CN102132413B - 场效应晶体管、显示元件、图像显示装置和系统 - Google Patents

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Abstract

提供了场效应晶体管、显示元件、图像显示装置和系统。场效应晶体管包括：向其施加栅极电压的栅极电极；用于获得响应于栅极电压的电流的源极电极和漏极电极；邻近源极电极和漏极电极提供的、并由包括镁和铟作为主要组分的氧化物半导体形成的活性层；以及在栅极电极与活性层之间提供的栅极绝缘层。

Description

场效应晶体管、显示元件、图像显示装置和系统
技术领域
本发明涉及场效应晶体管、显示元件、图像显示装置和系统。更具体地，本发明涉及具有由氧化物半导体形成的活性层的场效应晶体管、每个都包括场效应晶体管的显示元件以及图像显示装置、以及具有图像显示装置的系统。
背景技术
场效应晶体管(FET)是用于通过施加电压到栅极电极以取决于沟道的电场而提供用于电子或者空穴流动的栅极，从而控制在源极电极与漏极电极之间流动的电流的晶体管。
由于它的特性，将FET用作开关元件和放大元件。因为FET显示出小的栅极电流，并具有平坦的轮廓，所以与双极晶体管相比可以容易地制造或者集成。因此，现在FET是用于电子装置的集成电路中不可缺少的元件。
在有源矩阵类型显示器中已经将FET应用为薄膜晶体管(TFT)。
近年来，液晶显示器、有机EL(电致发光)显示器、电子纸等已经作为平板显示器(FPD)投入实际使用中。
FPD由包括TFT的驱动电路驱动，该TFT具有由无定形硅或者多晶硅形成的活性层(activelayer)。要求FPD实现进一步扩大、更高清晰度、以及更高驱动速度。根据这些要求，要求TFT具有更高载流子迁移率、特性随时间推移改变较少、以及在面内的较少特性变化。
然而，具有由无定形硅(a-Si)或者多晶硅(特别地，低温多晶硅(LTPS))形成的活性层的TFT具有优点和缺点。因此，它难以同时满足所有要求。
例如，a-SiTFT具有用于高速驱动大屏幕LCD(LiquidCrystalDisplay：液晶显示器)的迁移率不足、以及在连续驱动时阈值电压变动大的缺点。虽然LTPS-TFT具有高迁移率，但是由于通过使用受激准分子激光器退火而结晶活性层的处理，其具有阈值电压变化大的缺点；因此，不能使用用于大规模生产线的大尺寸母体玻璃。
另外，为了实现轻重量、柔性、高抗震、以及便宜的显示器，已经研究使用诸如塑料膜之类的柔性衬底。
在这种情况下，鉴于柔性衬底的抗热性，不可能使用在制造时需要比较高温度的处理的硅。
为了满足这些要求，积极开发了通过使用氧化物半导体形成的TFT，从其中可以预期比无定形硅更高的载流子迁移率(例如，见专利文件1至5，以及非专利文件1和2)。
专利文件1公开了一种透明半导体装置，其具有由掺杂(dope)3d过渡金属元素的氧化锌等形成的透明沟道层，且不需要热处理。
专利文件2公开了具有由ZnO形成的活性层的TFT。
专利文件3和4公开了一种具有包括一个或多个金属氧化物的沟道的半导体装置，其中该金属氧化物包括锌(Zn)-镓(Ga)，镉(Ca)-镓(Ga)，以及镉(Cd)-铟(In)。
专利文件5公开了一种具有由同系化合物InMO3(ZnO)m(M＝In、Fe、Ga、或者Al，m＝1至49的整数)薄膜形成的活性层的透明薄膜场效应晶体管。
非专利文件1公开了一种具有通过使用单一晶体InGaO3(ZnO)5形成的沟道的TFT。
非专利文件2公开了一种具有通过使用无定形In-Ga-Zn氧化物形成的活性层的TFT。
非专利文件3公开了一种MgIn2O4-x烧结体的化学态以及光电性能。非专利文件4公开了具有高导电性的MgIn2O4。
[专利文件1]日本专利申请公开No.2002-76356
[专利文件2]美国专利No.7067843
[专利文件3]日本专利申请公开No.2007-529119
[专利文件4]美国专利No.7297977
[专利文件5]日本专利申请公开No.2004-103957
[非专利文件1]K.Nomura，以及其他五人，“Thin-FilmTransistorFabricatedinSingle-CrystallineTransparentOxideSemiconductor”，SCIENCE，VOL.300，2003年5月23日，p.1269-1272
[非专利文件2]K.Nomura，以及其他5人，“Room-temperaturefabricationoftransparentflexiblethin-filmtransistorsusingamorphousoxidesemiconductors”，NATURE，VOL.432，2004年11月25日，p.488-492
[非专利文件3]NaokoHikima，以及其他4人，“NewTransparentElectroconductiveOxide.2.ChemicalStatesandOptical-ElectricalPropertiesofSinteredMgIn2O4-x”，TheJapanSocietyofAppliedPhysicsandRelatedSocieties(The39thSpringMeeting，1992)，ExtendedAbstracts，No.3，30p-C-2，p.851
[非专利文件4]N.Ueda，以及其他6人，“Newoxidephasewithwidebandgapandhighelectroconductivity，MgIn2O4”，App1.Phys，Lett.61(16)，1992年10月19日，p.1954-1955
在显示器的驱动电路中使用的TFT需要具有所谓的常关(normally-off)特性。然而，当ZnO、CdO、Cd-In氧化物以及Cd-Ga氧化物用于TFT的活性层时，容易导致氧空位(vacancy)或者空隙(interstitial)金属原子。结果，电子载流子浓度增加。因此，难以实现常关特性。
鉴于此，建议掺杂微量金属以降低电子载流子浓度(见专利文件1)。但是，难以将微量金属均匀地掺杂到大的面积上。
此外，专利文件2中公开的TFT具有常关特性，其是通过在沉积活性层时准确控制氧的量而实现的。但是，由于窄的处理公差(裕度)，这种方法是不实际的。
作为TFT的另一重要特性，在源极电极与漏极电极以及活性层之间有接触电阻。在专利文件3和4公开的半导体装置中，Zn-Ga氧化物的导电带最小值的能级相当高。因此，难以注入电子载流子并获得良好的结点(junction)(见Appl.Phys.Lett.64，1077(1994))
此外，因为分别是wurtz类型以及同源类型(六方晶系)的ZnO以及In-Ga-Zn-O的晶体结构是高度各向异性的，所以需要控制薄膜的方向。因此，预期难以将该晶体结构应用到大面积的显示器上。
鉴于以上事实，提出采用活性层无定形。但是，当Zn浓度增加时，ZnO容易结晶且In-Ga-Zn-O容易结晶以获得高迁移率。
另外，因为In-Ga-Zn-O是三元氧化物系统，不能容易地控制其成分。因此，当用溅射方法沉积In-Ga-Zn-O时，存在膜成分大大偏离目标成分的缺点。
另外，在源极电极与漏极电极以及活性层之间，In-Ga-Zn-O具有相当高的接触电阻。因此，存在以下问题：由于接触电阻所导致的电压降，晶体管的导通电流降低，且因为各个TFT的接触电阻变化，所以容易导致TFT特性的恶化，诸如晶体管特性的变化。
在本发明中，提供具有高的载流子迁移率的场效应晶体管，其通过使用主要由成分容易控制的两种金属元素形成的活性层材料形成，并具有通过抑制源极电极与漏极电极以及活性层之间的接触电阻到很小而改进了的特性。
因为非专利文件3和4中公开的Mg-In氧化物具有高的导电性，所以使用该Mg-In氧化物作为TFT的材料是不合适的。
但是，通过各种重复实验等，本发明人发现通过使用Mg-In氧化物形成场效应晶体管来解决上述问题是可能的。
发明内容
基于本发明人的上述发现而做出本发明。
根据本发明的一个方面，场效应晶体管包括向其施加栅极电压的栅极电极；用于获得响应于栅极电压的电流的源极电极以及漏极电极；邻近源极电极和漏极电极提供的、并由包括镁和铟作为主要组分的氧化物半导体形成的活性层；以及在栅极电极与活性层之间提供的栅极绝缘层。
附图说明
图1是根据本发明实施例的电视设备的配置的框图；
图2是用于描述图1的图像显示装置的图；
图3是用于描述图1的图像显示装置的图；
图4是用于描述图1的图像显示装置的图；
图5是用于描述显示元件的图；
图6是用于描述有机EL元件的图；
图7是用于描述场效应晶体管的图；
图8是用于描述实施例1的场效应晶体管的特性的图；
图9是用于描述比较示例3的场效应晶体管的特性的图；
图10是用于描述比较示例4的场效应晶体管的特性的图；
图11是用于描述有机EL元件以及场效应晶体管的布置的图；
图12是用于描述显示控制装置的图；
图13是用于描述有机EL元件以及场效应晶体管的布置的修改示例的图；
图14是用于描述“底部接触底部栅极类型(bottomcontactbottomgatetype)”场效应晶体管的图；
图15是用于描述“顶部接触顶部(top)栅极类型”场效应晶体管的图；
图16是用于描述“底部接触顶部栅极类型”场效应晶体管的图；
图17是用于描述当场效应晶体管是“顶部接触顶部栅极类型”场效应晶体管时有机EL元件以及场效应晶体管的布置示例1的图；
图18是用于描述当场效应晶体管是“顶部接触顶部栅极类型”场效应晶体管时有机EL元件以及场效应晶体管的布置示例2的图；
图19是用于描述修改示例1的场效应晶体管的特性的图；
图20是用于描述修改示例2的场效应晶体管的特性的图；
图21是用于描述修改示例3的场效应晶体管的特性的图；
图22是用于描述液晶显示器的图；
图23是用于描述图22的显示元件的图；
图24是用于描述比较示例1的场效应晶体管的图；
图25是用于描述实施例2的场效应晶体管的特性的图；
图26是用于描述比较示例2的场效应晶体管的特性的图。
具体实施方式
以下参考图1至图12描述本发明的实施例1。图1示出作为根据本发明实施例1的系统的电视设备100的示意性配置。图1中的连接线表示代表性信号和数据的流，且没有示出块之中的所有连接关系。
电视设备100包括主控制装置101、调谐器103、AD(模拟-数字)转换器(ADC)104、解调电路105、TS(TransportStream：传输流)解码器106、音频解码器111、DA(数字-模拟)转换器(DAC)112、音频输出电路113、扬声器114、视频解码器121、视频/OSD(操作顺序图)合成电路122、视频输出电路123、图像显示装置124、OSD制图电路125、内存131、操作装置132、驱动接口(驱动IF)141、硬盘装置142、光盘装置143、IR(红外)接收器151、通信控制装置152、等等。
主控制装置101控制整个电视装置100，并由CPU、闪存ROM(ReadOnlyMemory：只读存储器)、RAM(RandomAccessMemory：随机存取存储器)等形成。闪存ROM存储以由CPU可解码的代码写入的程序、用于CPU的处理的各种数据等。RAM是工作存储器(存储)。
调谐器103从由天线210接收的广播波中选择预定频道的广播。
ADC104将调谐器103的输出信号(模拟数据)转换为数字数据。
解调电路105解调由ADC104输出的数字数据。
TS解码器106执行解调电路105的输出信号的TS解码并分离音频数据与视频数据。
音频解码器111解码由TS解码器106输出的音频数据。
DA转换器(DAC)112将音频解码器111的输出信号转换为模拟信号。
音频输出电路113将DA转换器(DAC)112的输出信号输出到扬声器114。
视频解码器121解码由TS解码器106输出的视频数据。
视频/OSD合成电路122合成视频解码器121与OSD制图电路125的输出信号。
视频输出电路123将视频/OSD合成电路122的输出信号输出到图像显示装置124。
OSD制图电路125包括用于在图像显示装置124的屏幕上显示文本和图的字符生成器，并根据操作装置132与IR接收器151的指令生成包括显示数据的信号。
存储器131暂时累积AV(视-听)数据等。
例如，操作装置132包括诸如控制面板之类的输入介质(图中未示出)，由此由用户输入的各种信息被报告给主控制装置101。
驱动IF141是双向通信接口，其符合例如ATAPI(ATAttachmentPacketInterface：AT附加分组接口)。
硬盘装置142包括硬盘、用于驱动硬盘的驱动装置等。驱动装置在硬盘中记录数据并再现记录在硬盘中的数据。
光盘装置143在光盘(诸如DVD(DigitalVersatileDisc：数字通用盘))中记录数据并再现记录在光盘中的数据。
IR接收器151接收来自遥控发送器220的光信号并将接收的信号报告给主控制装置101。
通信控制装置152控制与因特网的通信。通信控制装置152可以通过因特网获得各种信息。
图像显示装置124包括例如显示装置300和显示控制装置400，如图2所示。
如图3的示例所示，显示装置300包括显示器310，其中以矩阵布置多个(这里，n×m个)显示元件302。
另外，如图4的示例所示，显示器310包括以相等间隔沿X轴方向布置的n条扫描线(X0，X1，X2，X3，...，Xn-2和Xn-1)、以相等间隔沿Y轴方向布置的m条数据线(Y0，Y1，Y2，Y3，...和Ym-1)、以及以相等间隔沿Y轴方向布置的m条电流供应线(Y0i，Y1i，Y2i，Y3i，...和Ym-1i)。显示元件可以由扫描线和数据线指定。
如图5的示例所示，每个显示元件包括有机EL(电致发光)元件350和用于使有机EL元件350发光的驱动电路320。也就是说，显示器310是所谓的有源矩阵有机EL显示器。此外，虽然显示器310是32英寸彩色显示器，但是显示器310的尺寸并不限于此。
如图6的示例所示，有机EL元件350包括有机EL薄膜层340、阴极312、以及阳极314。
阴极312使用铝(Al)形成。阴极312可以使用镁(Mg)-银(Ag)合金、铝(Al)-锂(Li)合金、ITO(IndiumTinOxide：氧化铟锡)等形成。
阳极314使用ITO形成。阳极314可以使用诸如In2O3、SnO2和ZnO之类的导电氧化物、银(Ag)-钕(Nd)合金等形成。
有机EL薄膜层340包括电子传输层342、光发射层344和空穴传输层346。电子传输层342连接到阴极312，而空穴传输层346连接到阳极314。当在阳极314与阴极312之间施加预定电压时，光发射层344发射光。
在图5中，驱动电路320包括两个场效应晶体管10与20以及电容器30。
场效应晶体管10操作为开关元件。场效应晶体管10具有连接到预定扫描线的栅极电极G以及连接到预定数据线的源极电极S。另外，场效应晶体管10的漏极电极D连接到电容器30的一个端子。
电容器30用于记录场效应晶体管10的状态，即，数据。电容器30的另一端子连接到预定的电流供应线。
场效应晶体管20提供大的电流给有机EL元件350。场效应晶体管20具有连接到场效应晶体管10的漏极电极D的栅极电极G以及连接到有机EL元件350的阳极314的漏极电极D。场效应晶体管20的源极电极S连接到预定电流供应线。
当场效应晶体管10导通时，有机EL元件350由场效应晶体管20驱动。
如图7的示例所示，每个场效应晶体管10和20都包括衬底21、活性层22、源极电极23、漏极电极24、栅极绝缘层25和栅极电极26。
这里，每个场效应晶体管10和20都是所谓的“顶部接触底部栅极类型”晶体管。
场效应晶体管的制造方法简述如下。
(1)在玻璃衬底21上沉积100nm厚的铝(Al)。通过执行光刻法，将沉积的铝图案化(pattern)为线以形成栅极电极26。
(2)通过执行等离子CVD(ChemicalVaporDeposition：化学气相沉积)，在衬底上沉积200nm厚的SiO2以形成栅极绝缘膜25。
(3)在栅极绝缘膜25上应用抗蚀剂，在其上具有抗蚀剂的衬底上执行曝光和显影。因此，形成图案化为与活性层22对应的形状的抗蚀剂层。
(4)通过执行射频溅射方法，形成用作活性层22的Mg-In氧化膜。
这里，具有In2MgO4成分的多晶烧结体(直径为4英寸)用作溅射的目标。溅射室中的背压力设置为2×10-5Pa。控制溅射时提供的氩气和氧气的流速，以便总压力变成0.3Pa，氧气分压力变成1.7×10-3Pa。在溅射处理期间，用水冷却支撑衬底21的支撑架，以便控制衬底21的温度为15至35℃。通过以150W的溅射功率执行溅射30分钟，形成100nm厚的Mg-In氧化膜。
(5)通过移除抗蚀剂来执行剥离(liftoff)处理，活性层22形成为期望的形状。
(6)通过执行光刻法以及剥离方法，源极电极和漏极电极由100nm厚的铝(Al)形成。这里，沟道长度设置为50μm，且沟道宽度设置为2mm。
当测量以与上述条件相同的条件沉积在玻璃衬底上的Mg-In氧化膜的体电阻率时，其是10Ωcm。另外，当通过使用装有平行光系统的X射线光栅设备，以铜(Cu)的Kα线扫描Mg-In氧化膜(入射角＝1°，2θ＝10°至70°)时，观察不到指示结晶度的顶点，且因此确认形成的膜是无定形态。
用上述制造方法制造的场效应晶体管是以电子作为载流子的典型的N型晶体管。图8示出当在该场效应晶体管中源-漏电压VDS是20V时栅极电极VG和源-漏电流IDS之间的关系。因此，当栅极电压VG是1V时，源-漏电流IDS是4pA，其是最小值。当栅极电压VG是0V时，源-漏电流IDS是接近于最小值的值。也就是说，该场效应晶体管呈现出良好的常关特性。
当栅极电压VG是20V时，源-漏电流IDS(源极和漏极之间流动的电流)是90μA。饱和区中计算的场效应迁移率是2.1cm2/Vs。
也就是说，该实施例的场效应晶体管具有高的载流子迁移率和常关特性。
如比较示例1，通过执行以下步骤制造图24所示的具有由无定形硅形成的活性层的场效应晶体管。
(1)在玻璃衬底500上溅射200nm厚的钼(Mo)。通过光刻法将形成的膜图案化为线，形成栅极电极501。
(2)通过等离子CVD，顺序地沉积将成为栅极绝缘膜502的SiNx、将成为活性层503的无定形硅(a-Si:H)、将要掺杂磷的无定形硅504(n+-a-Si:H)这三层。这三层的膜厚度分别是300nm、200nm和50nm。用250℃的衬底温度、35sccm的SiH4流速、35sccm的H2流速、0.1Torr的压力以及100mW/cm2的功率密度沉积活性层503。提供n+-a-Si:H以改善活性层503与源极电极和漏极电极505和506之间的接触。接着，通过光刻法将TFT形成为岛(island)。
(3)形成100nm厚的铝(Al)层。通过光刻法将该铝层图案化为源极电极505和漏极电极506的形状。
(4)通过使用源极电极和漏极电极505和506作为掩模，通过活性离子刻蚀(RIE)形成后沟道。通过该蚀刻，移除源极电极与漏极电极之间的n+-a-Si:H(沟道部分)，并获得图24所示的场效应晶体管。晶体管的沟道长度和沟道宽度分别设置为50μm和0.2mm。
上述场效应晶体管呈现出典型的N型晶体管的特性。当源-漏电压(源极与漏极之间的电压)VDS是10V时，晶体管处于关断状态，并且当栅极电压VG＝0V时，源-漏电流IDS大约是10pA。另外，在VG＝20V的情况下，IDS是3μA，且饱和区中计算的场效应迁移率是0.3cm2/Vs。
通过上述实施例1以及比较示例1，示出具有由Mg-In氧化膜形成的活性层的场效应晶体管可以实现比具有由a-Si形成的活性层的典型的晶体管更高的载流子迁移率。
作为本发明的实施例2，通过以下步骤制造如图14所示的底部栅极底部接触类型晶体管。
(1)通过汽相沉积在玻璃衬底21上沉积100nm厚的铝(Al)。通过光刻法将沉积膜图案化为线，形成栅极电极26。
(2)通过等离子CVD沉积200nm厚的SiO2以形成栅极绝缘膜25。
(3)通过DC溅射方法，形成用作源极电极23和漏极电极24的ITO膜。然后，通过光刻法将ITO膜图案化为所期望的电极形状。
(4)通过抗蚀剂的应用、曝光和显影，形成图案化为与活性层22对应的形状的抗蚀剂层。
(5)通过射频溅射方法，形成用作活性层22的Mg-In氧化膜。使用与实施例1类似的用于沉积的条件。
(6)通过移除抗蚀剂执行剥离处理，以便将活性层22形成为期望的形状。因为用于沉积Mg-In氧化膜的条件与实施例1的相同，实施例2的Mg-In氧化膜也是无定形态，且也具有大约10Ωcm的体电阻率。
通过执行上述步骤，获得具有5μm沟道长度和1.5mm沟道宽度的场效应晶体管。另外，通过重复同样的步骤，制造该场效应晶体管的四个样品。
图25示出在源-漏电压VDS是20V的情况下，这四个场效应晶体管中的每一个的栅极电压VG与源-漏电流IDS的关系。由具有不同图案的一条实线与三条虚线示出的四个晶体管的特性相互匹配得很好，这意味着以好的可复制性实现了具有良好特性的晶体管。饱和区中计算的场效应迁移率是0.8至1.1cm2/Vs。
另外，源极电极与活性层之间以及漏极电极与活性层之间的接触电阻大约是2kΩ。
作为比较示例2，除了将无定形In-Ga-Zn氧化物用作形成活性层的材料之外，以类似于实施例2的方式制造场效应晶体管。
通过DC溅射方法沉积In-Ga-Zn氧化膜。使用具有InGaZnO4成分的多晶烧结体(直径为4英寸)作为目标。溅射室中的背压力设置为2×10-5Pa。控制溅射时提供的氩气和氧气的流速，以便总压力变成0.7Pa，且氧气分压力变成1.16×10-2Pa。在溅射期间，通过用水冷却支撑衬底21的支撑架，控制衬底21的温度在15至35℃范围之内。通过设置溅射功率为140W以及溅射时间为30分钟，形成100nm厚的In-Ga-Zn氧化膜。
通过类似于实施例2的步骤，获得5μm沟道长度和1.5mm沟道宽度的场效应晶体管。另外，通过重复同样的步骤，制造该场效应晶体管的四个样品。
图26示出在源-漏电压VDS是20V的情况下，这四个场效应晶体管中的每一个的栅极电压VG与源-漏电流IDS的关系。由具有不同图案的一条实线与三条虚线示出的四个晶体管的特性明显地变化。例如，在样品之中，晶体管导通时获得的电流值有很大的差别。饱和区中计算的场效应迁移率从0.8至3.0cm2/Vs变化。
另外，源极电极与活性层之间以及漏极电极与活性层之间的接触电阻大约是50kΩ。另一方面，在晶体管导通(例如，VG＝20V)的情况下，沟道的电阻(沟道电阻)估计大约为5kΩ。在该样品中，因为接触电阻比沟道电阻高，所以接触电阻的影响大。因此，该样品的特性是不稳定的。接触电阻趋向于取决于样品而变化，其是晶体管的特性变化的原因。
通过上述实施例2以及比较示例2，示出使用Mg-In氧化物作为活性层比In-Ga-Zn氧化物可以减小接触电阻一个数量级或者更多，且可以获得具有均匀特性的晶体管。
作为比较示例3，除了用于溅射Mg-In氧化膜的氧气分压力设置为小于上述制造方法的氧气分压力的1.3×10-3Pa之外，以类似于实施例1的方式制造场效应晶体管。在比较示例3的场效应晶体管中，图9示出当源-漏电压VDS是20V时，栅极电压VG与源-漏电流IDS之间的关系。因此，即使当栅极电压VG从-40改变到20V时，源-漏电流IDS的改变也很小。因此，在栅极电压VG的该范围内不能实现关断状态。在这些条件下形成的Mg-In氧化膜的体电阻率是4×10-3Ωcm。
在各种实验之后，发现当用于溅射Mg-In氧化膜的氧气分压力降低时，Mg-In氧化膜的体电阻率降低，且制造的场效应晶体管的阈值电压向负方向变动(降低)。通过Mg-In氧化膜的体电阻率与常关特性之间的关系的检查，发现当Mg-In氧化膜的体电阻率小于10-2Ωcm时，不能实现常关特性。
作为比较示例4，除了用于溅射Mg-In氧化膜的氧气分压力设置为比上述制造方法的氧气分压力更高的5.0×10-3Pa之外，以类似于实施例1的方式制造场效应晶体管。在比较示例4的场效应晶体管中，图10示出当源-漏电压VDS是20V时，栅极电压VG与源-漏电流IDS之间的关系。因此，当栅极电压VG是5V时，源-漏电流IDS是0.5pA，其是最小值。当栅极电压VG是20V时，IDS＝0.14μA。饱和区中计算的场效应迁移率是7×10-6cm2/Vs，其小于场效应晶体管需要的值。在这些条件下形成的Mg-In氧化膜的体电阻率是2×109Ωcm。
通过各种实验，发现当用于溅射Mg-In氧化膜的氧气分压力增加时，获得的Mg-In氧化膜的体电阻率增加，且制造的场效应晶体管的导通电流与场效应迁移率的值趋向于降低。作为考虑Mg-In氧化膜的体电阻率与场效应迁移率之间的关系的结果，发现当Mg-In氧化膜的体电阻率变得高于109Ωcm时，场效应迁移率变得低于1×10-5cm2/Vs，且晶体管特性降低到不适合于实际使用的程度。
表1示出实施例1和2、比较示例3和4以及修改示例1至3的晶体管的用作活性层的Mg-In氧化膜的体电阻率与晶体管特性。
表1
为了实现常关特性和高载流子迁移率，优选地用作活性层的Mg-In氧化膜的体电阻率设置为10-2至109Ωcm。
电阻率主要取决于载流子密度和迁移率。因此，通过有意地改变载流子密度和迁移率可以控制电阻率。为了控制Mg-In氧化膜的电阻率，通过控制Mg-In氧化膜中氧的含量(氧缺陷的密度)来改变载流子密度是有效的。如上所述，通过改变溅射沉积时使用的氧气分压力改变形成的膜的电阻率。在通过除了溅射之外的方法形成膜的情况下，通过控制处理的大气压力可以形成具有期望电阻率的膜。另外，因为通过在形成膜之后执行退火也改变电阻率，所以优化退火温度或者大气压力也是有效的。或者，通过用另一元素代替构成Mg-In氧化膜的每个元素的一部分，也可以改变电阻率。
图11示出实施例1描述的显示元件302的有机EL元件350与场效应晶体管20之间的位置关系。这里，有机EL元件350布置在场效应晶体管20的旁边。场效应晶体管10与电容器30在与这些元件相同的衬底上形成。
可以使用类似于传统的设备与步骤的设备与步骤(制造处理)来制造显示元件302。
如图12的示例所示，显示控制设备400包括图像数据处理电路402、扫描线驱动电路404和数据线驱动电路406。
数据处理电路402根据视频输出电路123的输出信号确定显示器310的多个显示元件302的亮度。
扫描线驱动电路404根据图像数据处理电路402的指令分别施加电压到n条扫描线。
数据线驱动电路406根据图像数据处理电路402的指令分别施加电压到m条数据线。
如从以上描述中很清楚，根据该实施例的电视设备100具有由视频解码器121、视频/OSD合成电路122、视频输出电路123和OSD制图电路125形成的图像数据形成设备。
如上所述，根据该实施例，场效应晶体管包括用于施加栅极电压的栅极电极26、用于获得电流的源极电极23和漏极电极24、由主要由镁(Mg)以及铟(In)形成的氧化物半导体形成的、并邻近源极电极23和漏极电极24提供的活性层22、以及在栅极电极26与活性层22之间提供的栅极绝缘层25。
控制形成活性层22时提供的氧气的流速，以便氧气分压力变成1.7×10-3Pa。构成活性层22的氧化物半导体是具有10Ωcm的体电阻率以及关于氧具有非化学计算成分的MgIn2O4氧化物半导体。
在这种情况下，可以实现高迁移率以及常关特性两者。
另外，因为根据该实施例的显示元件302提供有场效应晶体管10和20，所以可以实现高速驱动且可以减少元件之中的变化。
另外，因为图像显示装置124包括显示元件302，所以可以由大面积显示器显示高质量图像。
另外，因为根据该实施例的电视设备100包括图像显示装置124，所以可以以高分辨率显示图像信息。
在以上实施例中，已经描述有机EL薄膜层由电子传输层、光发射层、和空穴传输层形成的情况。但是，本发明并不限于此。例如，电子传输层和光发射层可以作为一层形成。此外，在电子传输层与阴极之间可以提供电子注入层。此外，在空穴传输层与阳极之间可以提供空穴注入层。
在上述实施例中，已经描述了“底部发射”类型光发射元件，由此从衬底侧发射光。但是，本发明并不限于此。例如，通过使用诸如银(Ag)-钕(Nd)合金之类的高反射电极作为阳极314，并使用诸如镁(Mg)-银(Ag)合金之类的半透明电极或者诸如ITO之类的透明电极作为阴极312，可以从与衬底相对的侧发射光。
另外，在以上实施例中，有机EL元件350布置在显示元件320中场效应晶体管20的旁边。但是，本发明并不限于此。例如，如图13所示可以在场效应晶体管20上提供有机EL元件350。在这种情况下，栅极电极26需要是透明的。因此，诸如ITO、In2O3、SnO2、ZnO、和向其掺杂Ga的ZnO、向其掺杂Al的ZnO和向其掺杂Sb的SnO2之类的具有导电性的透明氧化物用作栅极电极26。
另外，在以上实施例中，已经描述场效应晶体管是所谓的“顶部接触底部栅极类型”晶体管的情况。但是，本发明并不限于此。例如，如图14所示，也可以使用所谓的“底部接触底部栅极类型”的晶体管。此外，如图15所示，也可以使用所谓的“顶部接触顶部栅极类型”晶体管。此外，如图16所示可以使用所谓的“底部接触顶部栅极类型”晶体管。
图17和图18示出在场效应晶体管是“顶部接触顶部栅极类型”晶体管的情况下场效应晶体管20和有机EL元件350的布置的示例。图17和图18中的附图标记360表示绝缘层。
在以上实施例中，描述了衬底21是由玻璃形成的平板的情况。但是，本发明并不限于此，由陶瓷或者塑料形成的平板或者塑料膜也可以用作衬底21。
在以上实施例中，描述了每个电极由铝(Al)形成的情况。但是，本发明并不限于此。例如，每个电极可以由以下形成：单独由铬(Cr)、金(Au)、银(Ag)、钽(Ta)、铟(In)、钼(Mo)、钨(W)、镍(Ni)、钛(Ti)等形成的金属膜；通过层叠多个这些金属膜形成的金属层叠层膜；包括上述金属的合金膜；诸如In2O3、SnO2、以及ZnO之类的导电氧化膜；诸如向其掺杂锡(Sn)的In2O3(ITO)、向其掺杂镓(Ga)的ZnO、向其掺杂铝(Al)的ZnO、以及向其添加锑(Sb)的SnO2之类的导电氧化膜；或者扩散上述材料的微粒子的膜。
在以上实施例中，描述了SiO2用作栅极绝缘层25的情况。但是，本发明并不限于此。例如，具有绝缘性能的诸如Al2O3、Ta2O5、Y2O3、La2O3、HfO2、Nb2O3、以及ZrO2之类的氧化物、有机绝缘材料、以及SiNx可以用作栅极绝缘层25的材料。
另外，在以上实施例中，构成活性层22的氧化物半导体是无定形的。但是，本发明并不限于此。例如，氧化物半导体可以具有尖晶石结构(包括所谓的反尖晶石结构)或者橄榄石结构。另外，构成活性层22的氧化物半导体可以具有混合在其中的结晶性和无定形属性两者。此外，构成活性层22的氧化物半导体可以包括混合在其中的具有尖晶石结构的相和橄榄石结构的相。
作为修改示例1，除了溅射Mg-In氧化膜使用的氧气分压力设置为2.7×10-3Pa以及衬底21的温度保持在300℃之外，以类似于实施例1的方式制造场效应晶体管。在修改示例1的条件下，以类似于上述实施例的方式关于在玻璃衬底上形成的Mg-In氧化膜执行X射线衍射测量。然后，观察到多个峰值。具体地，当2θ大约是33°时获得最高峰值，其与具有尖晶石结构的MgIn2O4(311)的峰值相对应。因此，确认当加热衬底21时通过执行沉积获得结晶Mg-In氧化膜。
图19示出在源-漏电压VDS是20V的情况下，修改示例1的场效应晶体管的栅极电压VG与源-漏电流IDS之间的关系。因此，当栅极电压VG是5V时，源-漏电流IDS是最小值1.9pA，而当栅极电压VG是20V时IDS＝63μA。然后，在饱和区中计算的场效应迁移率是2.6cm2/Vs。也就是说，类似于以上实施例的场效应晶体管，修改示例1的场效应晶体管实现高的载流子迁移率与常关特性。在修改示例1的条件下形成的Mg-In氧化膜具有40Ωcm的体电阻率。
在这种情况下，尖晶石结构是立方晶系，其中由BO6八面体边缘共用的一维链(金红石链)在各个三维方向延伸，以及AO4四面体用于连接金红石链。载流子的传输特性并不取决于薄膜的方位性质。也就是说，电子的移动方向是各向同性的。因此，没有由诸如ZnO半导体之类的晶体结构的各向异性导致的缺点。另外，因为导电带的底部部分由铟的5s轨构成，关于电子载流子的传输特性，晶粒边界的影响很小。
此外，在上述实施例的构成活性层22的氧化物半导体中，部分铟(In)可以由铝(Al)和镓(Ga)中的至少一个代替。在这种情况下，通过代替元素的种类和代替量可以控制带隙、导电带的底部部分的能量、以及氧原子的点阵能量。例如，当增加代替量时，可以扩大紫外线透明区。此外，当增加代替量时，导电带的能级变得更高，这使得难以生成电子载流子。
作为修改示例2，除了部分铟(In)由镓(Ga)代替的Mg-In氧化膜用作活性层22以及用于溅射Mg-In氧化膜的氧气分压力设置为1.8×10-3Pa之外，以类似于实施例1的制造方法制造场效应晶体管。
在这种情况下，通过使用两个目标(目标1和2)的同时溅射方法形成Mg-In氧化膜。目标1是具有In2MgO4成分的多晶烧结体(直径为4英寸)，而目标2是具有Ga2MgO4成分的多晶烧结体(直径为4英寸)。关于In2MgO4设置溅射功率为40W，关于Ga2MgO4设置溅射功率为60W，因此形成100nm厚的Mg-In氧化膜。
图20示出在源-漏电压VDS设置为20V的情况下，修改示例2的场效应晶体管的栅极电压VG与源-漏电流IDS之间的关系。根据图20，当栅极电压VG设置为11V时，源-漏电流IDS是最小值0.9pA，而当栅极电压VG是20V时，IDS＝9.1μA。饱和区中计算的场效应迁移率是1.3cm2/Vs。也就是说，类似于以上实施例的场效应晶体管，由修改示例2的场效应晶体管实现高的载流子迁移率和常关特性。在修改示例2的条件下形成的Mg-In氧化膜具有1100Ωcm的体电阻率。
在以上实施例中，构成活性层22的氧化物半导体可以具有由钙(Ca)、锶(Sr)、以及钡(Ba)中的至少一个部分地代替的镁(Mg)。
作为修改示例3，除了部分镁(Mg)由锶(Sr)代替的Mg-In氧化膜用作活性层22之外，以类似于实施例1的制造方法制造场效应晶体管。
在这种情况下，通过使用两个目标(目标1和2)的同时溅射方法形成Mg-In氧化膜。目标1是具有In2MgO4成分的多晶烧结体(直径为4英寸)，而目标2是具有In2SrO4成分的多晶烧结体(直径为4英寸)。通过关于In2MgO4设置溅射功率为40W并关于In2SrO4设置溅射功率为30W，而形成100nm厚的Mg-In氧化膜。
图21示出在修改示例3的场效应晶体管中源-漏电压VDS是20V的情况下，栅极电压VG与源-漏电流IDS之间的关系。当栅极电压VG是2V时，源-漏极电流IDS具有最小值2pA，而当VG＝20V时IDS＝99μA。饱和区中计算的场效应迁移率是2.6cm2/Vs。也就是说，修改示例3的场效应晶体管实现类似于以上实施例的场效应晶体管(10和20)的高的载流子迁移率与常关特性。在修改示例3的条件下形成的Mg-In氧化膜具有9Ωcm的体电阻率。
如在反尖晶石型结构中所观察到的，三价阳离子(YIII)可以占据四面体位置，而二价阳离子(XII)可以占据八面体位置。可以调节二价阳离子(Mg、Ca、Sr、Ba)与三价阳离子(In、Ga、Al)的成分比率。可能的阳离子比率XII/YIII大约为0.2至1。通过考虑需要的TFT特性、带隙(紫外光的透明区)、氧空位的稳定性、处理公差(处理裕度)等，可以适当地选择阳离子种类与成分比。
在以上实施例中，构成活性层22的氧化物半导体具有由氮与氟的至少一个部分地代替的氧。在这种情况下，可以更准确地控制氧化物半导体的氧的量。
在以上实施例中，已经描述了光控制元件是有机EL元件的情况；但是，本发明并不限于此。例如，液晶元件可以用作光控制元件，在此情况下显示器310作为液晶显示器操作。此外，举例来说如图22所示，不需要用于显示元件302′的电流供应线。
在这种情况下，如图23的示例所示，驱动电路320′可以仅由类似于上述场效应晶体管(10与20)的一个场效应晶体管40构成。场效应晶体管40具有连接到预定扫描线的栅极电极G、连接到预定数据线的源极电极S、以及连接到液晶元件370的像素电极的漏极电极D。图23中的附图标记372表示液晶元件370的相对电极(公共电极)。
无机EL元件可以用作光控制元件。
在以上实施例中，描述了彩色显示；但是，本发明并不限于此。
在以上实施例中，描述了系统是电视设备的情况。但是，本发明并不限于此。也就是说，只需要包括作为显示图像和信息的装置的图像显示装置124。例如，也可以使用计算机系统，其中计算机(包括个人计算机)与图像显示装置124相连接。
图像显示装置124可以用作诸如PDA(PersonalDigitalAssistants：个人数字助理)、便携式电话、便携式音乐播放器和便携式电影播放器之类的便携式信息装置的显示单元，并用作诸如静物摄影机和摄像机之类的成像装置的显示单元。此外，图像显示装置124可以用作在车辆、飞机、火车、船等等的移动系统中显示各种信息的显示单元。此外，图像显示装置124可以用作在测量设备、分析设备和医疗设备中显示各种信息的显示单元。
该实施例的场效应晶体管可以用于除了显示元件之外的组件(例如，IC(IntegratedCircuit：集成电路)卡以及ID(Identification：标识)标签)。
如上所述，本发明的场效应晶体管适合于实现高的载流子迁移率和常关特性。另外，本发明的显示元件可以高速驱动并适合于减少元件之中的变化。此外，本发明的图像显示装置适合于以大面积屏幕显示高质量图像。此外，本发明的系统适合于以高分辨率显示图像信息。
根据一个实施例，可以实现高的载流子迁移率和常关特性。
根据一个实施例的场效应晶体管，可以执行高速驱动且可以减少元件的变化。
根据一个实施例的显示元件，可以通过大面积屏幕显示高质量图像。
根据一个实施例的图像显示装置，可以以高分辨率显示图像信息。
另外，本发明并不限于这些实施例，在不背离本发明范围内可以进行更改和修改。
本申请基于2008年8月20日在日本专利局提交的日本优先权申请No.2008-211623he2009年8月3日提交的日本优先权申请No.2009-180600，在此将其全部内容通过引用并入。

Claims (11)

1.一种场效应晶体管，包括：
栅极电极，向其施加栅极电压；
源极电极和漏极电极，用于获得响应于所述栅极电压的电流；
活性层，邻近所述源极电极和漏极电极提供；以及
栅极绝缘层，在所述栅极电极与所述活性层之间提供；
其中，所述活性层由包括MgIn2O4的氧化物半导体形成。
2.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，包括在所述氧化物半导体中的铟由铝和镓中的至少一个部分地代替。
3.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，包括在所述氧化物半导体中的镁由钙、锶和钡中的至少一个部分地代替。
4.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，所述氧化物半导体的至少一部分具有尖晶石结构或者橄榄石结构。
5.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，所述氧化物半导体的至少一部分是无定形的。
6.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，包括在所述氧化物半导体中的氧由氮和氟中的至少一个部分地代替。
7.一种显示元件，包括：
光控制元件，根据驱动信号控制其光输出；以及
驱动电路，包括根据权利要求1所述的场效应晶体管，并被配置为驱动所述光控制元件。
8.根据权利要求7所述的显示元件，其中，所述光控制元件包括有机电致发光元件。
9.根据权利要求7所述的显示元件，其中，所述光控制元件包括液晶元件。
10.一种用于根据图像数据显示图像的图像显示装置，包括：
多个以矩阵形式布置的、根据权利要求7所述的显示元件；
多条导线，被配置为分别施加栅极电压到所述多个显示元件的每个场效应晶体管；以及
显示控制装置，被配置为根据所述图像数据通过所述多条导线分别控制施加到每个场效应晶体管的栅极电压。
11.一种系统，包括：
根据权利要求10所述的图像显示装置；以及
图像数据形成装置，被配置为根据将要显示的图像信息形成图像数据并输出所述图像数据到所述图像显示装置。
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