JP2007109868A - 薄膜トランジスタ及び有機エレクトロルミネッセンス表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】外光による光電流の発生を抑制するとともに、薄膜トランジスタの特性（例えば、閾値）の変動を小さくする。
【解決手段】絶縁基板１にアモルファスシリコンをレーザーアニールにより多結晶化してなる能動層２（半導体層）が形成され、この能動層２の中に、互いに対向してドレイン領域２ｄとソース領域２ｓが形成されている。ドレイン領域２ｄとソース領域２ｓは、それぞれｎ−層とｎ＋層とが隣接して形成されている構造を有している。ドレイン領域２ｄのｎ−層とソース領域２ｓのｎ−層の間にｐ型のチャネル領域２ｃが形成されている。ドレイン領域２ｄのｎ−層とチャネル領域２ｃの境界領域のみを覆って形成され、絶縁基板１を通して境界領域に入射する外光を遮光するための遮光層３ｄが形成されている。
【選択図】 図１
【解決手段】絶縁基板１にアモルファスシリコンをレーザーアニールにより多結晶化してなる能動層２（半導体層）が形成され、この能動層２の中に、互いに対向してドレイン領域２ｄとソース領域２ｓが形成されている。ドレイン領域２ｄとソース領域２ｓは、それぞれｎ−層とｎ＋層とが隣接して形成されている構造を有している。ドレイン領域２ｄのｎ−層とソース領域２ｓのｎ−層の間にｐ型のチャネル領域２ｃが形成されている。ドレイン領域２ｄのｎ−層とチャネル領域２ｃの境界領域のみを覆って形成され、絶縁基板１を通して境界領域に入射する外光を遮光するための遮光層３ｄが形成されている。
【選択図】 図１
Description
本発明は、薄膜トランジスタ及び有機エレクトロルミネッセンス表示装置に関する。
近年、ＣＲＴやＬＣＤに代わる表示装置として、自発光素子である有機エレクトロルミネッセンス素子（以下、「有機ＥＬ素子」と略称する）を用いた有機ＥＬ表示装置が開発されている。特に、ビデオ信号に応じて有機ＥＬ素子を駆動する駆動トランジスタを画素毎に備えたアクティブマトリクス型の有機ＥＬ表示装置が開発されている。
この駆動トランジスタは、ガラス基板上に形成された薄膜トランジスタからなる。このため、このガラス基板を通して有機ＥＬ素子からの光が放射されるボトムエミッション型の有機ＥＬ表示装置では、ガラス基板を通して外光が薄膜トランジスタの能動層に入射する。すると、この外光が能動層内でキャリアを励起して、ソースドレイン間に光電流（リーク電流）が流れ、表示コントラストが劣化するという問題があった。
そこで、特許文献１に記載されているように、薄膜トランジスタの能動層へ入射する外光を遮光する遮光層を設けることで、光電流の生成を抑止するようにした技術が知られている。
特開２００４−１３４３５６号公報
しかしながら、従来の薄膜トランジスタでは、遮光層の電位が薄膜トランジスタの特性（例えば、閾値電圧）に大きな影響を及ぼす。そこで、遮光層の電位を固定することが考えられるが、そのようにしても、トランジスタに付随するｐｎ接合の順方向電流やキックバック電流（ドレインからゲートへのリーク電流）の影響を受けてしまう。一方、遮光層の電位を固定しなければ、帯電により、遮光層の電位が不安定となり、トランジスタ特性がさらに不安定となってしまうという問題があった。また、このような薄膜トランジスタを有機ＥＬ表示装置の駆動トランジスタとして用いると、その表示品位が劣化するという問題があった。
本発明の薄膜トランジスタは、絶縁基板上に形成された半導体層と、前記半導体層中に形成された第１導電型のソース領域及びドレイン領域と、前記ソース領域と前記ドレイン領域の間に形成されたチャネル領域と、前記ドレイン領域と前記チャネル領域の境界領域のみを覆って形成され、前記絶縁基板を通して前記境界領域に入射する外光を遮光するための遮光層と、前記半導体層を覆って形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、を備えることを特徴とするものである。
本発明は、外光の影響によって光電流が生成される主な領域は、逆バイアス状態となるドレイン領域とチャネル領域の境界領域であることに着目し、その境界領域のみを覆う遮光層を形成したものである。これにより、光電流の発生が抑止されるとともに、薄膜トランジスタの特性（例えば、閾値）の変動を小さくすることができる。
また、本発明の有機エレクトロルミネッセンス表示装置は、絶縁基板上に形成され、前記絶縁基板を通して光を放射する有機エレクトロルミネッセンス素子と、前記有機エレクトロルミネッセンス素子を駆動する薄膜トランジスタとを備え、前記薄膜トランジスタは、前記絶縁基板上に形成された半導体層と、前記半導体層中に形成された第１導電型のソース領域及びドレイン領域と、前記ソース領域と前記ドレイン領域の間に形成されたチャネル領域と、前記ドレイン領域と前記チャネル領域の境界領域のみを覆って形成され、前記絶縁基板を通して前記境界領域に入射する外光を遮光するための遮光層と、前記半導体層を覆って形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを備えることを特徴とするものである。
本発明の薄膜トランジスタによれば、外光による光電流の発生を抑止することができるとともに、薄膜トランジスタの特性（例えば、閾値）の変動を小さくすることができる。特に、キックバック電流を抑止することができるとともに、順方向電流についても抑止することができる。
また、本発明のエレクトロルミネッセンス表示装置によれば、上記薄膜トランジスタで有機エレクトロルミネッセンス素子を駆動しているので、その表示コントラストを向上することができる。
次に、本発明の第１の実施形態に係る薄膜トランジスタについて図面を参照して説明する。図１は第１の実施形態に係る薄膜トランジスタの断面図である。石英ガラス、無アルカリガラス等からなる絶縁基板１にアモルファスシリコンをレーザーアニールにより多結晶化してなる能動層２（半導体層）が形成され、この能動層２の中に、互いに対向してドレイン領域２ｄとソース領域２ｓが形成されている。ドレイン領域２ｄとソース領域２ｓはいわゆるＬＤＤ（Lightly doped drain）構造を有しており、即ち、それぞれｎ−層とｎ＋層とが隣接して形成されている構造を有している。ドレイン領域２ｄのｎ−層とソース領域２ｓのｎ−層の間にｐ型のチャネル領域２ｃが形成されている。
そして、ドレイン領域２ｄのｎ−層とチャネル領域２ｃの境界領域のみを覆って形成され、絶縁基板１を通して境界領域に入射する外光を遮光するための遮光層３ｄが形成されている。遮光層３ｄは絶縁基板１と能動層２の間に挟まれて形成されており、クロムやモリブデンのような金属からなる。また、遮光層３ｄは絶縁基板１上のバッファ絶縁膜２１上に形成され、さらに遮光層３ｄと能動層２の間には絶縁膜２２が挟まれている。また、能動層２を覆ってＳｉＯ２等の絶縁物からなるゲート絶縁膜４が形成され、この絶縁膜上にクロムやモリブデン等からなるゲート電極５が形成されている。
図２は本実施形態の薄膜トランジスタと対比される薄膜トランジスタの断面図である。図１の本実施形態の薄膜トランジスタの遮光層３ｄがドレイン領域２ｄとチャネル領域２ｃの境界領域のみを覆うように形成されているのに対して、図２の薄膜トランジスタの遮光層３ａは能動層２を実質的に全面遮光するように形成されている。以下では、第１の実施形態の薄膜トランジスタを「ドレイン遮光」の薄膜トランジスタ、これと対比される図２の薄膜トランジスタを「全面遮光」の薄膜トランジスタと称することにする。
図４は、上述の２つの薄膜トランジスタのドレイン電流対ゲート電圧特性を対比した図であり、図４（Ａ）はドレイン遮光の薄膜トランジスタの特性、図４（Ｂ）は全面遮光の薄膜トランジスタの特性を示している。図４において、Ｉｄ（Ａ）はドレイン電流、Ｖｇ（Ｖ）はゲート電圧、ＶＢＳは遮光層３ｄ，３ａとソース領域２ｓの間にかかる電圧である。ＶＢＳは−１０Ｖ〜１０Ｖの間で変化させている。ＶＢＳが負のときはドレイン領域２ｄ又はソース領域２ｓのｎ−層とｐ型のチャネル領域２ｃのｐｎ接合が逆バイアスされ、ＶＢＳが正のときは前記ｐｎ接合は順バイアスされることになる。
図４（Ｂ）から明らかなように、全面遮光の薄膜トランジスタのドレイン電流対ゲート電圧曲線はＶＢＳが負方向に変化すると右に大きくシフトし、正方向に変化すると左に大きくシフトする。ＶＢＳが正の領域では、ｐｎ接合が順バイアスされるために順方向電流が流れる。即ち、ＶＢＳによって閾値が±に大きく振れてしまう。また、ＶＢＳ＜−８Ｖの領域では、トランジスタがオフの領域（Ｖｇ（Ｖ）＜０Ｖ）でキックバック電流が流れてしまう。
これに対して、ドレイン遮光の薄膜トランジスタは、図４（Ａ）から明らかなように、ドレイン電流対ゲート電圧曲線のＶＢＳの変化によるシフトは非常に小さい。また、ＶＢＳが負方向に変化すると閾値は若干大きくなるが、キックバック電流は流れない。ＶＢＳが負方向に変化しても閾値は殆ど変化せず、順方向電流も流れない。
このように、全面遮光の薄膜トランジスタの特性は遮光層３ａの電位が変化すると大きく変動してしまうのに対して、本発明のドレイン遮光の薄膜トランジスタでは、遮光層３ｄの電位が変化してもその特性変動が抑えられる。
また、外光の影響によって光電流が生成される主な領域は、トランジスタの使用上、ｐｎ接合が逆バイアス状態となるドレイン領域２ｄとチャネル領域２ｃの境界領域であることから、この領域のみを覆う遮光層３ｄによって光電流の発生を十分抑止することができる。また、遮光層３ｄの電位は一定電位、例えば接地電位Ｖｓｓに固定しておくことが、ＶＢＳの変化をできるだけ抑え、トランジスタの特性変動を抑える上で好ましい。
本実施形態において、薄膜トランジスタのバイアス状態として、ドレイン領域２ｄに付随するｐｎ接合が逆バイアスされ、ソース領域２ｓに付随したｐｎ接合は逆バイアスされないことを前提としている。したがって、その逆のバイアス状態も生じる場合、即ち、ソース領域２ｓに付随するｐｎ接合が逆バイアスされる場合にはそこで光電流が生じてしまうため、ドレイン遮光では、光電流の抑制効果は得られない。
そこで、第２の実施形態の薄膜トランジスタでは、図３に示すように、ドレイン領域側の遮光層３ｄ（第１の遮光層）に加えて、ソース領域２ｓの側にも、同様に、ソース領域２ｓとチャネル領域２ｃの境界領域のみを覆う遮光層３ｓ（第２の遮光層）を設けた。この遮光層３ｓと能動層２の間にも絶縁膜２２が挟まれている。
この薄膜トランジスタによれば、ドレイン領域２ｄに付随するｐｎ接合が逆バイアスされる場合と、ソース領域２ｓに付随したｐｎ接合は逆バイアスされる場合の両方について、光電流の発生を抑止する効果を奏する。また、全面遮光していないので、遮光層３ｄ、遮光層３ｓの電位の変化に対する特性変動もある程度抑えられる。
上述の第１及び第２の実施形態は、Ｎチャネル型の薄膜トランジスタに関するものであるが、Ｐチャネル型の薄膜トランジスタについても同様の遮光層を形成することにより、トランジスタの特性変動を抑止することができる。即ち、図５に示すように、ドレイン遮光の薄膜トランジスタ（図５（Ａ）の方が、全面遮光の薄膜トランジスタ（図５（Ｂ））に比して、ＶＢＳによるドレイン電流対ゲート電圧特性カーブのシフト量が小さく抑えられている。
次に、本発明の薄膜トランジスタを用いた有機ＥＬ表示装置について説明する。図６は、ボトムエミッション型の有機ＥＬ表示装置の画素の断面図である。第１の実施形態のドレイン遮光の薄膜トランジスタが有機ＥＬ素子２０の駆動トランジスタＴ２として用いられている。以下、この有機ＥＬ表示装置の画素の構造について詳しく説明する。
絶縁基板１上にドレイン遮光の駆動トランジスタＴ２が形成され、これを覆ってＳｉＯ2膜、ＳｉＮ膜及びＳｉＯ2膜の順に積層された層間絶縁膜６が形成されている。ソース領域２ｄに対応して設けたコンタクトホールにＡｌ等の金属を充填して駆動電源電位ＰＶｄｄに接続された駆動電源線７が配置されている。更に全面に例えば有機樹脂から成り表面を平坦にする平坦化絶縁膜８が形成されている。
また、平坦化絶縁膜８にソース領域２ｓに対応した位置にコンタクトホールが形成され、このコンタクトホールを介してソース領域２ｓとコンタクトしたＩＴＯ（Indium Tin Oxide）又は、ＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）から成る透明電極、即ち有機ＥＬ素子２０のアノード層９が平坦化絶縁膜８上に形成されている。このアノード層９は各画素ごとに島状に分離形成されている。
有機ＥＬ素子２０は、前記アノード層９、ＭＹＤＡＴＡ（4,4-bis(3-methylphenylphenylamino)biphenyl）から成る第１ホール輸送層、ＴＰＤ（4,4,4-tris(3-methylphenylphenylamino)triphenylanine）からなる第２ホール輸送層から成るホール輸送層１０、キナクリドン（Quinacridone）誘導体を含むＢｅｂｑ2（10-ベンゾ〔ｈ〕キノリノール−ベリリウム錯体）から成る発光層１１、及びＢｅｂｑ2から成る電子輸送層１２、マグネシウム・インジウム合金もしくはアルミニウム、もしくはアルミニウム合金から成るカソード層１３が、この順番で積層形成された構造である。
カソード層１３は、発光層１１を被覆し、画素領域全体に延在している。有機ＥＬ素子２０は、アノード層９から注入されたホールと、カソード層１３から注入された電子とが発光層１１の内部で再結合し、発光層１１を形成する有機分子を励起して励起子が生じる。この励起子が放射失活する過程で発光層１１から光が放たれ、この光が透明なアノード層９から透明、あるいは半透明の絶縁基板１を透過して外部へ放射されて発光する。
上述の有機ＥＬ表示装置によれば、薄膜トランジスタのドレイン領域に遮光層３ｄが設けられているので、外光による光電流（オフリーク電流）の発生を抑止して、表示コントラストを向上することができるとともに、薄膜トランジスタの特性変動（例えば、閾値の変動）を小さくすることができる。
図７は、この有機ＥＬ表示装置の一画素の回路図である。この回路では、駆動トランジスタＴ２に加え、画素選択トランジスタＴ１が示されている。画素選択トランジスタＴ１は、ゲートラインＧＬのゲート信号に応じてオンし、ビデオ信号Ｖｓｉｇを駆動トランジスタＴ１のゲートに伝達する。Ｃｓはビデオ信号Ｖｓｉｇを保持するための保持容量である。この例では、画素選択トランジスタＴ１はＮチャネル型、駆動トランジスタＴ２はＰチャネル型である。
１０万ルクスほどの外光が当たると、画素選択トランジスタＴ１にも光電流（オフリーク電流）が発生し、駆動トランジスタＴ２のゲートに保持された電荷が漏れてしまう。このため、画素の縦方向干渉、即ちクロストークによる表示不良が発生する。そのため、画素選択トランジスタＴ１についても遮光層を設ける必要がある。画素選択トランジスタＴ１では、ドレインｄに付随するｐｎ接合が逆バイアスされる場合と、ソースｓに付随したｐｎ接合は逆バイアスされる場合の両方が生じるので、ドレインｄとソースｓの一方のみを遮光したのでは外光の遮光効果が得られない。そこで、図７の回路では、全面遮光の遮光層３ａを設けている。全面遮光では、上述のように閾値の変動が大きくなるが、ゲート信号のハイレベルの電圧が閾値に対して相当高い場合には、その変動の影響は小さい。
また、図８のように、第２の実施形態に従って、ドレイン遮光の遮光層３ｄとソース遮光の遮光層３ｓ（図３参照）を設けてもよい。図８の回路では、駆動トランジスタＴ２に全面遮光の遮光層３ａが設けられている。この場合にも、駆動トランジスタＴ２の閾値の変動は大きくなるが、ビデオ信号Ｖｓｉｇのハイレベルの電圧が閾値に対して相当高い場合にはその変動の影響は小さい。
最も好ましい回路としては、図９に示すように、駆動トランジスタＴ２については、ドレイン遮光の遮光層３ｄを設け、画素選択トランジスタＴ１については、ドレイン遮光の遮光層３ｄとソース遮光の遮光層３ｓ（図３参照）を設けることである。これにより、駆動トランジスタＴ２と画素選択トランジスタＴ１の両方について、外光による光電流（オフリーク電流）の発生を抑止して、表示コントラストを向上することができるとともに、ゲート信号やビデオ信号Ｖｓｉｇのレベルに関わらず、トランジスタの特性変動（例えば、閾値の変動）を小さくすることができるという効果が得られる。
１ 絶縁基板 ２ 能動層 ２ｄ ドレイン領域 ２ｓ ソース領域
２ｃ チャネル領域 ３ｄ，３ｓ 遮光層 ４ ゲート絶縁膜
５ ゲート電極 ６ 層間絶縁膜 ７ 駆動電源線
８ 平坦化絶縁膜 ９ アノード層 １０ ホール輸送層
１１ 発光層 １２ 電子輸送層 １３カソード層１３
２０ 有機ＥＬ素子 ２１ バッファ絶縁膜 ２２ 絶縁膜
２ｃ チャネル領域 ３ｄ，３ｓ 遮光層 ４ ゲート絶縁膜
５ ゲート電極 ６ 層間絶縁膜 ７ 駆動電源線
８ 平坦化絶縁膜 ９ アノード層 １０ ホール輸送層
１１ 発光層 １２ 電子輸送層 １３カソード層１３
２０ 有機ＥＬ素子 ２１ バッファ絶縁膜 ２２ 絶縁膜
Claims (11)
- 絶縁基板上に形成された半導体層と、前記半導体層中に形成された第１導電型のソース領域及びドレイン領域と、前記ソース領域と前記ドレイン領域の間に形成されたチャネル領域と、前記ドレイン領域と前記チャネル領域の境界領域のみを覆って形成され、前記絶縁基板を通して前記境界領域に入射する外光を遮光するための遮光層と、前記半導体層を覆って形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、を備えることを特徴とする薄膜トランジスタ。
- 前記遮光層は前記絶縁基板と前記半導体層との間に形成され、且つ前記遮光層と前記半導体層の間に絶縁膜が挟まれていることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
- 前記遮光層が一定電位に固定されていることを特徴とする請求項１に又は請求項２に記載の薄膜トランジスタ。
- 前記ドレイン層は低濃度領域と高濃度領域からなり、前記遮光層は低濃度領域と前記チャネル領域の境界領域を覆っていること特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
- 前記遮光層はクロム又はモリブデンからなることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
- 絶縁基板上に形成された半導体層と、前記半導体層中に形成された第１導電型のソース領域及びドレイン領域と、前記ソース領域と前記ドレイン領域の間に形成されたチャネル領域と、前記ドレイン領域と前記チャネル領域の境界領域のみを覆って形成され、前記絶縁基板を通して前記境界領域に入射する外光を遮光するための第１の遮光層と、前記ソース領域と前記チャネル領域の境界領域のみを覆って形成され、前記絶縁基板を通して前記境界領域に入射する外光を遮光するための第２の遮光層と、前記半導体層を覆って形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、を備えることを特徴とする薄膜トランジスタ。
- 前記第１及び第２の遮光層は前記絶縁基板と前記半導体層との間に形成され、且つ前記第１及び第２の遮光層と前記半導体層の間に絶縁膜が挟まれていることを特徴とする請求項５に記載の薄膜トランジスタ。
- 前記第１及び第２の遮光層が一定電位に固定されていることを特徴とする請求項５に又は請求項６に記載の薄膜トランジスタ。
- 前記第１の遮光層及び前記第２の遮光層はクロム又はモリブデンからなることを特徴とする請求項６に記載の薄膜トランジスタ。
- 絶縁基板上に形成され、前記絶縁基板を通して光を放射する有機エレクトロルミネッセンス素子と、前記有機エレクトロルミネッセンス素子を駆動する駆動トランジスタとを備え、
前記駆動トランジスタは、前記絶縁基板上に形成された半導体層と、前記半導体層中に形成された第１導電型のソース領域及びドレイン領域と、前記ソース領域と前記ドレイン領域の間に形成されたチャネル領域と、前記ドレイン領域と前記チャネル領域の境界領域のみを覆って形成され、前記絶縁基板を通して前記境界領域に入射する外光を遮光するための遮光層と、前記半導体層を覆って形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを備えることを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス表示装置。 - 前記遮光層は前記絶縁基板と前記半導体層との間に形成され、且つ前記遮光層と前記半導体層の間に絶縁膜が挟まれていることを特徴とする請求項１０に記載の有機エレクトロルミネッセンス表示装置。
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