CN102082170A - 非晶态氧化物半导体材料、场效应晶体管和显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种非晶态氧化物半导体材料，场效应晶体管和显示装置。所述非晶态氧化物半导体材料包含含有In、Ga和Zn的非晶态氧化物半导体，其中当In∶Ga∶Zn＝a∶b∶c表示所述氧化物半导体的元素组成比时，所述元素组成比由下列范围限定：a+b＝2，并且b＜2，并且c＜4b-3.2，并且c＞-5b+8，并且1≤c≤2。

Description

非晶态氧化物半导体材料、场效应晶体管和显示装置
技术领域
本发明涉及非晶态氧化物半导体材料、场效应晶体管和显示装置。
背景技术
场效应晶体管被广泛地用作半导体存储器用集成电路的单位元件，高频信号放大元件，和用于驱动显示元件例如液晶显示元件的元件，并且已经被制备成薄膜的晶体管称为薄膜晶体管(TFT)。另外，具有包含可以大面积形成的非晶态硅的活性层的硅TFT被用于平板显示器中。
近年来，平板显示器技术(大屏、薄、重量轻)已经经历了显著的进步，并且已经尝试将这些平板显示器技术应用于柔性基板(重量轻并且弯曲的显示器)使得它们变得更薄并且重量更轻。另一方面，当前作为驱动显示器的TFT的主流的硅TFT的制造温度高，并且难以在柔性基板上形成硅TFT。
在此背景中，作为TFT的活性层，氧化物半导体当前正受到关注。特别是，由东京工业大学(Tokyo Institute of Technology)的Hosono等报道的In-Ga-Zn-O(以下简称为IGZO)显现了作为用于新型TFT的材料的希望，因为它可以在室温形成，并且即使在处于非晶态时，也表现出作为半导体的优异特性，并且关于IGZO的研究正在极其活跃地进行(参见以下所列出的非专利文献1和2)。
在这些研究中，关于非晶态IGZO的光学性能，当将具有包含非晶态IGZO的活性层的TFT应用于显示装置例如有机EL显示器时，有时该活性层被光照射，如在以下列出的非专利文献3至6中所述的，已经报道了许多关于非晶态IGZO的光照射性能的研究结果。
在非专利文献3和4中，对将TFT在暗处用单色光照射时的TFT性能进行了报道，所述TFT的栅电极包含n-型Si，其栅绝缘膜包含热氧化膜，其源电极和漏电极包含Al，并且其活性层包含非晶态IGZO(In∶Ga∶Zn＝1∶1∶1)。
具体地，可以证实的是，在使得照射量不变而单色光波长改变的情况下，当用460nm≤λ≤660nm的单色光照射TFT时，TFT性能几乎不改变(漏极电流略微位移)，而当用λ≤420nm的单色光照射TFT时，TFT性能大大改变(当用λ＝365nm(3.4eV)单色光照射TFT时，阈值电压Vth经历7V的负位移)。另外，可以证实的是，此外在固定单色光波长(λ＝420nm)并且改变照射强度时，TFT性能的变化(Vth的负位移)随照射强度增大也变得更大。而且，应理解，除Vth以外，迁移率、亚阈值摆幅(sub-thresholdswing)(S值)和断态电流(off-state current)也大大地改变，并且IGZO受可见光短波长区域的影响。
在非专利文献3和4中记载的是，可以在不使用遮光膜的情况下驱动有机EL元件，因为蓝色滤光片的透过波长峰和有机电致发光元件(有机EL元件)的蓝光的波长峰为450nm。然而，考虑到蓝色滤光片通过约70％的400nm光，有机EL元件的蓝光的发射光谱的边缘(skirt)持续到420nm，并且考虑到透明装置的制备而使所述装置暴露于日光，还没有表明具有通过这些文献制备的IGZO作为其活性层的TFT是足够的。
类似地，在非专利文献5和6中也报道了关于非晶态IGZO的光照射性能的研究结果。
具体地，首先，将其中In∶Ga∶Zn＝1∶1∶1的多晶IGZO用作靶以形成非晶态IGZO膜(In∶Ga∶Zn＝1.01∶1.00∶0.76)。TFT从其基板侧具有下列构造：玻璃/Mo(栅电极)/SiO2或SiNx∶H(栅绝缘膜)/IGZO(活性层)/SiO2/SiN(钝化层)/Mo(源电极和漏电极)。可以证实，通过用λ≤440nm的单色光照射此TFT，TFT性能改变(Vth的负位移)。而且，还可以证实，随着TFT被单色光照射的时间量变得更长，TFT性能的改变量变得更大。此外，通过在120℃进行热处理，得到的结果是TFT性能恢复，从而得到与初始性能相同的性能。
作为以上研究结果的结论，应理解，当用可见光照射TFT的包含非晶态IGZO的活性层时，对于可见光短波长区域中的光(其波长在400nm至420nm附近的光)，TFT性能(断态电流的增大、Vth的位移等)大大地改变。另外，这些性能变化对TFT驱动时的稳定运行具有大的影响。
因而，当将非晶态IGZO用于其活性层的TFT被用作用于驱动显示元件的TFT时，为了使TFT稳定地运行，在专利文献1中，使用了对于非晶态IGZO的遮光手段。此外，在专利文献2中，使用了不将非晶态IGZO暴露于蓝光(在可见光短波长区域中的光)中的结构。
然而，在专利文献1和2的发明中，目的是不允许作为活性层的非晶态IGZO被光照射，并且没有关于改善非晶态IGZO本身的光照射性能的描述。
这里，可以想到的是控制In，Ga和Zn的组成比，以改善非晶态IGZO的光照射性能。为此，还提出了将非晶态IGZO的组成比限制到具体范围的材料(例如，参见以下列出的专利文献3至6)。
在专利文献3中，报道了由Znx[Al，Ga]yInzO(x+3y/2+3z/2)：[比率x/y在0.2至2的范围内，而比率z/y在0.4至1.4的范围内]表示的非晶态氧化物。作为实例，显示了在In∶Ga∶Zn＝1∶1∶1附近的制备实例。
然而，其目的是使用非晶态IGZO作为透明导电膜，即作为电极，并且其目的不是使用非晶态IGZO作为半导体。此外，假定相当高密度的载流子浓度，因为电子浓度等于或大于1×1018至1022/cm3(甚至对于实施例，1019/cm3)。当将此非晶态氧化物用作晶体管的活性层时，可以想到正常断开的实现是极其困难的。
在专利文献4中，报道了具有下列组成的非晶态氧化物半导体材料：其中由In/(In+Zn)表示的原子组成比为35原子％至55原子％，而其中由Ga/(In+Ga+Zn)表示的原子组成比等于或小于30原子％。
然而，没有关于光吸收的实验数据作为实施例显示。
在专利文献5中，报道了一种具有能够长时间稳定地通过恒定电流的非晶态IGZO作为其活性层的TFT。此文献具有显示在光照射时的TFT性能(Vg-Id特性)的变化的图。
然而，在专利文献5中，制备的是在富In、贫Ga和贫Zn区域中没有对于光照射的性能变化的TFT，并且没有暗示富Ga区域中的光稳定性的描述。
此外，由于没有关于光源的详细描述，因此不清楚哪个波长区域的光影响TFT，并且也不清楚是否存在对于可见光短波长区域，特别是400至420nm的可见光短波长区域的光稳定性。因此，当在IGZO中存在缺陷等时，有时IGZO甚至受可见光短波长区域中的光影响，因此还存在制备对于可见光短波长区域中的光照射不具有性能变化的TFT的可能性。此外，还存在制造对于在400至420nm范围以外的可见光短波长区域中的光照射不具有性能变化的TFT的可能性。
而且，在构成每一个TFT的活性层的非晶态IGZO中，In、Ga和Zn的组成比由于感应耦合等离子体(ICP)的结果而不同，但是最终不清楚哪个组成量影响光稳定性的改善。
另外，相同的靶被用于制造非晶态IGZO，因此考虑到ICP误差(±0.2)，制造多个具有包含基本上相同组成的非晶态IGZO的活性层的TFT，但是每一个TFT对于光照射的TFT性能大大地不同，并且认为再现性低。
在专利文献6中，报道了一种场效应晶体管，该场效应晶体管的活性层具有非晶态氧化物半导体，所述非晶态氧化物半导体包含元素In、元素Zn和元素X(作为元素X的一个候选者，包含元素Ga)并且满足In/(In+Zn+X)＝0.200至0.600并且Zn/(In+Zn+X)＝0.200至0.800。在实例中，描述了其活性层具有其中Ga浓度改变的IGZO的TFT的电性能，但是没有关于光学性能的数据或暗示富Ga区域中的光稳定性的结果。另外，要求保护的组成范围还包括具有良好光稳定性的富Ga区域，但是根据说明书，晶体管必须采取遮住(block)半导体相的结构，因此认为光学性能不好。该场效应晶体管与本发明的不同之处还在于膜厚度为1nm至15nm且极薄。
非专利文献1：科学(Science)，300(2003)，第1269-1272页
非专利文献2：自然(Nature)，432(2004)，第488-492页
非专利文献3：信息显示杂志(Journal of Information Display)，9(2008)，第21-29页
非专利文献4：SID08 Digest(2008)，第1215-1218页
非专利文献5：日本应用物理杂志(Japanese Journal of AppliedPhysics)，48(2009)，03B018-1页-03B018-5页
非专利文献6：“非晶态IGZO TFT在光照射下的不稳定性(Instabilityof Amorphous IGZO TFTs under Light Illumination)”，第15届有源矩阵平板显示器和装置国际研讨会(The 15th Int.Workshop on Active-MatrixFlatpanel Display and Devices)[AM-FPD08]～TFT技术和FPD材料(TFTTechnologies and FPD Materials)～(2008年7月2-4日，东京，日本)
专利文献1：日本专利申请公开(JP-A)号2007-115902
专利文献2：JP-A号2007-250984
专利文献3：日本专利号4,170,454
专利文献4：JP-A号2007-281409
专利文献5：美国专利申请公布号2007/0252147
专利文献6：JP-A号2009-253204
发明内容
本发明的主要目的是提供一种其中对于波长在400至420nm的可见光短波长区域中的光的光吸收降低的非晶态氧化物半导体材料。
本发明的上述问题通过以下描述的手段解决。
本发明的第一方面提供一种非晶态氧化物半导体材料，所述非晶态氧化物半导体材料包含含有In、Ga和Zn的非晶态氧化物半导体，其中当In∶Ga∶Zn＝a∶b∶c表示所述氧化物半导体的元素组成比时，所述元素组成比由下列范围限定：a+b＝2，并且b＜2，并且c＜4b-3.2，并且c＞-5b+8，并且1≤c≤2。
本发明的第二方面提供根据第一方面的非晶态氧化物半导体材料，其中所述非晶态氧化物半导体材料的光学带隙等于或大于3.79eV。
本发明的第三方面提供一种非晶态氧化物半导体材料，所述非晶态氧化物半导体材料包含含有In、Ga和Zn的非晶态氧化物半导体，其中当In∶Ga∶Zn＝a∶b∶c表示所述氧化物半导体的元素组成比时，所述元素组成比由下列范围限定：a+b＝2，并且c＜4b-3.2，并且c＜-5b+8，并且1≤c，并且所述非晶态氧化物半导体材料的光学带隙等于或大于3.79eV。
本发明的第四方面提供一种场效应晶体管，所述场效应晶体管具有活性层，所述活性层包含根据本发明的第一方面所述的非晶态氧化物半导体材料，并且所述活性层的电导率σ为10-9≤σ≤10-2(S/cm)。
本发明的第五方面提供根据第四方面的场效应晶体管，其中所述非晶态氧化物半导体材料经过热处理。
本发明的第六方面提供一种显示装置，所述显示装置配备有根据第四方面的场效应晶体管。
本发明的第七方面提供一种底部发光型显示装置，所述底部发光型显示装置包括：
基板；
根据本发明第四方面所述的场效应晶体管，所述场效应晶体管被安置在所述基板上并且具有底栅结构；和
有机电致发光元件，所述有机电致发光元件与所述基板上的所述场效应晶体管电连接，
其中由所述有机电致发光元件发射的光是从基板侧产生的。
根据本发明，可以提供一种其中对于波长在400至420nm的可见光短波长区域中的光的光吸收降低的非晶态氧化物半导体材料。
附图说明
将基于下列附图详细描述本发明的示例性实施方案，在附图中：
图1是显示具有底栅结构的TFT作为属于本发明的示例性实施方案的TFT的一个实例的示意图；
图2是显示具有顶栅结构的TFT作为属于本发明的示例性实施方案的TFT的一个实例的示意图；
图3是显示底部发光型有机EL显示装置作为属于本发明的示例性实施方案的显示装置的一个实例的示意图；
图4是其中在相图中一起显示属于实施例1至4的IGZO膜1至4，和属于比较例1至4的比较IGZO膜1至4的组成比的分析结果的图；
图5是其中绘出属于实施例1至4的IGZO膜1至4，和属于比较例1至4的比较IGZO膜1至4的光学带隙的计算结果的图，其中横轴表示Ga的组成比(b值)，而纵轴表示光学带隙；
图6是显示属于实施例1至4的IGZO膜1至4和属于比较例1至4的比较IGZO膜1至4的电导率σ和Ga的组成比b之间的关系的图；
图7是显示实施例5和6的TFT 1和2以及比较例6的比较TFT 2的Vg-Id特性的图；
图8是显示实施例7和8的TFT 3和4以及比较例8的比较TFT 4的Vg-Id特性的图；
图9是显示实施例5和6的TFT 1和2以及比较例6的比较TFT 2的迁移率μ的图；
图10是显示实施例7和8的TFT 3和4以及比较例8的比较TFT 4的迁移率μ的图；
图11是显示实施例5和6的TFT 1和2以及比较例6的比较TFT 2的阈值电压Vth的图；
图12是显示实施例7和8的TFT 3和4以及比较例8的比较TFT 4的阈值电压Vth的图；
图13是显示在光照射时的TFT性能测量的总体构造的图；
图14是其中绘出迁移率变化的测量结果的图，其中横轴表示波长(nm)，而纵轴表示迁移率变化(μ/μ0)；
图15是其中绘出阈值电压随时间的变化的测量结果的图，其中横轴表示光照射时间(min)，而纵轴表示阈值电压随时间的变化(ΔVth)；
图16是其中绘出阈值电压的测量结果的图，其中横轴表示波长(nm)，而纵轴表示阈值电压(Vth)；
图17是显示当用不同波长的单色光照射比较TFT 1的活性层时，测量Vg-Id特性的结果的图；
图18是显示当用不同波长的单色光照射TFT 1的活性层时，测量Vg-Id特性的结果的图；
图19是显示当用不同波长的单色光照射TFT 2的活性层时，Vg-Id特性的测量结果的图；
图20是显示当用不同波长的单色光照射比较TFT 3的活性层时，Vg-Id特性的测量结果的图；
图21是显示当用不同波长的单色光照射TFT 3的活性层时，Vg-Id特性的测量结果的图；
图22是显示当用不同波长的单色光照射TFT 4的活性层时，Vg-Id特性的测量结果的图；
图23是显示具有组成比为a＝0.7，b＝1.3并且c＝1.0的IGZO作为其活性层的TFT(TFT 1和TFT 5)在热处理之前和之后，Vg-Id特性的测量结果的图。
具体实施方式
将在以下使用附图描述本发明的非晶态氧化物半导体材料、场效应晶体管和显示装置的示例性实施方案。对具有基本上相同功能的部分将在所有附图中提供相同的附图标记并进行描述，并且在一些情况下将省略其描述。
1.非晶态氧化物半导体材料
首先，将描述属于本发明的示例性实施方案的非晶态氧化物半导体材料。
<构成>
属于本发明的示例性实施方案的非晶态氧化物半导体材料的构成如下。
该非晶态氧化物半导体材料包含非晶态氧化物半导体，所述非晶态氧化物半导体包含In、Ga和Zn，并且当In∶Ga∶Zn＝a∶b∶c表示所述氧化物半导体的元素组成比时，所述元素组成比由下列范围限定：a+b＝2，并且b＜2，并且c＜4b-3.2，并且c＞-5b+8，并且1≤c≤2。
当非晶态氧化物半导体材料具有此组成时，对于波长在400至420nm的可见光短波长区域中的光的光吸收降低。
氧化物半导体的元素组成比优选由下列范围限定：a+b＝2，并且1.3≤b＜2，并且c＞-5b+8，并且1≤c≤2。此外，由于进一步降低光吸收，氧化物半导体的元素组成比更优选由下列范围限定：a+b＝2，并且1.3≤b≤1.5，并且c＞-5b+8，并且1≤c≤2。
由于进一步降低光吸收，非晶态氧化物半导体材料的光学带隙等于或大于3.7eV，并且优选等于或大于3.79eV。
此外，还对于其元素组成比由a+b＝2，并且c＜4b-3.2，并且c＜-5b+8，并且1≤c的范围限定的非晶态氧化物半导体材料，光学带隙等于或大于3.7eV并且更优选等于或大于3.79eV，并且足够宽，对于波长在400至420nm的可见光短波长区域中的光的光吸收可以降低。由于进一步降低光吸收，元素组成比更优选由下列范围限定：a+b＝2，并且1.3≤b，并且c＜-5b+8，并且1≤c。
<制备方法>
制备属于本发明的示例性实施方案的非晶态氧化物半导体材料的方法如下。
制备非晶态氧化物半导体材料的方法的实例包括：粉末制备方法如固相反应、溶胶-凝胶法、草酸盐法、醇盐法和共沉淀，和薄膜制备方法如溅射、激光烧蚀、化学气相沉积(CVD)和金属有机分解(MOD)。
在粉末制备方法中，非晶态氧化物半导体材料可以通过下列方式制备：将包含In的化合物、包含Ga的化合物和包含Zn的化合物混合在一起。
包含In的化合物的实例包括In2O3，In(NO3)3，In(NO3)3·nH2O，In(CH3COO)3，In(CH3COO)2(OH)，In2O3·nH2O，InN，In(OH)3，InO(OH)，In2(C2O4)3，In2(C2O4)3·4H2O，In(C2H5OCS2)3，和In2(SO4)3·nH2O。
包含Ga的化合物的实例包括Ga2O3，Ga(NO3)3，Ga(NO3)3·nH2O，Ga(CH3COO)3，Ga(CH3COO)2(OH)，Ga2O3·nH2O，GaN，Ga(OH)3，GaO(OH)，Ga2(C2O4)3，Ga2(C2O4)3·4H2O，Ga(C2H5OCS2)3，和Ga2(SO4)3·nH2O。
包含Zn的化合物的实例包括ZnO，Zn(C2H3O2)2，Zn(C2H3O2)2·2H2O，ZnBr2，ZnCO3，ZnS，ZnCl2，ZnF2，ZnF2·4H2O，Zn(OH)2，ZnI2，Zn(NO3)2·6H2O，ZnC2O4，Zn(CN)2，Zn(OCH3)2，Zn(OC2H5)2，和ZnSO4。
非晶态氧化物半导体材料的组成比可以通过上述原料的输入量调节。
在薄膜制备方法中，良好的是采用使用氧化物半导体的多晶烧结体作为靶的气相成膜法。在气相沉积方法中，溅射和脉冲激光沉积(PLD)是合适的。而且，出于大规模生产率的观点，溅射是优选的。
例如，控制真空和氧流量并且通过RF磁控溅射形成膜。氧流量越大，可以使电导率越小。
非晶态氧化物半导体材料的组成比可以通过靶的选择或组合、每个靶的溅射方法的选择、溅射输入功率和成膜压力来调节。
还可以对已经通过粉末制备方法或薄膜制备方法制备的非晶态氧化物半导体材料进行热处理(退火)。通过进行此热处理，可以调节非晶态氧化物半导体材料的载流子浓度和电导率。
非晶态氧化物半导体材料的热处理温度超过室温(例如，25℃)并且低于700℃，并且出于热处理时间和热处理成本降低的观点，非晶态氧化物半导体材料优选在较低的温度被热处理。
热处理温度超过室温的原因是为了调节非晶态氧化物半导体材料的电导率，而热处理温度低于700℃的原因是为了不使非晶态氧化物半导体材料结晶。
即使当对非晶态氧化物半导体材料进行热处理时，对于波长在400至420nm的可见光短波长区域中的光的光吸收也降低。此外，非晶态氧化物半导体材料的光学带隙趋于增大，尽管是轻微地增大，因此与热处理之前的非晶态氧化物半导体材料相比，它没有下降。
通过熟知的X-射线衍射可以证实，已经通过粉末制备方法或薄膜制备方法制备的非晶态氧化物半导体材料是非晶态的。此外，已经通过薄膜制备方法制备的非晶态氧化物半导体材料的膜厚度可以通过触针式表面形状测定(stylus profilometry)得到。组成比可以通过荧光X-射线分析得到。此外，光学带隙可以使用分光光度计得到。而且，电导率可以使用电阻率计测定。
2.场效应晶体管
属于本发明的示例性实施方案的场效应晶体管是有源元件，所述有源元件至少具有栅电极、栅绝缘膜、活性层、源电极和漏电极，并且具有下列功能：对栅电极施加电压，控制在活性层中流动的电流，并且切换源电极和漏电极之间的电流。场效应晶体管可以以交错结构(也称为顶栅结构)或反向交错结构(也称为底栅结构)的形式形成。
场效应晶体管的活性层包含上述非晶态氧化物半导体材料，并且其电导率σ优选为10-9≤σ≤10-2(S/cm)。
<场效应晶体管的结构>
接着，将更具体地描述场效应晶体管的结构。作为场效应晶体管的一个实例，以下将描述薄膜晶体管(TFT)。
图1是显示具有底栅结构的TFT 10作为属于本发明的示例性实施方案的TFT的一个实例的示意图。TFT 10具有如下构造：其中栅电极14、栅绝缘层16和活性层18依次层压在基板12上，并且其中源电极20和漏电极22彼此远离地被设置在活性层18的表面上。另外，活性层18包含上述非晶态氧化物半导体材料。
在TFT是以此方式具有底栅结构的TFT 10的情况下，当将TFT 10应用于底部发光型有机EL显示装置时，有时活性层18被包含来自有机EL显示装置发光层的蓝光的光照射，但是TFT 10可以稳定地运行而不受对其进行照射的光的影响，原因在于TFT 10具有活性层18，所述活性层18包含上述其中对于可见光短波长区域的光吸收降低的非晶态氧化物半导体材料。
图2是显示具有顶栅结构的TFT 30作为属于本发明的示例性实施方案的TFT的一个实例的示意图。TFT 30具有如下构造：其中活性层34层压在基板32的表面上，源电极36和漏电极38彼此远离地被设置在活性层34上，并且栅绝缘层40和栅电极42进一步依次层压在这些上。
在TFT是以此方式具有顶栅结构的TFT 30的情况下，当将TFT 30应用于底部发光型有机EL显示装置时，与具有底栅结构的TFT 10相比，源电极36，漏电极38，栅绝缘层40和栅电极42处于活性层34上，从而与具有底栅结构的TFT 10相比，活性层34难以被包含来自有机EL显示装置发光层的蓝光的光照射。然而，当存在其中活性层34不被栅绝缘层40等覆盖的暴露部分时，或当覆盖活性层34的源电极36，漏电极38，栅绝缘层40和栅电极42透射光时，活性层34被包含来自有机EL显示装置发光层的蓝光的光照射。在本示例性实施方案中，甚至在这样的情况下，TFT 30也可以稳定地运行而不受对其进行照射的光的影响，原因在于TFT30具有活性层34，所述活性层34包含上述其中对于可见光短波长区域的光吸收降低的非晶态氧化物半导体材料。
属于本示例性实施方案的TFT还能够采取除以上所述的那些构造以外的各种构造，并且还可以适当地具有配备有在活性层上的保护层或在基板上的绝缘层等的构造。
<制造场效应晶体管的方法>
接着，将简要描述制造上述TFT 10和30的方法。
在制造具有底栅结构的TFT 10的方法中，首先，制备用于形成TFT 10的基板12，并且在此基板12上相继形成栅电极14和栅绝缘层16。接着，在栅绝缘膜16上形成包含In、Ga和Zn的氧化物半导体膜，并且对此氧化物半导体膜进行图案化，以形成活性层18。然后，在活性层18上形成源电极20和漏电极22。从而，制备了具有底栅结构的TFT 10。氧化物半导体膜(或活性层18)还可以直接在氧化物半导体膜形成以后、直接在氧化物半导体膜的图案化以后、或在TFT 10的制备以后被热处理。
在制备具有顶栅结构的TFT 30的方法中，首先，制备用于形成TFT 30的基板32，在此基板32上形成包含In、Ga和Zn的氧化物半导体膜，并且对此氧化物半导体膜进行图案化，以形成活性层34。然后，在活性层34上形成源电极36和漏电极38，其后相继形成栅绝缘层40和栅电极42。从而，制备了具有顶栅结构的TFT 30。同样在此情况下，氧化物半导体膜(或活性层34)还可以直接在氧化物半导体膜形成以后、直接在氧化物半导体膜的图案化以后、或在TFT 30的制备以后被热处理。
另外，还可以应用具有其中Si用于栅电极而热氧化膜用于栅绝缘膜的简单结构的底栅结构TFT。在此情况下，在热氧化膜上形成活性层，进行图案化，并且其后形成源电极和漏电极就足够了。同样在此情况下，氧化物半导体膜(或活性层34)还可以直接在氧化物半导体膜形成以后、直接在氧化物半导体膜的图案化以后、或在TFT 30的制备以后被热处理。
<场效应晶体管的每一种构造的细节>
下面将详细描述TFT的每一种构造的材料、厚度和图案形成方法。
(基板)
对于基板，使用这样的基板，其中至少其上形成TFT的表面具有绝缘性能，并且该基板具有尺寸稳定性、耐溶剂性、可加工性以及还具有对于热处理的耐热性。此外，使用这样的基板，该基板在例如制造有机EL显示装置作为最终产品时抑制水分和氧气的透过，并且在光从基板侧透射以进行发光和显示时透射光。作为满足这些条件的基板，无机材料例如玻璃和氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)是合适的。为了减少从玻璃的离子洗脱(elution)，优选使用无碱玻璃。此外，在使用钠钙玻璃时，优选使用已经进行了二氧化硅等的阻挡层涂覆(barrier coat)的玻璃。
当在稍后所述的工艺中的热处理温度低时，还可以使用有机材料例如饱和聚酯树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)树脂、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)树脂、聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂、聚苯乙烯、聚环烯烃、降冰片烯树脂、聚(氯三氟乙烯)、交联二酯富马酸酯树脂、聚碳酸酯(PC)树脂、聚醚砜(PES)树脂、聚砜(PSF，PSU)树脂、聚丙烯酸酯(PAR)树脂、环状聚烯烃(COP，COC)树脂、纤维素树脂、聚酰亚胺(PI)树脂、聚酰胺-酰亚胺(PAI)树脂、马来酰亚胺-烯烃树脂、聚酰胺(PA)树脂、丙烯酸类树脂、氟化树脂、环氧树脂、硅氧烷树脂膜、聚苯并唑树脂、环硫化物化合物、液晶聚合物(LCP)、氰酸酯树脂和芳族醚树脂。另外，还可以使用：层压塑料材料，其在含氧化硅粒子的复合塑料材料，含金属纳米粒子、无机氧化物纳米粒子或无机氮化物纳米粒子的复合塑料材料，含金属或无机纳米纤维和/或微米纤维的复合塑料材料，碳纤维，含碳纳米管的复合塑料材料，含玻璃薄片、玻璃纤维或玻璃珠的复合塑料材料，含具有粘土矿物或云母衍生物晶体结构的粒子的复合塑料材料，或薄玻璃与上述单种有机材料之间具有至少一个接合界面；或通过交替层压无机层(例如，SiO2，Al2O3，SiOxNy)和包含上述材料的有机层具有至少一个以上的接合界面并具有阻挡性能的复合材料。
当不必从基板侧产生光时，例如，可以使用由不锈钢，Fe，Al，Ni，Co，Cu或这些的合金等制成的金属基板或由Si等制成的半导体基板，并且可以在基板上设置用于确保电绝缘的绝缘膜。当基板是金属基板时，还存在廉价的金属，即使当金属基板的厚度薄时，金属基板的强度也高，并且该基板具有对于大气中的水分和氧气的高阻挡性能。关于基板的形状、结构和尺寸，没有特别限制，并且这些可以根据目的而适当地选择。通常，出于可操作性和形成TFT的容易性的观点，基板的形状优选为板状的。基板可以具有单层结构或层压体结构。此外，基板可以由单个构件或两个以上的构件构成。
(栅电极)
将导电和耐热性材料用于栅电极。例如，栅电极是使用下列材料形成的：金属如Al，Mo，Cr，Ta，Ti，Au，或Ag，或合金如Al-Nd或APC，或金属氧化物导电膜如氧化锡、氧化锌、氧化铟、氧化铟锡(ITO)或氧化铟锌(IZO)。例如，根据考虑到其对于所使用的材料的适宜性而从湿法如印刷和涂布，物理法例如真空沉积、溅射和离子电镀以及化学法如CVD和等离子体CVD中适当地选择的方法，在基板上形成栅电极。栅电极的厚度优选为10nm至1000nm。
在成膜以后，通过光刻法进行将栅电极形成为预定的形状的图案化。此时，优选将栅电极和栅布线同时图案化。
(栅绝缘膜)
将绝缘和耐热性材料用于栅绝缘膜。例如，绝缘膜可以是SiO2，SiNx，SiON，Al2O3，Y2O3，Ta2O5或HfO2的绝缘膜，或包含这些化合物中的至少两种以上的绝缘膜。还根据考虑到其对于所使用的材料的适宜性而从湿法如印刷和涂布，物理法例如真空沉积法、溅射和离子电镀以及化学法如CVD和等离子体CVD中适当地选择的方法，在基板上形成栅绝缘膜。根据需要，通过光刻法将栅绝缘膜进行形成为预定的形状的图案化。
栅绝缘膜必须具有用于降低泄漏电流并且改善电压耐受性的厚度，但是当厚度过大时，这最终导致驱动电压升高。取决于栅绝缘膜的材料，栅绝缘膜的厚度优选为10nm至10μm并且更优选50nm至1000nm。
(活性层)
优选采用使用包含In、Ga和Zn的氧化物半导体的多晶烧结体作为靶的气相成膜法形成活性层。在气相成膜法中，更优选溅射和脉冲激光沉积(PLD)，并且出于大规模生产率的观点，溅射是特别优选的。
例如，通过溅射或PLD形成厚度为20nm至150nm的IGZO的非晶态膜。通过X-射线衍射可以证实所形成的IGZO膜是非晶态膜。此外，膜厚度可以通过触针式表面形状测定得到，而组成比可以通过荧光X-射线分析得到。
在形成非晶态IGZO膜以后，必须通过蚀刻进行图案化。当活性层对用于其图案化的蚀刻液不具有耐受性时，例如，通过所谓的浮脱(lift-off)形成图案的方法是最简单和最便利的。
IGZO膜的图案化可以通过光刻或蚀刻进行。具体地，通过下列方式形成活性层：在将保留作为活性层的IGZO膜的部分中通过光刻形成抗蚀剂掩模的图案，并且使用酸溶液例如盐酸、硝酸、稀硫酸，或磷酸、硝酸和乙酸的混合液体(Al蚀刻液，由Kanto Chemical Co.，Inc.生产)蚀刻在栅绝缘膜上形成的IGZO膜。例如，优选使用包含磷酸、硝酸和乙酸的水溶液，原因在于可以可靠地移除IGZO膜的暴露部分。
本发明不限于以上所述的实施方案。例如，已经描述了其中将IGZO膜进行湿法蚀刻并图案化的情况，但是IGZO膜还可以通过干法蚀刻而图案化。
此外，非晶态IGZO膜还可以直接在成膜以后、直接在图案化以后、或在TFT的制备以后被热处理。通过进行此热处理，可以改善TFT特性如非晶态IGZO膜的载流子浓度、电导率、阈值电压、迁移率和S值。
非晶态IGZO膜的热处理温度超过室温(例如，25℃)并且低于700℃，并且出于热处理时间和热处理成本降低的观点以及增加可用于TFT的基板类型的观点，优选将非晶态IGZO膜在低温热处理。
而且，即使当对构成活性层的非晶态IGZO膜进行热处理时，对于波长在400至420nm的可见光短波长区域中的光的光吸收也降低。此外，非晶态IGZO膜的光学带隙趋于增大，尽管是轻微地增大，因此与热处理之前的非晶态IGZO膜相比，它没有下降。
(源电极和漏电极)
在活性层和栅绝缘膜上形成用于形成源电极和漏电极的金属膜。
金属膜作为电极和布线是导电的，并且由可以通过蚀刻而图案化的金属将金属膜形成为覆盖活性层就足够了。具体地，实例包括金属如Al，Mo，Cr，Ta，Ti，Au和Ag，合金如Al-Nd或APC，金属氧化物导电膜如氧化锡、氧化锌、氧化铟、氧化铟锡(ITO)和氧化铟锌(IZO)，有机导电化合物如聚苯胺、聚噻吩和聚吡咯，和这些的混合物。
特别是，出于成膜性、导电性和图案化能力的观点，优选通过例如溅射或沉积的技术形成和层压包含Al或其主要组分为Al并且包含Nd，Y，Zr，Ta，Si，W和Ni中的至少一种的金属的层(Al金属膜)，或从氧化物半导体膜侧，形成和层压包含其主要组分为Al并且包含Nd，Y，Zr，Ta，Si，W和Ni中的至少一种的金属的第一层和其主要组分为Mo或Ti的第二层。这里，“主要组分”是构成金属膜的组分的包含量(质量比)最大的组分，并且主要组分优选等于或大于50质量％并且更优选等于或大于90质量％。
在顶部接触类型的情况下，活性层已经形成，因此没有例如在源电极和漏电极以后形成活性层时存在的对金属膜厚度的限制，并且可以形成厚的金属膜。考虑到成膜性、由蚀刻产生的图案化能力以及导电性(使得它具有低电阻)，成为源电极和漏电极以及与其连接的布线的金属膜的总厚度优选为10nm至1000nm。顶部接触类型是其中在形成源电极和漏电极之前形成活性层，并且其中活性层的顶表面接触源电极和漏电极的构造。
此外，当将Al金属膜(第一层)和其主要组分为Mo或Ti的Mo金属膜或Ti金属膜(第二层)层压时，第一层的厚度优选为10nm至1000nm，而第二层的厚度优选为1nm至300nm。
接着，将金属膜蚀刻并图案化，从而形成接触活性层的源电极和漏电极。这里，源电极和漏电极中的至少一个通过下列方式形成：通过对要保留的金属膜的部分进行光刻形成抗蚀剂掩模，使用其中将乙酸或硫酸加入到磷酸和硝酸中的酸溶液，并且进行蚀刻。出于简化工艺的观点，优选将源电极和漏电极以及连接至这些电极的布线(数据线等)同时图案化。
本发明不限于上述实施方案。例如，已经描述了其中将金属膜进行湿法蚀刻并图案化的情况，但是金属膜还可以通过干法蚀刻而图案化。
3.显示装置
接着，作为属于本发明的示例性实施方案的显示装置的一个实例，将描述底部发光型有机EL显示装置。
底部发光型有机EL显示装置配备有基板，安置在基板上并且具有底栅结构的上述场效应晶体管，以及与基板上的场效应晶体管电连接的有机电致发光元件，其中由有机电致发光元件发射的光是从基板侧产生的。
图3是显示底部发光型有机EL显示装置100作为属于本发明的示例性实施方案的显示装置的一个实例的示意图。
在底部发光型有机EL显示装置100中，基板102在柔性支持体如PEN膜上具有基板绝缘膜104。其上设置有已经图案化的滤色层106。在驱动TFT部分上有栅电极108，并且栅电极108上设置栅绝缘膜110。在栅绝缘膜110的一部分中形成用于电连接的连接孔。属于本示例性实施方案的活性层112被设置在驱动TFT部分上，并且其上设置源电极114和漏电极116。漏电极116和有机EL元件像素电极(阳极)118是连续的单一体并且由同一材料和同一工艺形成。切换TFT的漏电极和驱动TFT通过连接电极120在连接孔中电连接。而且，除了其中形成像素电极部的有机EL元件的部分以外，整体都被绝缘膜122覆盖。包括发光层的有机层124和阴极126被设置在像素电极部上，并且形成有机EL元件部。
另外，在图3中所示的底部发光型有机EL显示装置100中，由发光层产生的光透过像素电极118，被滤色层106改变，透过基板102，并且取出到外部。
这里，根据本发明的示例性实施方案的有机EL显示装置100，活性层112被包含由发光层产生的蓝光的光照射，但是TFT可以稳定地运行而不受对其进行照射的光的影响，原因在于TFT具有活性层112，所述活性层112包含上述其中对于可见光短波长区域的光吸收降低的非晶态氧化物半导体材料。此外，可以预期制备步骤数的减少和成本的降低，因为不再需要使用如在专利文献1中的用于阻挡朝向TFT行进的光的手段。
4.应用
上述有机EL显示装置100具有宽的应用领域，包括移动电话显示器、个人数字助手(PDA)、计算机显示器、汽车中的信息显示器、TV监视器或普通照明。
此外，当将属于本发明的示例性实施方案的场效应晶体管在上述有机EL显示装置100外部使用时，可以在透明基板上进行装置制备时提供具有优异透光性的装置。具有优异透光性的装置的实例包括透明显示装置如透明显示器和电子纸。
另外，属于本发明的示例性实施方案的场效应晶体管还可以应用于光传感器和X-射线成像设备。
<实施例>
以下将通过实施例描述属于本发明的非晶态氧化物半导体材料，但是本发明绝不受这些实施例限制。
-非晶态氧化物半导体材料的制备-
<实施例1>
作为属于本发明的实施例1的非晶态氧化物半导体材料，形成组成比为In∶Ga∶Zn＝0.7∶1.3∶1.0的IGZO膜1。
具体地，通过由InGaZnO4，ZnO和Ga2O3中的每一个靶产生的共溅射在25mm2的石英玻璃上形成属于实施例1的IGZO膜1。对于这些靶，使用由Toshima Manufacturing Co.，Ltd.制造的靶(99.99％纯度)。当使用InGaZnO4和Ga2O3靶时，通过RF溅射进行成膜，而当使用ZnO靶时，通过DC溅射进行成膜。当使用ZnO靶时，通常ZnO的电阻高并且成膜经常通过RF溅射进行，但是由于通过DC溅射可以成膜并且出于大规模生产率的观点，使用DC溅射。
<实施例2>
作为属于本发明的实施例2的非晶态氧化物半导体材料，形成组成比为In∶Ga∶Zn＝0.5∶1.5∶1.0的IGZO膜2。除组成比改变以外，此IGZO膜2使用与实施例1中相同的成膜方法形成。
<实施例3>
作为属于本发明的实施例3的非晶态氧化物半导体材料，形成组成比为In∶Ga∶Zn＝0.7∶1.3∶2.0的IGZO膜3。除组成比改变以外，此IGZO膜3使用与实施例1中相同的成膜方法形成。
<实施例4>
作为属于本发明的实施例4的非晶态氧化物半导体材料，形成组成比为In∶Ga∶Zn＝0.5∶1.5∶2.0的IGZO膜4。除组成比改变以外，此IGZO膜4使用与实施例1中相同的成膜方法形成。
<比较例1>
作为属于本发明的比较例1的非晶态氧化物半导体材料，形成组成比为In∶Ga∶Zn＝1.1∶0.9∶1.0的比较IGZO膜1。除组成比改变以外，此比较IGZO膜1使用与实施例1中相同的成膜方法形成。
<比较例2>
作为属于本发明的比较例2的非晶态氧化物半导体材料，形成组成比为In∶Ga∶Zn＝1.0∶1.0∶1.0的比较IGZO膜2。除组成比改变以外，此比较IGZO膜2使用与实施例1中相同的成膜方法形成。
<比较例3>
作为属于本发明的比较例3的非晶态氧化物半导体材料，形成组成比为In∶Ga∶Zn＝1.1∶0.9∶2.0的比较IGZO膜3。除组成比改变以外，此比较IGZO膜3使用与实施例1中相同的成膜方法形成。
<比较例4>
作为属于本发明的比较例4的非晶态氧化物半导体材料，形成组成比为In∶Ga∶Zn＝1.0∶1.0∶2.0的比较IGZO膜4。除组成比改变以外，此比较IGZO膜4使用与实施例1中相同的成膜方法形成。
属于实施例1至4和比较例1至4的IGZO膜1至4和比较IGZO膜1至4的成膜条件如表1所示。
-场效应晶体管的制备-
<实施例5>
作为属于本发明的实施例5的场效应晶体管，制备其活性层包含组成比为In∶Ga∶Zn＝0.7∶1.3∶1.0的IGZO膜的TFT 1。
具体地，在具有热氧化膜的Si基板上形成具有以上组成比的IGZO膜(膜厚度50nm)，其后通过混合酸铝蚀刻液进行图案化，以制备活性层。构成活性层的IGZO膜的成膜方法和条件与实施例1中相同。然而，关于膜厚度，使用在实施例1中形成的IGZO膜的膜厚度和成膜时间作为参照，调节成膜时间使得膜厚度变为50nm。同样关于其组成比改变的以下所述的场效应晶体管，调节成膜时间使得膜厚度变为50nm。其后，使用源电极和漏电极用ITO进行成膜，从而制备了TFT 1，所述TFT 1的栅电极包含Si基板，而其栅绝缘膜包含热氧化膜(100nm)。
<实施例6>
作为属于本发明的实施例6的场效应晶体管，制备其活性层包含组成比为In∶Ga∶Zn＝0.5∶1.5∶1.0的IGZO膜的TFT 2。使用与实施例5中相同的制备方法和条件制备此TFT 2，不同之处在于活性层的组成比和成膜时间改变。
<实施例7>
作为属于本发明的实施例7的场效应晶体管，制备其活性层包含组成比为In∶Ga∶Zn＝0.7∶1.3∶2.0的IGZO膜的TFT 3。使用与实施例5中相同的制备方法和条件制备此TFT 3，不同之处在于活性层的组成比和成膜时间改变。
<实施例8>
作为属于本发明的实施例8的场效应晶体管，制备其活性层包含组成比为In∶Ga∶Zn＝0.5∶1.5∶2.0的IGZO膜的TFT 4。使用与实施例5中相同的制备方法和条件制备此TFT 4，不同之处在于活性层的组成比和成膜时间改变。
<比较例5>
作为属于比较例5的场效应晶体管，制备其活性层包含组成比为In∶Ga∶Zn＝1.1∶0.9∶1.0的IGZO膜的比较TFT 1。使用与实施例5中相同的制备方法和条件制备此比较TFT 1，不同之处在于活性层的组成比和成膜时间改变。
<比较例6>
作为属于比较例6的场效应晶体管，制备其活性层包含组成比为In∶Ga∶Zn＝1.0∶1.0∶1.0的IGZO膜的比较TFT 2。使用与实施例5中相同的制备方法和条件制备此比较TFT 2，不同之处在于活性层的组成比和成膜时间改变。
<比较例7>
作为属于比较例7的场效应晶体管，制备其活性层包含组成比为In∶Ga∶Zn＝1.1∶0.9∶2.0的IGZO膜的比较TFT 3。使用与实施例5中相同的制备方法和条件制备此比较TFT 3，不同之处在于活性层的组成比和成膜时间改变。
<比较例8>
作为属于比较例8的场效应晶体管，制备其活性层包含组成比为In∶Ga∶Zn＝1.1∶1.0∶2.0的IGZO膜的比较TFT 4。使用与实施例5中相同的制备方法和条件制备此比较TFT 4，不同之处在于活性层的组成比和成膜时间改变。
-非晶态氧化物半导体材料和场效应晶体管的热处理-
<实施例9>
作为属于本发明的实施例9的非晶态氧化物半导体材料，对实施例1的非晶态氧化物半导体材料(b＝1.3，c＝1.0)进行热处理，以形成IGZO膜5。
在将非晶态氧化物半导体材料放置到氧化气氛控制炉(FujifilmCorporation定制炉(custom-made furnace))中并且以200sccm的流量进行氧气置换以后，进行非晶态氧化物半导体材料的热处理。热处理条件为：升温速率为8.3℃/min，温度从室温升高到180℃，将180℃的温度保持1小时，其后，使非晶态氧化物半导体材料自然冷却，并且从热处理开始就连续流过上述氧气，直至移走非晶态氧化物半导体材料为止。
<实施例10>
作为属于本发明的实施例10的非晶态氧化物半导体材料，对实施例2的非晶态氧化物半导体材料(b＝1.5，c＝1.0)进行热处理，以形成IGZO膜6。
非晶态氧化物半导体材料的热处理的方法和条件与实施例9的方法和条件相同。
<比较例9>
作为属于比较例9的非晶态氧化物半导体材料，对比较例1的非晶态氧化物半导体材料(b＝0.9，c＝1.0)进行热处理，以形成比较IGZO膜5。
非晶态氧化物半导体材料的热处理的方法和条件与实施例5的方法和条件相同。
<比较例10>
作为属于比较例10的非晶态氧化物半导体材料，对比较例2的非晶态氧化物半导体材料(b＝1.0，c＝1.0)进行热处理，以形成比较IGZO膜6。
非晶态氧化物半导体材料的热处理的方法和条件与实施例5的方法和条件相同。
<实施例11>
作为属于本发明的实施例11的场效应晶体管，对实施例5的场效应晶体管(活性层的组成：b＝1.3，c＝1.0)进行热处理，以制备TFT 5。
在将场效应晶体管放置到桌上型马弗炉(KDF-75，由Dengen Co.，Ltd.制造)中并且以200sccm的流量进行氧气置换以后，进行场效应晶体管的热处理。热处理条件为：升温速率为8.3℃/min，温度从室温升高到180℃，将180℃的温度保持1小时，其后，使场效应晶体管自然冷却，并且从热处理开始就连续流过上述氧气，直至移走场效应晶体管为止。
<比较例11>
作为属于比较例11的场效应晶体管，对比较例5的场效应晶体管(活性层的组成：b＝0.9，c＝1.0)进行热处理，以制备比较TFT 5。
场效应晶体管的热处理的方法和条件与实施例11的方法和条件相同。
-薄膜评价-
对于实施例1至4和比较例1至4的IGZO膜1至4和比较IGZO膜1至4，进行X-射线衍射测量和组成比，膜厚度，光学性能和电性能的评价。表2显示了评价结果。该评价将在以下详细描述。
Figure BSA00000232949900251
(X-射线衍射测量)
所形成的所有IGZO膜的衍射强度的测量使用Rint-Ultima III测量装置(由Rigaku Corporation制造)通过熟知的X-射线衍射进行。如在表2中所示，作为测量的结果，证实所有IGZO膜都是非晶态的。
(组成比的评价)
通过荧光X-射线分析(装置：Axios，由PANalytical制造)确定所形成的所有的IGZO膜的组成比。具体地，首先，测量通过ICP确定元素In、Ga和Zn的元素浓度的标准样品的荧光X-射线强度。接着，在标准样品的每一个元素浓度和荧光X-射线强度之间产生标准曲线。最后，进行未知样品的荧光X-射线分析，并且将产生的标准曲线用于确定组成比。
如在表2中所示，作为确定组成比的结果，证实IGZO膜1至4和比较IGZO膜1至4具有以上所示的组成比。
图4是其中在相图中一起显示IGZO膜1至4和比较IGZO膜1至4的组成比的分析结果的图。
图中的范围A是属于本发明的实施例的IGZO膜的组成范围，而范围B是实施例的IGZO膜的优选组成范围。范围C是专利文献3中所述的IGZO膜的组成范围，而范围D是专利文献4中所述的IGZO膜的组成范围。此外，范围E是专利文献5中所述的IGZO膜的组成范围。而且，范围F是专利文献6中所述的IGZO膜的组成比。
如在图4中所示，属于实施例1至4的IGZO膜1至4的组成比被包括在该相图内的区域A中。此外，属于实施例1至4的IGZO膜1至4的组成比还被包括在该相图内的范围B中，所述范围B是优选范围。特别地，属于实施例2至4的IGZO膜2至4的组成比不被包括在范围F中。即，它们在下列范围内：a+b＝2，并且1.3≤b≤1.5，并且c＞-5b+8，并且1≤c≤2。
属于比较例1至4的比较IGZO膜1至4的组成比不被包括在该相图内的范围A和B中，但是被包括在该相图内的范围C、D或F中。
(膜厚度评价)
与组成比的确定类似，所形成的所有IGZO膜的膜厚度通过荧光X-射线分析确定。如在表2中所示，作为确定膜厚度的结果，证实所有的厚度为约100nm。
(光学性能)
所有IGZO膜的光学带隙是参考以下列出的参考文献1和2通过将由(αhv)2相对hv产生的Tauc曲线外推而计算的。为了产生此Tauc曲线，将分光光度计(U3310，U4000，由Hitachi，Ltd.制造)用于进行透射和反射测量。
参考文献1：非结晶固体杂志(Journal of Non-Crystalline Solids)，8-10(1972)，第569至585页
参考文献2：应用物理杂志(Journal of Applied Physics)，102，113525(2007)，第1至8页
图5显示了其中绘出IGZO膜的光学带隙的计算结果的图，其中横轴表示Ga的组成比(b值)，而纵轴表示光学带隙。
如在图5和表2中所示，可以证实的是，随着IGZO膜的Ga的组成比b增大，光学带隙扩大。此外，还可以证实，非晶态的IGZO膜具有可以在比结晶IGZO膜(未示出)更宽的范围内扩大的光学带隙。这是因为与结晶相不同，非晶相没有称为固溶体的概念并且可以几乎无限地增大Ga浓度。
(电性能)
通过用电阻率计(Mitsubishi Chemical Corporation，Hiresta MCP-HT450)确定所制备的所有IGZO膜的薄层电阻，计算它们的电导率。
图6显示所计算的IGZO膜的电导率σ与Ga的组成比b之间的关系。
如在图6和表2中所示，可以证实，随着Ga的组成比b增大，电导率σ降低。
这里，参考非专利文献2和以下列出的参考文献3和4中的晶体管Vg-Id特性，作为晶体管的活性层有效的比电阻的范围为102≤ρ≤109(Ω·cm)。即，作为晶体管的活性层有效的电导率σ为10-9≤σ≤10-2(S/cm)。
另外，所制备的所有IGZO膜的电导率都在10-9≤σ≤10-2(S/cm)的上述范围内。
参考文献3：薄固体膜(Thin Solid Films)，516(2008)，第1516页。
参考文献4：应用物理通讯(Appl.Phys.Lett)90 212114(2007)
-光照射之前的TFT特性-
关于属于实施例5至8和比较例5至8的TFT 1至4和比较TFT 1至4，评价光照射之前的TFT特性(Vg-Id特性，迁移率μ，阈值电压Vth)。在使干燥空气流动20分钟以上以后，在暗处和干燥空气环境下进行TFT特性的评价。当Vd＝10V时评价Vg-Id特性。
表3显示评价TFT 1至4和比较TFT 1至4中的TFT特性的结果。
Figure BSA00000232949900291
此外，图7至图12显示了TFT 1至4和比较TFT 2和2的TFT特性。
图7是显示当c值为c＝1时并当改变b值时的TFT的Vg-Id特性的图。图8是显示当c值为c＝2时并当改变b值时的TFT的Vg-Id特性的图。
如在图7、图8和表3中所示，在其中Zn的组成比为c＝1和c＝2的两种情况下，可以证实的是，随着Ga的组成比b增大，Vg-Id特性的曲线移动到正侧。
此外，图9是显示当c值为c＝1时并当改变b值时的TFT的迁移率μ的图。图10是显示当c值为c＝2时并当改变b值时的TFT的迁移率μ的图。
如在图9、图10和表3中所示，在其中Zn的组成比为c＝1和c＝2的两种情况下，可以证实的是，随着Ga的组成比b增大，迁移率μ减小。
而且，图11是显示当c值为c＝1时并当改变b值时的TFT的阈值电压Vth的图。图12是显示当c值为c＝2时并当改变b值时的TFT的阈值电压Vth的图。
如在图11、图12和表3中所示，在其中Zn的组成比为c＝1和c＝2的两种情况下，可以证实的是，随着Ga的组成比b增大，阈值电压Vth增大。
-在光照射时的TFT特性-
关于属于实施例5至8和比较例5和7的TFT1至4和比较TFT 1和3，测量在单色光照射时的TFT特性。图13显示TFT特性测量的总体构造。
具体地，如在图13中所示，将每一个TFT放置在探针台200上，使干燥空气流动2小时以上，并且在干燥空气环境下测量TFT特性(Vg-Id特性，Vg-Ig特性，迁移率μ，阈值Vth)。单色光照射TFT特性的测量条件为：Vd＝10V，单色光源的照射强度为10μW/cm2，并且波长λ的范围为380至700nm。除在以下指出时以外，所有的测量都是在将TFT用单色光照射10分钟时进行。
(迁移率)
将TFT 1至4和比较TFT 1和3的活性层用约420nm的不同波长的单色光照射。表4显示在此时测量迁移率变化(μ/μ0)的结果。此外，图14显示其中绘出这些测量结果的图，其中横轴表示波长(nm)，而纵轴表示迁移率变化(μ/μ0)。
μ是当用不同波长的单色光照射TFT时的每一个TFT(活性层)的迁移率，而μ0是当用波长为600nm的单色光照射TFT时的每一个TFT(活性层)的迁移率。
表4
Figure BSA00000232949900311
从表4和图14的结果可以证实，当单色光的波长为约420nm时，随着Ga的组成比b增大，迁移率变化减小。此外，应理解，当单色光的波长为约420nm时，几乎看不到TFT 1至3的迁移率变化。
(阈值电压随时间的变化)
用波长为420nm的单色光照射TFT 1至4和比较TFT 1和3的活性层，并且改变光照射时间。表5显示了此时测量阈值电压随时间的变化ΔVth的结果。此外，图15显示了其中绘出这些测量结果的图，其中横轴表示光照射时间(min)，而纵轴表示阈值电压随时间的变化(ΔVth)。使用在光照射之前的阈值电压Vth作为参照(零)测量ΔVth。
Figure BSA00000232949900331
由表5和图15中所示的结果，在属于实施例5的TFT 1和属于实施例8的TFT 4中，即使当光照射时间已经持续10分钟时，也几乎没有ΔVth(V)的变化。
(阈值电压的变化)
用不同波长的单色光照射TFT 1至4和比较TFT 1和3的活性层。表6显示了在此时测量阈值电压Vth的结果。此外，图16显示了其中绘出这些测量结果的图，其中横轴表示波长(nm)，而纵轴表示阈值电压(Vth)。在图16中，省略了在Zn的组成比c为c＝2时测量阈值电压的结果。
Figure BSA00000232949900351
(Vg-Id特性)
用不同波长的单色光照射TFT 1至4和比较TFT 1和3的活性层。图17至图22显示了在此时测量Vg-Id特性的结果。
此外，基于图17和图22中所示的结果，将Vg＝-5V时的电流值定义为断态电流(Ioff)，并且得到TFT 1至4和比较TFT 1和3的每个波长的断态电流。表7显示得到的断态电流。
从以上所有结果得到下列结论。
在属于比较例5的比较TFT 1(b＝0.9，c＝1)中，即使当比较TFT 1被波长等于或大于460nm的单色光照射时，也几乎没有看到断态电流的变化，并且显示活性层不受波长等于或大于460nm的可见光影响(参见图17和表7)。然而，可以证实断态电流由于波长等于或小于440nm的单色光而开始增大。例如，当用作有机EL驱动用TFT时，考虑到有机EL的蓝光的发光峰的边缘为约420nm，表明其中活性层为b＝0.9和c＝1的IGZO膜是不适宜的，原因在于TFT特性由于蓝光而出现变化。
类似地，在属于比较例7的比较TFT 3(b＝0.9，c＝2)中，当比较TFT3被波长等于或小于460nm的单色光照射时，可以证实断态电流的增大(参见图20和表7)。同样对于迁移率和ΔVth，在两者中都看到了大的变化(参见图14和图15)，因此表明比较TFT 3不适于有机EL驱动用TFT。
在属于实施例5的TFT 1(b＝1.3，c＝1)中，即使当用波长等于或大于420nm的单色光照射TFT 1时，也没有看到断态电流的变化(参见图18和表7)。此外，同样对于在光照射时的迁移率和Vth，这些也都没有由于波长等于或大于420nm的光而改变(参见图14和图16)。从而，得到的效果是TFT 1不受波长等于或大于420nm的光的影响，因此可以说TFT 1表现出作为有机EL驱动用TFT的足够的光响应性能。
此外，在属于实施例6的TFT 2(b＝1.5，c＝1)中，即使当用具有380nm或400nm的短波长的单色光照射TFT2时，也没有看到断态电流的变化(参见图19和表7)。对于迁移率，即使当用波长为380nm的单色光照射TFT 2时，迁移率也只下降5％，并且在可见光区域中没有看到对迁移率的影响。从而，表明TFT 1表现出作为有机EL驱动用TFT的足够的光响应性能。
而且，在属于实施例7的TFT 3(b＝1.3，c＝2)中，当用波长等于或小于400nm的单色光照射TFT 3时，断态电流的增加是显著的。同样对于在用波长为420nm的单色光照射TFT 3时，断态电流稍微增大，但是在接通(on)区域中没有看到Id位移，并且几乎没有看到迁移率和阈值的变化(参见图21和表7)。从而，表明TFT 3表现出作为有机EL驱动用TFT的足够的光响应性能。
而且，在属于实施例8的TFT 4(b＝1.5，c＝2)中，当用波长为380nm的单色光照射TFT 4时，TFT特性经历负位移，并且断态电流增大。然而，即使当用400nm或420nm的短波长的单色光照射TFT 4时，也没有看到断态电流的变化(参见图22和表7)。当用波长为420nm的单色光照射TFT4时，开始看到迁移率的降低(参见图14)，但是几乎没有看到Vth和断态电流的变化(参见表6和7)，因此认为TFT 4可用于有机EL。
此外，在包含In、Ga和Zn(In∶Ga∶Zn＝a∶b∶c，a+b＝2)的非晶态氧化物半导体材料中，在其中c＝1和c＝2的两种情况下，看到了伴随Ga组成比的增大，光吸收朝短波长侧位移并且带隙值增大的倾向(参见图5)。作为在单色光照射时测量TFT特性的结果，通过增大Ga的组成比b并且扩大带隙，得到了下列结果：TFT光照射特性改善并且可以实现具有高光稳定性的TFT。特别地，从图14至图22中显示的结果，其中活性层具有b＝1.3和c＝1的组成比的TFT 1表现出对于可见光短波长区域的最稳定的TFT特性，因此表明在b＝1.3和c＝1附近的组成范围是优选的范围。
-热处理后的评价-
(薄膜评价)
对于属于实施例9和10以及比较例9和10的热处理以后的IGZO膜5和6以及比较IGZO膜5和6，进行X-射线衍射测量和组成比，光学性能和电性能的评价。评价方法与上述方法相同。表8显示了评价结果。为了有助于对热处理前后的评价的比较，将已经在表2中显示的热处理之前的IGZO膜的评价也显示在表8中。
Figure BSA00000232949900401
作为X-射线衍射测量的结果，如在表8中所示，热处理以后的各个IGZO膜的结构显示出宽的图案(pattern)，其中它们都被认为是非晶态的。
同样对于热处理以后的每一个IGZO膜的光学带隙，光学带隙趋于增大，虽然是轻微地增大，并且证实的是，与热处理之前的IGZO膜1和2以及比较IGZO膜1和2相比，该光学带隙不减小。
对于电性能，热处理前后的变化是显著的。
(TFT特性)
接着，对于属于实施例11和比较例11的TFT 5和比较TFT 5，评价TFT特性(Vg-Id特性，Von，阈值电压Vth，迁移率μ，S值)。在使干燥空气流动20分钟以上以后，在暗处和干燥空气环境下进行TFT特性的评价。当Vd＝10V时评价Vg-Id特性。此外，Von是当对于实施例11得到Id＝1×10-11A时的电压值(Vg)，并且是当对于比较例11得到Id＝1×10-10A时的Vg值。
表9显示了评价TFT 5和比较TFT 5的TFT特性的结果。为了有助于对热处理前后的评价的比较，将已经在表3中显示的热处理之前的TFT的评价也显示在表9中。
Figure BSA00000232949900421
此外，图23显示了其活性层具有组成比为a＝0.7，b＝1.3并且c＝1.0的IGZO膜的TFT(TFT 1和TFT 5)在热处理之前和之后，Vg-Id特性的测量结果。活性层在此时没有被光照射。
从表9和图23的结果理解的是，与热处理之前的TFT 1相比，热处理之后的TFT 5的Vg-Id特性经历了大的负位移。此外，在TFT 5中，与TFT1相比，断态电流显示出基本上相同的值而通态电流增大。而且，还可以证实通态电压Von和S值由于热处理而得到改善。

Claims (7)

1.一种非晶态氧化物半导体材料，所述非晶态氧化物半导体材料包含含有In、Ga和Zn的非晶态氧化物半导体，其中当In∶Ga∶Zn＝a∶b∶c表示所述氧化物半导体的元素组成比时，所述元素组成比由下列范围限定：a+b＝2，并且b＜2，并且c＜4b-3.2，并且c＞-5b+8，并且1≤c≤2。
2.根据权利要求1所述的非晶态氧化物半导体材料，其中所述非晶态氧化物半导体材料的光学带隙等于或大于3.79eV。
3.一种非晶态氧化物半导体材料，所述非晶态氧化物半导体材料包含含有In、Ga和Zn的非晶态氧化物半导体，其中当In∶Ga∶Zn＝a∶b∶c表示所述氧化物半导体的元素组成比时，所述元素组成比由下列范围限定：a+b＝2，并且c＜4b-3.2，并且c＜-5b+8，并且1≤c，并且所述非晶态氧化物半导体材料的光学带隙等于或大于3.79eV。
4.一种场效应晶体管，所述场效应晶体管具有活性层，所述活性层包含根据权利要求1所述的非晶态氧化物半导体材料，并且所述活性层的电导率σ为10-9S/cm≤σ≤10-2S/cm。
5.根据权利要求4所述的场效应晶体管，其中所述非晶态氧化物半导体材料经过热处理。
6.一种显示装置，所述显示装置配备有根据权利要求4所述的场效应晶体管。
7.一种底部发光型显示装置，所述底部发光型显示装置包括：
基板；
根据权利要求4所述的场效应晶体管，所述场效应晶体管被安置在所述基板上并且具有底栅结构；和
有机电致发光元件，所述有机电致发光元件与所述基板上的所述场效应晶体管电连接，
其中由所述有机电致发光元件发射的光是从所述基板侧产生的。
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