СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2009 года по МПК H01L27/32 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к светоизлучающему устройству, использующему оксид и, в частности, использующему органический EL элемент и неорганический EL элемент. Светоизлучающее устройство согласно настоящему изобретению также относится к типу устройства с верхним излучением или типу устройства с нижним излучением.

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 технический уровень разработки ТПТ, использующего традиционную тонкую полупроводниковую оксидную пленку, не был доведен до технологического уровня, достаточного для применения на практике, из-за отсутствия адекватных приемлемых характеристик, какими обладает кремниевый ТПТ.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является предоставление нового светоизлучающего устройства, электронографа и устройства отображения с транзистором, использующим оксид в качестве активного слоя.

Согласно аспекту настоящего изобретения предоставляется светоизлучающее устройство, имеющее светоизлучающий элемент, содержащий первый и второй электроды, и светоизлучающий слой, находящийся между первым и вторым электродами, и полевой транзистор для возбуждения светоизлучающего элемента, причем

активный слой полевого транзистора сформирован из аморфного оксида с концентрацией электронных носителей меньше чем 10¹⁸/см³.

Аморфный оксид предпочтительно включает в себя, по меньшей мере, один из In, Zn или Sn.

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

В качестве альтернативы аморфный оксид предпочтительно включает в себя In, Zn и Ga.

Светоизлучающий элемент и полевой транзистор предпочтительно расположены на оптически прозрачной подложке, и свет, испускаемый из светоизлучающего слоя, проходит через подложку. Полевой транзистор предпочтительно расположен между подложкой и светоизлучающим слоем.

В качестве альтернативы светоизлучающий элемент и полевой транзистор предпочтительно расположены на оптически прозрачной подложке, и свет, испускаемый из светоизлучающего слоя, проходит через подложку и аморфный оксид. Полевой транзистор предпочтительно расположен между подложкой и светоизлучающим слоем.

В светоизлучающем устройстве, по меньшей мере, один из электрода стока полевого транзистора и второго электрода предпочтительно сформирован из оптически прозрачного электропроводящего оксида.

Светоизлучающий элемент предпочтительно представляет собой электролюминесцентный элемент.

В светоизлучающем устройстве множество светоизлучающих элементов предпочтительно расположены в один ряд. Светоизлучающий элемент предпочтительно расположен смежно с полевым транзистором.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предоставляется электрофотографическое устройство, имеющее

фотодатчик,

электризатор для электризации фотодатчика,

источник экспонирования светом для экспонирования фотодатчика с целью формирования латентного изображения на фотодатчике, и

проявляющее устройство для проявки латентного изображения, в котором

источник экспонирования светом имеет светоизлучающее устройство.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предоставляется светоизлучающее устройство, имеющее светоизлучающий элемент, содержащий первый и второй электроды и светоизлучающий слой, находящийся между первым и вторым электродами, и полевой транзистор для возбуждения светоизлучающего элемента, в котором

подвижность электронов активного слоя полевого транзистора увеличивается с увеличением концентрации электронных носителей.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения светоизлучающее устройство, имеющее светоизлучающий элемент, который содержит первый и второй электроды, и светоизлучающий слой, находящийся между первым и вторым электродами, и полевой транзистор для возбуждения светоизлучающего элемента, в котором

активный слой полевого транзистора включает в себя такой прозрачный полупроводник из аморфного оксида, который способен реализовать нормально выключенное состояние. Прозрачный полупроводник из аморфного оксида предпочтительно имеет концентрацию электронных носителей меньше чем 10¹⁸/см³, которая является достаточно низкой для реализации нормально выключенного состояния.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предоставляется устройство отображения с активной матрицей, содержащее светоизлучающий элемент, содержащий первый и второй электроды и светоизлучающий слой, находящийся между первым и вторым электродами, и полевой транзистор для возбуждения светоизлучающего элемента, и схему элементов изображения, выполненную в виде двумерной матрицы, в которой

активный слой полевого транзистора включает в себя такой прозрачный полупроводник из аморфного оксида, который способен реализовать нормально выключенное состояние. Прозрачный полупроводник из аморфного оксида предпочтительно имеет концентрацию электронных носителей меньше чем 10¹⁸/см³, которая является достаточно низкой для реализации нормально выключенного состояния.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предоставляется изделие отображения, содержащее:

светоизлучающий элемент, содержащий первый и второй электроды, и светоизлучающий слой, находящийся между первым и вторым электродами, и полевой транзистор для возбуждения светоизлучающего элемента, в котором

активный слой полевого транзистора включает в себя полупроводник из аморфного оксида.

В качестве аморфного оксида предпочтительно выбирают любой один оксид из группы, состоящей из: оксида, состоящего из In, Zn и Sn; оксида, состоящего из In и Zn; и оксида, состоящего из In.

В качестве альтернативы транзистор предпочтительно представляет собой транзистор нормально выключенного типа.

Настоящее изобретение может использоваться при разработке нового светоизлучающего устройства, электронографа и устройства отображения с активной матрицей.

В результате исследований полупроводника на основе оксида ZnO авторы настоящего изобретения обнаружили, что стабильная аморфная фаза не может быть сформирована в обычном процессе. Более того, считается, что большее количество ZnO, образуемое обычным способом, находится в поликристаллической фазе и рассеивает носители на границе раздела между поликристаллическими гранулами и, следовательно, не может увеличить подвижность электронов. Кроме того, ZnO имеет тенденцию образовывать кислородные дефекты и, следовательно, образует большое количество электронных носителей, при этом возникают трудности с уменьшением его электропроводности. Было обнаружено, что ТПТ, использующий ZnO полупроводник, пропускает сильный ток между терминалом истока и терминалом стока, даже если не прикладывается напряжение затвора транзистора, и не может реализовать нормально выключенное состояние. Также считается, что для ТПТ, использующего ZnO полупроводник, трудно увеличить отношение включено/выключено.

Более того, 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, равную 1·10¹⁸/см³ или больше, и, следовательно, подходит для использования в качестве прозрачного электрода. Однако было обнаружено, что материал не подходит для ТПТ нормально выключенного типа, поскольку, если ТПТ имеет канальный слой, выполненный из оксида с концентрацией электронных носителей/ равной 1·10¹⁸/см³ или больше, то ТПТ не может обеспечить достаточное отношение включено/выключено.

Другими словами, обычная пленка из аморфного оксида не дает концентрацию электронных носителей меньше чем 1·10¹⁸/см³.

Авторы настоящего изобретения активно исследовали свойства InGaO₃(ZnO)_m и условия формирования пленки для этого материала и в результате обнаружили, что концентрация электронных носителей может быть уменьшена ниже 1·10¹⁸/см³, управляя параметрами кислородной среды во время формирования пленки.

Следовательно, авторы настоящего изобретения обнаружили, что ТПТ, имеющий в качестве активного слоя полевого транзистора аморфный оксид, содержащий электронные носители с концентрацией меньше чем 1·10¹⁸/см³, может давать желаемые характеристики и может быть использован в плоскопанельном дисплее, таком как светоизлучающее устройство.

В качестве электронографа с линейно расположенным источником света и фотодатчиком, использующим светоизлучающее устройство согласно настоящему изобретению, предоставлено копировально-множительное устройство, устройство постраничной печати и картридж со встроенным барабаном.

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, получаемого в варианте осуществления 1;

Фиг.6 представляет собой диаграмму, показывающую вольтамперную характеристику МДП-транзистора с верхним затвором, получаемого в варианте осуществления 1;

Фиг.7 представляет собой блок-схему, показывающую поперечное сечение светоизлучающего устройства согласно настоящему изобретению;

Фиг.8 представляет собой принципиальную схему, на которой светоизлучающее устройство согласно настоящему изобретению используется в устройстве отображения;

Фиг.9 представляет собой блок-схему, показывающую поперечное сечение светоизлучающего устройства согласно настоящему изобретению;

Фиг.10 представляет собой блок-схему, показывающую электрическое соединение линейного источника света согласно настоящему изобретению;

Фиг.11 представляет собой сечение, показывающее пример конфигурации линейного источника света согласно настоящему изобретению;

Фиг.12 представляет собой сечение (структура расположенная справа на Фиг.11), показывающее пример конфигурации линейного источника света согласно настоящему изобретению;

Фиг.13 представляет собой блок-схему, показывающую пример конструкции копировально-множительного устройства, устройства постраничной печати, картриджа со встроенным барабаном и линейного источника света;

Фиг.14 представляет собой блок-схему, показывающую устройство для импульсного лазерного осаждения; и

Фиг.15 представляет собой блок-схему, показывающую устройство для формирования пленки напылением.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ниже со ссылкой на Фиг.7, на которой представлен первый вариант осуществления, показана основная конфигурация согласно настоящему изобретению.

На чертеже ссылочная позиция 70 обозначает электрод стока, ссылочная позиция 71 - подложку, ссылочная позиция 72 - активный слой, ссылочная позиция 73 - изолирующую пленку затвора, ссылочная позиция 74 - электрод затвора, ссылочная позиция 75 -электрод истока, ссылочная позиция 77 - второй электрод, ссылочная позиция 78 - светоизлучающий слой, ссылочная позиция 79 - первый электрод. В первом варианте осуществления второй электрод (называемый в настоящем описании "нижний электрод") расположен к подложке ближе, чем светоизлучающий слой, при этом светоизлучающий слой представляет собой органический EL слой, а первый электрод (называемый в настоящем описании "противоэлектродом") расположен от подложки дальше, чем светоизлучающий слой. Зазор между вышеописанными компонентами заполнен промежуточным изолирующим слоем 76.

В первую очередь будет подробно описан каждый компонент.

1. ПОДЛОЖКА

Обычно в светоизлучающем устройстве в качестве материала подложки используется стекло. Однако, поскольку ТПТ, используемый в настоящем изобретении, может быть сформирован при низкой температуре, в настоящем изобретении может быть использована пластмассовая подложка, которую было сложно использовать в активной матрице. Таким образом, может быть предоставлено светоизлучающее устройство, которое является легким, устойчивым к повреждениям и до некоторой степени гибким. Как правило, может использоваться полупроводниковая подложка, такая как Si - подложка и керамическая подложка. Также может использоваться подложка с изолирующим слоем, расположенная на металлической пластине, при условии, что подложка плоская.

2. ТРАНЗИСТОР

Активный слой транзистора может представлять собой любой материал при условии, что он имеет желаемые характеристики, в частности концентрацию электронных носителей меньше чем 1·10¹⁸/см³, и подвижность электронов больше чем 1 см²/(В·сек). Материал включает в себя, например, полупроводник на основе In-Ga-Zn-O аморфного оксида. Аморфный оксид представляет собой прозрачную пленку. В данном случае слово прозрачный относится не только к случаю по существу оптической прозрачности для видимого света, но также включает в себя случай оптической прозрачности, по меньшей мере, только для части спектра в области видимого света. Что касается оптической прозрачности, полупроводник на основе In-Ga-Zn-O аморфного оксида имеет коэффициент пропускания предпочтительно 50% или больше, более предпочтительно 80% или больше. Описанная выше композиция может содержать замещающий или добавленный магний. Если светоизлучающее устройство использует ТПТ с активным слоем на основе In-Ga-Zn-O, он обладает полезными техническими характеристиками, поскольку ТПТ обеспечивает достаточную движущую силу как напряжения, так и тока в органическом EL элементе.

Аморфный оксид более подробно описан ниже.

Как описано выше, для формирования активного слоя являются подходящими способ напыления и способ импульсного лазерного осаждения, но предпочтительными являются такие способы напыления, которые имеют преимущество в продуктивности. Также является эффективным размещение буферного слоя подходящим способом между активным слоем и подложкой.

В качестве изолирующего слоя (пленки) затвора является предпочтительным любой из: Al₂O₃, Y₂О₃ и HfO₂ или смешанное кристаллическое соединение, содержащее, по меньшей мере, два или более из них, но может быть и другое соединение.

Используемый электрод истока и электрод стока включают в себя электропроводящий оксид, представленный ITO (оксидом индия-олова) и металлом, таким как Au. Однако электрод предпочтительно может быть соединен с активным слоем омически или почти омически. Электрод стока также может быть соединен непосредственно со светоизлучающим слоем без шунтирования второго электрода.

3. СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ СЛОЙ

Светоизлучающий слой может быть любым при условии, что он может быть возбужден при помощи ТПТ, но, в частности, является предпочтительным органический EL слой. Органический EL слой 78, используемый в настоящем изобретении, редко используется в виде одного слоя, но часто используется в конфигурации, состоящей из множества слоев, как показано далее. Далее "слой переноса электронов" означает светоизлучающий слой, имеющий функцию транспорта электронов.

Слой переноса дырок/светоизлучающий слой + слой переноса электронов.

Слой переноса дырок/светоизлучающий слой/слой переноса электронов.

Слой инжекции дырок/слой переноса дырок/светоизлучающий слой/слой переноса электронов.

Слой инжекции дырок/слой переноса дырок/светоизлучающий слой/слой переноса электронов/слой инжекции электронов.

Иногда между множеством слоев помещают электронный барьерный слой и слой, улучшающий адгезию.

В общем случае существует два принципа излучения света светоизлучающим слоем, флуоресценция и фосфоресценция, но с точки зрения световой отдачи фосфоресценция эффективнее. Комплекс иридия является полезным в качестве фосфоресцирующего материала. Как низкомолекулярный полимер, так и высокомолекулярный полимер могут использоваться в качестве полимера, используемого в основном металле для светоизлучающего слоя. Если используется низкомолекулярный полимер, светоизлучающий слой, как правило, может быть сформирован способом осаждения из паровой фазы, а если используется высокомолекулярный полимер, светоизлучающий слой может быть сформирован способом струйной печати или при помощи печати. Например, материалы с низким молекулярным весом (MB) включают в себя аминный комплекс, антрацен, комплекс редкоземельных элементов и комплекс благородных металлов; а материалы с высоким молекулярным весом включают конъюгированный полимер и пигментсодержащий полимер.

Слой инжекции электронов включает в себя щелочной металл, щелочно-земельный металл, их соединение, и органический слой легирован щелочным металлом. Кроме того, слой переноса электронов включает в себя комплекс алюминия, оксадиазол, триазол и фенантролин.

Слой инжекции дырок включает в себя ариламины, фталоцианины, и органический слой легирован кислотой Льюиса; и слой переноса дырок включает в себя ариламин.

На Фиг.7 показан пример конфигурации органического EL элемента, но такая же конфигурация может быть использована для неорганического EL элемента.

4. ПЕРВЫЙ ЭЛЕКТРОД

Первый электрод будет описан для случая, когда он является противоэлектродом. Предпочтительный материал для противоэлектрода отличается в зависимости от того, где он используется, в устройстве с верхним излучением или в устройстве с нижним излучением, и используется в качестве катода или анода.

Если противоэлектрод используется в устройстве с верхним излучением, требуется прозрачность; а если он используется в качестве анода, используемый материал включает в себя ITO, электропроводящий олово-олово-олово оксид, электропроводящие оксиды на основе ZnO, In-Zn-O и In-Ga-Zn-O, имеющие концентрацию электронных носителей 1·10¹⁸/см³ или больше, которые являются прозрачными электропроводящими оксидами. При использовании в качестве катода противоэлектрод может быть сформирован путем формирования сплава, легированного щелочным металлом или щелочно-земельным металлом, в виде пленки толщиной несколько десятков нанометров или тоньше и путем образования прозрачного электропроводящего оксида в верхней части.

Если он используется в устройстве с нижним излучением, прозрачность не нужна, поэтому, если он используется в качестве анода, для него могут применяться сплав Au и сплав Pt, а если он используется в качестве катода, могут применяться Mg с добавлением Ag, Al с добавлением Li, силицид, борид и нитрид.

5. ВТОРОЙ ЭЛЕКТРОД

Второй электрод соединен с электродом стока. Второй электрод может иметь композицию такую же или отличную от композиции электрода стока.

Второй электрод может быть нижним электродом. Нижний электрод может быть сформирован в виде слоя вдоль подложки или светоизлучающего слоя.

Если светоизлучающий слой является слоем инжекции заряда, примером чего является органический EL элемент, то согласно данной конфигурации предпочтителен нижний электрод.

Если светоизлучающий слой, соединенный с нижним электродом, является катодом, нижний электрод предпочтительно представляет собой металл, имеющий небольшую работу выхода. Нижний электрод включает в себя, например, Mg с добавлением Ag, Al с добавлением Li, силицид, борид и нитрид. В этом случае, более предпочтительным является соединение с электродом стока ТПТ посредством провода, чем соединение с ним напрямую.

Если светоизлучающий слой, соединенный с нижним электродом, является анодом, нижний электрод предпочтительно представляет собой металл, имеющий большую работу выхода. Нижний электрод включает в себя, например, ITO, электропроводящий олово-олово оксид, электропроводящий ZnO, In-Zn-O, сплав Pt и сплав Au. Кроме того, может быть использован оксид на основе In-Ga-Zn-O с концентрацией электронных носителей 1·10¹⁸/см³ или выше. В этом случае, более предпочтительна более высокая концентрация, поскольку нижний электрод представляет собой оксид, который отличается от случая, используемого для ТПТ. Например, предпочтительна концентрация носителей 1·10¹⁹/см³ или выше. Если нижний электрод изготовлен из ITO или оксида на основе In-Ga-Zn-O (с высокой концентрацией носителей), он может обеспечить высокую долю открытой области, даже если используется в устройстве с нижним излучением, поскольку является прозрачным. Если нижний электрод соединен напрямую с электродом стока, в частности ITO, особенно предпочтительными для него являются вышеописанный оксид на основе In-Ga-Zn-O (с высокой концентрацией носителей) и сплав Au.

Если нижний электрод соединен напрямую с электродом стока, то нижний электрод предпочтительно представляет собой электрод инжекции дырок. В частности, предпочтительным материалом для нижнего электрода являются ITO, ZnO легированный Al или Ga, и оксид на основе In-Ga-Zn-O с концентрацией носителей 1·10¹⁸/см³ или выше. В частности, если в качестве электрода и активного слоя используется оксид на основе In-Ga-Zn-O, концентрация носителей активного слоя In-Ga-Zn-O может быть увеличена способом введения в него кислородных дефектов или т.п., и светоизлучающее устройство имеет простую эффективную конфигурацию. В этом случае на активном слое формируются сразу слой переноса дырок и слой инжекции дырок. Эта конфигурация находится в пределах настоящего изобретения. В особенности, это относится к конфигурации, в которой нижний электрод и электрод стока объединены с одной частью активного слоя.

6. ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ ИЗОЛИРУЮЩИЙ СЛОЙ

В частности, если второй электрод представляет собой нижний электрод, предполагается, что в промежуточном изолирующем слое 76, который является верхним слоем нижнего электрода 77, может использоваться такой же материал, как и в изолирующем слое затвора. Как правило, для получения плоского слоя может быть сформирован изолирующий слой с применением другого материала. Например, полиимидная пленка может представлять собой пленку, полученную методом центрифугирования, а оксид кремния может быть образован способом CVD в газоразрядной плазме, способом PECVD и способом LPCVD или покрытием и отжигом алкоксида кремния. Промежуточный изолирующий слой необходим для наличия соответствующего контактного окна для связи с электродом истока или электродом стока, сформированного в нем.

7. ПРОВОД ЭЛЕКТРОДА И ДР.

Для провода электрода такого, как провод сканирующего электрода и провод сигнального электрода, которые представляют собой провода электрода затвора, можно использовать в качестве материала металл, такой как Al, Cr и W и силицид, такой как WSi.

Ниже более подробно описаны связи между каждыми компонентами.

Сначала описан первый вариант осуществления со ссылкой на Фиг.7, на которой нижний электрод частично соединен с электродом стока посредством проводного соединения.

ПЕРВЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Электрод 75 истока и электрод 70 стока связаны непосредственно с активным слоем 72, и ток, проходящий через активный слой 72, управляется электродом 74 затвора через изолирующий слой 73 затвора.

Органический EL слой 78 светоизлучающего слоя соединен с электродом 70 стока через нижний электрод 77 и провод в контактном окне. Промежуточный изолирующий слой 76 находится между нижним электродом 77 и секцией ТПТ для их электрической изоляции. Промежуточный изолирующий слой 76 необязательно должен быть однослойным, но обычно он состоит из изолирующих слоев, расположенных на изолирующем слое затвора и на верхней части электрода затвора, и обычного промежуточного изолирующего слоя, предусмотренного с целью выравнивания.

Противоэлектрод 79 находится в верхней части органического EL слоя 78, и обеспечивает приложение напряжения к органическому EL слою 78 для инициации излучения им света во включенном состоянии ТПТ.

В этом случае электрод 70 стока электрически соединен со вторым электродом или сам является вторым электродом.

На Фиг.7 показан пример высокой доли открытой области, на котором органический EL слой 78 находится непосредственно наверху ТПТ, но органический EL слой 78 может быть сформирован в других частях, отличных от части ТПТ, при условии, что это не вызовет проблем при использовании. Однако если органический EL слой 78 используется в конфигурации, показанной на Фиг.7, нижняя часть органического EL слоя 78 предпочтительно является плоской, насколько это возможно.

Хотя по Фиг.7 электрод 70 стока соединен с нижним электродом 77, электрод 75 истока соединен с нижним электродом 77 в зависимости от способа использования. То есть настоящее изобретение отличается тем, что любой один из электрода истока и электрода стока транзистора, содержащего аморфный оксид, соединен с электродом, наслоенным на светоизлучающий слой. В случае, при котором нижний электрод 77 под светоизлучающим слоем 78 представляет собой анод, также является предпочтительной структура, в которой электрод истока ТПТ связан с анодом.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА

В этой части обсуждается процесс производства светоизлучающего устройства согласно настоящему изобретению со ссылкой на пример конфигурации, в которой электрод стока соединен с нижним электродом посредством проводного соединения, а органический EL слой используется в качестве светоизлучающего элемента.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ТРАНЗИСТОРА

Транзистор изготавливают посредством этапов, на которых:

осаждают тонкую пленку полупроводника на основе In-Ga-Zn-O аморфного оксида на стеклянную подложку толщиной 120 мм способом импульсного лазерного осаждения при таких условиях, чтобы получить концентрацию электронных носителей 1·10¹⁸/см³, которые описаны ниже, используя при этом в качестве мишени поликристаллический спеченный компакт, имеющий композицию InGaO₃(Zn)₄;

далее наслаивают пленку InGaO₃(Zn)₄ с высокой электропроводностью толщиной 30 нм способом импульсного лазерного осаждения в камере, имеющей парциальное давление кислорода, управляемое с точностью лучше чем 1 Па, и формируют на ней Au-пленку толщиной 50 нм в качестве электрода истока и электрода стока путем осаждения с использованием электронно-лучевого испарения; и

далее формируют Y₂O₃-пленку в качестве изолирующего слоя затвора, и Au-пленку в качестве электрода затвора, которые имеют толщину соответственно 90 нм и 50 нм, путем осаждения с использованием электронно-лучевого испарения. В последовательности вышеописанных процессов каждый слой формируется с желаемым размером способом фотолитографии и способом обратной литографии. Более того, изолирующий слой формируется на них аналогичным способом. Затем в них также формируется контактное окно для электрода стока.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ СЛОЯ НИЖНЕГО ЭЛЕКТРОДА

Затем формируют нижний электрод путем формирования ITO пленки толщиной 300 нм способом напыления и затем соединяют с электродом стока и нижним электродом при помощи провода, сформированного в контактном окне.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКОГО EL СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕГО СЛОЯ

На следующем этапе органический EL светоизлучающий слой изготавливают, формируя нижеследующие пленки способом жаростойкого осаждения из паровой фазы: пленку из 4,4'-бис[N,N-диамино]-4''-фенил-трифениламина толщиной 60 нм в качестве слоя инжекции дырок; пленку из 4,4'-бис[N-(1-нафтил)N-фениламино]-бифенила толщиной 20 нм в качестве слоя переноса дырок; пленку из 4,4'-бис(2,2-дифенил)винила толщиной 40 нм в качестве светоизлучающего слоя; и пленку из трис(8-хинолинол)алюминия толщиной 20 нм в качестве слоя переноса электронов.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПРОТИВОЭЛЕКТРОДА

В заключении противоэлектрод изготавливают посредством формирования пленки из сплава Al и Ag толщиной 50 нм способом двойного осаждения из паровой фазы и пленки из Al толщиной 50 нм.

После возбуждения вышеописанного элемента путем приведения его в контакт с зондом испускается синий свет из задней части подложки, другими словами, получается элемент с нижним излучением.

В настоящем варианте осуществления является важным то, что для полупроводника на основе In-Ga-Zn-O аморфного оксида получается желаемая концентрация электронных носителей посредством управления количеством кислородных дефектов.

В вышеприведенном описании количество кислорода (количество кислородных дефектов) в прозрачной оксидной пленке управляется посредством формирования пленки в атмосфере, включающей в себя заданную концентрацию кислорода, но также предпочтительным является управление (уменьшение или увеличение) количеством кислородных дефектов посредством последующей обработки оксидной пленки, сформированной на предыдущем этапе в атмосфере, включающей в себя кислород.

Для эффективного управления количеством кислородных дефектов температуру атмосферы, включая кислород, поддерживают в пределах от 0°С до 300°С, предпочтительно в пределах от 25°С до 250°С и более предпочтительно в пределах от 100°С до 200°С.

Естественно, пленка может быть сформирована в атмосфере, включающей в себя кислород, и затем подвергнута последующей обработке в атмосфере, включающей в себя кислород. Кроме того, пленка может быть сформирована в атмосфере, в которой парциальное давление кислорода не управляется, а последующая обработка может происходить в атмосфере, включающей в себя кислород, если способ обеспечивает заданную концентрацию электронных носителей (менее 1·10¹⁸/см³).

При этом нижний предел концентрации электронных носителей в настоящем изобретении зависит от того, для какого типа элемента, схемы и устройства используется получаемая оксидная пленка, например 1·10¹⁸/см³ или выше.

Далее со ссылкой на Фиг.9 описан второй вариант осуществления, в котором нижний электрод соединен с электродом стока напрямую без провода, проходящего между ними.

ВТОРОЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

На Фиг.9 ссылочная позиция 91 обозначает подложку, ссылочная позиция 92 - активный слой, изготовленный из полупроводникового материала, специфичного для настоящего изобретения, ссылочная позиция 93 - изолирующий слой затвора, ссылочная позиция 94 - электрод затвора, ссылочная позиция 95 - электрод истока, ссылочная позиция 96 - изолирующий слой, ссылочная позиция 97 - нижний электрод. Нижний электрод 97 наслоен на электрод стока или идентичен электроду стока, другими словами, сам по себе является электродом стока. Ссылочная позиция 98 обозначает органический EL слой, а ссылочная позиция 99 - противоэлектрод.

Настоящий вариант осуществления в основном имеет тот же самый тип конфигурации, что и первый вариант осуществления, в котором часть нижнего электрода контактирует с электродом стока через проводное соединение, но отличается по конфигурации тем, что электрод стока и светоизлучающий слой наслоены на одну и ту же область покрытия, если смотреть на подложку 91 сверху, а между ними находится нижний электрод.

Электрод стока может представлять собой нижний электрод. В этом случае электрод стока должен быть способным эффективно инжектировать электроны или дырки в органический EL слой.

Является предпочтительным доведение плотности электронных носителей в части активного слоя, соответствующей нижней части электрода стока, до 1·10¹⁸/см³ или выше путем увеличения кислородных дефектов. При этом он может функционировать одновременно в качестве электрона стока и нижнего электрода. В этом случае предпочтительным является, чтобы активный слой был изготовлен из In-Ga-Zn-O пленки, функционировал в качестве слоя инжекции дырок и был соединен с анодной частью светоизлучающего слоя.

На Фиг.9 показан пример светоизлучающего слоя, расположенного в верхней части слоя ТПТ, но допустима конфигурация, в которой противоэлектрод первого электрода и нижний электрод второго электрода имеют обратное расположение, и первый электрод наслоен непосредственно на электрод стока, если это не вызывает никаких функциональных проблем. В этом случае второй электрод, который прежде являлся нижним электродом, находится в верхней части, но имеет те же функции при условии, если он соединен с электродом стока. В частности, если используется неорганический EL слой, может быть использован такой обратный порядок благодаря устойчивости при обработке более высокой, чем та, которую имеет органический EL слой.

В предпочтительной конфигурации светоизлучающего устройства согласно настоящему изобретению первый и второй электроды представляют собой противоэлектрод и нижний электрод; полевой транзистор представляет собой ТПТ; активный слой ТПТ включает в себя In, Ga и Z; по меньшей мере, часть активного слоя представляет собой аморфный оксид; и одна часть светоизлучающего слоя электрически соединена с электродом стока ТПТ.

В светоизлучающем устройстве согласно настоящему изобретению одна часть светоизлучающего слоя соединена напрямую с электродом стока или часть светоизлучающего слоя может быть соединена с электродом стока посредством проводного соединения. Предпочтительным является, чтобы одна часть соединенного таким образом светоизлучающего слоя представляла собой сторону анода или сторону катода светоизлучающего слоя.

Предпочтительным является, чтобы, по меньшей мере, один из электрода стока и вышеописанного нижнего электрода представляла собой прозрачный электропроводящий оксид.

Ниже со ссылкой на Фиг.8 будет описан третий вариант осуществления, который представляет собой пример конфигурации, применимой в устройстве отображения.

Хотя на Фиг.9 в качестве нижнего электрода используется электрод 97 стока, в зависимости от структуры светоизлучающего слоя в качестве нижнего электрода может быть использован электрод 95 истока. То есть настоящее изобретение отличается соединением и т.п.любого одного из электрода истока и электрода стока транзистора, содержащего аморфный оксид, с электродом, наслоенным на светоизлучающий слой.

ТРЕТИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

На Фиг.8 ссылочная позиция 81 обозначает транзистор для возбуждения органического EL слоя 84, из которого электрический ток проходит в светоизлучающий элемент, который имеет органический EL слой 84, и пару электродов, между которыми расположен органический EL слой 84. Ссылочная позиция 82 обозначает транзистор 2 для выбора элемента изображения, который выдает сигнал изображения в затвор транзистора 81 для определения тока, который должен быть пропущен в светоизлучающий элемент.

Кроме того, установлен конденсатор 83 для сохранения выбранного состояния, который сохраняет электрический заряд между проводом 87 общего электрода и частью электрода истока транзистора 2 и удерживает сигнал затвора транзистора 1. Элемент изображения выбирают и определяют при помощи провода 85 сканирующего электрода и провода 86 сигнального электрода.

Данная конфигурация более подробно описана ниже.

В тот момент, когда сигнал выбора ряда прикладывается к электроду затвора из схемы возбуждения (не показана) через сканирующий электрод 85 в виде импульсного сигнала, сигнал изображения прикладывается к транзистору 82 из другой схемы возбуждения (не показана) через сигнальный электрод 86 для выбора элемента изображения.

В этот момент транзистор 82 переключается в состояние ВКЛЮЧЕНО, и электрический заряд сохраняется в конденсаторе 83, расположенном между проводом 86 сигнального электрода и электродом истока транзистора 82. Таким образом, напряжение затвора транзистора 81 удерживается на желаемом уровне, соответствующем сигналу изображения, и транзистор 81 пропускает ток, соответствующий сигналу изображения, между электродом истока и электродом стока. Данное состояние сохраняется до тех пор, пока транзисторы не примут следующий сигнал. В то время как транзистор 81 пропускает ток, ток также постоянно подается в органический EL слой 84, и при этом поддерживается излучение света.

На Фиг.8 показан пример конфигурации, использующий два транзистора и один конденсатор, для одного элемента изображения, но конфигурация может включать в себя больше транзисторов для улучшения рабочих характеристик.

Существенным является то, что светоизлучающее устройство может быть реализовано при помощи ТПТ нормально выключенного типа путем использования ТПТ, имеющего активный слой аморфного оксида, например, оксида на основе In-Ga-Zn-O, который является прозрачным и может быть сформирован при низкой температуре согласно настоящему изобретению, и следовательно, подавляет необходимое излучение света. Используя вышеописанный ТПТ, можно также разработать электронограф и устройство отображения с высокой контрастностью.

ЧЕТВЕРТЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Четвертый вариант осуществления согласно настоящему изобретению представляет собой светоизлучающее устройство с нижним излучением, как показано на Фиг.11 и 12.

В частности, светоизлучающее устройство имеет вышеописанный светоизлучающий слой и вышеописанный полевой транзистор, расположенный на оптически прозрачной подложке, и излучает свет из вышеописанного светоизлучающего слоя через вышеописанную подложку. На фиг.11 активный слой (канальный слой 2101), сформирован из аморфного оксида, также расположенного непосредственно под светоизлучающим элементом 2160, но такое расположение не является обязательным. Естественно, в конфигурации по Фиг.11 свет, излучаемый из светоизлучающего слоя 2108, проходит через активный слой, сформированный из вышеописанного аморфного оксида, и подложку 2100.

При этом источник света может быть получен путем линейного размещения светоизлучающих устройств согласно настоящему изобретению, и может быть получено устройство путем объединения его с фотокопировальным барабаном 2350 фотодатчика, как показано на Фиг.13. В частности, электронограф может быть скомпонован из фотодатчика 2350, электризатора (не показан) для электризации фотодатчика, источника 2300 экспозиции светом для освещения фотодатчика светом 2301 для формирования латентного изображения на фотодатчике и блока проявления (не показан) для проявления вышеописанного латентного изображения.

Ниже описан аморфный оксид, упомянутый выше в первом и втором вариантах осуществления.

АМОРФНЫЙ ОКСИД

Ниже более подробно описан активный слой, использованный выше в 1-3 вариантах осуществления.

Концентрация электронных носителей в аморфном оксиде в настоящем изобретении равна значению, измеренному при комнатной температуре. Комнатная температура представляет собой температуру в пределах от 0°С до примерно 40°С, например 25°С. Концентрация электронных носителей в аморфном оксиде в настоящем изобретении необязательно должна быть меньше чем 10¹⁸/см³ в пределах всей области от 0°С до 40°С. Например, приемлема концентрация электронных носителей меньше чем 10¹⁸/см³ при температуре 25°С. При более низких концентрациях электронных носителей, не более чем 10¹⁷/см³ или не более чем 10¹⁶/см³, может быть получен с высоким выходом ТПТ нормально выключенного типа.

В настоящей спецификации определение "менее чем 10¹⁸/см³" означает "предпочтительно меньше чем 1·10¹⁸/см³ и более предпочтительно менее чем 1,0·10¹⁸/см³". Концентрация электронных носителей может быть измерена посредством измерения эффекта Холла.

Аморфный оксид настоящего изобретения представляет собой оксид, который обнаруживает гало-паттерн и у которого отсутствуют характерные дифракционные линии в рентгеновской дифракционной спектрометрии.

В аморфном оксиде настоящего изобретения нижний предел концентрации электронных носителей составляет, например, 1·10¹²/см3, но не ограничен этим пределом, поскольку он может быть использован в качестве канального слоя ТПТ.

Соответственно в настоящем изобретении концентрацию электронных носителей регулируют путем подбора материала, состава композиции, условий изготовления и т.п. аморфного оксида, например, как в описанных ниже примерах, так чтобы она находилась в пределах, например, от 1·10¹²/см³ до 1·10¹⁸/см³, предпочтительно от 1·10¹³/см³ до 1·10¹⁷/см³, более предпочтительно от 1·10¹⁵/см³ до 1·10¹⁶/см³.

Аморфный оксид, отличный от InZnGa оксидов, может быть выбран подходящим образом из In оксидов, In_xZn_1-x оксидов (0,2≤х≤1), In_xSn_1-x оксидов (0,8≤х≤1), In_x(Zn,Sn)_1-x оксидов (0,15≤х≤1). In_x(Zn,Sn)_1-x оксид также может представлять собой In_x(Zn_ySn_1-y)_1-x (0≤у≤1).

Если In оксид не содержит ни Zn, ни Sn, то In может быть частично замещен Ga: In_xGa_1-x оксид (0≤x≤1).

Аморфный оксид с концентрацией электронных носителей 1·10¹⁸/см³, который получен авторами настоящего изобретения, более подробно описан ниже.

Одна группа вышеупомянутых оксидов обычно имеет состав In-Ga-Zn-O, представленный в виде InGaO₃(ZnO)_m (m: натуральное число меньше 6) в кристаллическом состоянии, и содержит электронные носители с концентрацией менее чем 10¹⁸/см³.

Другая группа вышеупомянутых оксидов обычно имеет состав In-Ga-Zn-Mg-O, представленный в виде InGaO₃(Zn_1-xMg_xO)_m (m: натуральное число меньше 6, и 0≤x≤1) в кристаллическом состоянии, и содержит электронные носители с концентрацией менее чем 10¹⁸/см³.

Пленка, состоящая из такого оксида, предпочтительно разработана для получения подвижности электронов, больше чем 1 см²/В·сек.

Используя вышеописанную пленку в качестве канального слоя, может быть получен ТПТ нормально выключенного типа с током затвора менее чем 0,1 микроампер и отношением включен/выключен выше чем 1×10³, который при этом является прозрачным для видимого света и гибким.

В вышеуказанной пленке подвижность электронов возрастает с увеличением проводимости электронов. Подложка для формирования прозрачной пленки включает в себя стеклянные пластины, пластмассовые пластины и пластмассовые пленки.

При использовании вышеописанной пленки из аморфного оксида в качестве канального слоя, по меньшей мере, один из слоев, состоящий из Al₂О₃, Y₂О₃ и HfO₂ или их кристаллической смеси, может быть использован в качестве изолятора затвора.

В предпочтительном варианте осуществления пленку формируют в атмосфере, содержащей газообразный кислород, без добавления в аморфный оксид примесей для увеличения электрического сопротивления.

Авторы настоящего изобретения обнаружили, что тонкие аморфные пленки полуизолирующих оксидов имеют характеристики, заключающиеся в том, что подвижность электронов в них увеличивается с увеличением количества электронов проводимости, и кроме того, обнаружили, что ТПТ, полученный путем использования такой пленки, имеет улучшенные характеристики транзистора, такие как отношение включено/выключено, ток насыщения в состоянии отсечки и скорость переключения. Таким образом, ТПТ нормально выключенного типа может быть получен путем использования аморфного оксида.

Путем использования тонкой пленки из аморфного оксида в качестве канального слоя пленочного транзистора можно получить подвижность электронов выше 1 см²/B·с, предпочтительно выше 5 см²/B·с. Ток между терминалом стока и терминалом истока в выключенном состоянии (без приложенного напряжения затвора) может управляться таким образом, чтобы он составлял менее 10 микроампер, предпочтительно менее 0,1 микроампера при концентрации носителей ниже чем 1·10¹⁸/см³, предпочтительно ниже чем 1·10¹⁶/см³. Кроме того, путем использования такой тонкой пленки ток насыщения после отсечки может быть увеличен до 10 микроампер или более, и отношение включено/выключено может быть выше чем 1·10³ при подвижности электронов выше чем 1 см²/B·сек., предпочтительно выше чем 5 см²/B·сек.

В состоянии отсечки ТПТ к терминалу затвора прикладывается высокое напряжение, и в канале электроны имеют высокую плотность. Следовательно, согласно настоящему изобретению ток насыщения может быть увеличен в соответствии с увеличением подвижности электронов. Таким образом, могут быть улучшены характеристики транзистора, такие как увеличение отношения включено/выключено, увеличение тока насыщения и увеличение скорости переключения. Напротив, при использовании обычного соединения увеличение количества электронов снижает подвижность электронов из-за столкновений между электронами.

Структура вышеописанного ТПТ может представлять собой структуру расположения в шахматном порядке (верхний затвор), при котором изолятор затвора и терминал затвора последовательно сформированы на полупроводниковом канальном слое, или структуру расположения в обратном шахматном порядке (нижний затвор), при котором изолятор затвора и полупроводниковый канальный слой последовательно сформированы на терминале затвора.

ПЕРВЫЙ ПРОЦЕСС ФОРМИРОВАНИЯ ПЛЕНКИ: PLD ПРОЦЕСС

Тонкая пленка из аморфного оксида, состоящая из InGaO₃(ZnO)_m (m: натуральное число меньше 6) в кристаллическом состоянии, является стабильной при высокой температуре вплоть до 800°С или выше, если m меньше 6, тогда как при увеличении m, то есть с увеличением отношения ZnO к InGaO₃ ближе к композиции ZnO, оксид имеет тенденцию кристаллизоваться. Следовательно, для использования в качестве канального слоя аморфного ТПТ является предпочтительным, чтобы значение m оксида было меньше 6.

Формирование пленки предпочтительно происходит в процессе формирования пленки в газовой фазе путем использования мишени из поликристаллического спеченного компакта, имеющего состав InGaO₃(ZnO)_m. Подходящими являются процессы формирования пленки в газовой фазе, напыление и импульсное лазерное осаждение. Для массового производства особенно подходящим является напыление.

Однако при формировании аморфной пленки в обычных условиях могут возникать кислородные дефекты так, что нельзя получить концентрацию электронных носителей меньше чем 1·10¹⁸/см³ и электропроводность меньше чем 10 См/см. С такой пленкой не может быть создан транзистор нормально выключенного типа.

Авторы настоящего изобретения создали In-Ga-Zn-О пленку при помощи импульсного лазерного осаждения, используя устройство, показанное на Фиг.14.

Формирование пленки осуществлялось путем использования такого PLD устройства для формирования пленки, как показано на Фиг.14.

На Фиг.14 ссылочные позиции обозначают следующее: 701 - РН (роторный насос); 702 - ТМН (турбомолекулярный насос); 703 - подготовительную камеру; 704 - электронную пушку для RHEED; 705 - средство крепления подложки для вращения и вертикального перемещения подложки; 706 - окно ввода лазерного пучка; 707 - подложку; 708 - мишень; 709 - источник радикалов; 710 - отверстие для подачи газа; 711 - средство крепления мишени для вращения и вертикального перемещения мишени; 712 - линию обхода; 713 основную линию; 714 - ТМН (турбомолекулярный насос); 715 - РН (роторный насос); 716 - титановый газопоглотительный насос; 717 шторку; 718 - ИМ (ионный манометр); 719 - ИП (манометр Пирани); 720 - ДДБ (датчик давления Баратрон); и 721 - камеру роста.

Полупроводниковую тонкую пленку из In-Ga-Zn-O аморфного оксида наслаивают на SiO₂ стеклянную подложку (Corning Co.: 1737) импульсным лазерным осаждением, используя KrF эксимерный лазер. В качестве предварительной обработки перед осаждением подложку промывали для обезжиривания с использованием ультразвука ацетоном, этанолом и сверхчистой водой, по пять минут каждым, и сушили при 100°С.

Поликристаллическая мишень представляла собой InGaO₃(ZnO)₄ спеченный компакт (размером: 20 мм в диаметре, 5 мм в толщину), который был получен мокрым смешиванием In₂O₃, Ga₂О₃ и ZnO (4-нормальный раствор каждого реагента) в качестве материала источника (растворитель: этанол), обжигом смеси (1000°С, 2 часа), сухим измельчением и спеканием (1550°С, 2 часа). Мишень имела электропроводность 90 См/см.

Формирование пленки осуществлялось путем поддержания конечного давления в камере роста до 2·10^-6 Па, и парциального давления кислорода во время роста до 6,5 Па. Парциальное давление кислорода в камере 721 роста составляло 6,5 Па, а температура подложки была равна 25°С. Расстояние между мишенью 708 и подложкой 707, удерживающей пленку, составляло 30 мм, мощность, вводимая через окно 706 ввода, находилось в пределах 1,5-3 мДж/см²/импульс. Длительность импульса составляла 20 нс, частота повторения была равна 10 Гц, и точка облучения представляла собой квадрат 1×1 мм. В вышеописанных условиях формировали пленку со скоростью 7 нм/мин.

Полученную тонкую пленку исследовали способом малоугловой рентгенографии (SAXS) (метод тонких пленок, угол падения: 0,5°): четкого дифракционного пика не наблюдалось. Полученная таким образом тонкая пленка типа In-Ga-Zn-O считалась аморфной. Из коэффициента отражения рентгеновских лучей и анализа его паттерна была найдена среднеквадратичная неровность поверхности (Rrms), равная примерно 0,5 нм, и толщина пленки, равная примерно 120 нм. Из рентгенофлуоресцентного анализа (XRF) было найдено, что содержание металлов в пленке соответствует отношению In:Ga:Zn = 0,98:1,02:4. Электропроводность была ниже чем примерно 1·10^-2 См/см. Была оценена концентрация электронных носителей, которая была меньше чем 1·10^-16/см³. Подвижность электронов составляла примерно 5 см²/B·сек. При помощи анализа абсорбции света была оценена ширина запрещенной зоны в оптическом диапазоне в полученной тонкой аморфной пленке, которая составляла примерно 3 эВ.

Описанные выше результаты показывают, что полученная тонкая пленка типа In-Ga-Zn-O является прозрачной плоской тонкой пленкой, имеющей аморфную фазу композиции, близкую к кристаллическому InGaO₃(ZnO)₄, которая имеет меньше кислородных дефектов и более низкую электропроводность.

Формирование вышеописанной пленки объясняется в частности со ссылкой на Фиг.1. На Фиг.1 показана зависимость концентрации электронных носителей в сформированной прозрачной тонкой пленке из аморфного оксида от парциального давления кислорода для пленки состава InGaO₃(ZnO)_m (m: целое число, меньшее 6) в предполагаемом кристаллическом состоянии в тех же самых условиях формирования пленки, как описано в примере выше.

Путем формирования пленки в атмосфере, имеющей парциальное давление кислорода выше чем 4,5 Па в тех же самых условиях, как описано выше, концентрация электронных носителей может быть снижена до менее 1·10¹⁸/см³, как показано на Фиг.1. При таком формировании пленки подложка может находиться при температуре, близкой к комнатной температуре, без специального нагревания. Для использования гибкой пластмассовой пленки в качестве подложки температуру подложки предпочтительно поддерживают ниже 100°С.

Более высокое парциальное давление кислорода может привести к уменьшению концентрации электронных носителей. Например, как показано на Фиг.1, тонкая InGaO₃(ZnO)₄ пленка, сформированная при температуре подложки 25°С и парциальном давлении кислорода, равном 5 Па, имела более низкую концентрацию электронных носителей, составляющую 1·10¹⁶/см³.

В полученной тонкой пленке подвижность электронов была выше 1 см²/В·сек, как показано на Фиг.2. Однако пленка, наслоенная при помощи импульсного лазерного осаждения при парциальном давлении кислорода выше 6,5 Па, как в этом примере, имела неровную поверхность, неподходящую для канального слоя ТПТ.

Соответственно в вышеприведенном примере транзистор нормально выключенного типа может быть создан путем использования тонкого прозрачного оксида, представленного формулой InGaCO₃(ZnO)_m (m: целое число, меньшее 6) в кристаллическом состоянии, сформированного при парциальном давлении кислорода выше 4,5 Па, предпочтительно выше 5 Па, но ниже 6,5 Па способом импульсного лазерного осаждения.

Полученная тонкая пленка имела подвижность электронов выше 1 см²/В·сек, и отношение включено/выключено могло превышать 1·10³.

Как описано выше, при формировании InGaZn оксидной пленки способом PLD в условиях, приведенных в этом примере, парциальное давление кислорода поддерживали в пределах от 4,5 до 6,5 Па.

Для достижения концентрации электронных носителей 1·10¹⁸/см³ следует контролировать парциальное давление кислорода, структуру устройства формирования пленки, вид и состав материала для формирования пленки.

Затем МДП-транзистор с верхним затвором, как показано на Фиг.5, изготавливали путем формирования аморфного оксида при помощи вышеописанного устройства при парциальном давлении кислорода, равном 6,5 Па. В частности, на стеклянной подложке 1 формировали полуизолирующую аморфную InGaO₃(ZnO)₄ пленку толщиной 120 нм для использования в качестве канального слоя 2 вышеописанным способом формирования тонкой аморфной Ga-Ga-Zn-O пленки. Кроме того, на ней были наслоены InGaO₃(ZnO)₄ пленка, имеющая более высокую электропроводность, и золотая пленка соответственно толщиной 30 нм импульсным лазерным осаждением при парциальном давлении кислорода в камере ниже 1 Па. Затем терминал 5 стока и терминал 6 истока были сформированы способом фотолитографии и способом обратной литографии. Наконец Y₂О₃ пленку формировали для изолятора 3 затвора путем осаждения с использованием электронно-лучевого испарения (толщина: 90 нм, относительная диэлектрическая постоянная: примерно 15, плотность тока утечки: 1·10^-3 А/см³ при напряжении 0,5 МВ/см). На ней была сформирована золотая пленка, а терминал 4 затвора был сформирован способом фотолитографии и способом обратной литографии.

ОЦЕНКА РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТА МДП-ТРАНЗИСТОРА

На фиг.6 показана вольт-амперная характеристика элемента МДП-транзистора, измеренная при комнатной температуре. Учитывая, что ток стока I_DS увеличивается с увеличением напряжения стока V_DS, очевидно, что канал представляет собой полупроводник n-типа. Это согласуется с тем фактом, что аморфный полупроводник типа In-Ga-Zn-O относится к n-типу. I_DS достигает насыщения (отсекается) при V_DS=6 В, что является обычным для полупроводникового транзистора. Из оценки характеристик затвора было обнаружено, что пороговое значение напряжения затвора V_GS при напряжении V_DS=4 В составляет примерно -0,5 В. При V_G=10 В возникал ток I_DS=1,0·10^-5 А. Это соответствует влиянию смещения на затворе на носители в полупроводниковой тонкой аморфной In-Ga-Zn-O пленке.

Отношение включено/выключено транзистора превышало 1·10³. Из выходных характеристик вычисляли дрейфовую подвижность, которая составила примерно 7 см²/B·сек. Согласно аналогичным измерениям излучение видимого света не меняет характеристики полученного элемента.

Согласно настоящему изобретению может быть изготовлен тонкопленочный транзистор, который имеет канальный слой, содержащий электронные носители с более низкой концентрацией для достижения более высокого удельного сопротивления и достижения более высокой подвижности электронов.

Вышеописанный аморфный оксид имеет хорошие характеристики, заключающиеся в том, что подвижность электронов увеличивается с увеличением концентрации электронных носителей и имеет вырожденное состояние. В этом примере тонкая пленка была сформирована на стеклянной подложке. Однако пластмассовая пластина или пленка также могут применяться в качестве подложки, поскольку образование пленки может проходить при комнатной температуре. Более того, аморфный оксид, полученный в этом примере, поглощает видимый свет только в небольшом количестве, позволяя создать прозрачный гибкий ТПТ.

(ВТОРОЙ ПРОЦЕСС ФОРМИРОВАНИЯ ПЛЕНКИ: ПРОЦЕСС НАПЫЛЕНИЯ (SP ПРОЦЕСС))

Ниже описано формирование тонкой пленки высокочастотным SP процессом в атмосфере газообразного аргона.

SP процесс проводят с использованием устройства, показанного на Фиг.15. На Фиг.15 ссылочные позиции обозначают следующее: 807 - подложку для формирования пленки; 808 - мишень; 805 - средство крепления подложки, оборудованное охлаждающим механизмом; 814 - турбомолекулярный насос; 815 - роторный насос; 817 - шторка; 818 - ионный манометр; 819 - манометр Пирани; 821 - камеру роста; и 830 - клапан затвора.

Подложка для формирования пленки представляла собой SiO₂ стеклянную подложку (Corning Co.: 1737), которую промывали для обезжиривания с использованием ультразвука ацетоном, этанолом и сверхчистой водой, по пять минут каждым, и сушили при 100°С.

Мишень представляла собой поликристаллический спеченный компакт, имеющий состав InGaO₃(ZnO)₄ (размером: 20 мм в диаметре, 5 мм в толщину), который был получен мокрым смешиванием In₂O₃, Ga₂О₃ и ZnO (4-нормальный раствор каждого реагента) в качестве материала источника (растворитель: этанол), обжигом смеси (1000°С, 2 часа), сухим измельчением и спеканием (1550°С, 2 часа). Мишень 808 имела электропроводность 90 См/см и являлась полуизолирующей.

Конечное значение вакуума в камере роста 821 составляло 1·10^-4 Торр. Во время роста общее давление кислорода и аргона поддерживали в пределах от 4 до 0,1·10^-1 Па. Отношение парциального давления аргона и кислорода изменялось в пределах парциального давления кислорода от 1·10^-3 до 2·10^-1 Па.

Температура подложки была комнатной. Расстояние между мишенью 808 и подложкой 807 для формирования пленки составляло 30 мм.

Подаваемая электрическая мощность составляла 180 Вт РЧ, и скорость формирования пленки составляла 10 нм/мин.

Полученную тонкую пленку исследовали способом малоугловой рентгенографии (SAXS) (метод тонких пленок, угол падения: 0,5°); четкого дифракционного пика не наблюдалось. Полученная таким образом тонкая пленка типа In-Ga-Zn-O считалась аморфной. Из коэффициента отражения рентгеновских лучей и анализа его паттерна была найдена среднеквадратичная неровность поверхности (Rrms), равная примерно 0,5 нм, и толщина пленки, равная примерно 120 нм. Из рентгенофлуоресцентного анализа (XRF) было найдено, что содержание металлов в пленке соответствует отношению In:Ga:Zn = 0,98:1,02:4.

Пленка была сформирована при различных парциальных давлениях кислорода среды, и измеряли электропроводность полученной аморфной оксидной пленки. Результат представлен на Фиг.3.

Как показано на Фиг.3, электропроводность может быть снижена до величины меньше чем 10 См/см путем проведением процесса формирования пленки в атмосфере с парциальным давлением кислорода превышающим 3·10^-2 Па. Количество электронных носителей может быть уменьшено путем повышения парциального давления кислорода.

Как показано на Фиг.3, например, тонкая InGaO₃(ZnO)₄ пленка, сформированная при температуре подложки, равной 25°С, и парциальном давлении кислорода 1·10^-1 Па, имела более низкую электропроводность, равную примерно 1·10^-10 См/см. Более того, тонкая InGaCO₃(ZnO)₄ пленка, сформированная при парциальном давлении кислорода 1×10^-1 Па, имела слишком высокое сопротивление, имея при этом не поддающуюся измерению электропроводность. У этой пленки, несмотря на то, что подвижность электронов не поддавалась измерению, подвижность электронов была оценена, как равная примерно 1 см²/B·с путем экстраполяции из значений пленок, имеющих более высокую концентрацию электронных носителей.

Таким образом, транзистор нормально выключенного типа, имеющий отношение включено/выключено выше чем 1·10³, может быть получен путем использования прозрачной тонкой пленки из аморфного оксида, содержащей In-Ga-Zn-O, представленной в кристаллическом состоянии как InGaO₃(ZnO)_m (m: натуральное число меньше 6), полученной способом вакуумного напыления в атмосфере аргона, содержащей кислород с парциальным давлением выше 3·10^-2 Па, предпочтительно выше 5·10^-1 Па.

При использовании устройства и материала, применяемого в этом Примере, формирование пленки напылением проводят при парциальном давлении кислорода в пределах от 3·10^-2 Па до 5·10^-1 Па. В этой связи в тонкой пленке, полученной импульсным лазерным осаждением или напылением, подвижность электронов увеличивается с увеличением количества проводящих электронов, как показано на Фиг.2.

Как описано выше, управляя парциальным давлением кислорода, можно уменьшить количество кислородных дефектов, и таким образом может быть снижена концентрация электронных носителей. В тонкой аморфной пленке подвижность электронов может быть высокой, поскольку в аморфном состоянии отсутствуют границы разделов между зернами в отличие от поликристаллического состояния.

В этой связи замена стеклянной подложки 200 мкм полиэтиленовой терефталатной (PET) пленкой не изменяет свойства сформированной на ней пленки из аморфного оксида InGaO₃(ZnO)₄.

Аморфная пленка InGaO₃(Zn_1-xMg_xO)_m (m: натуральное число меньше 6) с высоким удельным сопротивлением может быть получена путем использования в качестве мишени поликристаллического InGaO₃(Zn_1-xMg_xO)_m даже при парциальном давлении кислорода ниже 1 Па. Например, при помощи мишени, у которой 80% атомов Zn замещено Mg, можно получить концентрацию электронных носителей ниже 1·10¹⁶/см³ (удельное сопротивление: примерно 1·10^-2 См/см) при помощи импульсного лазерного осаждения в атмосфере, содержащей кислород с парциальным давлением 0,8 Па. В такой пленке подвижность электронов ниже, чем подвижность электронов в пленке, не содержащей Mg, но уменьшение является незначительным: подвижность электронов составляет примерно 5 см²/B·сек при комнатной температуре, что выше подвижности электронов в аморфном кремнии примерно на один порядок. При формировании пленок в тех же условиях увеличение содержания Mg уменьшает как электропроводность, так и подвижность электронов. Следовательно, содержание Mg составляет примерно 20%-85% (0,2<х<0,85).

В тонкопленочном транзисторе, использующем вышеописанную аморфную оксидную пленку, изолятор затвора содержит предпочтительно сложное кристаллическое соединение, состоящее из 2 или более Al₂О₃, Y₂O₃, HfO₂ и их смесей.

Наличие дефекта на границе раздела между тонкой пленкой изолирующего слоя затвора и тонкой пленкой канального слоя снижает подвижность электронов и является причиной гестерезиса рабочих характеристик транзистора. Более того, ток утечки сильно зависит от вида изолятора затвора. Следовательно, изолятор затвора необходимо выбирать таким образом, чтобы он был подходящим для канального слоя. Ток утечки можно уменьшить, используя Al₂O₃ пленку, гестерезис можно снизить, используя Y₂O₃ пленку, а электронную подвижность можно увеличить, используя HfO₂ пленку, имеющую высокую диэлектрическую постоянную. ТПТ может быть сформирован посредством использования сложного кристаллического соединения из вышеописанных оксидов, что может привести к меньшему току утечки, меньшему гистерезису и более высокой подвижности электронов. Поскольку процесс формирования изолятора затвора и процесс формирования канального слоя могут проводиться при комнатной температуре, ТПТ могут быть расположены в шахматном порядке или расположены в обратном шахматном порядке.

Таким образом, сформированный ТПТ представляет собой трехтерминальный элемент, имеющий терминал затвора, терминал истока и терминал стока. Такой ТПТ образован посредством формирования тонкой полупроводниковой пленки на изолирующей подложке из керамики, стекла или пластмассы в качестве канального слоя для переноса электронов или дырок и служит в качестве активного элемента, имеющего функцию управления током, текущим через канальный слой, путем приложения напряжения к терминалу затвора и переключения тока между терминалом истока и терминалом стока.

В настоящем изобретении также важно, чтобы планируемая концентрация электронных носителей достигалась посредством управления количеством кислородных дефектов.

В вышеприведенном описании количество кислорода в пленке из аморфного оксида управляется посредством концентрации кислорода в атмосфере формирования пленки. В противном случае количество кислородных дефектов может управляться (увеличиваться или уменьшаться) последующей обработкой оксидной пленки в атмосфере, содержащей кислород, как в предпочтительном варианте осуществления.

Для эффективного управления количеством кислородных дефектов температура атмосферы, содержащей кислород, поддерживается в пределах от 0°С до 300°С, предпочтительно от 25°С до 250°С, более предпочтительно от 100°С до 200°С.

Естественно, пленка может быть сформирована в атмосфере, содержащей кислород, и дальнейшей последующей обработкой в атмосфере, содержащей кислород. В противном случае, пленку формируют без управления парциальным давлением кислорода, а последующая обработка проходит в атмосфере, содержащей кислород, при условии, что может быть достигнута планируемая концентрация электронных носителей (менее 1·10¹⁸/см³).

Нижним пределом концентрации электронных носителей в настоящем изобретении является, например, 1·10¹⁴/см³, который зависит от типа элемента или устройства, используемого для изготовления пленки.

БОЛЕЕ ШИРОКИЙ НАБОР МАТЕРИАЛОВ

После изучения материалов для системы было обнаружено, что аморфный оксидный состав, по меньшей мере, из одного оксида из элементов Zn, In и Sn может применяться для пленки из аморфного оксида с низкой концентрацией носителей и высокой подвижностью электронов. Обнаружено, что такая пленка из аморфного оксида имеет специфическое свойство, заключающееся в том, что увеличение в ней количества электронов проводимости увеличивает подвижность электронов. Используя эту пленку, может быть изготовлен ТПТ нормально выключенного типа, который имеет хорошие свойства, такие как отношение включено/выключено, ток насыщения в состоянии отсечки и скорость переключения.

В настоящем изобретении может использоваться оксид, имеющий любую одну из рабочих характеристик (а)-(h), представленных ниже:

(a) аморфный оксид, имеющий концентрацию электронных носителей менее чем 1·10¹⁸/см³;

(b) аморфный оксид, в котором подвижность электронов увеличивается с увеличением концентрации электронных носителей;

(Под комнатной температурой имеется в виду температура в пределах от примерно 0°С до примерно 40°С. Термин "аморфное соединение" обозначает соединение, которое имеет только гало-паттерн без характерного дифракционного паттерна в дифракционном спектре рентгеновских лучей. Подвижность электронов означает подвижность, измеренную при помощи эффекта Холла.)

(c) Аморфный оксид, упомянутый выше в пунктах (а) и (b), в котором подвижность электронов при комнатной температуре выше чем 0,1 см²/В·сек;

(d) аморфный оксид, упомянутый выше в пунктах (b)-(с), имеющий вырожденный характер проводимости;

(Термин "вырожденный характер проводимости" означает состояние, при котором энергия термической активации в температурной зависимости удельного сопротивления не превышает 30 мэВ.)

(e) аморфный оксид, упомянутый выше в любом из пунктов (а)-(d), который в качестве составляющего элемента содержит, по меньшей мере, один из элементов Zn, In и Sn;

(f) пленка из аморфного оксида, выполненная из аморфного оксида, описанного выше в пункте (е), и дополнительно, по меньшей мере, одного элемента из:

элементов группы 2 М2 с атомным номером меньше чем у Zn (Mg и Са),

элементов группы 3 М3 с атомным номером меньше чем у In (В, Al, Ga и Y),

элементов группы 4 М4 с атомным номером меньше чем у Sn (Si, Ge и Zr),

элементов группы 5 М5 (V, Nb и Та) и

Lu и W для уменьшения концентрации электронных носителей;

(g) пленка из аморфного оксида, описанная выше в любом из пунктов (а)-(f), состоящая из одного соединения, имеющего состав In_1-хМ3_хО₃(Zn_1-yM2_yO)_m (0≤х≤1; 0≤y≤1; m: 0 или натуральное число меньше 6) в кристаллическом состоянии, или смесь соединений с различным m, например, из М3, представляющим собой Ga, и, например, из М2, представляющим собой Mg; и

(h) пленка из аморфного оксида, описанная выше в любом из пунктов (а)-(g), сформированная на пластмассовой подложке или пластмассовой пленке.

Настоящее изобретение также предоставляет полевой транзистор, использующий в качестве канального слоя вышеописанный аморфный оксид или пленку из аморфного оксида.

Полевой транзистор изготавливают с использованием в качестве канального слоя пленки из аморфного оксида, которая имеет концентрацию электронных носителей менее чем 1·10¹⁵/см³, но более чем 1·10¹⁵/см³, и который имеет терминал истока, терминал стока и терминал затвора с расположенным между ними изолятором затвора. Если между терминалами истока и стока прикладывают напряжение примерно 5 В без приложения напряжения затвора, электрический ток между терминалами истока и стока составляет примерно 1·10^-7 ампер.

Подвижность электронов в кристаллическом оксиде увеличивается с увеличением перекрытий s-орбиталей у ионов металла. В кристалле оксида из Zn, In или Sn с большими атомными номерами электронная подвижность находится в пределах от 0,1 до 200 см²/B·сек.

В оксиде ионы кислорода и металла связаны ионными связями, не имеющими ориентации и имеющими случайную структуру. Следовательно, в оксиде в аморфном состоянии подвижность электронов может быть сравнима с подвижностью электронов в кристаллическом состоянии.

С другой стороны, замена Zn, In или Sn элементами с меньшими атомными номерами уменьшает подвижность электронов. Таким образом, подвижность электронов в аморфном оксиде настоящего изобретения находится в пределах от 0,01 до 20 см²/В·сек.

В транзисторе, имеющем канальный слой, состоящий из вышеописанного оксида, изолятор затвора предпочтительно формируют из Al₂O₃, Y₂O₃, HfO₂ или смешанного кристаллического соединения, содержащего два или более из этих оксидов.

Наличие дефекта на границе раздела между тонкой пленкой, изолирующей затвор, и тонкой пленкой канального слоя уменьшает подвижность электронов и вызывает гестерезис рабочих характеристик транзистора. Более того, ток утечки сильно зависит от вида изолятора затвора. Следовательно, изолятор затвора следует выбирать таким образом, чтобы он подходил для канального слоя. Ток утечки можно уменьшить, используя пленку из Al₂O₃, гестерезис можно уменьшить, используя пленку из Y₂О₃, и подвижность электронов можно увеличить, используя пленку из HfO₂, имеющую высокую диэлектрическую постоянную. При использовании сложного кристаллического соединения вышеуказанных оксидов может быть изготовлен ТПТ, который имеет меньший ток утечки, меньший гестерезис и имеет большую подвижность электронов. Поскольку процесс формирования изолятора затвора и процесс формирования канального слоя могут проходить при комнатной температуре, может быть сформирован ТПТ, имеющий шахматную структуру или обратную шахматную структуру.

Пленка из оксида In₂O₃ может быть сформирована осаждением из газовой фазы, а добавление паров воды с парциальным давлением, равным примерно 0,1 Па, в атмосферу формирования пленки делает формируемую пленку аморфной.

ZnO и SnO₂ соответственно не могут быть легко сформированы в виде аморфной пленки. Для формирования пленки из ZnO в аморфном виде добавляют In₂O₃ в количестве, равном примерно 20 атом%. Для формирования пленки из SnO₂ в аморфном виде добавляют In₂O₃ в количестве, равном 90 атом%. При формировании аморфной пленки типа Sn-In-O в атмосферу формирования пленки вводят газообразный азот с парциальным давлением, равным примерно 0,1 Па.

В вышеописанную пленку может быть добавлен элемент, способный формировать сложный оксид, выбранный из элементов М2 группы 2 с атомным номером меньшим, чем у Zn (Mg и Са), элементов М3 группы 3 с атомным номером меньшим, чем у In (В, Al, Ga и Y), элементов М4 группы 4 с атомным номером меньшим, чем у Sn (Si, Ge и Zr), элементов М5 группы 5 (V, Nb и Та), Lu и W. Добавление вышеуказанных элементов стабилизирует аморфную пленку при комнатной температуре и расширяет набор композиций для формирования аморфной пленки.

В частности, добавление В, Si или Ge приводит к формированию ковалентной связи, которая эффективна для стабилизации аморфной фазы. Добавление сложного оксида, состоящего из ионов, имеющих сильно различающиеся радиусы ионов, является эффективным для стабилизации аморфной фазы. Например, в системе In-Zn-O для формирования пленки, стабильной при комнатной температуре, должен содержаться In в количестве больше чем 20 атом%. Однако добавление Mg в количестве, равном In, дает возможность формировать стабильную аморфную пленку в композиции с содержанием In меньше чем 15 атом%.

При формировании пленки осаждением из газовой фазы пленка из аморфного оксида с концентрацией электронных носителей, находящихся в пределах от 1·10¹⁵/см³ до 1·10¹⁸/см³, может быть получена путем управления атмосферой формирования пленки.

Пленка из аморфного оксида может быть подходящим образом сформирована при помощи процесса осаждения, например, процессом импульсного лазерного осаждения (процесс PLD), процессом напыления (процессом SP) и процессом осаждения с использованием электронно-лучевого испарения. Для процессов осаждения из газовой фазы процесс PLD является подходящим с точки зрения легкости управления составом материала, в то время как процесс SP является подходящим с точки зрения массового производства. Однако процесс формирования тонкой пленки этим не ограничен.

ФОРМИРОВАНИЕ ПЛЕНКИ ИЗ АМОРФНОГО ОКСИДА ТИПА In-Zn-Ga-O ПРИ ПОМОЩИ ПРОЦЕССА PLD

Аморфный оксид типа In-Zn-Ga-O осаждали на стеклянную подложку (Corning Co.: 1737) процессом PLD, используя KrF эксимерный лазер с поликристаллическим спеченным компактом в качестве мишени, имеющим состав InGaO₃(ZnO) или InGaO₃(ZnO)₄.

Использовали устройство, показанное на Фиг.14, которое упомянуто выше, и условия формирования пленки были такими же, как было описано выше для данного устройства.

Температура подложки составляла 25°С.

Две полученные тонкие пленки исследовали способом малоугловой рентгенографии (SAXS) (метод тонких пленок, угол падения: 0,5°): четкого дифракционного пика не наблюдалось, что показало, что полученные тонкие пленки типа In-Ga-Zn-O, изготовленные с использованием двух разных мишеней, были аморфными.

Из коэффициента отражения рентгеновских лучей и анализа его паттерна была найдена среднеквадратичная неровность поверхности (Rrms), равная примерно 0,5 нм, и толщина пленки, равная примерно 120 нм. Из рентгенофлуоресцентного анализа (XRF) было найдено, что пленка, полученная с мишенью из поликристаллического спеченного компакта InGaO₃(ZnO), имела содержание металлов с отношением In:Ga:Zn = 1,1:1,1:0,9, в то время как пленка, полученная с мишенью из поликристаллического спеченного компакта InGaO₃(ZnO)₄, имела содержание металлов с отношением In:Ga:Zn = 0,98:1,02:4.

Пленки из аморфного оксида формировали при разных парциальных давлениях атмосферы для формирования пленки с мишенью, имеющей состав InGaO₃(ZnO)₄. У сформированных пленок из аморфного оксида измеряли концентрацию электронных носителей. Результаты представлены на Фиг.1. При формировании пленки в атмосфере, имеющей парциальное давление кислорода выше чем 4,2 Па, концентрация электронных носителей могла быть снижена до величины, не превышающей 1·10¹⁸/см³, как показано на Фиг.1. При таком формировании пленки подложка может находиться практически при комнатной температуре без необходимости нагревания. При парциальном давлении кислорода ниже чем 6,5 Па поверхности полученных пленок из аморфного оксида были плоскими.

При парциальном давлении кислорода, равном 5 Па, в аморфной пленке, сформированной с мишенью InGaO₃(ZnO)₄, концентрация электронных носителей составляла 1·10¹⁶/см³, электропроводность была равна 1·10^-2 См/см, а подвижность электронов в ней была оценена равной примерно 5 см²/В·с. Из анализа спектра поглощения света была оценена ширина запрещенной зоны в оптическом диапазоне в полученной тонкой аморфной оксидной пленке, которая составляла примерно 3 эВ.

Более высокое парциальное давление дополнительно уменьшает концентрацию электронных носителей. Как показано на Фиг.1, в пленке из аморфного оксида типа In-Zn-Ga-O, сформированной при температуре подложки 25°С и при парциальном давлении кислорода, равном 6 Па, концентрация электронных носителей была ниже 8·10¹⁵/см³ (электропроводность: примерно 8·10^-3 См/см). Подвижность электронов в пленке была оценена, как равная 1 см²/B·с или более. Однако при использовании процесса PLD при парциальном давлении кислорода, равном 6,5 Па или выше, нанесенная пленка имела неровную поверхность и не была подходящей для использования в качестве канального слоя ТПТ.

Пленки из аморфного оксида типа In-Zn-Ga-O формировали при разных парциальных давлениях кислорода в атмосфере формирования пленки с мишенью, состоящей из поликристаллического спеченного компакта, имеющего состав InGaO₃(ZnO)₄ . В полученных пленках исследовали связь между концентрацией электронных носителей и подвижностью электронов. Результаты показаны на Фиг.2. При увеличении концентрации электронных носителей от 1·10¹⁶/см³ до 1·10²⁰/см³, подвижность электронов увеличивалась от примерно 3 см²/В·с до примерно 11 см²/В·с. Такая же тенденция наблюдалась у аморфных оксидных пленок, полученных с использованием поликристаллической спеченной InGaO₃(ZnO) мишени.

Пленка из аморфного оксида типа In-Zn-Ga-O, которую формировали на 200 мкм полиэтиленовой терефталатной (PET) пленке вместо стеклянной подложки, имела аналогичные характеристики.

ФОРМИРОВАНИЕ ПЛЕНКИ ИЗ АМОРФНОГО ОКСИДА ТИПА In-Zn-Ga-Mg-O

ПРИ ПОМОЩИ ПРОЦЕССА PLD

Пленку из InGaO₃(Zn_1-xMg_xO)₄ (0<х≤1) формировали на стеклянной подложке при помощи процесса PLD, используя мишень InGaO₃(Zn_1-xMg_xO)₄ (0<x≤1). Используемое устройство показано на Фиг.14.

В качестве подложки использовали стеклянную подложку (Corning Со.: 1737). В качестве предварительной обработки перед осаждением подложку промывали для обезжиривания с использованием ультразвука ацетоном, этанолом и сверхчистой водой, по пять минут каждым, и сушили при 100°С. Мишень представляла собой спеченный компакт InGaO₃(Zn_1-xMg_xO)₄ (x=1-0) (размер: 20 мм в диаметре, 5 мм в толщину). Мишень получали мокрым смешиванием исходных материалов In₂O₃, Ga₂О₃ и ZnO (4-нормальный раствор каждого реагента) (растворитель: этанол), обжигом смеси (1000°С, 2 часа), сухим измельчением и спеканием (1550°С, 2 часа). Конечное давление в камере роста составляло 2·10^-6 Па. Парциальное давление кислорода во время роста поддерживали равным 0,8 Па. Температура подложки была равна комнатной температуре (25°С). Расстояние между мишенью и подложкой для формирования пленки составляло 30 мм. KrF эксимерный лазер излучал с мощностью 1,5 мДж/см²/импульс с длительностью импульса 20 нс, частотой повторения 10 Гц, и точка облучения представляла собой квадрат 1×1 мм. Скорость формирования пленки составляла 7 нм/мин. Парциальное давление кислорода в атмосфере формирования пленки составляло 0,8 Па. Температура подложки была равна 25°С.

Полученную тонкую пленку исследовали способом малоугловой рентгенографии (SAXS) (метод тонких пленок, угол падения: 0,5°): четкого дифракционного пика не наблюдалось. Таким образом, полученная тонкая пленка типа In-Ga-Zn-Mg-O была аморфной. Полученная пленка имела плоскую поверхность.

Используя мишени с различными значениями х (с разным содержанием Mg) пленку из аморфного оксида типа In-Ga-Zn-Mg-O формировали при парциальном давлении кислорода, равном 0,8 Па в атмосфере для формирования пленки с целью изучения зависимости проводимости, концентрации электронных носителей и подвижности электронов от величины х.

Результаты приведены на фиг.4А, 4В и 4С. Если величина х больше 0,4, пленки из аморфного оксида, сформированные при помощи процесса PLD при парциальном давлении кислорода в атмосфере, равном 0,8 Па, концентрация электронных носителей уменьшалась до величины, меньшей чем 1·10¹⁸/см³. В аморфной пленке со значением х большим 0,4 подвижность электронов превышала величину 1 см²/В·с.

Как показано на фиг.4А, 4В и 4С, концентрация электронных носителей ниже чем 1·10¹⁶/см³ может быть получена в пленке, изготовленной способом импульсного лазерного осаждения с использованием мишени, у которой 80 атом% Zn заменено Mg, и при парциальном давлении кислорода, равном 0,8 Па (удельное сопротивление: примерно 1·10^-2 См/см). В такой пленке подвижность электронов ниже по сравнению с пленкой, не содержащей Mg, но не намного. Подвижность электронов в пленках составляет примерно 5 см²/В·с, что превышает подвижность электронов в аморфном кремнии примерно на один порядок. В тех же самых условиях формирования пленки как электропроводность, так и подвижность электронов в пленке уменьшаются с увеличением содержания Mg. Следовательно, предпочтительным является, чтобы содержание Mg в пленке составляло больше 20 амтом % и меньше 85 атом % (0,2<х<0,85), более предпочтительно 0,5<х<0,85.

Аморфная пленка из InGaO₃(Zn_1-xMg_xO)₄ (0<х<1), сформированная на 200 мкм полиэтиленовой терфталатной (PET) пленке вместо стеклянной подложки, имеет аналогичные характеристики.

ФОРМИРОВАНИЕ ПЛЕНКИ ИЗ АМОРФНОГО ОКСИДА In₂О₃ ПРИ ПОМОЩИ ПРОЦЕССА PLD

In₂O₃ пленку формировали на 200 мкм пленке PET, используя мишень, состоящую из In₂О₃ поликристаллического спеченного компакта при помощи процесса PLD, используя KrF эксимерный лазер.

Использованное устройство показано на Фиг.14. Подложка для формирования пленки представляла собой SiO₂ стеклянную подложку (Corning Со.: 1737).

В качестве предварительной обработки перед осаждением подложку промывали для обезжиривания с использованием ультразвука ацетоном, этанолом и сверхчистой водой, по пять минут каждым, и сушили при 100°С.

Мишень представляла собой In₂О₃ спеченный компакт (размер: 20 мм в диаметре и 5 мм в толщину), которую получали обжигом исходного реагента In₂O₃ (4 нормальный раствор реагента) (1000°С, 2 часа), сухим измельчением и спеканием (1550°С, 2 часа).

Конечное давление в камере роста составляло 2·10^-6 Па, парциальное давление кислорода во время роста было равно 5 Па, и температура подложки равна 25°С.

Парциальное давление паров воды составляло 0,1 Па, и радикалы кислорода генерировались прибором для генерации радикалов кислорода при приложенной мощности 200 Вт.

Расстояние между мишенью и подложкой для формирования пленки составляло 40 мм, мощность KrF эксимерного лазера составляла 0,5 мДж/см²/импульс с длительностью импульса 20 нс, частотой повторения 10 Гц, и точка облучения представляла собой квадрат размером 1×1 мм.

Скорость формирования пленки составляла 3 нм/мин.

Полученную тонкую пленку исследовали способом малоугловой рентгенографии (SAXS) (метод тонких пленок, угол падения: 0,5°); четкого дифракционного пика не наблюдалось, что показало, что полученная пленка типа In-O была аморфной. Толщина пленки составила 80 нм.

В полученной пленке из аморфного оксида типа In-O концентрация электронных носителей составляла 5·10¹⁷/см³, и подвижность электронов была равна примерно 7 см²/В·с.

Формирование пленки из аморфного оксида типа In-Sn-O при помощи процесса PLD

Оксидную пленку типа In-Sn-O формировали на 200 мкм пленке PET, используя мишень, состоящую из поликристаллического спеченного компакта (In_0,9Sn_0,1)O_3,1 при помощи процесса PLD, используя KrF эксимерный лазер. Использованное устройство показано на Фиг.14.

Подложка для формирования пленки представляла собой SiO₂ стеклянную подложку (Corning Co.: 1737).

В качестве предварительной обработки перед осаждением подложку промывали для обезжиривания с использованием ультразвука ацетоном, этанолом и сверхчистой водой, по пять минут каждым, и сушили при 100°С.

Мишень представляла собой In₂О₃-SnO₂ спеченный компакт (размер: 20 мм в диаметре и 5 мм в толщину), которую получали мокрым смешиванием исходных материалов In₂O₃-SnO₂ (4-нормальный раствор реагента) (растворитель: этанол), обжигом смеси (1000°С, 2 часа), сухим измельчением и спеканием (1550°С, 2 часа).

Подложка находилась при комнатной температуре. Парциальное давление кислорода было равно 5 Па. Парциальное давление азота составляло 0,1 Па. Радикалы кислорода генерировались прибором для генерации радикалов кислорода при приложенной мощности 200 Вт.

Расстояние между мишенью и подложкой для формирования пленки составляло 30 мм, мощность KrF эксимерного лазера составляла 0,5 мДж/см²/импульс с длительностью импульса 20 нс, частотой повторения 10 Гц, и точка облучения представляла собой квадрат с размером 1×1 мм.

Скорость формирования пленки составляла 6 нм/мин.

Полученную тонкую пленку исследовали способом малоугловой рентгенографии (SAXS) (метод тонких пленок, угол падения: 0,5°); четкого дифракционного пика не наблюдалось, что показало, что полученная пленка типа In-Sn-O была аморфной.

В полученной пленке из аморфного оксида типа In-Sn-O концентрация электронных носителей составляла 8·10¹⁷/см³, и подвижность электронов была равна примерно 5 см²/B·с. Толщина пленки составляла 100 нм.

ФОРМИРОВАНИЕ ПЛЕНКИ ИЗ АМОРФНОГО ОКСИДА ТИПА In-Ga-O ПРИ ПОМОЩИ ПРОЦЕССА PLD

Подложка для формирования пленки представляла собой SiO₂ стеклянную подложку (Corning Со.: 1737).

В качестве предварительной обработки перед осаждением подложку промывали для обезжиривания с использованием ультразвука ацетоном, этанолом и сверхчистой водой, по пять минут каждым, и сушили при 100°С.

Мишень представляла собой спеченный компакт (In₂O₃)_1-х-(Ga₂О₃)_х (х=0-1) (размер: 20 мм в диаметре и 5 мм в толщину). Например, при х=0,1, мишень представляет собой поликристаллический спеченный компакт (In_0,9Ga_0,1)₂O₃.

Мишень получали мокрым смешиванием исходных материалов In₂O₃-Ga₂O₃ (4-нормальный раствор реагентов) (растворитель: этанол), обжигом смеси (1000°С, 2 часа), сухим измельчением и спеканием (1550°С, 2 часа).

Конечное давление в камере роста составляло 2·10^-6 Па. Парциальное давление кислорода во время роста было равно 1 Па.

Подложка находилась при комнатной температуре. Расстояние между мишенью и подложкой для формирования пленки составляло 30 мм. Мощность KrF эксимерного лазера составляла 1,5 мДж/см²/импульс с длительностью импульса 20 нс, частотой повторения 10 Гц. Точка облучения представляла собой квадрат с размером 1×1 мм. Скорость формирования пленки составляла 6 нм/мин.

Температура подложки была равна 25°С. Парциальное давление кислорода составляло 1 Па. Полученную тонкую пленку исследовали способом малоугловой рентгенографии (SAXS) (метод тонких пленок, угол падения: 0,5°): четкого дифракционного пика не наблюдалось, что показало, что полученная пленка типа In-Ga-O была аморфной.

В полученной пленке из аморфного оксида типа In-Ga-O концентрация электронных носителей составляла 8·10¹⁶/см³, и подвижность электронов была равна примерно 1 см²/B·с.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТА ТПТ С ПЛЕНКОЙ ИЗ АМОРФНОГО ОКСИДА ТИПА In-Ga-Zn-O (СТЕКЛЯННАЯ ПОДЛОЖКА)

Изготовили ТПТ с верхним затвором, показанный на Фиг.5.

Сначала пленку из аморфного оксида типа In-Ga-Zn-O изготовили на стеклянной подложке 1 при помощи вышеуказанного устройства PLS, используя мишень, состоящую из поликристаллического спеченного компакта, имеющего состав InGaO₃(ZnO)₄ при парциальном давлении кислорода, равном 5 Па. Сформированная In-Ga-Zn-O пленка имела толщину 120 нм и была использована в качестве канального слоя 2.

Далее, способом PLD при парциальном давлении кислорода в камере ниже 1 Па были наслоены еще одна пленка из аморфного оксида типа In-Ga-Zn-O с большей подвижностью электронов и золотой слой, каждая из которых имела толщину 30 нм. Затем из них были сформированы терминал 5 стока и терминал 6 истока способом фотолитографии и обратной литографии.

Наконец, способом осаждения с использованием электронно-лучевого испарения была сформирована Y₂O₃ пленка в качестве изолятора затвора (толщина: 90 нм, относительная диэлектрическая постоянная: примерно 15, плотность тока утечки: 1·10^-3 А/см² при приложении напряжения 0,5 МВ/см). Далее была сформирована золотая пленка, из которой затем способом фотолитографии и способом обратной литографии был сформирован терминал 4 затвора. Длина канала составила 50 мкм, а ширина - 200 мкм.

ОЦЕНКА РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТА ТПТ

На Фиг.6 показана вольт-амперная характеристика элемента ТПТ при комнатной температуре. Ток стока I_DS увеличивается с увеличением напряжения стока V_DS, что показывает, что канал имеет проводимость n-типа.

Это согласуется с тем фактом, что аморфный полупроводник типа In-Ga-Zn-O является полупроводником n-типа. I_DS насыщается (отсекается) при V_DS=6 В, что характерно для полупроводникового транзистора. Из оценки рабочих характеристик затвора найдено, что пороговая величина напряжения затвора V_GS при приложении напряжения V_DS=4 В составляет примерно -0,5 В. Ток I_DS=1,0·10^-5 А возникает при V_G=10 В. Это соответствует влиянию смещения на затворе на носители в полупроводниковой тонкой аморфной In-Ga-Zn-O пленке, используемой в качестве изолятора.

Отношение включено/выключено транзистора выше чем 1·10³. Из выходных рабочих характеристик вычислили дрейфовую подвижность, которая в области насыщения составляла примерно 7 см²/B·с. Облучение видимым светом не меняло рабочих характеристик полученного элемента согласно тем же измерениям.

Аморфный оксид с концентрацией электронных носителей ниже чем 1·10¹⁸/см³ может использоваться в качестве канального слоя ТПТ. Более предпочтительна концентрация электронных носителей ниже чем 1·10¹⁷/см³, еще более предпочтительна - ниже чем 1·10¹⁶/см³.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТА ТПТ С ПЛЕНКОЙ ИЗ АМОРФНОГО ОКСИДА ТИПА In-Zn-Ga-O (АМОРФНАЯ ПОДЛОЖКА)

Изготовили элемент ТПТ с верхним затвором, показанный на Фиг.5.

Сначала пленку из аморфного оксида типа In-Ga-Zn-O изготовили на полиэтиленовой терфталатной (PET) подложке 1 при помощи вышеуказанного устройства PLS, используя мишень, состоящую из поликристаллического спеченного компакта, имеющего состав InGaO₃(ZnO) при парциальном давлении кислорода в атмосфере, равном 5 Па. Сформированная пленка имела толщину 120 нм и была использована в качестве канального слоя 2.

Далее, способом PLD при парциальном давлении кислорода в камере ниже 1 Па были наслоены еще одна пленка из аморфного оксида типа In-Ga-Zn-O с большей подвижностью электронов и золотой слой, каждый из которых имел толщину 30 нм. Затем из них были сформированы терминал 5 стока и терминал 6 истока способом фотолитографии и обратной литографии.

Наконец, способом осаждения с использованием электронно-лучевого испарения был сформирован изолятор 3 затвора. Далее на нем была сформирована золотая пленка, из которой затем способом фотолитографии и способом обратной литографии был сформирован терминал 4 затвора. Длина канала составила 50 мкм, а ширина - 200 мкм. Три ТПТ вышеописанной структуры изготовили, используя соответственно один из трех видов изоляторов затвора: Y₂О₃ (толщиной 140 нм), Al₂О₃ (толщиной 130 мкм) и HfO₂ (толщиной 140 мкм).

ОЦЕНКА РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТА ТПТ

Элементы ТПТ, сформированные на пленке PET, при комнатной температуре имели вольт-амперные характеристики, аналогичные тем, которые показаны на Фиг.6. Ток стока I_DS увеличивается с увеличением напряжения стока V_DS, что показывает, что канал имеет проводимость n-типа. Это согласуется с тем фактом, что полупроводник типа In-Ga-Zn-O является полупроводником n-типа. I_DS насыщается (отсекается) при V_DS=6 В, что характерно для полупроводникового транзистора. Ток I_DS=1,0·10^-8 А возникает при V_G=0 В, а ток I_DS=2,0·10^-5 А возникает при V_G=10 В. Это соответствует влиянию смещения на затворе на носители в изоляторе в полупроводниковой тонкой аморфной In-Ga-Zn-O пленке.

Отношение включено/выключено транзистора выше чем 1·10³. Из выходных рабочих характеристик вычислили дрейфовую подвижность, которая в области насыщения составляла примерно 7 см²/B·с.

Элементы, сформированные на пленке PET, были согнуты до радиуса кривизны 30 мм, и в таком состоянии были измерены рабочие характеристики транзистора. Однако в рабочих характеристиках изменения не наблюдались. Облучение видимым светом не меняло рабочих характеристик транзистора.

ТПТ, использующий в качестве изолятора затвора Al₂O₃ пленку, также имел рабочие характеристики транзистора, аналогичные тем, как показано на Фиг.6. Ток I_DS=1,0·10^-8 А возникает при V_G=0 В, а ток I_DS=5,0·10^-6 А возникает при V_G=10 В. Отношение включено/выключено транзистора выше чем 1·10². Из выходных характеристик была вычислена дрейфовая подвижность, которая в области насыщения составляла 2 см²/B·с.

ТПТ, использующий в качестве изолятора затвора HfO₂ пленку, также имел рабочие характеристики транзистора, аналогичные тем, как показано на Фиг.6. Ток I_DS=1,0·10^-8 А возникает при V_G=0 В, а ток I_DS=1,0·10^-6 А возникает при V_G=10 В. Отношение включено/выключено транзистора выше чем 1·10². Из выходных характеристик была вычислена дрейфовая подвижность, которая в области насыщения составляла 10 см²/В·с.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТА ТПТ С ПЛЕНКОЙ ИЗ АМОРФНОГО ОКСИДА In₂О₃ ТИПА ПРИ ПОМОЩИ СПОСОБА PLD

Изготовили ТПТ с верхним затвором, показанный на Фиг.5.

Сначала на полиэтиленовой терфталатной (PET) подложке 1 способом PLD изготовили пленку из аморфного оксида типа In₂O₃ в качестве канального слоя 2 толщиной 80 нм.

Далее, способом PLD при парциальном давлении кислорода в камере ниже 1 Па и приложенном напряжении, равном 0 В, к устройству генерации радикалов кислорода на нее были наслоены еще одна пленка из аморфного оксида типа In₂O₃ с большей подвижностью электронов и золотой слой, каждый из которых имел толщину 30 нм. Затем из них были сформированы терминал 5 стока и терминал 6 истока способом фотолитографии и обратной литографии.

Наконец, способом осаждения с использованием электронно-лучевого испарения была сформирована Y₂О₃ пленка в качестве изолятора 3 затвора. Далее на ней была сформирована золотая пленка, из которой затем способом фотолитографии и способом обратной литографии был сформирован терминал 4 затвора.

ОЦЕНКА РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТА ТПТ

Изучали вольт-амперные характеристики элементов, сформированных на пленке PET при комнатной температуре. Ток стока I_DS увеличивался с увеличением напряжения стока V_DS, что показало, что канал имеет проводимость n-типа. Это согласуется с тем фактом, что аморфная оксидная пленка типа In-O является полупроводником n-типа. I_DS насыщается (отсекается) при V_DS=6 В, что характерно для полупроводникового транзистора. Ток I_DS=2,0·10^-8 А возникает при V_G=0 В, а ток I_DS=2,0·10^-6 А возникает при V_G=10 В. Это соответствует влиянию смещения на затворе на носители в полупроводниковой тонкой аморфной In-O пленке.

Отношение включено/выключено транзистора выше чем 1·10². Из выходных рабочих характеристик вычислили дрейфовую подвижность, которая в области насыщения составляла примерно 1·10 см²/B·с. ТПТ элемент, сформированный на стеклянной подложке, имел аналогичные характеристики.

Элементы, сформированные на пленке PET, были согнуты до радиуса кривизны 30 мм, и в таком состоянии были измерены рабочие характеристики транзистора. В рабочих характеристиках изменения не наблюдались.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ТПТ С ПЛЕНКОЙ ИЗ АМОРФНОГО ОКСИДА ТИПА In-Sn-O ПРИ ПОМОЩИ ПРОЦЕССА PLD

Изготовили ТПТ с верхним затвором, показанный на Фиг.5.

Сначала на полиэтиленовой терфталатной (PET) пленке 1 способом PLD сформировали пленку из аморфного оксида типа In-Sn-O толщиной 100 нм в качестве канального слоя 2.

Далее на нее способом PLD при парциальном давлении кислорода в камере ниже 1 Па и приложенном напряжении 0 В к устройству генерации радикалов кислорода были наслоены еще одна пленка из аморфного оксида In-Sn-O с большей подвижностью электронов и золотой слой, каждый из которых имел толщину 30 нм. Затем из них были сформированы терминал 5 стока и терминал 6 истока способом фотолитографии и обратной литографии.

Наконец, способом осаждения с использованием электронно-лучевого испарения была сформирована Y₂O₃ пленка в качестве изолятора 3 затвора. Далее на ней была сформирована золотая пленка, из которой затем способом фотолитографии и способом обратной литографии был сформирован терминал 4 затвора.

ОЦЕНКА РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТА ТПТ

Исследовали вольт-амперные характеристики элементов ТПТ, сформированных на PET пленке при комнатной температуре. Ток стока I_DS увеличивался с увеличением напряжения стока V_DS, что показывает, что канал имеет проводимость n-типа. Это согласуется с тем фактом, что пленка из аморфного оксида типа In-Sn-O является полупроводником n-типа. I_DS насыщается (отсекается) при V_DS=6 В, что характерно для транзистора. Ток I_DS=5·10^-8 А возникает при V_G=0 В, а ток I_DS=5,0·10^-5 А возникает при V_G=10 В. Это соответствует влиянию смещения на затворе на носители в изоляторе, пленке из аморфного оксида типа In-Sn-O.

Отношение включено/выключено транзистора составляло примерно 1·10³. Из выходных рабочих характеристик вычислили дрейфовую подвижность, которая в области насыщения составляла примерно 5 см²/В·с. ТПТ элемент, сформированный на стеклянной подложке, имел аналогичные характеристики.

Элементы, сформированные на пленке PET, были согнуты до радиуса кривизны 30 мм, и в таком состоянии были измерены рабочие характеристики транзистора. В рабочих характеристиках изменения не наблюдались.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТА ТПТ С ПЛЕНКОЙ ИЗ АМОРФНОГО ОКСИДА ТИПА In-Ga-O ПРИ ПОМОЩИ ПРОЦЕССА PLD

Изготовили ТПТ с верхним затвором, показанный на Фиг.5.

Сначала на полиэтиленовой терфталатной (PET) пленке 1 способом PLD, показанным в примере 6, формировали пленку 2 из аморфного оксида типа In-Ga-O толщиной 120 нм в качестве канального слоя.

Далее на нее способом PLD при парциальном давлении кислорода в камере ниже 1 Па и приложенном напряжении 0 В к устройству генерации радикалов кислорода были наслоены еще одна пленка из аморфного оксида типа In-Ga-O с большей подвижностью электронов и золотой слой, каждая из которых имела толщину 30 нм. Затем из них были сформированы терминал 5 стока и терминал 6 истока способом фотолитографии и обратной литографии.

Наконец, способом осаждения с использованием электронно-лучевого испарения была сформирована Y₂O₃ пленка в качестве изолятора 3 затвора. Далее на ней была сформирована золотая пленка, из которой затем способом фотолитографии и способом обратной литографии был сформирован терминал 4 затвора.

ОЦЕНКА РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТА ТПТ

Исследовали вольт-амперные характеристики элементов ТПТ, сформированных на PET пленке при комнатной температуре. Ток стока I_DS увеличивался с увеличением напряжения стока V_DS, что показало, что канал имеет проводимость n-типа. Это согласуется с тем фактом, что пленка из аморфного оксида типа In-Ga-O является полупроводником n-типа. I_DS насыщается (отсекается) при V_DS=6 В, что характерно для транзистора. Ток I_DS=1·10^-8 А возникал при V_G=0 В, а ток I_DS=1,0·10^-6 А возникал при V_G=10 В. Это соответствует влиянию смещения на затворе на носители в изоляторе, пленке из аморфного оксида типа In-Ga-O.

Отношение включено/выключено транзистора составляло примерно 1·10². Из выходных рабочих характеристик вычислили дрейфовую подвижность, которая в области насыщения составляла примерно 0,8 с²/B·с. ТПТ элемент, сформированный на стеклянной подложке, имел аналогичные характеристики.

Элементы, сформированные на пленке PET, были изогнуты с радиусом кривизны 30 мм, и в таком состоянии были измерены рабочие характеристики транзистора. В рабочих характеристиках изменения не наблюдались.

Аморфный оксид с концентрацией электронных носителей ниже чем 1·10¹⁸/см³ может использоваться в качестве канального слоя ТПТ. Более предпочтительна концентрация электронных носителей ниже чем 1·10¹⁷/см³, еще более предпочтительна - ниже чем 1·10¹⁶/см³.

Ниже описаны варианты осуществления светоизлучающего устройства согласно настоящему изобретению.

ПРИМЕР 1

Ниже более подробно описан пример светоизлучающего устройства со ссылкой на вариант осуществления.

На подложке сформировали аморфную тонкую In-Ga-Zn-O пленку таким образом, чтобы получилась композиция In:Ga:Zn = 0,98:1,02:4, при помощи уже описанного способа PLD.

МДП с верхним затвором, показанный на Фиг.5, изготовили при помощи этапов, на которых:

сначала на стеклянной подложке (1) сформировали полуизолирующую аморфную InGaO₃(ZnO)₄ пленку толщиной 120 нм, которую использовали в качестве канального слоя (2), способом получения вышеописанной тонкой аморфной In-Ga-Zn-O пленки; на нее нанесли InGaO₃(ZnO)₄ пленку с высокой электропроводностью и золотую пленку соответственно толщиной 30 нм способом импульсного лазерного осаждения в камере с парциальным давлением кислорода, не превышающим 1 Па, и сформировали терминал (5) стока и терминал (6) истока способами фотолитографии и обратной литографии; и наконец, сформировали Y₂O₃ пленку, которую использовали в качестве изолирующего слоя (3) затвора способом с использованием электронно-лучевого вакуумного осаждения (толщина: 90 нм, относительная диэлектрическая постоянная: примерно 15 и плотность тока утечки: 1·10^-3 А/см² при приложенном напряжении 0,5 МВ/см), сформировали на ней золотую пленку и сформировали терминал (4) затвора способами фотолитографии и обратной литографии.

ОЦЕНКА РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТА МДП ТРАНЗИСТОРА

На Фиг.6 представлены вольт-амперные характеристики элемента МДП, измеренные при комнатной температуре. При увеличении напряжения стока V_DS ток стока I_DS также увеличивается, что говорит о том, что канал имеет проводимость n-типа. Результат не противоречит тому факту, что аморфный полупроводник на основе In-Ga-Zn-O имеет проводимость n-типа. Элемент МДП функционировал как обычный полупроводниковый транзистор, у которого происходило насыщение I_DS (отсечка) при V_DS, равном примерно 6 В. В результате проведенной оценки рабочих характеристик затвора пороговое значение напряжения затвора V_DS составляло примерно -0,5 В при приложении напряжения V_DS, равном 4 В. Кроме того, ток I_DS составлял 1,0·10^-5 ампер при приложенном напряжении V_G, равном 10 В. Данный результат означает, что аморфная полупроводниковая тонкая пленка на основе In-Ga-Zn-O изолирующего материала индуцировала в нем носители под действием смещения затвора.

Отношение включено/выключено транзистора превышало 1·10³. Кроме того, в результате вычисления дрейфовой подвижности на основе выходных характеристик в области насыщения дрейфовая подвижность составила примерно 7 см²/В·с. Аналогичное измерение проводили на изготовленном элементе при облучении его видимым светом, элемент не показал никаких изменений характеристик транзистора. Отсюда ясно, что изготовленный элемент может быть использован в качестве окна также в случае использования излучения нижнего типа без необходимости ограждения области транзистора от попадания света.

Элемент МДП был сформирован примерно таким же способом, как описанный выше способ. Но после изготовления элемента МДП на нем формировали изолирующую пленку толщиной 300 нм способом импульсного лазерного осаждения. В это же время формировали контактное окно для приведения в контакт терминала стока или истока с нижним электродом.

Затем формировали пленку из Al толщиной 300 нм при помощи способа вакуумного осаждения с резистивным нагревом и на ней формировали пленку из сплава Al и Ag толщиной 50 нм для нижнего электрода. Нижний электрод соединяли с электродом стока или истока через контактное окно.

Затем получали органический EL светоизлучающий слой путем формирования следующих пленок при помощи способа вакуумного осаждения с резистивным нагревом: пленку из трис-(8-хинолинол)алюминия толщиной 20 нм в качестве слоя переноса электронов; на ней пленку из 4,4'-бис(2,2-дифенил)винила толщиной 40 нм в качестве светоизлучающего слоя; пленку из 4,4'-бис[1-(нафтил)-N-фениламино]бифенила толщиной 20 нм в качестве слоя переноса дырок; и пленку 4,4'-бис[N,N-диамино]-4''-фенил-трифениламина толщиной 60 нм в качестве слоя инжекции дырок.

Наконец формировали пленку ITO толщиной 200 нм для противоэлектрода.

Если вышеописанный элемент возбуждали путем приведения в контакт с зондом, с верхней поверхности подложки излучается синий свет, другими словами, получается излучение элемента верхнего типа.

Пример 2: излучение нижнего типа

Ниже со ссылкой на Фиг.9 будет описан пример процесса изготовления светоизлучающего устройства с излучением нижнего типа, в котором непосредственно связаны электрод стока и нижний электрод.

Элемент МДП формировали примерно таким же способом, как описано выше в примере 1. Но электрод стока не формировали, и активный слой 92 был оставлен таким, чтобы его площадь была такой же, как у светоизлучающего слоя. Затем на ней сформировали InGaO₃(ZnO)₄ пленку с высокой электропроводностью толщиной 200 нм, в качестве электрода 97, служащего в качестве электрода стока (истока) и нижнего электрода способом импульсного лазерного осаждения в камере, имеющей парциальное давление кислорода, не превышающее 1 Па.

Затем формировали органический EL светоизлучающий слой путем формирования органического слоя в обратном порядке варианта осуществления 1 способом резистивного испарения, при этом все объединенные слои обозначены как органический EL светоизлучающий слой.

Наконец, формировали пленку из Al, легированную Li, толщиной 50 нм и формировали пленку из Al толщиной 200 нм в качестве противоэлектрода 99 способом, устойчивым к нагреванию.

Если вышеописанный элемент возбуждали путем приведения в контакт с зондом, с нижней стороны подложки излучается синий свет, другими словами, получаем излучение элемента верхнего типа.

(Пример 3: линейно расположенный источник света)

Линейно расположенный источник света согласно настоящему изобретению описан со ссылкой на Фиг.10.

Множество светоизлучающих элементов 10 и тонкопленочных транзисторов (ТПТ) 102 размещали на подложке в линию и электрически соединяли, как показано на Фиг.10. Линейно расположенный источник света получали путем соединения управляющей схемы 103 для управления излучением света светоизлучающими элементами и ТПТ. Выход ТПТ (электрод истока или электрод стока) соединяли с источником питания Vd через светоизлучающий элемент, а другой выход соединяли с общим электрическим потенциалом СОМ. Кроме того, управляющую схему соединяли с электродом затвора ТПТ.

Если ТПТ включен выходным сигналом из управляющей микросхемы, светоизлучающий элемент излучает свет. В частности, линейно расположенный источник света может испускать желаемый линейный светоизлучающий паттерн, если сигнал из управляющей микросхемы управляется соответствующим образом.

В данном случае, светоизлучающий элемент может использовать произвольный светоизлучающий элемент, такой как органический электролюминесцентный элемент (органический EL), неорганический электролюминесцентный элемент (неорганический EL) и LED. Кроме того, конфигурация схемы этим не ограничивается, но множество ТПТ могут быть размещены относительно одного светоизлучающего элемента.

Таким образом, конфигурация приведения в действие светоизлучающего элемента при помощи ТПТ с аморфным оксидом может быть изготовлена достаточно легко и предоставить линейно расположенный источник света.

На Фиг.11 показан разрез примера, имеющего конфигурацию линейно расположенного источника света согласно настоящему изобретению.

Как показано на Фиг.11, линейно расположенный источник света изготавливают путем расположения части ТПТ и секции светоизлучающего элемента на подложке, а также каждого элемента в соответствующей части. На Фиг.11 показан случай использования органического EL элемента в качестве светоизлучающего элемента и вышеописанного ТПТ с аморфным оксидом в части ТПТ.

На чертеже ссылочная позиция 2100 обозначает подложку, ссылочная позиция 2101 обозначает канальный слой, ссылочная позиция 2102 обозначает электрод истока, ссылочная позиция 2103 обозначает изолирующий слой затвора, ссылочная позиция 2104 обозначает электрод затвора, ссылочная позиция 2105 обозначает электрод стока, ссылочная позиция 2106 обозначает верхний электрод (первый электрод), ссылочная позиция 2107 обозначает слой переноса электронов, ссылочная позиция 2108 обозначает светоизлучающий слой, ссылочная позиция 2109 обозначает слой переноса дырок, ссылочная позиция 2110 обозначает прозрачный электродный слой, ссылочная позиция 2111 обозначает изолирующий слой, ссылочная позиция 2150 обозначает секцию ТПТ и ссылочная позиция 2160 обозначает секцию светоизлучающего элемента.

На Фиг.11 показан пример соединения электрода 2105 стока с прозрачным электродным слоем 2110 секции светоизлучающего элемента. Однако также имеется случай соединения электрода 2102 истока с прозрачным электродным слоем 2110, что зависит от строения светоизлучающего слоя.

Что касается способа изготовления, линейно расположенный источник света изготавливают при помощи этапов формирования ТПТ с аморфным оксидом в заданном положении на подложке при помощи вышеописанного способа, затем - органический EL элемент и далее соединяют каждый из них с элементом, расположенным в другой позиции.

В это время, если формируется оксидная пленка затвора ТПТ с аморфным оксидом, формируют такой же изолирующий слой в части, в которой будет расположен органический EL элемент. Органический EL элемент изготавливают нанесением маски на подложку и затем формированием прозрачного электродного слоя, затем слоя переноса дырок, светоизлучающего слоя, слоя переноса электронов и верхнего электродного слоя. Во время вышеописанных этапов прозрачный электродный слой соединяют со слоем электрода стока. Наконец, формируют проводку, используя алюминиевую пленку или т.п.

В данном случае в качестве прозрачного электродного слоя может быть использована произвольная прозрачная электропроводящая пленка, такая как In₂O₃:Sn. Материал, который используется в общем случае, представляет собой органический EL элемент, может использоваться для слоя переноса дырок, светоизлучающего слоя, слоя переноса электронов и верхнего электродного слоя. Например, в качестве слоя переноса дырок может использоваться α-NPD, в качестве светоизлучающего слоя - СВР, легированный 6% Ir(ppy)₃, в качестве слоя переноса электронов - Alg₃ и в качестве верхнего электродного слоя - AgMg.

В вышеприведенном описании

Alq₃ означает комплекс алюминий-хинолинол;

α-NPD; и

Ir(ppy)₃ означает комплекс иридий -фенилпиридин.

В вышеприведенной конфигурации свет, излучаемый из светоизлучающего элемента, проходит через прозрачный электрод и излучается со стороны подложки, как показано на чертеже стрелкой 2170.

Таким образом, полученный линейно расположенный источник света является маленьким, легким и дешевым.

В качестве другой конфигурации линейно расположенного источника света может быть конфигурация расположения органического EL элемента в верхней части ТПТ, расположенного на подложке, как показано на Фиг.12. Вышеописанный линейно расположенный источник света может пропускать свет, излучаемый из светоизлучающего элемента, через секцию ТПТ и излучать со стороны подложки, при выполнении ТПТ с аморфным оксидом прозрачным устройством при помощи изготовления электрода с прозрачным электродом, таким как In₂O₃:Sn.

На Фиг.12 ссылочная позиция 2200 обозначает подложку, ссылочная позиция 2201 обозначает канальный слой, ссылочная позиция 2202 обозначает электрод истока, ссылочная позиция 2203 обозначает защитную пленку затвора, ссылочная позиция 2204 обозначает электрод затвора, ссылочная позиция 2205 обозначает электрод стока, ссылочная позиция 2206 обозначает верхний электрод (первый электрод), ссылочная позиция 2207 обозначает слой переноса электрона, ссылочная позиция 2208 обозначает светоизлучающий слой, ссылочная позиция 2209 обозначает слой переноса дырок, ссылочная позиция 2210 обозначает прозрачный электродный слой, ссылочная позиция 2211 обозначает изолирующий слой, ссылочная позиция 2250 обозначает секцию ТПТ и ссылочная позиция 2260 обозначает секцию светоизлучающего элемента.

На Фиг.12 показан пример соединения электрода 2205 стока со слоем 2210 переноса электродов секции светоизлучающего слоя. Однако также существует случай соединения электрода 2202 истока с прозрачным электродным слоем 2210 в зависимости от строения светоизлучающего слоя.

Таким образом сформированное строение делает свет, излучаемый так, как показано стрелкой 2270, дает возможность подложке быть эффективно используемой, и может делать так, чтобы органические EL элементы были расположены на линейно расположенном источнике света с высокой плотностью и/или приобрели большую светоизлучающую площадь (доля открытой площади). Таким образом полученный линейно расположенный источник света является небольшим, легким и дешевым.

(Пример 4: применение в копировально-множительном устройстве и устройстве постраничной печати)

Ниже описан линейно расположенный источник света, примененный в копировально-множительном устройстве или устройстве постраничной печати.

Наиболее обычные копировально-множительные устройства или устройства постраничной печати имеют систему печати данных на промежуточном носителе, сканирования лазерного пучка над барабаном с фотопроводящим слоем, используя линзы и многоугольное зеркало для печати на нем данных, и записи данных на барабане с фотопроводящим слоем.

С другой стороны, вышеописанные устройства могут быть небольшими и недорогими, если использование линейно расположенного источника света согласно настоящему изобретению, поскольку прямое освещение барабана с фотопроводящим слоем светом, испускаемым из светоизлучающего элемента без прохождения света через систему линз, как показано на Фиг.13. В результате вышеописанные устройства не нуждаются в большого размера оптической системе, и, следовательно, могут быть уменьшены и удешевлена стоимость производства. При необходимости, вышеописанные устройства могут быть размещены на простой оптической системе, такой как линзы SELFOC между светоизлучающим элементом и барабаном.

На Фиг.13 ссылочная позиция 2300 обозначает линейно расположенный источник света, а ссылочная позиция 2350 обозначает барабан с фотопроводящим слоем.

При изготовлении вышеописанного копировально-множительного устройства или устройства постраничной печати предпочтительным является унифицировать вышеописанный линейно расположенный источник света с картриджем барабана с фотопроводящим слоем.

Линейно расположенный источник света является дешевым и, следовательно, доступным, и в результате, могут сделать копировально-множительное устройство или устройство постраничной печати, не требующими технического обслуживания благодаря изготовлению единичной структуры, объединенной с барабаном с фотопроводящим слоем, при этом используя вышеописанные характеристики. Вышеописанный источник света может быть расположен снаружи фотопроводника (барабана с фотопроводящим слоем), как показано в настоящем изобретении, или может быть расположен внутри.

Если электронограф использует линейно расположенный источник света согласно настоящему изобретению, электронограф формирует изображение, используя возбудитель для возбуждения фотодатчика (барабана с фотопроводящим слоем), экспонирующий источник света для освещения фотодатчика для формирования латентного изображения на фотодатчике и проявляющее устройство для проявления вышеописанного латентного изображения; и используют линейно расположенный источник света согласно настоящему изобретению для экспонирования источника света.

(Промышленная применимость)

Светоизлучающее устройство согласно настоящему изобретению формирует тонкую пленку полупроводника на гибком материале, включая пластмассовую пленку, и может быть использовано в широкой области применений, включая гибкое устройство изображения, плату ИС и идентификационную карточку.

Светоизлучающее устройство также может использоваться в линейно расположенном источнике света, копировально-множительном устройстве, устройстве постраничной печати и интегрированном барабане с фотопроводящим слоем.

Эта заявка испрашивает приоритет по японской заявке на патент №2004-326684, поданной 10 ноября 2004 г., которая включена в настоящее описание во всей своей полноте в качестве ссылки.

Светоизлучающее устройство согласно изобретению содержит светоизлучающий элемент с первым и вторым электродами и светоизлучающим слоем, находящимся между первым и вторым электродами, полевой транзистор для возбуждения светоизлучающего элемента, активный слой которого сформирован из аморфного оксида, имеющего концентрацию электронных носителей меньше чем 10¹⁸/см³. Также предложены еще два варианта светоизлучающих устройств, электрофотографическое устройство, устройство отображения с активной матрицей и изделие для отображения. Светоизлучающие устройства согласно изобретению имеют такие электрофизические характеристики, которые обеспечивают высокую контрастность в устройствах, в которых согласно изобретению могут быть использованы эти светоизлучающие устройства. 6 н. и 20 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Светоизлучающее устройство, имеющее светоизлучающий элемент, содержащий первый и второй электроды и светоизлучающий слой, находящийся между первым и вторым электродами, и полевой транзистор для возбуждения светоизлучающего элемента, причем
активный слой полевого транзистора сформирован из аморфного оксида, имеющего концентрацию электронных носителей меньше, чем 10¹⁸/см³.

2. Светоизлучающее устройство по п.1, в котором аморфный оксид включает в себя, по меньшей мере, один из In, Zn или Sn.

3. Светоизлучающее устройство по п.1, в котором аморфный оксид 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.

4. Светоизлучающее устройство по п.1, в котором аморфный оксид включает в себя In, Zn и Ga.

5. Светоизлучающее устройство по п.1, в котором светоизлучающий элемент и полевой транзистор расположены на оптически прозрачной подложке, и свет, испускаемый из светоизлучающего слоя, проходит через подложку.

6. Светоизлучающее устройство по п.5, в котором полевой транзистор расположен между подложкой и светоизлучающим слоем.

7. Светоизлучающее устройство по п.1, в котором светоизлучающий элемент и полевой транзистор расположены на оптически прозрачной подложке, и свет, испускаемый из светоизлучающего слоя, проходит через подложку и аморфный оксид.

8. Светоизлучающее устройство по п.7, в котором полевой транзистор расположен между подложкой и светоизлучающим слоем.

9. Светоизлучающее устройство по п.1, в котором, по меньшей мере, один из электрода стока полевого транзистора и второго электрода сформирован из оптически прозрачного электропроводящего оксида.

10. Светоизлучающее устройство по п.1, в котором светоизлучающий элемент представляет собой электролюминисцентный элемент.

11. Светоизлучающее устройство по п.1, в котором множество светоизлучающих элементов расположено, по меньшей мере, в одном ряду.

12. Светоизлучающее устройство по п.11, в котором светоизлучающий элемент расположен таким образом, чтобы быть смежным с полевым транзистором.

13. Светоизлучающее устройство по п.1, в котором ток между терминалом стока и терминалом истока полевого транзистора без приложенного напряжения затвора не превышает 10 мкА.

14. Электрофотографическое устройство, имеющее
фотодатчик,
электризатор для электризации фотодатчика,
источник экспонирования светом для экспонирования фотодатчика для формирования латентного изображения на фотодатчике, и
проявляющее устройство для проявки латентного изображения, в котором источник экспонирования светом имеет светоизлучающее устройство по п.11.

15. Светоизлучающее устройство, имеющее светоизлучающий элемент, содержащий первый и второй электроды и светоизлучающий слой, находящийся между первым и вторым электродами, и полевой транзистор для возбуждения светоизлучающего элемента, причем подвижность электронов содержащего аморфный оксид активного слоя полевого транзистора увеличивается с увеличением концентрации электронных носителей.

16. Светоизлучающее устройство по п.15, в котором ток между терминалом стока и терминалом истока полевого транзистора без приложенного напряжения затвора не превышает 10 мкА.

17. Светоизлучающее устройство, имеющее светоизлучающий элемент, содержащий первый и второй электроды и светоизлучающий слой, находящийся между первым и вторым электродами, и полевой транзистор для возбуждения светоизлучающего элемента, в котором активный слой полевого транзистора включает в себя такой прозрачный полупроводник из аморфного оксида, который способен реализовать нормально выключенное состояние.

18. Светоизлучающее устройство по п.17, в котором прозрачный полупроводник из аморфного оксида имеет концентрацию электронных носителей меньше чем 10¹⁸/см³, которая является достаточно низкой для реализации нормального выключенного состояния.

19. Светоизлучающее устройство по п.17, в котором ток между терминалом стока и терминалом истока полевого транзистора без приложенного напряжения затвора не превышает 10 мкА.

20. Устройство отображения с активной матрицей, содержащее светоизлучающий элемент, содержащий первый и второй электроды и светоизлучающий слой, находящийся между первым и вторым электродами, и полевой транзистор для возбуждения светоизлучающего элемента, и схему элементов изображения, выполненную в виде двумерной матрицы, в которой активный слой полевого транзистора включает в себя такой прозрачный полупроводник из аморфного оксида, который способен реализовать нормальное выключение состояние.

21. Устройство отображения с активной матрицей по п.20, в котором прозрачный полупроводник из аморфного оксида имеет концентрацию электронных носителей меньше чем 10¹⁸/см³, которая является достаточно низкой для реализации нормального выключенного состояния.

22. Устройство отображения с активной матрицей по п.20, в котором ток между терминалом стока и терминалом истока полевого транзистора без приложенного напряжения затвора не превышает 10 мкА.

23. Изделие для отображения, содержащее
светоизлучающий элемент, содержащий первый и второй электроды и светоизлучающий слой, находящийся между первым и вторым электродами, и полевой транзистор для возбуждения светоизлучающего элемента, в котором активный слой полевого транзистора включает в себя полупроводник из аморфного оксида.

24. Изделие для отображения по п.23, в котором аморфный оксид 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.

25. Изделие для отображения по п.23, в котором транзистор представляет собой транзистор нормально выключенного типа.

26. Изделие для отображения по п.23, в котором ток между терминалом стока и терминалом истока полевого транзистора без приложенного напряжения затвора не превышает 10 мкА.