирующей подложке, такой как керамическое стекло, или пластмассовая подложка, используются в ТПТ в качестве канального слоя для миграции электронов и дырок через этот слой. Ток, текущий через канальный слой, управляется путем приложения напряжения к терминалу затвора, таким образом переключая ток между терминалом истока и терминалом стока. Поскольку ТПТ имеет такую функцию переключения, он является активным устройством.

Как описано выше, второй вариант осуществления изобретения относится к улучшению состава в направлении толщины прозрачной пленки, которая функционирует в качестве активного слоя полевого транзистора (ТПТ), если ТПТ сформирован с использованием прозрачной пленки.

Для более подробного объяснения, при использовании способа импульсного лазерного осаждения состав изменяется в направлении толщины пленки путем изменения парциального давления кислорода в направлении толщины пленки, изменяющей энергию осцилляции импульсного лазера или частоту осцилляции, или изменяется расстояние между мишенью и подложкой в направлении толщины пленки. С другой стороны, если используется способ шахматного распределения, состав изменяется в направлении толщины пленки дополнительно к шахматному порядку мишени, такой как In₂O₃ или ZnO. Например, если пленка формируется в атмосфере кислорода, количество кислорода, содержащегося в пленке, увеличивается с увеличением расстояния между мишенью и подложкой. Более того, если ZnO мишень добавляется во время формирования пленки, в пленке, сформированной после добавления Zn мишени, количество Zn увеличивается.

Третий вариант осуществления: аморфный оксид, содержащий добавку (добавки)

Аморфный оксид согласно настоящему изобретению характеризуется тем, что аморфный оксид с