CN103035734A - 金属氧化物薄膜晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明揭露一种金属氧化物薄膜晶体管，包含栅极、栅极绝缘层、金属氧化物主动层、源极以及漏极，其中栅极形成于基板上。栅极绝缘层形成于基板上并覆盖栅极。金属氧化物主动层形成于栅极绝缘层上。源极与漏极分别位于该金属氧化物主动层的相对两端，其中源极与漏极中至少一者在基板上的正投影与栅极无重叠。
Description
技术领域
本发明是有关于一种薄膜晶体管，且特别是有关于一种金属氧化物薄膜晶体管。
背景技术
随着光电技术与半导体制程技术的发展，平面显示器已被广泛应用在各式电子装置之中。现今的平面显示器主要使用薄膜晶体管构成其阵列基板，而阵列基板由多个像素单元以矩阵方式排列而成。每个像素单元至少包含一个驱动薄膜晶体管，以及一个切换薄膜晶体管。驱动薄膜晶体管用于驱动像素单元的发光元件，而通过切换薄膜晶体管的导通与断路则可将影像数据储存于各个像素电路当中。是以平面显示器的品质很大部分取决于其中薄膜晶体管的效能。
图1为传统的薄膜晶体管结构，其中薄膜晶体管100的主动层140材料为非晶硅。当栅极120施予偏压大于或等于薄膜晶体管100的临界电压时，非晶硅主动层140中形成通道，薄膜晶体管100也就随的导通。值得注意的是，由于非晶硅的载子浓度及载子迁移率低，是以源极150和漏极160在基板110上的正投影P1、P2与栅极120皆需部分重叠，形成重叠区G1、G2，以形成通道。另外，在此非晶硅薄膜晶体管100中，更由于非晶硅的载子浓度与及载子迁移率低，导致非晶硅薄膜晶体管100的驱动速度不佳，对于高品质的平面显示器发展是一大严重限制。
是以，为了平面显示器画面品质的进一步成长，上述缺陷有迫切的需要被改进。
发明内容
本发明的一方面是在提供一种金属氧化物薄膜晶体管，包含栅极、栅极绝缘层、金属氧化物主动层、源极以及漏极。其中栅极形成于基板上。栅极绝缘层形成于基板上并覆盖栅极。金属氧化物主动层形成于栅极绝缘层上。源极与漏极分别位于该金属氧化物主动层的相对两端，其中源极与漏极中至少一者在基板上的正投影与栅极无重叠。
依据本发明的一实施例，源极在基板上的正投影与栅极部分重叠，漏极在基板上的正投影与栅极无重叠。
依据本发明的一实施例，漏极在基板上的正投影与栅极部分重叠，源极在基板上的正投影与栅极无重叠。
依据本发明的一实施例，漏极与源极在基板上的正投影皆与栅极无重叠。
依据本发明的一实施例，源极在基板上的正投影与栅极的间距为1到2.5微米。
依据本发明的一实施例，源极在基板上的正投影与栅极的间距为0.5到1微米。
依据本发明的一实施例，源极在基板上的正投影与栅极的间距为0到0.5微米。
依据本发明的一实施例，漏极在基板上的正投影与栅极的间距为1到2.5微米。
依据本发明的一实施例，漏极在基板上的正投影与栅极的间距为0.5到1微米。
依据本发明的一实施例，漏极在基板上的正投影与栅极的间距为0到0.5微米。
依据本发明的一实施例，金属氧化物薄膜晶体管更包含一绝缘层，覆盖于金属氧化物主动层、源极与漏极上。
综上所述，应用本发明的上述金属氧化物薄膜晶体管一方面可改善传统上非晶硅薄膜晶体管低载子浓度、低载子迁移率的缺点，提高薄膜晶体管的驱动速度，另一方面也利用缩短栅极长度或增加源极、漏极距离，消除源极、漏极在基板上的正投影与栅极的重叠区，以增加薄膜晶体管临界电压的稳定度，并缩小漏极、栅极间的寄生电容，改善在平面显示器中薄膜晶体管扫描线对像素电极的电容耦合效应，降低像素电极在薄膜晶体管开关时的电压变化，进而提升平面显示器的影像品质。
附图说明
为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：
图1是一种传统薄膜晶体管的示意图；
图2是依照本发明的一实施例绘示一种金属氧化物薄膜晶体管的示意图；
图3是依照本发明的另一实施例绘示一种金属氧化物薄膜晶体管的示意图；
图4是依照本发明的又一实施例绘示一种金属氧化物薄膜晶体管的示意图；
图5是以图2中金属氧化物薄膜晶体管与一比较例的金属氧化物薄膜晶体管相较所绘示的负偏压效应示意图；
图6是依照本发明的一实施例绘示一种金属氧化物薄膜晶体管在负栅极偏压下的电压-电流示意图；
图7是依照本发明的一实施例绘示一种金属氧化物薄膜晶体管在正栅极偏压下的电压-电流示意图。
【主要元件符号说明】
200、300、400：金属氧化物薄膜晶体管
210、310、410：基板
220、320、420：栅极
230、330、430：栅极绝缘层
240、340、440：金层氧化物主动层
250、350、450：源极
260、360、460：漏极
270、370、470：绝缘层
P1：源极在基板上的正投影
P2：漏极在基板上的正投影
I1：源极在基板上的正投影与栅极的间距
I2：漏极在基板上的正投影与栅极的间距
G1：源极在基板上的正投影与栅极的重叠区
G2：漏极在基板上的正投影与栅极的重叠区
具体实施方式
以下将以附图及详细叙述清楚说明本发明的精神，任何所属技术领域中具有通常知识者在了解本发明的较佳实施例后，当可由本发明所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明的精神与范围。
本发明实施例的目的为提供一种金属氧化物薄膜晶体管，以改进已知上非晶硅薄膜晶体管驱动速度不佳的缺点，并同时避免金属氧化物晶体管其栅极在电压偏压加压后，出现临界电压偏移过大的问题。
图2是依照本发明的一实施例绘示一种金属氧化物薄膜晶体管200的示意图。金属氧化物薄膜晶体管200可包含栅极220、栅极绝缘层230、金属氧化物主动层240、源极250、漏极260以及绝缘层270。其中栅极220形成于一基板210上，栅极绝缘层230形成于基板210上并覆盖栅极220，金属氧化物主动层240形成于栅极绝缘层上，源极250与漏极260分别位于金属氧化物主动层240的相对两端，且绝缘层270覆盖于金属氧化物主动层240、源极250与漏极260上。此外，源极250与漏极260在基板210上的正投影P1、P2皆与栅极220无重叠，且正投影P1、P2与栅极220的间距分别为I1、I2。此处以及本说明书中提及的无重叠即代表正投影P1、P2与栅极220间存在间距I1、I2。
在本实施例中，金属氧化物主动层240例如包含锌氧化物(ZnO)、铟镓氧化物(IGO)、铟锌氧化物(IZO)、铟镓锌氧化物(IGZO)、锌锡氧化物(ZTO)、铟锌锡氧化物(IZTO)，但不以此为限。由于金属氧化物主动层240的载子迁移率高，因此即便在结构设计上使源极250与漏极260在基板210上的正投影P1、P2与栅极220无重叠，在金属氧化物主动层240中仍可形成通道。由于间距I1的长度会影响栅极偏压加在金属氧化物主动层240的垂直电场强度，所以间距I1的长度可介于0到2.5微米。当间距I1为1至2.5微米时，金属氧化物薄膜晶体管200具有高导通电流、低漏电流以及低次临界摆幅的特性。当间距I1为0.5至1微米时，金属氧化物薄膜晶体管200除具有高导通电流、低漏电流以及低次临界摆幅特性之外，更提高了金属氧化物薄膜晶体管200的载子迁移率。当间距I1为0至0.5为微米时，金属氧化物薄膜晶体管200除高导通电流、低漏电流、低次临界摆幅及高载子迁率外，同时也具备低临界电压的特性。另一方面，间距I2同样可为0到2.5微米，其中间距I2的长度与金属氧化物薄膜晶体管200的特性关系与间距I1的长度与金属氧化物薄膜晶体管200的特性关系相同或类似，在此不赘述。
在本实施例中，间距I1的长度越长则金属氧化物薄膜晶体管200的栅-源极寄生电容越小。同样地I2的长度越长则金属氧化物薄膜晶体管200的栅-漏极寄生电容越小。
在薄膜晶体管200中，基板210材料可为玻璃。栅极220、源极250以及漏极260材料可为金属、非金属、导电高分子、掺杂硅或上述部分或全部材料的组合物。栅极绝缘层230和绝缘层270的材料可为二氧化硅、四氮化三硅、二氧化钛、聚酰亚胺、聚乙烯酚、聚苯乙烯或上述部分或全部材料的组合物。值得注意的是，以上材料仅为实施例示，上述元件的材料并不以此实施例为限。
图3是依照本发明的另一实施例绘示一种金属氧化物薄膜晶体管300的示意图。金属氧化物薄膜晶体管300可包含栅极320、栅极绝缘层330、金属氧化物主动层340、源极350、漏极360以及绝缘层370。其中栅极320形成于一基板310上，栅极绝缘层330形成于基板310上并覆盖栅极320，金属氧化物主动层340形成于栅极绝缘层330上，源极350与漏极360分别位于金属氧化物主动层340的相对两端，且绝缘层370覆盖于金属氧化物主动层340、源极350与漏极360上。此外，源极350在基板310上的正投影为P1，正投影P1与栅极320有一重叠区G1。漏极360在基板310上的正投影为P2，正投影P2与栅极320有一间距I2。
在本实施例中，间距I2长度可为0至2.5微米。间距I2长度与金属氧化物薄膜晶体管300特性关系，与上述实施例相同或相似，在此不赘述。
在本实施例中，由于平行电容的电容值正比于平行电板面积且反比于平行电板距离，所以重叠区G1长度越长，亦即重叠的区域越多，则栅-源极寄生电容越大。间距I2长度越长，则栅-漏极寄生电容越小。换言的，本实施例可透过增加栅极320和漏极360的距离，使栅-漏极寄生电容因而减小。此金属氧化物薄膜晶体管300若应用于薄膜晶体管平面显示器上，一方面可改善薄膜晶体管扫描线对像素电极的电容耦合效应，以降低像素电压在薄膜晶体管开关时的电压变化，并增进薄膜晶体管驱动速度，另一方面也可降低平面显示器切换功率的损耗。
图4是依照本发明的再一实施例绘示一种金属氧化物薄膜晶体管400的示意图。金属氧化物薄膜晶体管400可包含栅极420、栅极绝缘层430、金属氧化物主动层440、源极450、漏极460以及绝缘层470。其中栅极420形成于一基板410上，栅极绝缘层430形成于基板410上并覆盖栅极420，金属氧化物主动层440形成于栅极绝缘层430上，源极450与漏极460分别位于金属氧化物主动层440的相对两端，且绝缘层470覆盖于金属氧化物主动层440、源极450与漏极460上。此外源极450在基板410上的正投影为P1，正投影P1与栅极420有一间距I1。漏极460在基板410上的正投影为P2，正投影P2与栅极420有一重叠区G2。
在此实施例中，间距I1长度可为0至2.5微米。间距I1长度与金属氧化物薄膜晶体管400特性关系，与上述实施例相同或相似，在此不赘述。
在本实施例中，间距I1长度越长，则栅-源极寄生电容越小。另外重叠区G2长度越长，亦即重叠的区域越多，则栅-漏极寄生电容越大。是以，本实施例可透过增加栅极420和源极450的距离，使栅-源极寄生电容因而变小。此金属氧化物薄膜晶体管400可特别应用于改善平面显示器中因栅-源极寄生电容导致的画面闪烁问题。
金属氧化物晶体管其栅极在电压偏压加压后，会出现临界电压偏移过大的问题，进而影响金属氧化物薄膜晶体管的正常开关。图5是以图2中金属氧化物薄膜晶体管200与一比较例的金属氧化物薄膜晶体管相较所绘示的负偏压效应示意图。参照图1，上述比较例的金属氧化物薄膜晶体管除了将非晶硅主动层140换为金属氧化物以外，其它结构皆与图1实质上相同，亦即其源极与漏极在基板上的正投影皆与栅极部分重叠。此比较例的金属氧化物薄膜晶体管其栅极在电压偏压加压后，会出现临界电压偏移过大的问题，如图5的曲线510，且进而影响此对应金属氧化物薄膜晶体管的正常开关。反之，由于金属氧化物薄膜晶体管200的源、漏极250、260在基板210上的正投影P1、P2和栅极220无重叠，因此降低了垂直电场对于金属氧化物主动层240的加压劣化，提升了金属氧化物主动层240的寿命，确保金属氧化物薄膜晶体管200临界电压的稳定性，如曲线520。
图6是依照本发明的一实施例绘示一种金属氧化物薄膜晶体管200在负栅极偏压下的电压-电流示意图。漏极偏压为0.1伏特，负栅极偏压时间为0秒及8700秒的负栅极偏压-漏极电流关系分别如曲线610、620所示。漏极偏压为9.9伏特，负栅极偏压时间为0秒及8700秒的负栅极偏压-漏极电流关系分别如曲线630、640所示。由图6中曲线610、620以及630、640的密切重叠可知，金属氧化物薄膜晶体管200操作状态稳定，负栅极偏压-漏极电流关系在栅极长时间持续施予负偏压后仍保持不变。
图7是依照本发明的一实施例绘示一种金属氧化物薄膜晶体管200在正栅极偏压下的电压-电流示意图。漏极偏压为0.1伏特，正栅极偏压时间为0秒及8700秒的正栅极偏压-漏极电流关系分别如曲线710、720所示。漏极偏压为9.9伏特，正栅极偏压时间为0秒及8700秒的正栅极偏压-漏极电流关系分别如曲线730、740所示。与图6相似，同样由图7中曲线710、720以及730、740的密切重叠可知，金属氧化物薄膜晶体管200操作状态稳定，正栅极偏压-漏极电流关系在栅极长时间持续施予正偏压后仍保持不变。
综上所述，应用本发明实施例的技术特征，可通过使用金属氧化物为主动层材料，并让漏极及/或源极在基板上的正投影与栅极间维持一段适当的距离，以在增进薄膜晶体管载子迁移率的同时，也确保薄膜晶体管的稳定性，不但提供薄膜晶体管的高电流输出，更加快了其驱动速度，进一步强化平面显示器的画面品质。
虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (11)
1.一种金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于，包含：
一栅极，形成于一基板上；
一栅极绝缘层，形成于该基板上并覆盖该栅极；
一金属氧化物主动层，形成于该栅极绝缘层上；以及
一源极与一漏极，分别位于该金属氧化物主动层的相对两端，其中该源极与该漏极中至少一者在该基板上的正投影与该栅极无重叠。
2.根据权利要求1所述的金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于，该源极在该基板上的正投影与该栅极部分重叠，该漏极在该基板上的正投影与该栅极无重叠。
3.根据权利要求1所述的金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于，该漏极在该基板上的正投影与该栅极部分重叠，该源极在该基板上的正投影与该栅极无重叠。
4.根据权利要求1所述的金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于，该漏极与该源极在该基板上的正投影皆与该栅极无重叠。
5.根据权利要求3或4的金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于，该源极在该基板上的正投影与该栅极的间距为1到2.5微米。
6.根据权利要求3或4的金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于，该源极在该基板上的正投影与该栅极的间距为0.5到1微米。
7.根据权利要求3或4的金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于，该源极在该基板上的正投影与该栅极的间距为0到0.5微米。
8.根据权利要求2或4的金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于，该漏极在该基板上的正投影与该栅极的间距为1到2.5微米。
9.根据权利要求2或4的金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于，该漏极在该基板上的正投影与该栅极的间距为0.5到1微米。
10.根据权利要求2或4的金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于，该漏极在该基板上的正投影与该栅极的间距为0到0.5微米。
11.根据权利要求1所述的金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于，还包含一绝缘层，覆盖于该金属氧化物主动层、该源极与该漏极上。
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