DE3636234A1 - Thin-film field-effect transistor employing amorphous silicon - Google Patents

Thin-film field-effect transistor employing amorphous silicon

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Abstract

A thin-film FET employing amorphous silicon is doped and structured in such a way that it is particularly usable in liquid-crystal display circuits. Critical FET dimensions which permit an optimum reduction in the source-gate capacitance and at the same time prevent large contact voltage drops occurring are specified, along with doping values and positions. The critical dimensions comprise the active channel length (L), the source-gate overlap (d) and the thickness (t) of the amorphous silicon. A critical mutual relationship is also specified for these parameters and the doping values of the amorphous silicon. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf dotierte Kontaktstrukturen für Feldeffekttransistoren (FETs) mit amorphem Silicium. Insbesondere betrifft die Erfindung eine FET-Vorrichtung mit einer n-dotierten amorphen Siliciumschicht, die die Intrinsic-Source- und gatekapazität reduziert und die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung nicht durch Hervorrufen von Spannungsabfällen an dem Source- oder Gatekontakt verschlechtert. Die sich ergebende FET-Vorrichtung ist besonders brauchbar in matrixadressierten Flüssigkristallanzeigen (LCDs).The invention relates generally to doped contact structures for field effect transistors (FETs) with amorphous Silicon. In particular, the invention relates to an FET device with an n-doped amorphous silicon layer that the intrinsic source and gate capacity reduced and the Performance of the device not by inducing of voltage drops at the source or gate contact deteriorated. The resulting FET device is special usable in matrix addressed liquid crystal displays (LCDs).

FETs mit amorphem Silicium sind eine attraktive Wahl für kontrastreiche Flachtafel-Fernsehanzeigen. Diese Anzeigen enthalten typisch Flüssigkristallmaterial, das zwischen elektrisch leitenden Elektroden angeordnet ist, die in einer horizontalen und in einer vertikalen Matrix angeordnet sind, so daß sich eine große Vielzahl von Bildelementen (Pixels) ergibt. Das Anlegen von Spannungen an die Elektroden orientiert das Flüssigkristallmaterial so, daß das Durchlassen von Licht durch das Material beeinflußt wird. Da wenigstens ein Satz Elektroden (und ihr entsprechendes Substrat) transparent ist, wird dadurch ein sichtbares Bild angezeigt. Bei diesem Prozeß arbeitet jedes Pixelelement ganz ähnlich wie ein elektrischer Kondensator. Tatsächlich ist eine effektive Flüssigkristallkapazität C LC jedem Pixelelement zugeordnet. Bei einer FET-adressierten Flüssigkristallanzeige (LCD) lädt sich im Idealfall, wenn ein FET eingeschaltet wird, der Flüssigkristallpixelkondensator C LC auf die Daten- oder Drainleitungsspannung auf. Wenn der FET abgeschaltet wird, ist die Datenspannung auf C LC gespeichert. Es gibt jedoch viele parasitäre Kapazitäten in der Anzeigestruktur, die im Vergleich zu C LC nicht vernachlässigbar sind. Zwei wichtige parasitäre Kapazitäten sind die Source-Drain-Kapazität C SD und die Source-Gate-Kapazität C SG . Die Source-Gate-Kapazität ist hier von besonderem Interesse.Amorphous silicon FETs are an attractive choice for high contrast flat panel television displays. These displays typically contain liquid crystal material which is arranged between electrically conductive electrodes which are arranged in a horizontal and in a vertical matrix, so that a large number of picture elements (pixels) result. The application of voltages to the electrodes orients the liquid crystal material so that the transmission of light through the material is affected. Since at least one set of electrodes (and their corresponding substrate) is transparent, a visible image is displayed. In this process, each pixel element works very much like an electrical capacitor. In fact, an effective liquid crystal capacitance C LC is assigned to each pixel element. In the case of an FET addressed liquid crystal display (LCD), ideally, when an FET is switched on, the liquid crystal pixel capacitor C LC charges to the data or drain line voltage. When the FET is turned off, the data voltage is stored on C LC . However, there are many parasitic capacitances in the display structure that are not negligible compared to C LC . Two important parasitic capacitances are the source-drain capacitance C SD and the source-gate capacitance C SG . The source gate capacity is of particular interest here.

Es werde die Auswirkung der Source-Drain-Kapazität C SD betrachtet. Der ungünstigste Fall liegt vor, wenn ein Element in einer Spalte der Anzeige abgeschaltet wird und alle anderen Elemente in der Spalte eingeschaltet werden. In diesem Fall sollte die gewünschte Spannung C LC an dem Pixelelementkondensator null sein, während die Spannung V LC an sämtlichen anderen Pixelelementen in der Spalte V₀ sein sollte. Die Effektivspannung an der Datenleitung beträgt dann ungefähr V₀, und die Spannung, die an dem abgeschalteten Pixelelement induziert wird, ist w V LC = VC SD /C LC . Damit das Pixelelement abgeschaltet bleibt, muß die Summe der induzierten Spannungen aus dieser und allen anderen parasitären Kapazitäten kleiner sein als die Schwellenspannung C th des Flüssigkristallmaterials. Die Auswirkung von C SD auf eine Grauskalaanzeige ist kritischer, weil, wenn V LC an einem Pixel auf einen Zwischenwert eingestellt ist (V th < V LC < V max ), der Wert von V LC um w V LC variieren kann, je nach dem Zustand der anderen Elemente in der Spalte.The effect of the source-drain capacitance C SD is considered. The worst case is when one element in one column of the display is turned off and all other elements in the column are turned on. In this case, the desired voltage C LC on the pixel element capacitor should be zero, while the voltage V LC on all other pixel elements in the column should be V ₀. The effective voltage on the data line is then approximately V ₀ and the voltage which is induced on the pixel element which is switched off is w V LC = VC SD / C LC . In order for the pixel element to remain switched off, the sum of the induced voltages from this and all other parasitic capacitances must be less than the threshold voltage C th of the liquid crystal material. The effect of C SD on a gray scale display is critical, because if V LC is set at a pixel to an intermediate value (V th <V LC <V max), the value of V LC to w V LC can vary, depending on the State of the other items in the column.

Die Auswirkung der Gate-Source-Kapazität C GS ist ähnlich, mit der Ausnahme, daß die Spannungswellenformen an der Gateleitung über C GS durchgekoppelt werden und eine zusätzliche unerwünschte Spannung an der Pixelelektrode erzeugen. Nur der Teil der Gateleitungswellenform, für den die Gatespannung kleiner als die Schwellenspannung ist, wird durchgekoppelt, da oberhalb der Schwellenspannung der FET ausreichend leitend ist, um die Pixelspannung auf der Datenleitungsspannung zu halten. The effect of the gate-source capacitance C GS is similar, with the exception that the voltage waveforms on the gate line are coupled through C GS and generate an additional undesirable voltage on the pixel electrode. Only the portion of the gate line waveform for which the gate voltage is less than the threshold voltage is looped through since the FET is sufficiently conductive above the threshold voltage to maintain the pixel voltage at the data line voltage.

Die parasitären Kapazitäten in einer LCD-Anzeige können in zwei Gruppen unterteilt werden: solche, die von der FET-Struktur abhängig sind, und solche, die von der gesamten Matrixstruktur abhängig sind. Die parasitären Kapazitäten, die von der FET-Struktur abhängig sind, umfassen die Source-Drain-Kapazität und die Source-Gate-Kapazität. Die parasitären Kapazitäten, die von der Matrixstruktur abhängig sind, umfassen die Kapazitäten zwischen der Pixelelektrode und den Gate- und Datenleitungen. Diese letzteren Kapazitäten werden minimiert, indem Gebilde mit geeigneten Adreßleitungsbreiten, geeigneten Abständen zwischen den Adreßleitungen, geeigneter Zellendicke und geeignetem Flüssigkristallmaterial gewählt werden. Die FET-Kapazitäten, die hier von Hauptinteresse sind, werden minimiert, indem die Fläche der Gate-, Source- und Drainelektroden so klein wie möglich gemacht wird. Das führt zu FET-Entwürfen mit kleiner Überlappungsfläche zwischen dem Gateanschluß und der Elektrode, die das Indium-Zinnoxid(ITO)-Pixel berührt.The parasitic capacitances in an LCD display can be in two groups are divided: those by the FET structure are dependent and those that depend on the whole Matrix structure are dependent. The parasitic capacities, that depend on the FET structure include the source-drain capacitance and the source gate capacitance. The parasitic Capacities that depend on the matrix structure comprise the capacitances between the pixel electrode and the Gate and data lines. The latter will be capacities minimized by using structures with suitable address line widths, suitable distances between the address lines, more suitable Cell thickness and suitable liquid crystal material to get voted. The FET capacities are of primary interest here are minimized by the area of the gate, Source and drain electrodes made as small as possible becomes. This leads to FET designs with a small overlap area between the gate terminal and the electrode that the Touched indium tin oxide (ITO) pixels.

Herkömmliche Dünnfilm-FET-Strukturen, bei denen sich der Kontakt auf der von dem induzierten Elektronenkanal abgewandten Seite des Siliciums befindet, haben viele Verarbeitungsvorteile. Bei LCD-Vorrichtungen haben sie den zusätzlichen Vorteil, daß die Daten- und Abtastleitungsüberkreuzungsisolation ohne Extraverarbeitung erzielt wird. Diese Struktur kann jedoch zu reduzierten Drainströmen und zu einem Kontaktspannungsabfall führen, was die Verwendung bei Grauskalaanzeigen komplizierter macht. Die Art dieser Kontaktstruktur verlangt außerdem eine größere Kontaktfläche, die unerwünschtermaßen die parasitären Kapazitäten vergrößert, welche bei solchen FET-Vorrichtungen auftreten.Conventional thin film FET structures in which the Contact on the side facing away from the induced electron channel Side of the silicon have many processing advantages. With LCD devices, they have the extra Advantage that data and scan line crossover isolation is achieved without extra processing. This structure can lead to reduced drain currents and to a Contact voltage drop result in what use in gray scale displays complicates. The nature of this contact structure also requires a larger contact area, the undesirably increases parasitic capacities, which occur with such FET devices.

Diagramme von Drainströmen über der Drainspannung für herkömmliche FET-Vorrichtungen zeigen im allgemeinen nichtideale Eigenschaften bei niedrigen Drainspannungen. Bei diesen Spannungen ist die Abhängigkeit nahezu parabolisch, was ein nichtexponentielles Aufladeverhalten für den LCD-Pixelkondensator ergibt. Eine ideale Vorrichtung ist im Verhalten der Drainspannung über der Sourcespannung bei niedrigen Drainspannungen im allgemeinen linear. Nichtideales Verhalten führt zu einem Kontaktspannungsabfall V c . Dieser Spannungsabfall ist unerwünscht. Die Auswirkung, die dieser Kontaktspannungsabfall auf die Verringerung des Drainstromes in dem FET hat, ist jedoch weniger offensichtlich. Der Kontaktspannungsabfall bei höheren Drainströmen ist im allgemeinen größer als V c . Das reduziert die tatsächlichen Gate- und Drainspannungen, die an der inneren Vorrichtungsstruktur anliegen, und damit den Drainstrom im Vergleich zu dem, der andernfalls erzielbar wäre.Plots of drain currents versus drain voltage for conventional FET devices generally show non-ideal properties at low drain voltages. At these voltages, the dependence is almost parabolic, which results in a non-exponential charging behavior for the LCD pixel capacitor. An ideal device is generally linear in the behavior of the drain voltage versus the source voltage at low drain voltages. Non-ideal behavior leads to a drop in contact voltage V c . This voltage drop is undesirable. However, the effect this drop in contact voltage has on the drain current reduction in the FET is less obvious. The contact voltage drop at higher drain currents is generally greater than V c . This reduces the actual gate and drain voltages applied to the internal device structure, and thus the drain current, compared to what would otherwise be achievable.

Zum Minimieren der Source-Gate-Kapazität C SG ist es im allgemeinen erwünscht, die Überlappung zwischen den Source- und Gateelektroden entsprechend zu reduzieren. Diese Reduktion führt jedoch zu einer Vergrößerung des Kontaktspannungsabfalls V c .To minimize the source-gate capacitance C SG , it is generally desirable to reduce the overlap between the source and gate electrodes accordingly. However, this reduction leads to an increase in the contact voltage drop V c .

Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, FETs mit amorphem Silicium zu schaffen, die ein kritisches Gleichgewicht zwischen minimaler parasitärer Kapazität und der Kontrolle über den Kontaktspannungsabfall aufweisen.It is accordingly an object of the invention to provide FETs with amorphous silicon to create a critical balance between minimal parasitic capacitance and control of contact voltage drop exhibit.

Weiter sollen durch die Erfindung FET-Strukturen geschaffen werden, die in Flüssigkristallanzeigevorrichtungen, insbesondere in Grauwertvorrichtungen, brauchbar sind.FET structures are also intended to be created by the invention in liquid crystal display devices, in particular in gray scale devices.

Ferner soll durch die Erfindung die parasitäre Source-Gate-Kapazität in einer Dünnfilm-FET-Vorrichtung reduziert werden.Furthermore, the parasitic source-gate capacitance is intended by the invention can be reduced in a thin film FET device.

Außerdem sollen durch die Erfindung die Kontaktspannungsabfälle in Dünnfilm-FET-Vorrichtungen verringert werden.In addition, the contact voltage drops are intended by the invention can be reduced in thin film FET devices.

Schließlich soll, ohne daß darunter eine Beschränkung zu verstehen ist, durch die Erfindung eine bessere Leistungsfähigkeit von FETs mit amorphem Silicium durch Dotieren der amorphen Siliciumschicht in Verbindung mit der Kontrolle der Überlappungsabmessungen für die Source- und Gatelektroden erzielt werden.After all, it should be understood without any limitation is a better performance by the invention of FETs with amorphous silicon by doping the amorphous ones Silicon layer in connection with the control of the  Overlap dimensions for the source and gate electrodes be achieved.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist ein Dünnfilm-FET mit amorphem Silicium ein isolierendes Substrat, eine auf diesem Substrat angeordnete Gateelektrode, eine über der Gateelektrode angeordnete isolierende Schicht und eine amorphe Siliciumschicht auf, die über der isolierenden Schicht angeordnet ist und eine Dicke t besitzt. Der FET weist außerdem eine Drainelektrode auf, die auf der amorphen Siliciumschicht so angeordnet ist, daß sie die Gateelektrode teilweise überlappt. Darüber hinaus ist eine Sourceelektrode auf der amorphen Siliciumschicht so angeordnet, daß sie ein Kanalgebiet der Länge L in der amorphen Siliciumschicht festlegt und daß sich die Source- und Gateelektroden um eine Strecke d überlappen. Bei der vorliegenden Erfindung ist die Überlappungsstrecke angenähert gegeben durch d cc = cµ e /(2L α ), wobei c die Gatekapazität pro Flächeneinheit, µ e die effektive Elektronenbeweglichkeit in dem amorphen Silicium und α das Verhältnis zwischen der Stromdichte J in der Richtung von der Gateelektrode zu der Sourceelektrode in dem Gebiet ihrer Überlappung und außerdem der Gatespannung in der n-ten Potenz ist, wobei hier n gleich 2 ist (vgl. Gleichung 16 unten und die der Gleichung 11 vorangehende Erläuterung). Die Erfindung strebt insbesondere danach, α zu kontrollieren. In der obigen Formel ist c die Dieelektrizitätskonstante, die der Isolierschicht zugeordnet ist, dividiert durch die Dicke h der Isolierschicht. Auf diese Weise stehen die Überlappung d und α in gegenseitiger Beziehung. Tatsächlich stehen sie auf kritische Weise in gegenseitiger Beziehung, da Überlappungsstrecken, die viel größer als die oben angegebenen sind, einen Kanalstrom in der Sättigung erzeugen, der von der Kontaktüberlappung unabhängig ist, so daß demgemäß der Ausgangsstrom schnell abzunehmen beginnt.In a preferred embodiment of the invention, a thin film FET with amorphous silicon has an insulating substrate, a gate electrode arranged on this substrate, an insulating layer arranged over the gate electrode and an amorphous silicon layer arranged over the insulating layer and having a thickness t . The FET also has a drain electrode disposed on the amorphous silicon layer so that it partially overlaps the gate electrode. In addition, a source electrode is arranged on the amorphous silicon layer so that it defines a channel region of length L in the amorphous silicon layer and that the source and gate electrodes overlap by a distance d . In the present invention, the overlap distance is approximately given by d cc = c µ e / (2 L α ) , where c is the gate capacity per unit area, µ e is the effective electron mobility in the amorphous silicon and α is the ratio between the current density J in the direction from the gate electrode to the source electrode in the area of their overlap and the gate voltage is also in the n-th power, in which case n is 2 (see FIG. equation 16 below and the equation 11 foregoing discussion). The invention particularly seeks to control α . In the above formula, c is the dielectric constant associated with the insulating layer divided by the thickness h of the insulating layer. In this way, the overlap d and α are mutually related. In fact, they are critically interrelated, since overlap distances much larger than those given above produce a channel current in saturation that is independent of contact overlap, so that the output current begins to decrease rapidly.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigtEmbodiments of the invention are described below Described in more detail with reference to the drawings. It shows

Fig. 1 ein Schaltbild, das die Verwendung von FETs in matrixadressierten Flüssigkristallanzeigen veranschaulicht, Fig. 1 is a diagram illustrating the use of FETs in matrix-addressed liquid crystal displays,

Fig. 2 ein Schaltbild, das das Vorhandensein von parasitären Kapazitäten (gestrichelt dargestellt) in einer FET-Vorrichtung veranschaulicht, insbesondere in einer in einer Flüssigkristallanzeige verwendeten, Fig. 2 is a diagram illustrating (shown in phantom), the presence of parasitic capacitances in an FET device, used in particular in a in a liquid crystal display,

Fig. 3 eine Querschnittseitenansicht, die die physikalische Struktur und die Abmessungen eines typischen Dünnfilm-FET veranschaulicht, Fig. 3 is a cross-sectional side view of a typical thin film FET illustrates the physical structure and the dimensions,

Fig. 4 eine Querschnittseitenansicht einer Ersatzvorrichtung, die hier experimentell benutzt wird, um gewisse Parameterbeziehungen zu testen, Fig. 4 to test a cross-sectional side view of a replacement device that is used here experimentally to certain parameters relationships

Fig. 5 eine Querschnittseitenansicht eines vergrößerten Teils von Fig. 3 zum besseren Veranschaulichen der vertikalen Stromdichte J, Fig. 5 is a cross-sectional side view of an enlarged portion of Fig. 3 for better illustrating the vertical current density J,

Fig. 6 ein Diagramm des Drainstroms über der Source- oder Drainüberlappungsstrecke d, Fig. 6 is a graph of the drain current d to the source or drain overlap distance,

Fig. 7 ein Diagramm des berechneten und des gemessenen Drainstroms über der Drainspannung bei einer Gatespannung von 8 Volt, Fig. 7 is a graph of the calculated and the measured drain current versus drain voltage at a gate voltage of 8 volts,

Fig. 8 ein Diagramm der gemessenen Stromdichte über der Spannung und der Temperatur für die in Fig. 4 gezeigte Struktur, Fig. 8 is a graph of the measured current density over the voltage and temperature for the circuit shown in Fig. 4 structure,

Fig. 9 ein Diagramm der Kontaktstromdichte über dem Kontaktspannungsabfall für mehrere Siliciumdicken bei einer Temperatur von 20°C, Fig. 9 is a diagram of the contact current density over the contact voltage drop for a plurality of thicknesses of silicon at a temperature of 20 ° C,

Fig. 10 ein Diagramm des berechneten lateralen Stroms I und der vertikalen Stromdichte J für verschiedene Überlappungsstrecken, Fig. 10 is a graph of the calculated lateral current I and the vertical current density J for various overlapping routes,

Fig. 11 ein Diagramm ähnlich dem in Fig. 10, mit der Ausnahme, daß die Drainspannung hier 2 Volt statt 10 Volt beträgt, Fig. 11 is a diagram in Fig. 10, except that the drain voltage is 2 volts similar here instead of 10 volts,

Fig. 12 ein Diagramm des berechneten Drainstroms (ausgezogene Linien) über der Sourcekontaktstreckenüberlappung für verschiedene Kanallängen L, wobei die gestrichelten Kurven eine quadratische Approximation des kontaktbegrenzten Stroms für kleine Überlappung zeigen, Fig. 12 is a graph of the calculated drain current (solid lines) over the source contact path overlap for different channel lengths L, wherein the dashed curves show a quadratic approximation of the contact-limited current for small overlap,

Fig. 13 ein Diagramm des berechneten Drainstroms über der Sourceüberlappung für dieselben Bedingungen wie in Fig. 12, mit Ausnahme einer Siliciumdicke von 0,2 µm statt einer Dicke von 0,3 µm wie in Fig. 12, Fig. 13 is a graph of the calculated drain current versus source overlap for the same conditions as in Fig. 12, except a silicon thickness of 0.2 microns instead of a thickness of 0.3 microns as shown in Fig. 12,

Fig. 14 ein Diagramm von berechneten (mit ausgezogener Linie dargestellten) und gemessenen Kennlinien des Drainstroms über der Drainspannung bei einer Gatespannung von 8 Volt, und FIG. 14 shows a diagram of calculated (drawn with a solid line) and measured characteristic curves of the drain current versus the drain voltage at a gate voltage of 8 volts, and

Fig. 15 ein Diagramm des berechneten Drainstroms als Funktion der Siliciumdicke. Fig. 15 is a graph of the calculated drain current as a function of the silicon thickness.

Die amorphen Siliciumdünnfilmfeldeffekttransistoren nach der Erfindung sind in Flüssigkristallanzeigevorrichtungen besonders brauchbar. Insbesondere zeigen die Vorrichtungen nach der Erfindung reduzierte kapazitive Effekte und reduzierte Kontaktspannungsabfalleffekte, was bei diesen Vorrichtungen vorteilhaft ist. Ein Schaltbild einer herkömmlichen matrixadressierten Flüssigkristallanzeige ist in Fig. 1 gezeigt. Darin sind FETs 50 mit (üblicherweise transparenten) Pixelelektroden 40 verbunden. Jeder FET 50 ist mit einer von mehreren Gateleitungen 42 verbunden. Ebenso ist die Drainelektrode jedes FET 50 mit einer Datenleitung 41 verbunden. Demgemäß ist die Sourceelektrode jedes FET typisch mit der Pixelelektrode verbunden. Die herkömmliche Anordnung besteht darin, die Pixelelemente in Form eines rechteckigen Gitters anzuordnen, von welchem ein Teil in Fig. 1 gezeigt ist. Demgemäß zeigt Fig. 1 einen Zusammenhang, in welchem die Vorrichtung nach der Erfindung verwendbar ist.The amorphous silicon thin film field effect transistors according to the invention are particularly useful in liquid crystal display devices. In particular, the devices according to the invention show reduced capacitive effects and reduced contact voltage drop effects, which is advantageous in these devices. A circuit diagram of a conventional matrix addressed liquid crystal display is shown in FIG. 1. FETs 50 are connected to (usually transparent) pixel electrodes 40 . Each FET 50 is connected to one of a plurality of gate lines 42 . Likewise, the drain electrode of each FET 50 is connected to a data line 41 . Accordingly, the source electrode of each FET is typically connected to the pixel electrode. The conventional arrangement is to arrange the pixel elements in the form of a rectangular grid, part of which is shown in FIG. 1. Accordingly, Fig. 1 shows a context in which the device according to the invention can be used.

Wie oben dargelegt, existiert trotzdem ein Problem der parasitären Kapazität in FET-Vorrichtungen. Insbesondere sind die bei dem vorliegenden Verwendungszweck adressierten Probleme auf die parasitäre Kapazität gerichtet, die zwischen den Source- und den Gateelektroden in einem amorphen Dünnfilmsilicium-FET vorhanden ist. Ein elektrisches Schaltbild, welches das Vorhandensein dieser parasitären Kapazitäten (gestrichelt dargestellt) veranschaulicht, ist in Fig. 2 gezeigt. Die parasitären Kapazitäten C GS und C SD sind in der Schaltung zusätzlich zu der effektiven Kapazität C LC vorhanden, die als ein Ergebnis des Anordnens von Flüssigkristallmaterial zwischen elektrisch leitenden Elektroden vorhanden ist. As stated above, there is still a problem of parasitic capacitance in FET devices. In particular, the problems addressed in the present use are directed to the parasitic capacitance that exists between the source and gate electrodes in an amorphous thin film silicon FET. An electrical circuit diagram, which illustrates the presence of these parasitic capacitances (shown in broken lines), is shown in FIG. 2. The parasitic capacitances C GS and C SD are present in the circuit in addition to the effective capacitance C LC , which is present as a result of placing liquid crystal material between electrically conductive electrodes.

FET-Vorrichtungen mit amorphem Silicium für die Verwendung in Flüssigkristallanzeigen sind bekannt. Die vorliegende Erfindung bezieht sich jedoch auf FET-Strukturen, die gewisse kritische Abmessungskriterien aufweisen, und auf die Steuerung der Dotierung in dem amorphen Silicium. Die betreffenden physikalischen Abmessungen sind in Fig. 3 veranschaulicht, welche eine Querschnittansicht eines herkömmlichen Dünnfilm-FET zeigt. Eine elektrisch leitende Gateelektrode 22 ist typisch auf ein isolierendes Substrat 20 aufgebracht, das beispielsweise aus Glas besteht. Eine Schicht 24 aus Isoliermaterial, beispielsweise aus Siliciumnitrid, wird dann über der Gateelektrode und einem Teil des darunterliegenden Substrats 20 aufgebracht und dient als Gateisoliermaterial. Danach wird eine Schicht 26 amorphen Siliciums über der Isolierschicht 24 aufgebracht. Die hydrierten Silicium- und Siliciumnitridfilme werden durch herkömmliche plasmaverstärktes chemisches Aufdampfen (PECVD) bei Plasmafrequenzen von ungefähr 50 kHz bis 13 MHz hergestellt. Beispielsweise kann Silan (SiH₄), verdünnt mit 90% Argon, für Siliciumniederschläge benutzt werden, und ein Gemisch aus Silan und Ammoniak und Argon kann benutzt werden, um eine Siliciumnitridschicht niederzuschlagen. Helium, Neon oder keine Verdünnung kann ebenfalls benutzt werden. Zum Herstellen der N⁺-dotierten Schicht 28 kann Silan dotiert mit etwa 1% Phosphin (PH₃) und weiter verdünnt mit Argon benutzt werden. Die Dicken des N⁺-Siliciums, des Intrinsic-Siliciums und des Nitrids betragen typisch 50 Nanometer, 200 Nanometer bzw. 150 Nanometer. Die Leitfähigkeit der N⁺-Schicht kann bis zu 10-2 Siemens pro Zentimeter bei 20°C und einer Aktivierungsenergie von 0,21 Elektronvolt (eV) betragen. Das Kontaktmetall für die Drainelektrode 30 und die Sourceelektrode 35 kann im Vakuum aufgedampftes Molybdän umfassen. Die N⁺-Schicht wird von dem Kanalgebiet durch Trommelplasmaätzen in einer Atmosphäre aus Kohlenstofftetrafluorid, CF₄, kombiniert mit 8% Sauerstoff, entfernt. Es sei jedoch angemerkt, daß sich die vorliegende Erfindung nicht auf diese besonderen Prozesse, Zusammensetzungen, Verfahren oder Bereiche beschränkt.Amorphous silicon FET devices for use in liquid crystal displays are known. However, the present invention relates to FET structures that have certain critical dimensional criteria and to control the doping in the amorphous silicon. The relevant physical dimensions are illustrated in Figure 3, which shows a cross-sectional view of a conventional thin film FET. An electrically conductive gate electrode 22 is typically applied to an insulating substrate 20 , which is made of glass, for example. A layer 24 of insulating material, for example silicon nitride, is then applied over the gate electrode and part of the underlying substrate 20 and serves as the gate insulating material. A layer 26 of amorphous silicon is then applied over the insulating layer 24 . The hydrogenated silicon and silicon nitride films are made by conventional plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) at plasma frequencies from approximately 50 kHz to 13 MHz. For example, silane (SiH₄) diluted with 90% argon can be used for silicon deposits and a mixture of silane and ammonia and argon can be used to deposit a silicon nitride layer. Helium, neon or no thinner can also be used. To produce the N⁺-doped layer 28 , silane doped with about 1% phosphine (PH₃) and further diluted with argon can be used. The thicknesses of the N⁺ silicon, the intrinsic silicon and the nitride are typically 50 nanometers, 200 nanometers and 150 nanometers, respectively. The conductivity of the N⁺ layer can be up to 10 -2 Siemens per centimeter at 20 ° C and an activation energy of 0.21 electron volts (eV). The contact metal for the drain electrode 30 and the source electrode 35 can comprise vacuum-deposited molybdenum. The N⁺ layer is removed from the channel area by drum plasma etching in an atmosphere of carbon tetrafluoride, CF₄, combined with 8% oxygen. However, it should be noted that the present invention is not limited to these particular processes, compositions, methods or areas.

Ein besseres Verständnis der Erfindung erfordert jedoch die Betrachtung von besonderen Abmessungsaspekten, die in Fig. 3 gezeigt sind. Insbesondere ist der Abstand zwischen der Sourceelektrode 35 und der Drainelektrode 30 so, daß ein Kanalgebiet geschaffen wird, das eine Länge L hat. Das ist eine wichtige Abmessung bei der Ausführung der Erfindung. Darüber hinaus ist zu erkennen, daß die Sourceelektrode 35 und die Gateelektrode 22 einander wie dargestellt um eine Strecke d überlappen. Außerdem ist zu erkennen, daß die amorphe Siliciumschicht 26 eine Dicke t besitzt. Diese Dicke steht in direkter Beziehung zu dem Parameter α, der unten beschrieben ist (vgl. Gleichung 16). Eine weitere Abmessung ist die Dicke h der Isolierschicht 24. In dem Sinne, daß die Schicht 24 dielektrisches Material aufweist, das zwischen der Source- und der Gateelektrode angeordnet ist, besitzt sie eine gewisse Kapazität c pro Flächeneinheit, wobei gilt c = ε s /h, wobei ε die Dielektrizitätskonstante ist, die der Schicht 24 zugeordnet ist. Tatsächlich lehrt die vorliegende Anmeldung, daß für einen richtigen Betrieb diese Abmessungen in kritischer Beziehung zueinander stehen, vgl. die unten angegebene Gleichung 15. Bei der vorliegenden Erfindung beträgt c etwa 4 × 10-8 Farad/cm².However, a better understanding of the invention requires consideration of particular dimensional aspects shown in FIG. 3. In particular, the distance between the source electrode 35 and the drain electrode 30 is such that a channel region is created which has a length L. This is an important dimension in the practice of the invention. In addition, it can be seen that the source electrode 35 and the gate electrode 22 overlap by a distance d as shown. It can also be seen that the amorphous silicon layer 26 has a thickness t . This thickness is directly related to the parameter α , which is described below (see Equation 16). Another dimension is the thickness h of the insulating layer 24 . In the sense that the layer 24 has dielectric material which is arranged between the source and the gate electrode, it has a certain capacitance c per unit area, where c = ε s / h , where ε is the dielectric constant that of the layer 24 is assigned. In fact, the present application teaches that for proper operation these dimensions are critically related, cf. Equation 15 below. In the present invention, c is about 4 x 10 -8 farads / cm².

Wie oben angegeben ist einer der bedeutsamen Parameter in der geometrischen Konfiguration der Erfindung die Überlappungsstrecke d zwischen der Source- und der Gateelektrode. Diese Überlappung hat eine bestimmte Auswirkung auf den Drainstrom. Diese Tatsache ist in Fig. 6 angegeben. Die untere Kurve in Fig. 6 ist der gemessene Drainstrom bei V G = 8 Volt und V D = 10 Volt als Funktion der Sourceüberlappungsstrecke d für einen FET mit einer Gatelektrodenbreite W von 100 µm und einer Kanallänge L von 7 µm. Die Drainelektrode 30 hat eine größere Überlappung, die größer als 2 µm ist. Außerdem ist in Fig. 6 der Drainstrom mit umgekehrter Treiberspannung gezeigt, so daß die Seite der Vorrichtung mit der kleinen Überlappung die Drainelektrode wird. Da in der Sättigung der Kanalfeldzusammenbruch nahe der Drainelektrode erfolgt, kann die Überlappung nahe der Drainelektrode tatsächlich negativ sein, bevor der Drainstrom reduziert wird. Die in Fig. 6 eingefügten Punkte zeigen experimentelle Daten, die für Sourceüberlappung erhalten worden sind, und die x stellen Daten dar, die für Drainüberlappung erhalten worden sind. Die Daten in Fig. 6 wurden unter Verwendung einer Vorrichtung ähnlich der in Fig. 3 gezeigten erzielt.As indicated above, one of the significant parameters in the geometric configuration of the invention is the overlap distance d between the source and gate electrodes. This overlap has a certain effect on the drain current. This fact is indicated in Fig. 6. The lower curve in FIG. 6 is the measured drain current at V G = 8 volts and V D = 10 volts as a function of the source overlap distance d for an FET with a gate electrode width W of 100 μm and a channel length L of 7 μm. The drain electrode 30 has a larger overlap that is larger than 2 μm. Also shown in Fig. 6 is the drain current with the reverse drive voltage so that the side of the device with the small overlap becomes the drain electrode. Since the channel field breakdown occurs near the drain electrode in saturation, the overlap near the drain electrode can actually be negative before the drain current is reduced. The points inserted in Fig. 6 show experimental data obtained for source overlap and the x represent data obtained for drain overlap. The data in FIG. 6 was obtained using a device similar to that shown in FIG. 3.

Fig. 7 zeigt die Kennlinien des Drainstroms über der Drainspannung für mehrere Vorrichtungen. Die in Fig. 7 mit ausgezogenen Linien dargestellten Kurven gelten für unten beschriebene Modellberechnungen. Die Kreise stellen experimentelle Datenmessungen dar. Das nichtideale Verhalten bei niedrigen Drainspannungen, das nahezu parabolisch ist, führt zu einem nichtexponentiellen Aufladeverhalten für den LCD-Pixelkondensator C LC . Für matrixadressierte Anzeigen mit Grauskala muß die Spannung an dem Pixelkondensator innerhalb einiger zehntel Volt aus einer angelegten Gesamtspannung von (typisch) 5 Volt eingestellt werden. Wegen der nichtidealen Drainkennlinie kann die Aufladezeit auf einen Wert innerhalb der erforderlichen 5% oder weniger der angelegten Spannung größer sein als die erlaubte Verweilzeit von etwa 10-5 Sekunden in typischen Anzeigen. Das Nichtgelingen des vollständigen Einstellens kann zwar durch einen Spannungsoffset kompensiert werden, Veränderungen in dem Kontaktspannungsabfallverhalten an der Anzeige sind aber weiterhin ein Problem. Es ist daher erwünscht, dieses Kontaktspannungsabfallverhalten zu verstehen und zu minimieren. Sowohl die Reduktion im EIN-Strom bei abnehmender Überlappung als auch dieser Kontaktspannungsabfall sind in deutlicher gegenseitiger Beziehung stehende Erscheinungen. Der Spannungsabfall an dem Sourcekontakt verringert sowohl die effektive innere Gate-Source-Spannung als auch die interne Drain-Source-Spannung. Figure 7 shows the characteristics of drain current versus drain voltage for multiple devices. The curves shown in solid lines in FIG. 7 apply to the model calculations described below. The circles represent experimental data measurements. The non-ideal behavior at low drain voltages, which is almost parabolic, leads to a non-exponential charging behavior for the LCD pixel capacitor C LC . For matrix-addressed displays with gray scale, the voltage on the pixel capacitor must be set within a few tenths of a volt from an applied total voltage of (typically) 5 volts. Because of the non-ideal drain characteristic, the charging time to a value within the required 5% or less of the applied voltage can be greater than the permitted dwell time of approximately 10 -5 seconds in typical displays. Failure to fully set can be compensated by a voltage offset, but changes in the contact voltage drop behavior on the display are still a problem. It is therefore desirable to understand and minimize this contact voltage drop behavior. Both the reduction in the ON current with decreasing overlap and this drop in contact voltage are clearly mutually related phenomena. The voltage drop across the source contact reduces both the effective internal gate-source voltage and the internal drain-source voltage.

Bei dem Versuch, dieses Spannungsabfallverhalten zu verstehen und zu minimieren, sind die Strom-Spannungskennlinien des metallischen N⁺-Kontakts, der N⁺/Intrinsic-Silicium-Struktur und der Einfluß der Siliciumschichtdicke sowie der Dotierung auf dem Spannungsabfall und die EIN-Ströme untersucht worden. Die Struktur, die für diese Untersuchung benutzt worden ist, ist in Fig. 4 dargestellt. In dieser experimentellen Konfiguration sind Molybdänkontakte auf entgegengesetzten Seiten einer 500 Nanometer dicken Schicht aus nahezu Intrinsic-Silicium (i-Si) benutzt worden. Das Intrinsic-Silicium umfaßte auch eine 50 Nanometer dicke Schicht aus N⁺-dotiertem Silicium auf jeder Seite in Kontakt mit der Molybdänelektrode. Die Kontaktstruktur kann als eine n-i-n-Struktur modelliert werden. Der Strom durch diese Struktur kann durch den Kontaktwiderstand an der Molybdän/N⁺-Grenzfläche oder durch einen raumladungsbegrenzten Stromfluß durch die Intrinsic-Schicht begrenzt werden. Die Leitfähigkeit der N⁺-Schicht, die 7 × 10-3 Siemens/cm beträgt, ist zu hoch, um eine Begrenzung zu bilden.In an attempt to understand and minimize this voltage drop behavior, the current-voltage characteristics of the metallic N⁺ contact, the N⁺ / intrinsic silicon structure and the influence of the silicon layer thickness as well as the doping on the voltage drop and the ON currents were examined been. The structure used for this study is shown in FIG. 4. In this experimental configuration, molybdenum contacts on opposite sides of a 500 nanometer thick layer of almost intrinsic silicon (i-Si) were used. The intrinsic silicon also included a 50 nanometer thick layer of N⁺-doped silicon on each side in contact with the molybdenum electrode. The contact structure can be modeled as a nin structure. The current through this structure can be limited by the contact resistance at the molybdenum / N⁺ interface or by a space charge-limited current flow through the intrinsic layer. The conductivity of the N⁺ layer, which is 7 × 10 -3 Siemens / cm, is too high to form a limitation.

Die Strom-Spannungskennlinien der Mo/N⁺/Mo-Strukturen sind nahezu linear und lassen sich gut durch folgende Beziehung darstellen: J C = bV, wobei b = 1,9 × 10⁶ A/V-cm² exp (-0,33 eV/kT). Hier ist T die Temperatur und k ist die Boltzmann-Konstante. Diese Charakteristik kann nicht durch das N⁺-Material erklärt werden, das eine um einen Faktor 100 höhere Leitfähigkeit hat, nämlich 7 × 10-3 Siemens/cm, und eine niedrigere Aktivierungsenergie von 0,21 Elektronvolt. Das ist daher eine zwangsläufige Beschränkung des Mo/N⁺-Kontakts. Mo/N⁺/Mo-Strukturen, die hergestellt werden, indem unterschiedliche Auftragsbedingungen für die N⁺-Schicht benutzt werden, weisen etwas unterschiedliche Eigenschaften auf. Diese unterschiedlichen Herstellungsbedingungen beinhalten die Hochfrequenzleistung oder die Argonverdünnung.The current-voltage characteristics of the Mo / N⁺ / Mo structures are almost linear and can be represented well by the following relationship: J C = bV , where b = 1.9 × 10⁶ A / V-cm² exp (-0.33 eV / kT) . Here T is the temperature and k is the Boltzmann constant. This characteristic cannot be explained by the N⁺ material, which has a 100 times higher conductivity, namely 7 × 10 -3 Siemens / cm, and a lower activation energy of 0.21 electron volts. This is therefore an inevitable limitation of the Mo / N⁺ contact. Mo / N⁺ / Mo structures that are produced by using different application conditions for the N⁺ layer have somewhat different properties. These different manufacturing conditions include high frequency power or argon dilution.

Fig. 8 zeigt die gemessenen Strom-Spannungskennlinien bei mehreren Temperaturen. Diese Daten sind hinsichtlich des Spannungsabfalls an der Mo/N⁺-Grenzfläche korrigiert worden. Die gezeigten Punkte sind experimentelle Daten, und die ausgezogenen Linien sind eine Anpassung an diese Daten. In Fig. 8 ist nur eine Polarität gezeigt, aber die Kurven für den Fall entgegengesetzter Polarität sind symmetrisch. Das Verhalten bis zu etwa 3 Volt kann als raumladungsbegrenzter Stromfluß in der Intrinsic-Schicht aufgefaßt werden. Modell- und experimentelle Daten über den raumladungsbegrenzten Stromfluß in amorphen Silicium (a-Si)-Strukturen sind im Stand der Technik bereits erläutert worden, vgl. W. Den Boer, J. Phys. Paris, Band 42, C4, Seite 451 (1981) und KD Mackenzie, PG Le Comber und WE Spear, Phil. Mag., Band B46, S. 377-389 (1982). Bei sehr niedrigen Spannungen ist der Strom ohmisch, und die Größe und die Temperaturabhängigkeit entsprechen der Volumenleitfähigkeit der Intrinsic-Schicht mit σ₀ = 308 Siemens/cm und einer Aktivierungsenergie von 0,58 Elektronvolt. Das zeigt, daß die Intrinsic-Schicht bei kleinen angelegten Feldern nicht verarmt. Das deckt sich mit der Einfangdichte von 5 × 10¹⁶ #/cm³/eV, die aus der Größe des raumladungsbegrenzten Stroms bei höheren angelegten Spannungen bestimmt wird. Diese Einfangdichte impliziert eine Sieblänge von 115 nm oder weniger als 25% der Filmdicke. Bei höheren Spannungen wird die Abhängigkeit in V quadratisch, was für raumladungsbegrenzten Stromfluß mit einfacher konstanter Einfangdichte bei noch höheren Potenzen von V bei größeren Spannungen charakteristisch ist, weil das Quasi-Fermi-Niveau in das Gebiet ungleichförmiger Einfangdichte gelangt. Die Einfangdichte kann aus den raumladungsbegrenzten Strömen bestimmt werden. Für die Daten von Fig. 8 beträgt sie 5 × 10¹⁶#/cm³/eV nahe dem Gleichgewichtsferminiveau. Das Einpassen dieser Daten in ein Polynom ergibt die folgende Gleichung: Fig. 8 shows the measured current-voltage characteristic curves at several temperatures. These data have been corrected for the voltage drop at the Mo / N⁺ interface. The points shown are experimental data and the solid lines are an adaptation to this data. Only one polarity is shown in Figure 8, but the curves for the case of opposite polarity are symmetrical. The behavior up to about 3 volts can be understood as a current flow limited by space charge in the intrinsic layer. Model and experimental data on the space charge-limited current flow in amorphous silicon (a-Si) structures have already been explained in the prior art, cf. W. Den Boer, J. Phys. Paris, Vol. 42, C4, page 451 (1981) and KD Mackenzie, PG Le Comber and WE Spear, Phil. Mag., Vol. B46, pp. 377-389 (1982). At very low voltages, the current is ohmic, and the size and the temperature dependence correspond to the volume conductivity of the intrinsic layer with σ ₀ = 308 Siemens / cm and an activation energy of 0.58 electron volts. This shows that the intrinsic layer does not become impoverished in small fields. This coincides with the capture density of 5 × 10¹⁶ # / cm³ / eV, which is determined from the size of the space charge-limited current at higher applied voltages. This capture density implies a screen length of 115 nm or less than 25% of the film thickness. At higher voltages, the dependence in V becomes quadratic, which is characteristic of space charge-limited current flow with a simple constant trapping density at even higher powers of V at higher voltages, because the quasi-Fermi level reaches the area of non-uniform trapping density. The capture density can be determined from the space charge limited currents. For the data of Fig. 8, it is 5 x 10¹⁶ # / cm³ / eV near the equilibrium fermin level. Fitting this data into a polynomial gives the following equation:

J sc = a(T)V/t + a(T)V²/t³ + a(T)V⁴/t⁷ (1) J sc = a(T) V / t + a(T) V ² / t ³ + a(T) V ⁴ / t ⁷ (1)

wobei die Koeffizienten a i alle die Form a i = a i 0 exp (-E i 0/kT) haben, und zwar mit experimentellen Vorfaktoren a i 0 von 308, 7,7 × 10-7 bzw. 3,4 × 10-3 und Aktivierungsenergien E i 0 von 0,58, 0,54 bzw. 0,4 Elektronvolt. Die Werte von a₁, a₂ und a₄ haben als Einheiten Volt, cm bzw. A/cm² für V, t bzw. J sc . Oben ist T die Temperatur, gemessen in Grad Kelvin, und k ist die Boltzmann-Konstante. Die Form der Gleichung 1 entspricht dem Skaliergesetz für den raumladungsbegrenzten Strom J/t = V/t², so daß sie auf andere Dicken t von Intrinsic-Silicium angewandt werden kann, dieselben Materialeigenschaften vorausgesetzt. Fig. 9 zeigt die Stromdichte-Spannungskennlinien von Mo/N⁺/i-Si-Kontakten, die aus separat gemessenen Kenndaten von Mo/N⁺- und N⁺/i-Si-Strukturen bestimmt worden sind. Die Mo/N⁺-Kurven werden aus J c = bV wie oben bestimmt und sind nur auf die Spannungsabfälle an der Mo/N⁺-Grenzfläche zurückzuführen (d. h. bei der Dicke null von Intrinsic-Silicium). Unter Verwendung der üblichen allmählichen Kanalapproximation für die FET-Charakteristik und die Approximation, daß der Kanalleitwert zu dem lokalen Feld proportional ist, kann die Auswirkung des Kontaktspannungsabfalls auf die FET-Eigenschaften im Modell nachgebildet werden. Wenn der FET in Sättigung ist, ist der Kanalstrom gegeben durch: I D = 0,5 (W/L)cµ e (V G - V T - V sc ² (2) wobei V sc der Spannungsabfall zwischen dem Kanal an der Kante des Sourcekontakts und dem Metall des Sourcekontakts und V T die Schwellenspannung ist. In den Materialien, die bei der Erfindung benutzt werden, liegt die Elektronenbeweglichkeit µ e typisch zwischen 0,5 und 0,8 cm²/Volt. In Sättigung ist der Kontaktspannungsabfall nur an dem Kontakt mit der niedrigsten Spannung (Source) wichtig, und zwar wegen der sehr starken elektrischen Felder nahe der Drainelektrode. Der Kontaktspannungsabfall V sc an dem Sourcekontakt ist festgelegt durch: I D = J c (V sc )Wd c (3) wobei d c eine effektive Kontaktüberlappungsstrecke und J c die Stromdichte an der Kante des Kontakts ist, die dem Kanal am nächsten ist. Für sehr kleine Kontaktüberlappungsstrecken gilt d c = d. Für größere Kontaktüberlappung muß die Stromverteilung unter dem Kontakt berechnet werden, und ein effektives d c muß aus der Kontaktstromverteilung bestimmt werden. d c ist für eine gegebene FET-Struktur im allgemeinen nicht konstant, sondern hängt von der Gate- und der Drainvorspannung ab. Es ist jedoch ungefähr konstant und ist eine nützliche Größe, weil es physikalische Einsicht gestattet. Drei Methoden zum Bestimmen von d c und der Abhängigkeit des Drainstroms von der tatsächlichen Überlappung d werden betrachtet. Erstens, der Streckenmaßstab des Stromabfalls unter dem Kontakt kann aus folgender Gleichung abgeschätzt werden: d c -1 = 2(1/J) (∂J/∂x) = (1/J) (∂JV) (∂V/∂x) (4) wobei x die Strecke längs des Kanals und unter dem Kontakt ist und wobei sämtliche Größen an der Kante des Kontakts, die dem Kanal am nächsten ist, ausgewertet werden, vgl. Fig. 5. V ist die Spannung längst des Kanals sowohl unter dem Kontakt als auch in dem FET-Kanal. J ist die Stromdichte an dem Kontakt. Die Gleichung ist eine Approximation, bei der vorausgesetzt wird, daß die Dicke des Siliciums im Vergleich zu dem lateralen Streckenmaß dünn ist. Der Faktor 2 definiert d c so, daß der gesamte Kontaktstrom ungefähr d c J₀ ist, wobei J₀ die Stromdichte an der Kante des Kontakts ist. Wenn der FET in Sättigung ist, ergibt sich der Kanalstrom aus der Gleichung 2, und der Strom an der Kante des Sourcekontakts ist durch folgende Gleichung gegeben: I D = W(∂V/∂x)cµ e (V G - V T - V sc ) (5) Für alle Simulationen gilt c = 3,8 × 10-8 Farad/cm², µ e = 0,26 cm²/V und V T = 2 V. Wenn diese zwei gleichen Strömen gleichgesetzt werden, ergibt sich die Ableitung von V und deshalb der Schätzwert für die maximale effektive Kontaktstrecke, nämlich: d cc = (L/(V G - V T - V sc )) (V sc /n) (6) wobei n die Potenzgesetzsteigung der Kontaktstromdichte bei V = V sc ist, vgl. diesbezüglich Fig. 9. Das zweite Glied ist von der Größenordnung eins, und für typische Werte der anderen Parameter beträgt d cc ungefähr 2 µm. Dieser Schätzwert ist eine vernünftige Übereinstimmung mit Fig. 6, wenn der maximale Drainstrom bei einer Überlappungsstrecke von ungefähr 1 µm erreicht wird. Daher haben Kontaktüberlappungsstrecken von mehr als 1 bis 2 µm wenig Auswirkung auf den Kontaktspannungsabfall oder den Drainstrom. Die Schlußfolgerung wird durch die exaktere Nachbildung im Modell, die unten angegeben ist, betätigt. Eine exaktere Methode besteht darin, die Stromverteilung unter dem Kontakt für eine endliche Kontaktüberlappung zu berechnen. Der Kanalstrom I D ist durch folgende Standardgleichungen gegeben: für V G - V T <V D für V G - V T <V D Bei der Approximation, daß der Siliciumfilm im Vergleich zu den lateralen Abmessungen dünn ist, gilt folgende Gleichung: wobei J aus Fig. 9 entnommen wird. Der laterale Strom I(x), der in dem Kanal unter dem Kontakt fließt, steht in folgender Beziehung zu der Spannung V(x) unter dem Kontakt: wobei G(V) = µ e cV. Diese Form für den Schichtleitwert G des FET-Kanals ist eine Approximation, die in starker Akkumulation zufriedenstellend ist, aber nahe dem Schwellenwert nicht ausreichend zu sein braucht. Es ist die Form des Leitwerts, die zur Gleichung 7 führt. Diese drei Gleichungen können zu einem Gleichungspaar erster und zweiter Ordnung kombiniert werden: wobei und Diese können für V(x), I(x) und J(x) gelöst werden, indem eine Vorwärtssiteration und eine Taylor-Reihe zweiter Ordnung für V(x) benutzt werden. Die Anfangsgrenzbedingung V(x) = V sc ist der Kontaktspannungsabfall. Dieser wird verändert, um I(d) = 0 zu erzielen, wobei d die Kontaktüberlappungsstrecke ist. Diese Approximation setzt voraus, daß der Kontaktstrom an der Kante der Gategrenze abrupt aufhört. Diese Approximation erfolgt in demselben Sinne wie die Trennung des vertikalen Stroms J und des lateralen Stroms I (vgl. Fig. 5) und ist gültig, wenn die Siliciumdicke im Vergleich zu der Kontaktüberlappung klein ist. Fig. 10 zeigt die Kontaktstromdichte J (gestrichelte Kurven) und den lateralen Strom I (ausgezogene Kurven) für die Kontaktüberlappungsstrecken 0,5, 1, 2, 3,8, 8 und 20 µm. Die vertikale Skala gilt nur für den lateralen Strom I. Der Maßstab für die Stromdichte J sind beliebige Einheiten. Die Siliciumdicke beträgt 300 Nanometer und die Temperatur beträgt 20°C. Bei der Erfindung ist die amorphe Siliciumschicht vorzugsweise weniger als 300 nm dick und, noch bevorzugter, etwa 150 nm dick. Andere Parameter sind in Fig. 10 angegeben. Der Drainstrom ohne jeden Kontaktspannungsabfall beträgt 2,5 µA. Für eine Überlappung von weniger als 1 µm ist die Kontaktstromdichte fast unabhängig von x, nimmt aber zu, wenn d abnimmt. Diese Tatsache ist die Basis einer brauchbaren Approximation, die unten erläutert ist. Es sei angemerkt, daß der Drainstrom von der Überlappung fast unabhängig ist, wenn die Überlappungsstrecken größer als 1 µm sind. Das gilt trotz der Tatsache, daß es, wenn die Kontaktüberlappung zunimmt, einen beträchtlichen Stromfluß unter dem Kontakt in großen Entfernungen von der Sourcekante gibt. Der Grund dafür ist der hohe Grad an Nichtlinearität im Kontaktstrom. Fig. 11 zeigt eine ähnliche Berechnung für eine reduzierte Drainspannung von 2 Volt. Obgleich die Vorrichtung nicht in Sättigung ist, ist die Grundform der Kurven ähnlich. Fig. 12 zeigt den Kanalstrom I D über der Kontaktüberlappung d für dieselben Bedingungen wie in Fig. 10. Fig. 13 zeigt ähnliche Berechnungen für 0,2 µm Siliciumdicke und enthält die Daten aus Fig. 6. Die Kanallänge für die Vorrichtungen nach Fig. 6 beträgt 7 µm. Es gibt eine vernünftige Übereinstimmung, wenn berücksichtigt wird, wie schwierig das optische Abschätzen von so kleinen Überlappungen ist. Für d<0 sagt das Modell keinen Drainstrom voraus, Randfelder gestatten jedoch etwas Stromfluß selbst bei negativen Überlappungen. Das einfache eindimensionale Modell kann diese Effekte nicht berücksichtigen. Das Modell sagt jedoch ziemlich genau die charakteristische Überlappungsstrecke von 1 µm voraus, die experimentell ermittelt worden ist. Die Fig. 12 und 13 zeigen, daß der Kontaktspannungsabfall bei FETs mit kürzerem Kanal ein sehr bedeutsames Problem ist. Für L = 0,5 µm ist der EIN-Strom 15% des maximal möglichen Wertes ohne Kontaktspannungsabfall bei einer Siliciumdicke von 0,3 µm. Die exakte Verringerung des EIN-Stroms hängt von der Siliciumdicke und von der Siliciumqualität (Einfangdichte oder trap density) ab, aber die Auswirkung des Kontaktspannungsabfalls ist bei kürzeren Kanallängen immer stärker. Wie oben mit Bezug auf die Fig. 10 und 11 erwähnt bedeutet die Stärke des Drainstroms für Kontaktüberlappungen von mehr als 1 µm nicht, daß es einen unbedeutsamen Kontaktstromfluß bei Strecken von mehr als 1 µm für größere Kontaktüberlappungen gibt. Dieses paradoxe Ergebnis basiert auf der starken Abhängigkeit des Kontaktstroms von der Spannung. Auf der Basis der Beobachtung, daß bei kleiner Überlappung die Kontaktstromdichte zwischen x = 0 und x = d nahezu gleichmäßig ist, kann ein Ausdruck geschlossener Form für den Kanalstrom bei kleiner Überlappung gewonnen werden. In dieser Approximation gilt J = J(V (0)) und I D = J(V (0)Wd). Diese beiden Gleichungen und Gleichung 2 werden für V (0) = V SC und I D für gewisse Approximationen von J gelöst. Wenn gilt J = α V n, mit n = 2 oder 4, dann gilt wobei: V (0) = (((1-4 µ(V T - V G ))½ - 1)/2 µ n = 4 (12) oder V (0) = V G - V T )/(µ + 1) n = 2 (13) und µ² = (Ld α )/(cµ e ) (14) In Gleichung 14 kann α aus Fig. 9 in Abhängigkeit von der Kontaktstromdichte abgeschätzt werden. Die gestrichelten Kurven in Fig. 12 sind diese Approximation mit n = 2 und α = 0,2 A/cm²/Volt². Diese Approximation ist gut genug, um brauchbar zu sein. Sie versagt bei kleiner Überlappung, weil J in diesem Gebiet besser durch n = 3 wiedergegeben wird. Diese Approximation kann benutzt werden, um die Steigung von I D über der Überlappung d abzuschätzen. Unter Verwendung dieser Steigung aus den Gleichungen 11 und 3 mit n = 2 wird eine kritische Kontaktüberlappung d cc = I C 0/(∂I D d) bestimmt, wobei I D 0 der Drainstrom für einen Kontaktspannungsabfall von null ist. Eine bedeutsame Schlußfolgerung ist die Tatsache, daß d cc durch folgende Approximation in Beziehung zu der FET-Geometrie steht: Für Überlappungsstrecken, die viel größer als d cc sind, wird der Kanalstrom in der Sättigung von der Kontaktüberlappung unabhängig. Diese Approximation zeigt die bedeutsamen Abhängigkeiten der Mindestkontaktüberlappungsstrecke von den Vorrichtungs- und Materialparametern. Wenn diese Formel benutzt wird, sollte überprüft werden, ob der Arbeitsbereich in dem Gebiet bleibt, wo J als eine quadratische Funktion angenähert werden kann. Die obige Erläuterung zeigt zwar eine Methode zum experimentellen Bestimmen von α, es kann jedoch auch gezeigt werden, daß α in Beziehung steht zu der Dicke und der Einfangdichte der undotierten oder schwach dotierten Siliciumschicht, und zwar folgendermaßen: wobei N e die Ersatzdichte von Leitungsbandzusätzen und N t die Dichte von Bandlückenmittenzuständen ist. ε ist die relative Dielektrizitätskonstante, die für Silicium ungefähr 12,8 beträgt. ε₀ ist die Dielektrizitätskonstante des freien Raums. Die Differenz E c - E fn ist die Strecke der Quasi-Fermi-Niveaus ab der Leitungsbandkante. Als gute Approximation gilt E fn = E f , wobei E f das Fermi-Niveau ist. Wie oben angegeben ist µ e die Elektronenbeweglichkeit in amorphem Silicium. Für amorphes Silicium und die meisten Halbleiter beträgt N e etwa 10²¹ #/cm³. Für gutes amorphes Silicium liegt N t typisch zwischen etwa 10¹⁵ und 10¹⁷ #/cm³/Elektronvolt. Allgemein ist zu erkennen, daß α eine materialabhängige Eigenschaft ist. α liegt zwischen etwa 0,1 und 1 A/cm²/Volt² für undotiertes amorphes Silicium und ist wesentlich größer für schwach dotiertes amorphes Silicium. α kann auch vergrößert werden, indem die Dichte von Bandlückenmittenzuständen N verringert wird. Bei der Erfindung vergrößert die Dotierung den Wert von α um einen Faktor von etwa 50, so daß α zwischen etwa 5 und 50 A/cm²/Volt² liegt. Die hier beschriebene besondere Erfindung bezieht sich auf schwaches Dotieren der Siliciumschicht mit einem Dotierstoff vom n-Typ, wie beispielsweise P oder Sb. Das wird erreicht durch Vermischen von n-Dotierstoff enthaltenden Gasen, wie beispielsweise PH₃, mit dem SiH₄, das benutzt wird, um das amorphe Silicium aufzutragen, oder durch Ionenimplantation der n-Typ-Dotierstoffatome in das Silicium. In letzterem Fall wird eine Maskierung benutzt, um die Dotierstoffe auf die Kontaktbereiche zu beschränken und dadurch die etwas nachteiligen Auswirkungen der Dotierstoffe auf das Kanalgebiet des FET zu eliminieren. Das Dotieren des amorphen Siliciums führt zu beträchtlicher Vergrößerung von α (vgl. Gleichung 16) und reduziert daher drastisch die kritische Kontaktüberlappungsstrecke d cc (vgl. Gleichung 15). Das gestattet eine beträchtliche Verringerung der Kontaktüberlappungsstrecke d und dadurch eine Verringerung der Source-Gate-Kapazität. Beispielsweise wird eine Phosphordotierung benutzt, um bei Raumtemperatur eine Leitfähigkeit von etwa 2 × 10-5 Siemens/cm in dem amorphen Silicium zu erzielen. Es sei jedoch beachtet, daß α umgekehrt proportional zu N t ist, so daß besseres amorphes Siliciummaterial mit einer niedrigeren Dichte von Zuständen in der Bandlücke ein kleineres α und deshalb ein kleineres d cc hat. Es sei außerdem beachtet, daß, wenn das Material mit Phosphor oder anderem Dotierstoff vom N-Typ dotiert wird, die Differenz E c - E f reduziert wird. Für eine 0,1-Elektronenvolt-Änderung in E c - E f steigt bei Raumtemperatur a auf das 47fache. Die stark ausgezogenen Kurven in den Fig. 7 und 14 sind Simulationen des Drainstroms über der Drainspannung unter Verwendung des exakten Modells (Gleichung 10). Im wesentlichen äquivalente Ergebnisse werden erzielt, indem der Drainstrom über der Überlappung unter Verwendung des exakten Modells bei einer bestimmten Vorspannung (z. B., vgl. Fig. 12) berechnet wird und indem dieser Strom benutzt wird, um eine effektive Überlappung d c auszuwählen, die dem angenäherten Modell (Gleichungen 3 und 7) angepaßt ist. In Fig. 7 sei die bedeutsame Auswirkung der Intrinsic-Silicium-Schichtdicke auf den maximalen EIN-Strom und außerdem das Kontaktspannungsabfallverhalten bei niedrigen Drainspannungen beachtet. Die theoretische Vorrichtung mit einer Intrinsic-Silicium-Dicke von null hat nur den Spannungsabfall aufgrund der Mo/N⁺-Grenzfläche. Die ideale Kontaktkurve beinhaltet keinen Spannungsabfall an den Kontakten. Die Fig. 7 und 14 zeigen außerdem einige experimentelle Daten für FETs mit unterschiedlicher Intrinsic-Silicium-Dicke und unterschiedlichen Dotierungen. Bei allen Vorrichtungen gilt L = 7 µm und W = 200 µm. Die Kurven (a) und (d) gelten für 300 nm dickes Intrinsic-Silicium, (b) für 200 nm dickes Intrinsic-Silicium und (c) für 200 nm dickes, schwach mit Phosphor dotiertes Silicium mit einer Leitfähigkeit bei Raumtemperatur von 2 × 10-5 Siemens/cm. Die Kontaktüberlappung für diese Vorrichtungen liegt zwischen 1 und 1,5 µm, ausgenommen bei der Kurve (d), wo sie 5 µm beträgt. Die Kurve (d) ist dieselbe Vorrichtungsstruktur wie die Kurve (a), mit der Ausnahme, daß die Kontaktüberlappung 5 µm beträgt. Beachtet werde die kleine Zunahme des EIN-Stroms für die Zunahme der Kontaktüberlappung um diesen Faktor 5. Die Vorrichtung mit einer schwach N-dotierten aktiven Siliciumschicht, Kurve (c), verhält sich wie eine Vorrichtung, die durch den Mo/N⁺-Kontakt und nicht durch raumladungsbegrenztes Leiten begrenzt ist. Das kann mit der Theorie der raumladungsbegrenzten Ströme aufgrund einer Änderung im Verhältnis von freien zu eingefangenen Elektronen erklärt werden, da in dem V²-Gebiet der raumladungsbegrenzte Strom proportional zu exp [-(E C -E f )/kT] sein sollte (vgl. Gleichung 16). Die wesentliche Vergrößerung des Stroms und die Reduzierung des Kontaktspannungsabfallverhaltens bei niedrigen Drainspannungen bestätigt die erwartete Verringerung von α, wenn die Siliciumschicht schwach n-dotiert ist. Selbstverständlich ist die schwache Dotierung des Kanals bestrebt, die AUS-Ströme zu vergrößern. Wegen der kleinen Menge an eingebrachtem Dotierstoff in dem obigen Experiment sind jedoch AUS-Ströme bei V G = -5 Volt von weniger als 10-10 Ampère erzielt worden. Die Theorie und die Daten in Fig. 7 zeigen, daß eine beträchtliche Einbuße an Vorrichtungsleistungsfähigkeit bei Intrinsic-Silicium-Schichten auftritt, die dicker als 300 Nanometer sind. Fig. 15 faßt diese Schlußfolgerung zusammen. Sie zeigt exakte Modellberechnungen auf der Basis der Gleichung 10 und der in Fig. 9 gezeigten Kontaktspannungsabfalldaten des Drainstroms bei V G = 8 V und V D = 10 V über der Siliciumdicke für zwei Source-Gate-Überlappungen. Beachtet sei die ziemlich kleine Auswirkung von 1 µm gegenüber 5 µm Überlappung. Unter 1 µm nimmt der Drainstrom schnell ab. Diese Ergebnisse sind von der Qualität (Bandlückenmitteneinfangdichte) und von dem Fermi-Niveau der Siliciumschicht in dem Kanal abhängig. Das Reduzieren der Bandlückenmitteneinfangdichte verringert den Kontaktspannungsabfall. Änderungen im Fermi-Niveau der Intrinsic-Silicium-Schicht haben noch eine stärkere Auswirkung. Die kritische Dicke für die Verschlechterung der Leistungsfähigkeit der Vorrichtung hängt also von verschiedenen Behandlungsprozessen ab. Die Beantwortung der Frage, ob eine schwache Dotierung vom N-Typ nützlich ist, hängt kritisch von den AUS-Stromerfordernissen für den besonderen Verwendungszweck ab. In der Summe ist daher zu erkennen, daß es eine kritische Beziehung zwischen der Kanallänge L, der Source-Gate-Überlappung d, der Siliciumdicke t und α gibt. Insbesondere ist zu erkennen, daß die Anstrengungen zum Verringern der Source-Gate-Überlappung zum Verringern der parasitären Kapazität C SG durch die Tatsache kritisch beschränkt werden, daß dieses Vorgehen einen Spannungsabfall an den Kontakten hervorruft. Gemäß der Erfindung werden jedoch eine maximale Siliciumdicke und minimale Überlappungsstrecken in der Geometrie der Vorrichtung zusammen mit einer α-Si-Dotierung zum Steuern von a vorgesehen, um dieses Problem auf einen akzeptablen Wert zu reduzieren. Es sei außerdem angemerkt, daß das Reduzieren der Siliciumdicke auf einen kleinen Wert den Kontaktspannungsabfall reduzieren kann. Das hat jedoch unerwünschte Auswirkungen auf die Verarbeitung der Vorrichtungen und auf die Schwellenspannungskontrolle. Daher ist eine möglichst große Siliciumdicke üblicherweise erwünscht. where the coefficients a i all have the form a i = a i 0 exp (- E i 0 / kT) , with experimental prefactors a i 0 of 308, 7.7 × 10 -7 and 3.4 × 10, respectively -3 and activation energies E i 0 of 0.58, 0.54 and 0.4 electron volts, respectively. The values of a ₁, a ₂ and a ₄ have as units volts, cm and A / cm² for V, t and J sc , respectively. Above, T is the temperature, measured in degrees Kelvin, and k is the Boltzmann constant. The form of equation 1 corresponds to the scaling law for the space charge limited current J / t = V / t 2, so that it can be applied to other thicknesses t of intrinsic silicon, provided the same material properties. Fig. 9 shows the current density-voltage characteristics of Mo / N⁺ / i-Si contacts, which have been determined from separately measured characteristics of Mo / N⁺ and N⁺ / i-Si structures. The Mo / N⁺ curves are determined from J c = bV as above and are only due to the voltage drops at the Mo / N⁺ interface (ie at zero thickness of intrinsic silicon). Using the usual gradual channel approximation for the FET characteristic and the approximation that the channel conductance is proportional to the local field, the effect of the contact voltage drop on the FET properties can be modeled in the model. When the FET is in saturation, the channel current is given by: I D = 0.5 (W / L) c µ e (V G - V T - V sc ² (2) where V sc is the voltage drop between the channel at the Edge of the source contact and the metal of the source contact and V T is the threshold voltage. In the materials used in the invention, the electron mobility µ e is typically between 0.5 and 0.8 cm² / volt. In saturation the contact voltage drop is only important at the contact with the lowest voltage (source), because of the very strong electric fields near the drain electrode The contact voltage drop V sc at the source contact is determined by: I D = J c (V sc ) Wd c (3) where d c an effective contact overlap distance and J c, the current density at the edge of the contact is, which is the channel on the next. d c = d applies to very small contact overlapping routes. For larger contact overlapping the current distribution must be calculated under the contact, and an effective d c must a can be determined from the contact current distribution. d c is generally not constant for a given FET structure, but depends on the gate and drain bias. However, it is roughly constant and is a useful quantity because it allows physical insight. Three methods for determining d c and the dependence of the drain current on the actual overlap d are considered. First, the distance scale of the current drop under the contact can be estimated from the following equation: d c -1 = 2 (1 / J) (∂ J / ∂ x) = (1 / J) (∂ JV) (∂ V / ∂ x) (4) where x is the distance along the channel and under the contact and all sizes are evaluated on the edge of the contact that is closest to the channel, cf. Figure 5. V is the voltage along the channel both under the contact and in the FET channel. J is the current density at the contact. The equation is an approximation that assumes that the thickness of the silicon is thin compared to the lateral dimension. The factor 2 defines d c such that the total contact current is approximately d c J ₀, where J ₀ is the current density at the edge of the contact. When the FET is in saturation, the channel current results from equation 2 and the current at the edge of the source contact is given by the following equation: I D = W (∂ V / ∂ x) c µ e (V G - V T - V sc ) (5) For all simulations the following applies: c = 3.8 × 10-8 farads / cm², µ e = 0.26 cm² / V and V T = 2 V. If these two identical currents are equated, the result is the derivative of V and therefore the estimate for the maximum effective contact distance, namely: d cc = (L / (V G - V T - V sc )) ( V sc / n) (6) where n is the power law slope of the contact current density at V = V sc , cf. in this regard Fig. 9. The second term is of the order of magnitude and for typical values of the other parameters d cc is approximately 2 µm. This estimate is a reasonable match with Fig. 6 when the maximum drain current is reached with an overlap distance of approximately 1 µm. Therefore, contact overlap distances of more than 1 to 2 µm have little effect on the contact voltage drop or the drain current. The conclusion is confirmed by the more accurate replication in the model given below. A more precise method is to calculate the current distribution under the contact for a finite contact overlap. The channel current I D is given by the following standard equations: for V G - V T < V D for V G - V T < V D When approximating that the silicon film is thin compared to the lateral dimensions, the following equation applies: where J is taken from Fig. 9. The lateral current I (x) flowing in the channel under the contact is related to the voltage V (x) under the contact: where G (V) = µ e cV . This form for the layer conductance G of the FET channel is an approximation, which is satisfactory in strong accumulation, but does not need to be sufficient near the threshold value. It is the form of the conductance that leads to Equation 7. These three equations can be combined into a first and second order equation pair: in which and These can be solved for V (x) , I (x) and J (x) by using a forward iteration and a second order Taylor series for V (x) . The initial limit condition V (x) = V sc is the contact voltage drop. This is changed to achieve I (d) = 0, where d is the contact overlap distance. This approximation assumes that the contact current stops abruptly at the edge of the gate boundary. This approximation takes place in the same sense as the separation of the vertical current J and the lateral current I (cf. FIG. 5) and is valid if the silicon thickness is small compared to the contact overlap. Fig. 10, the contact current density J 3.8 shows (dashed curves) and the lateral current I (solid curves) for the contact tracks overlapping 0.5, 1, 2, 8 and 20 microns. The vertical scale applies only to the lateral current I. The standard for the current density J is any unit. The silicon thickness is 300 nanometers and the temperature is 20 ° C. In the invention, the amorphous silicon layer is preferably less than 300 nm thick, and more preferably about 150 nm thick. Other parameters are given in Fig. 10. The drain current without any drop in contact voltage is 2.5 µA. For an overlap of less than 1 µm, the contact current density is almost independent of x , but increases as d decreases. This fact is the basis of a useful approximation, which is explained below. It should be noted that the drain current is almost independent of the overlap if the overlap distances are greater than 1 µm. This is despite the fact that as the contact overlap increases there is considerable current flow under the contact at long distances from the source edge. The reason for this is the high degree of non-linearity in the contact current. Figure 11 shows a similar calculation for a reduced drain voltage of 2 volts. Although the device is not in saturation, the basic shape of the curves is similar. Fig. 12 shows the channel current I D through the contact overlap d for the same conditions as in Fig. 10. Fig. 13 shows similar calculations for 0.2 micron silicon thickness and contains the data from Fig. 6. The channel length for the devices of FIG. 6 is 7 µm. There is a reasonable match considering how difficult it is to visually estimate such small overlaps. The model does not predict a drain current for d <0, but fringe fields allow some current flow even with negative overlaps. The simple one-dimensional model cannot take these effects into account. However, the model pretty much predicts the characteristic overlap distance of 1 µm, which has been determined experimentally. Figures 12 and 13 show that contact voltage drop is a very significant problem in shorter channel FETs. For L = 0.5 µm, the ON current is 15% of the maximum possible value without contact voltage drop with a silicon thickness of 0.3 µm. The exact reduction in the ON current depends on the silicon thickness and the silicon quality (trap density), but the effect of the contact voltage drop is always stronger with shorter channel lengths. As mentioned above with reference to Figures 10 and 11, the magnitude of the drain current for contact overlaps greater than 1 µm does not mean that there is insignificant contact current flow over distances greater than 1 µm for larger contact overlaps. This paradoxical result is based on the strong dependence of the contact current on the voltage. On the basis of the observation that the contact current density between x = 0 and x = d is almost uniform with a small overlap, a closed form expression for the channel current with a small overlap can be obtained. In this approximation, J = J (V (0)) and I D = J (V (0) Wd) . These two equations and equation 2 are solved for V (0) = V SC and I D for certain approximations of J. If J = α V n , with n = 2 or 4, then it holds where: V (0) = (((1-4 µ ( V T - V G )) ½ - 1) / 2 µ n = 4 (12) or V (0) = V G - V T ) / (µ + 1) n = 2 (13) and µ² = (Ld α ) / (c µ e ) (14) In equation 14, α from Fig. 9 can be estimated as a function of the contact current density. The dashed curves in Fig. 12 are this approximation with n = 2 and α = 0.2 A / cm² / Volt². This approximation is good enough to be useful. It fails with a small overlap because J is better represented by n = 3 in this area. This approximation can be used to estimate the slope of I D overlap d . Using this slope from equations 11 and 3 with n = 2, a critical contact overlap d cc = I C 0 / (∂ I D / δ d) is determined, where I D 0 is the drain current for a zero contact voltage drop. An important conclusion is the fact that d cc is related to the FET geometry by the following approximation: For overlap distances that are much larger than d cc , the saturation channel current becomes independent of the contact overlap. This approximation shows the significant dependencies of the minimum contact overlap distance on the device and material parameters. If this formula is used, it should be checked whether the work area remains in the area where J can be approximated as a quadratic function. Although the above explanation shows a method for experimentally determining α , it can also be shown that α is related to the thickness and trapping density of the undoped or lightly doped silicon layer, as follows: where N e is the replacement density of conduction band additives and N t is the density of band gap middle states. ε is the relative dielectric constant, which is approximately 12.8 for silicon. ε ₀ is the dielectric constant of free space. The difference E c - E fn is the distance of the quasi-Fermi levels from the conduction band edge. A good approximation is E fn = E f , where E f is the Fermi level. As indicated above, µ e is the electron mobility in amorphous silicon. For amorphous silicon, and most semiconductors N e is about 10²¹ # / cm³. For good amorphous silicon, N t is typically between about 10¹⁵ and 10¹⁷ # / cm³ / electron volt. It can generally be seen that α is a material-dependent property. α is between about 0.1 and 1 A / cm² / Volt² for undoped amorphous silicon and is much larger for weakly doped amorphous silicon. α can also be increased by reducing the density of bandgap center states N. In the invention, the doping increases the value of α by a factor of about 50, so that α is between about 5 and 50 A / cm² / Volt². The particular invention described here relates to weakly doping the silicon layer with an n-type dopant, such as P or Sb. This is achieved by mixing gases containing n-dopant, such as PH₃, with the SiH₄ used, to deposit the amorphous silicon or by ion implantation of the n-type dopant atoms into the silicon. In the latter case, masking is used to restrict the dopants to the contact areas and thereby eliminate the somewhat adverse effects of the dopants on the channel region of the FET. The doping of the amorphous silicon leads to a considerable increase in α (cf. equation 16) and therefore drastically reduces the critical contact overlap distance d cc (cf. equation 15). This allows a significant reduction in the contact overlap distance d and thereby a reduction in the source-gate capacitance. For example, phosphorus doping is used to achieve a conductivity of about 2 × 10-5 Siemens / cm in the amorphous silicon at room temperature. Note, however, that α is inversely proportional to N t , so better amorphous silicon material with a lower density of band gap states has a smaller α and therefore a smaller d cc . It should also be noted that when the material is doped with phosphorus or other N-type dopant, the difference E c - E f is reduced. For a 0.1 electron volt change in E c - E f a rises at room temperature on the 47fache. The solid curves in Figures 7 and 14 are simulations of drain current versus drain voltage using the exact model (Equation 10). Substantially equivalent results are obtained by calculating the drain current overlap using the exact model at a given bias (e.g., see FIG. 12) and using this current to select an effective overlap d c , which is adapted to the approximate model (equations 3 and 7). In Fig. 7, note the significant effect of the intrinsic silicon layer thickness on the maximum ON current and also the contact voltage drop behavior at low drain voltages. The theoretical device with an intrinsic silicon thickness of zero has only the voltage drop due to the Mo / N⁺ interface. The ideal contact curve does not include a voltage drop across the contacts. FIGS. 7 and 14 also show some experimental data for FETs with different intrinsic silicon thickness and different dopings. L = 7 µm and W = 200 µm apply to all devices. Curves (a) and (d) apply to 300 nm thick intrinsic silicon, (b) to 200 nm thick intrinsic silicon and (c) to 200 nm thick, weakly doped with phosphorus with a conductivity at room temperature of 2 × 10-5 Siemens / cm. The contact overlap for these devices is between 1 and 1.5 µm, except for curve (d) where it is 5 µm. Curve (d) is the same device structure as curve (a), except that the contact overlap is 5 µm. Note the small increase in the ON current for the increase in contact overlap by this factor 5. The device with a weakly N-doped active silicon layer, curve (c), behaves like a device through the Mo / N⁺ contact and is not limited by conduction limited conduction. This can be explained with the theory of space charge limited currents due to a change in the ratio of free to trapped electrons, since in the V ² area the space charge limited current should be proportional to exp [- (E C - E f ) / kT ] (cf. Equation 16). The substantial increase in current and the reduction in contact voltage drop behavior at low drain voltages confirms the expected reduction in α when the silicon layer is weakly n-doped. Of course, the weak doping of the channel tends to increase the OFF currents. Because of the small amount of dopant introduced in the above experiment, however, OFF currents at V G = -5 volts of less than 10-10 amps have been achieved. The theory and data in Figure 7 show that there is a significant loss in device performance with intrinsic silicon layers thicker than 300 nanometers. Figure 15 summarizes this conclusion. It shows exact model calculations based on equation 10 and the contact voltage drop data of the drain current shown in FIG. 9 at V G = 8 V and V D = 10 V over the silicon thickness for two source-gate overlaps. Note the rather small effect of 1 µm versus 5 µm overlap. The drain current decreases rapidly below 1 µm. These results depend on the quality (bandgap center capture density) and the Fermi level of the silicon layer in the channel. Reducing the bandgap center capture density reduces the contact voltage drop. Changes in the Fermi level of the intrinsic silicon layer have an even greater impact. The critical thickness for the deterioration of the performance of the device thus depends on various treatment processes. The answer to the question of whether weak N-type doping is useful depends critically on the OFF current requirements for the particular use. In sum, it can be seen that there is a critical relationship between the channel length L , the source-gate overlap d , the silicon thickness t and α . In particular, it can be seen that the efforts to reduce the source-gate overlap to reduce the parasitic capacitance C SG are critically limited by the fact that this procedure causes a voltage drop on the contacts. According to the invention, however, a maximum silicon thickness and minimum overlap distances are provided in the geometry of the device together with an α- Si doping to control a in order to reduce this problem to an acceptable value. It should also be noted that reducing the silicon thickness to a small value can reduce the contact voltage drop. However, this has undesirable effects on device processing and threshold voltage control. Therefore, the largest possible silicon thickness is usually desirable.

Claims (7)

1. Dünnfilmfeldeffekttransistor mit amorphem Silicium, insbesondere zur Verwendung in Flüssigkeitskristallanzeigevorrichtungen, gekennzeichnet durch:
ein isolierendes Substrat (20);
eine Gateelektrode (22), die auf dem isolierenden Substrat (20) angeordnet ist;
eine Isolierschicht (24), die über der Gatelektrode (22) angeordnet ist;
eine amorphe Siliciumschicht (26), die über der Isolierschicht (24) angeordnet ist und eine Dicke t besitzt;
eine Drainelektrode (30), die auf der amorphen Siliciumschicht (26) so angeordnet ist, daß sie der Gateelektrode (22) teilweise überlagert ist;
eine Sourceelektrode (35), die auf der amorphen Siliciumschicht (26) so angeordnet ist, daß sie ein Kanalgebiet der Länge L in der amorphen Siliciumschicht festlegt, wobei sich das Kanalgebiet in der amorphen Siliciumschicht zwischen der Sourceelektrode (35) und der Drainelektrode (30) erstreckt und wobei die Sourceelektrode der Gateelektrode um eine Strecke d überlagert ist;
wobei die Strecke d ungefähr durch cµ e /(2L α) gegeben ist, wobei c die Gatekapazität pro Flächeneinheit, µ e die effektive Elektronenbeweglichkeit in der amorphen Siliciumschicht (26) ist und α zwischen etwa 5 Ampère/cm²/Volt² und 50 Ampère/cm²/Volt² beträgt.
1. Thin film field effect transistor with amorphous silicon, in particular for use in liquid crystal display devices, characterized by :
an insulating substrate ( 20 );
a gate electrode ( 22 ) disposed on the insulating substrate ( 20 );
an insulating layer ( 24 ) disposed over the gate electrode ( 22 );
an amorphous silicon layer ( 26 ) disposed over the insulating layer ( 24 ) and having a thickness t ;
a drain electrode ( 30 ) disposed on the amorphous silicon layer ( 26 ) so that it is partially superimposed on the gate electrode ( 22 );
a source electrode ( 35 ) disposed on the amorphous silicon layer ( 26 ) so as to define a channel region of length L in the amorphous silicon layer, the channel region in the amorphous silicon layer being between the source electrode ( 35 ) and the drain electrode ( 30 ) extends and the source electrode is superimposed on the gate electrode by a distance d ;
where the distance d is approximately given by c µ e / (2 L α ), where c is the gate capacity per unit area, µ e is the effective electron mobility in the amorphous silicon layer ( 26 ) and α is between about 5 amperes / cm² / volt² and 50 Ampere / cm² / volt².
2. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke t kleiner als etwa 300 nm ist.2. Transistor according to claim 1, characterized in that the thickness t is less than about 300 nm. 3. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke t ungefähr 150 nm beträgt.3. Transistor according to claim 1, characterized in that the thickness t is approximately 150 nm. 4. Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß µ e zwischen etwa 0,5 cm²/Volt und 0,8 cm²/Volt beträgt.4. Transistor according to one of claims 1 to 3, characterized in that µ e is between about 0.5 cm² / volt and 0.8 cm² / volt. 5. Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß c etwa 4 × 10-8 Farad/cm² beträgt.5. Transistor according to one of claims 1 to 4, characterized in that c is about 4 × 10 -8 farads / cm². 6. Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlappungsstrecke d kleiner als etwa 1 µm ist.6. Transistor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the overlap distance d is less than about 1 micron. 7. Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die amorphe Siliciumschicht phosphordotiert ist, um bei Raumtemperatur eine Leitfähigkeit von etwa 2 × 10-5 Siemens/cm zu erzielen.7. Transistor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the amorphous silicon layer is phosphorus-doped in order to achieve a conductivity of about 2 × 10 -5 Siemens / cm at room temperature.
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Proc. of the SID, Vol. 26/3, 1985, pp 183-189 *

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