JP2018107440A - 薄膜トランジスタアレイ基板及び表示装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】チャネルの厚さが異なるアクティブ層を形成して、素子の特性を向上させた薄膜トランジスタアレイ基板、及びこれを含む表示装置を提供すること。【解決手段】薄膜トランジスタアレイ基板は、基板、ゲート電極、アクティブ層、ゲート絶縁膜、ソース電極及びドレン電極を含む。ゲート電極は、基板上に位置する。アクティブ層は、ゲート電極と対向し、厚さが互いに異なる第１領域及び第２領域を有し、少なくとも半導体物質を含む。ゲート絶縁膜は、ゲート電極とアクティブ層との間に介在される。ソース電極及びドレン電極は、アクティブ層に各々接触する。【選択図】図１

Description

本発明は、薄膜トランジスタアレイ基板及びこれを含む表示装置に関する。
最近、フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ：Ｆｌａｔ Ｐａｎｅｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）は、マルチメディアの発達に伴い、その重要性が増大しつつある。これに応じて液晶表示装置（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ：ＬＣＤ）、プラズマディスプレイパネル（Ｐｌａｓｍａ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｐａｎｅｌ：ＰＤＰ）、電界放出表示装置（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ：ＦＥＤ）、有機発光表示装置（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ）などの様々なディスプレイが実用化されている。
表示装置を駆動する方式には、単純マトリックス（ｐａｓｓｉｖｅ ｍａｔｒｉｘ）方式と、薄膜トランジスタ（ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を利用したアクティブマトリックス（ａｃｔｉｖｅ ｍａｔｒｉｘ）方式とがある。単純マトリックス方式は、陽極と陰極とが直交するように形成されてラインを選択して駆動するのに対して、アクティブマトリックス方式は、薄膜トランジスタを各画素電極に接続してオン／オフをスイッチングすることによって駆動する方式である。
薄膜トランジスタは、電子移動度、漏れ電流などのような基本的な薄膜トランジスタの特性だけでなく、長い寿命を維持できる耐久性及び電気的信頼性が極めて重要である。ここで、薄膜トランジスタのアクティブ層は、主に非晶質シリコン、多結晶シリコンまたは酸化物半導体で形成できる。しかしながら、非晶質シリコンは、成膜工程が簡単で生産費用が少ないという長所があるが、電子移動度が０．５ｃｍ２／Ｖｓで低いという短所がある。酸化物半導体は、オン／オフ比が約１０８程度で漏れ電流が低いが、電子移動度が１０ｃｍ２／Ｖｓで多結晶シリコンに対して低いという短所がある。多結晶シリコンは、１００ｃｍ２／Ｖｓ程度で電子移動度が高いが、酸化物半導体に対してオン／オフ比が低く、大面積に適用するには、費用が高いという短所がある。したがって、薄膜トランジスタの電子移動度、漏れ電流、オン／オフ比などの特性を向上させるための研究が続いている。
本発明は、チャネルの厚さが異なるアクティブ層を形成して素子の特性を向上させることができる、薄膜トランジスタアレイ基板及びこれを含む表示装置を提供する。
上記の目的を達成すべく、本発明の一実施例にかかる薄膜トランジスタアレイ基板は、基板、ゲート電極、アクティブ層、ゲート絶縁膜、ソース電極及びドレン電極を含む。ゲート電極は、基板上に位置する。アクティブ層は、ゲート電極と対向し、厚さが互いに異なる第１領域及び第２領域を有し、少なくとも半導体物質を含む。ゲート絶縁膜は、ゲート電極とアクティブ層との間に介在される。ソース電極及びドレン電極は、アクティブ層に各々接触する。
第１領域の厚さは、第２領域の厚さより薄い。
アクティブ層はチャネル領域を含み、第１領域及び第２領域はチャネル領域と完全に重なる。
第１領域は、ソース電極またはドレン電極のうち、いずれか一つに隣接し、第２領域は、ソース電極またはドレン電極のうち、残りの一つに隣接する。
第１領域の厚さは、３から１０ｎｍである。
第２領域の厚さは、第１領域の厚さに対して１．５から３倍である。
チャネル領域の長さに対する第２領域の長さは、５０から９０％である。
アクティブ層は多数の炭素同素体をさらに含み、炭素同素体は半導体物質内に分散されている。
炭素同素体は、１次元または２次元構造を有する。
炭素同素体は、還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）、非酸化グラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）、グラフェンナノリボンまたはカーボンナノチューブ（ｃａｒｂｏｎ ａｎｏｔｕｂｅ：ＣＮＴ）のうち、いずれか一つまたはこれらの混合物である。
半導体物質は、セラミック半導体、有機半導体、遷移金属カルコゲン化合物または酸化物半導体のうち、いずれか一つまたはこれらの混合物である。
アクティブ層において炭素同素体は、半導体物質１００重量％に対して０．００１から１重量％で含まれる。
また、本発明の一実施例にかかる表示装置は、基板、ゲート電極、アクティブ層、ゲート絶縁膜、ソース電極、ドレン電極、有機絶縁膜及び画素電極を含む。ゲート電極は、基板上に位置する。アクティブ層は、ゲート電極と対向し、厚さが互いに異なる第１領域及び第２領域を有し、少なくとも半導体物質を含む。ゲート絶縁膜は、ゲート電極とアクティブ層との間に介在される。ソース電極及びドレン電極は、アクティブ層に各々接触する。有機絶縁膜は、ソース電極及びドレン電極上に位置し、画素電極は、有機絶縁膜上に位置する。
アクティブ層は多数の炭素同素体をさらに含み、炭素同素体は半導体物質内に分散されている。
この表示装置は、画素電極に電気的に接続した有機発光ダイオード、有機発光ダイオード上に位置する封止層、及び封止層上に位置するカバーウィンドウをさらに含む。
この表示装置は、画素電極と同一平面上または下部で離隔されて位置する共通電極、及び前記共通電極上に位置する液晶層をさらに含む。
本発明によれば、アクティブ層のチャネル領域に厚さの薄い第１領域を形成して、しきい値電圧が負方向へ移動するのを防止し、厚さの厚い第２領域を形成して電子移動度を向上させることができる。したがって、チャネル領域の厚さが異なるようにアクティブ層を形成することによって、電子移動度としきい値電圧とを調節できる。
本発明の実施例にかかる薄膜トランジスタアレイ基板を示した断面図である。 本発明の実施例にかかる薄膜トランジスタアレイ基板を示した断面図である。 本発明の実施例にかかるアクティブ層を示した平面図である。 本発明の実施例にかかるアクティブ層を示した平面図である。 本発明の実施例にかかるアクティブ層を示した平面図である。 本発明の実施例にかかる薄膜トランジスタアレイ基板の多様な構造を示した断面図である。 本発明の実施例にかかる薄膜トランジスタアレイ基板の多様な構造を示した断面図である。 本発明の実施例にかかる薄膜トランジスタアレイ基板の多様な構造を示した断面図である。 本発明の一実施例にかかる液晶表示装置を示した断面図である。 本発明の一実施例にかかる有機発光表示装置を示した断面図である。 酸化物半導体物質のみにより形成されたアクティブ層のラマンスペクトル分析結果を示したグラフである。 酸化物半導体物質とカーボンナノチューブとが混合されたアクティブ層のラマンスペクトル分析結果を示したグラフである。 比較例１，２，３及び実施例によって作製された薄膜トランジスタの電流-電圧カーブを測定した結果を示したグラフである。 図１３のドレン電流にスクエアルート（ｓｑｕａｒｅ ｒｏｏｔ）の値を表すＳＱＲＴ-電圧を測定した結果を示したグラフである。
以下、本発明の一部実施例を例示的な図面により詳細に説明する。各図面の構成要素に参照符号を付するに当たって、同じ構成要素に対しては、たとえ他の図面上に表示されても、可能な限り同じ符号を付していることに留意すべきである。また、本発明の実施例を説明するに際して、関連した公知の構成又は機能に対する具体的な説明が本発明の要旨をあいまいにすると判断される場合には、その詳細な説明を省略する。
また、発明の構成要素を説明するに際して、第１、第２、Ａ、Ｂ、（ａ）、（ｂ）などの用語を使用することがある。このような用語は、その構成要素を他の構成要素と区別するためのものであり、その用語により該当構成要素の本質、順番、または順序などは限定されない。ある構成要素が他の構成要素に「連結」、「結合」、または「接続」されると記載された場合、その構成要素は、その他の構成要素に直接的に連結または接続されうるが、各構成要素の間にさらに他の構成要素が「連結」、「結合」、または「接続」されうると理解されねばならない。同じ脈絡で、ある構成要素が他の構成要素の「上」にまたは「下」に形成されると記載された場合、その構成要素は、その他の構成要素に直接またはさらに他の構成要素を介在して間接的に形成されることを全て含むと解釈されるべきである。
以下に開示する本発明にかかる表示装置は、有機発光表示装置、液晶表示装置、電気泳動表示装置などであればよい。本明細書では、主に液晶表示装置を例にして説明する。液晶表示装置は、薄膜トランジスタ上に画素電極と共通電極とが形成された薄膜トランジスタアレイ基板とカラーフィルター基板、この両基板の間に介在された液晶層により形成されるが、このような液晶表示装置では、共通電極と画素電極において垂直または水平にかかる電場により液晶を駆動する。また、本発明にかかる表示装置は、有機発光表示装置にも使用可能である。例えば、有機発光表示装置は、薄膜トランジスタに接続した第１電極、第２電極、及びこれらの間の有機物により形成される発光層を含む。したがって、第１電極からの正孔と第２電極からの電子とが発光層内で結合して正孔-電子対である励起子（ｅｘｃｉｔｏｎ）を形成し、この励起子が基底状態に帰ってきながら発生するエネルギーにより発光する。後述するアクティブ層は、上述の表示装置の薄膜トランジスタに使用することができる。
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施例を説明することにする。
本発明は、半導体物質単独または炭素同素体をさらに含む薄膜トランジスタを開示し、厚さが互いに異なる領域を含むアクティブ層が形成された薄膜トランジスタを開示する。薄膜トランジスタは、表示装置のスイッチング素子または駆動素子として使用する。
＜半導体物質＞
本発明のアクティブ層は、半導体物質を含む。この半導体物質には、セラミック半導体、有機半導体、遷移金属カルコゲン化合物または酸化物半導体溶液でコーティングが可能な材料を使用することができる。
セラミック半導体は、セラミックの電気的な性質を利用したもので、セラミックは、電子があるイオンまたは原子に束縛されているから自由に動くことができないので電気をほとんど流せないが、外部から電界が加えられると、これに反応して束縛された電子が再配列を起こして状態が変わりながら電子が動くようになる。セラミック半導体は、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレニウム（Ｓｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）などのような金属元素が酸素（Ｏ）、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）などと結合して作った酸化物、炭化物、窒化物により構成される。代表的なセラミック半導体には、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）を例に挙げることができる。
有機半導体は、半導体特性を有した有機化合物であって、高分子有機半導体または低分子有機半導体を例に挙げることができる。高分子有機半導体には、Ｆ８Ｔ２（Ｐｏｌｙ［（９，９-ｄｉｏｃｔｙｌｆｌｕｏｒｅｎｙｌ-２，７-ｄｉｙｌ）-ｃｏ-ｂｉｔｈｉｏｐｈｅｎｅ］）、ＰＢＤＴＢＯＴＰＤＯ（Ｐｏｌｙ［（５，６-ｄｉｈｙｄｒｏ-５-ｏｃｔｙｌ-４，６-ｄｉｏｘｏ-４Ｈ-ｔｈｉｅｎｏ［３，４-Ｃ］ｐｙｒｒｏｌｅ-１，３-ｄｉｙｌ）｛４，８-ｂｉｓ［（２-ｂｕｔｙｌｏｃｔｙｌ）ｏｘｙ］ｂｅｎｚｏ［１，２-ｂ：４，５-ｂ´］ｄｉｔｈｉｏｐｈｅｎｅ-２，６-ｄｉｙｌ｝］）、ＰＢＤＴ-ＴＰＤ（Ｐｏｌｙ［［５-（２-ｅｔｈｙｌｈｅｘｙｌ）-５，６-ｄｉｈｙｄｒｏ-４，６-ｄｉｏｘｏ-４Ｈ-ｔｈｉｅｎｏ［３，４-ｃ］ｐｙｒｒｏｌｅ-１，３-ｄｉｙｌ］［４，８-ｂｉｓ［（２-ｅｔｈｙｌｈｅｘｙｌ）ｏｘｙ］ｂｅｎｚｏ［１，２-ｂ：４，５-ｂ´］ｄｉｔｈｉｏｐｈｅｎｅ-２，６-ｄｉｙｌ］］）、ＰＢＤＴＴＴ-ＣＦ（Ｐｏｌｙ［１-（６-｛４，８-ｂｉｓ［（２-ｅｔｈｙｌｈｅｘｙｌ）ｏｘｙ］-６-ｍｅｔｈｙｌｂｅｎｚｏ［１，２-ｂ：４，５-ｂ´］ｄｉｔｈｉｏｐｈｅｎ-２-ｙｌ｝-３-ｆｌｕｏｒｏ-４-ｍｅｔｈｙｌｔｈｉｅｎｏ［３，４-ｂ］ｔｈｉｏｐｈｅｎ-２-ｙｌ）-１-ｏｃｔａｎｏｎｅ］）、 ＰＣＤＴＢＴ（Ｐｏｌｙ［Ｎ-９´-ｈｅｐｔａｄｅｃａｎｙｌ-２，７-ｃａｒｂａｚｏｌｅ-ａｌｔ-５，５-（４´，７´-ｄｉ-２-ｔｈｉｅｎｙｌ-２´，１´，３´-ｂｅｎｚｏｔｈｉａｄｉａｚｏｌｅ）］、Ｐｏｌｙ［［９-（１-ｏｃｔｙｌｎｏｎｙｌ）-９Ｈ-ｃａｒｂａｚｏｌｅ-２，７-ｄｉｙｌ］-２，５-ｔｈｉｏｐｈｅｎｅｄｉｙｌ-２，１，３-ｂｅｎｚｏｔｈｉａｄｉａｚｏｌｅ-４，７-ｄｉｙｌ-２，５-ｔｈｉｏｐｈｅｎｅｄｉｙｌ］）、ＰＣＰＤＴＢＴ（Ｐｏｌｙ［２，６-（４，４-ｂｉｓ-（２-ｅｔｈｙｌｈｅｘｙｌ）-４Ｈ-ｃｙｃｌｏｐｅｎｔａ［２，１-ｂ；３，４-ｂ´］ｄｉｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）-ａｌｔ-４，７（２，１，３-ｂｅｎｚｏｔｈｉａｄｉａｚｏｌｅ）］）、ＰＦＯ-ＤＢＴ（Ｐｏｌｙ［２，７-（９，９-ｄｉｏｃｔｙｌｆｌｕｏｒｅｎｅ）-ａｌｔ-４，７-ｂｉｓ（ｔｈｉｏｐｈｅｎ-２-ｙｌ）ｂｅｎｚｏ-２，１，３-ｔｈｉａｄｉａｚｏｌｅ］）、ＰＴＡＡ（Ｐｏｌｙ［ｂｉｓ（４-ｐｈｅｎｙｌ）（２，４，６-ｔｒｉｍｅｔｈｙｌｐｈｅｎｙｌ）ａｍｉｎｅ］）、Ｐｏｌｙ［（５，６-ｄｉｈｙｄｒｏ-５-ｏｃｔｙｌ-４，６-ｄｉｏｘｏ-４Ｈ-ｔｈｉｅｎｏ［３，４-ｃ］ｐｙｒｒｏｌｅ-１，３-ｄｉｙｌ）［４，８-ｂｉｓ［（２-ｅｔｈｙｌｈｅｘｙｌ）ｏｘｙ］ｂｅｎｚｏ［１，２-ｂ：４，５-ｂ´］ｄｉｔｈｉｏｐｈｅｎｅ-２，６-ｄｉｙｌ］］、Ｆ８ＢＴ（Ｐｏｌｙ［（９，９-ｄｉ-ｎ-ｏｃｔｙｌｆｌｕｏｒｅｎｙｌ-２，７-ｄｉｙｌ）-ａｌｔ-（ｂｅｎｚｏ［２，１，３］ｔｈｉａｄｉａｚｏｌ-４，８-ｄｉｙｌ）］）、Ｐ３ＤＤＴ（Ｐｏｌｙ（３-ｄｏｄｅｃｙｌｔｈｉｏｐｈｅｎｅ-２，５-ｄｉｙｌ））、Ｐ３ＨＴ（Ｐｏｌｙ（３-ｈｅｘｙｌｔｈｉｏｐｈｅｎｅ-２，５-ｄｉｙｌ））、ＭＤＭＯＰＰＶ（Ｐｏｌｙ［２-ｍｅｔｈｏｘｙ-５-（３´，７´-ｄｉｍｅｔｈｙｌｏｃｔｙｌｏｘｙ）-１，４-ｐｈｅｎｙｌｅｎｅｖｉｎｙｌｅｎｅ］）、ＭＥＨ-ＰＰＶ（Ｐｏｌｙ［２-ｍｅｔｈｏｘｙ-５-（２-ｅｔｈｙｌｈｅｘｙｌｏｘｙ）-１，４-ｐｈｅｎｙｌｅｎｅｖｉｎｙｌｅｎｅ］）、Ｐ３ＯＴ（Ｐｏｌｙ（３-ｏｃｔｙｌｔｈｉｏｐｈｅｎｅ-２，５-ｄｉｙｌ））、ＰＴＢ７（Ｐｏｌｙ（｛４，８-ｂｉｓ［（２-ｅｔｈｙｌｈｅｘｙｌ）ｏｘｙ］ｂｅｎｚｏ［１，２-ｂ：４，５-ｂ´］ｄｉｔｈｉｏｐｈｅｎｅ-２，６-ｄｉｙｌ｝｛３-ｆｌｕｏｒｏ-２-［（２-ｅｔｈｙｌｈｅｘｙｌ）ｃａｒｂｏｎｙｌ］ｔｈｉｅｎｏ［３，４-ｂ］ｔｈｉｏｐｈｅｎｅｄｉｙｌ｝））などを例に挙げることができる。
低分子有機半導体には、例えば、ＴＩＰＳ-ｐｅｎｔａｃｅｎｅ（６，１３-Ｂｉｓ（ｔｒｉｉｓｏｐｒｏｐｙｌｓｉｌｙｌｅｔｈｙｎｙｌ）ｐｅｎｔａｃｅｎｅ）、ＴＥＳＰｅｎｔａｃｅｎｅ（６，１３-Ｂｉｓ（（ｔｒｉｅｔｈｙｌｓｉｌｙｌ）ｅｔｈｙｎｙｌ）ｐｅｎｔａｃｅｎｅ）、ＤＨ-ＦＴＴＦ（５，５´-Ｂｉｓ（７-ｈｅｘｙｌ-９Ｈ-ｆｌｕｏｒｅｎ-２-ｙｌ）-２，２´-ｂｉｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）、ｄｉＦ-ＴＥＳ-ＡＤＴ（２，８-Ｄｉｆｌｕｏｒｏ-５，１１-ｂｉｓ（ｔｒｉｅｔｈｙｌｓｉｌｙｌｅｔｈｙｎｙｌ）ａｎｔｈｒａｄｉｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）、ＤＨ２Ｔ（５，５´-Ｄｉｈｅｘｙｌ-２，２´-ｂｉｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）、ＤＨ４Ｔ（３，３´´´-Ｄｉｈｅｘｙｌ-２，２´：５´，２´´：５´´，２´´´-ｑｕａｔｅｒｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）、ＤＨ６Ｔ（５，５´´´´´-Ｄｉｈｅｘｙｌ-２，２´：５´，２´´：５´´，２´´´：５´´´，２´´´´：５´´´´，２´´´´´-ｓｅｘｉｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）、ＤＴＳ（ＰＴＴｈ２）２（４，４´-［４，４-Ｂｉｓ（２-ｅｔｈｙｌｈｅｘｙｌ）-４Ｈ-ｓｉｌｏｌｏ［３，２-ｂ：４，５-ｂ´］ｄｉｔｈｉｏｐｈｅｎｅ-２，６-ｄｉｙｌ］ｂｉｓ［７-（５´-ｈｅｘｙｌ-［２，２´-ｂｉｔｈｉｏｐｈｅｎ］-５-ｙｌ）-［１，２，５］ｔｈｉａｄｉａｚｏｌｏ［３，４-ｃ］ｐｙｒｉｄｉｎｅ］、５，５´-Ｂｉｓ｛［４-（７-ｈｅｘｙｌｔｈｉｏｐｈｅｎ-２-ｙｌ）ｔｈｉｏｐｈｅｎ-２-ｙｌ］-［１，２，５］ｔｈｉａｄｉａｚｏｌｏ［３，４-ｃ］ｐｙｒｉｄｉｎｅ｝-３，３´-ｄｉ-２-ｅｔｈｙｌｈｅｘｙｌｓｉｌｙｌｅｎｅ-２，２´-ｂｉｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）、ＳＭＤＰＰＥＨ（２，５-Ｄｉ-（２-ｅｔｈｙｌｈｅｘｙｌ）-３、６-ｂｉｓ-（５´´-ｎ-ｈｅｘｙｌ-［２，２´，５´，２´´］ｔｅｒｔｈｉｏｐｈｅｎ-５-ｙｌ）-ｐｙｒｒｏｌｏ［３，４-ｃ］ｐｙｒｒｏｌｅ-１，４-ｄｉｏｎｅ）、ＴＥＳ-ＡＤＴ（５，１１-Ｂｉｓ（ｔｒｉｅｔｈｙｌｓｉｌｙｌｅｔｈｙｎｙｌ）ａｎｔｈｒａｄｉｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）などを例に挙げることができる。
前述の有機半導体は、高分子有機半導体と低分子有機半導体のうち、二種類以上を使用するか、または互いに異なる高分子有機半導体を使用しても良く、互いに異なる低分子有機半導体を使用しても良い。
遷移金属カルコゲン化合物（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｍｅｔａｌ ｄｉｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅｓ）は、半導体特性を有した材料として、例えば遷移金属硫化物、遷移金属セレン化物、遷移金属テルル化物などである。遷移金属カルコゲン化合物には、例えば、ＳｎＳｅ２、ＣｄＳｅ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＭｏＳ２、ＭｏＳｅ２、ＭｏＴｅ２、ＷＳ２、ＷＳｅ２、ＷＴｅ２などを使用することができる。
酸化物半導体（Ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉ-ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）は、半導体特性を有した材料としてガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、錫（Ｓｎ）、シリコン（Ｓｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）などの金属を含む酸化物でありうる。酸化物半導体の例として、ＩＧＺＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＩＺＯ、ＩＧＯなどを使用することができるが、これらに限定されずに公知の材料を使用することができる。
＜炭素同素体＞
アクティブ層は、前述の半導体物質に分散された炭素同素体をさらに含む。
本明細書において開示する炭素同素体は、互いに共有結合した炭素原子の多環芳香族分子を示す。共有結合された炭素原子は、繰り返される単位として６個の構成要素からなる環を形成でき、また５個の構成要素からなる環及び７個の構成要素からなる環のうちの一つ以上を含むこともできる。炭素同素体は、単一層でありえ、または炭素同素体の他の層上に積層された多数の炭素同素体層を含むこともできる。炭素同素体は、１次元または２次元構造を有する。炭素同素体は、約１０ｎｍの最大厚さを有し、具体的に約１ｎｍから約９ｎｍ、さらに具体的には、約２ｎｍから約８ｎｍの厚さを有する。
炭素同素体の作製方法は、物理的剥離法、化学気相蒸着法、化学的剥離法またはエピタキシャル合成法の大きく４種類がある。物理的剥離法は、グラファイト試料にスコッチテープを付けた後、これをはがして、スコッチテープの表面にグラファイトから落ちた炭素同素体シートを得る方式である。化学気相蒸着法は、炭素同素体を成長させようとする基板の表面に高い運動エネルギーを有した気体または蒸気形態の炭素前駆体を吸着-分解させて炭素原子に分離させ、この炭素原子が互いに原子間結合をなすようにして、結晶質の炭素同素体を成長させる方式である。化学的剥離法は、黒鉛の酸化-還元特性を利用したもので、黒鉛を硫酸と窒酸混合物に入れて、炭素同素体板のエッジにカルボキシル化合物を付ける。塩化チオニルにより酸塩化物に変わり、再度オクタデシルアミンを用いて炭素同素体アミドを作る。これをテトラヒドロフランのような溶液を利用して環収すると、粉砕が起きて個別の炭素同素体シートを得る方式である。エピタキシャル合成法は、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）を１，５００℃の高温で加熱して、シリコン（Ｓｉ）が除去され、残っているカーボン（Ｃ）によって炭素同素体を得る方式である。
本発明における炭素同素体は、還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）、非酸化グラフェン、グラフェンナノリボンまたはカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）などを使用することができる。還元型酸化グラフェンは、酸化グラフェン（ＧＯ）を還元させたものであり、黒鉛に強酸を加えて酸化させ、化学的に小さな粒子状態に形成して、酸化グラフェンを作製し、酸化グラフェンを還元させて作製される。非酸化グラフェンは、前述の炭素同素体の作製方法のうち、酸化-還元工程を除いた方法により作製された炭素同素体のことをいう。グラフェンナノリボンは、グラフェンをナノメートル（ｎｍ）幅のリボン形態に切り取ったものであり、幅に応じて一定のエネルギーバンドギャップを有する。グラフェンナノリボンは、炭素同素体を含むモノマーから合成するか、またはカーボンナノチューブを切り取って平面に広げて作製することができる。前述の炭素同素体の種類の他にも、本発明における炭素同素体は、グラフェンナノメッシュなどの公知の炭素同素体構造を適用できる。
本発明における炭素同素体は、フレーク（ｆｌａｋｅ）形態で使用される。炭素同素体フレークは、炭素同素体が溶媒に分散された分散液を利用して基板上に分散液をコーティングし溶媒を乾燥した後、物理的な力を加えて作製することができる。物理的な力を加える方法としては、ボールミル、ビーズミル、超音波均質器、スターリング（ｓｔｉｒｒｉｎｇ）などの方法により、炭素同素体フレークを得ることができる。
＜炭素同素体-半導体物質混合物＞
本発明におけるアクティブ層が炭素同素体と半導体物質とを含む場合、炭素同素体と半導体物質とを混合して、炭素同素体-半導体物質混合物を作製できる。
さらに詳細には、炭素同素体フレークと半導体物質が用意される。炭素同素体フレークと半導体物質は、粉末形態で用意されてもよい。炭素同素体フレークと半導体物質を溶媒に入れて混合して、炭素同素体-半導体物質混合物を作製する。前述とは異なり、本発明における炭素同素体-半導体物質混合物半導体物質が含まれた半導体溶液に炭素同素体が分散された炭素同素体分散液を混合して作製できる。
このとき、溶媒は、水；エタノール、メタノール、イソプロピルアルコール、ブタノール、２-エチルヘキシルアルコール、メトキシペンタノール、ブトキシエタノール、エトキシエトキシエタノール、ブトキシエトキシエタノール、メトキシプロポキシプロパノール、テキサノール（ｔｅｘａｎｏｌ）、テルピネオール及びこれらの組み合わせより選択されるアルコール類；テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）；グリセロール、エチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、ジヘキシレングリコール、またはこれらのアルキルエーテル；グリセリン、Ｎ-メチルピロリドン（Ｎ-ｍｅｔｈｙｌ-２-ｐｙｒｒｏｌｉｄｉｎｏｎｅ，ＮＭＰ）、２-ピロリドン、アセチルアセトン、１，３-ジメチルイミダゾリノン、チオジグリコール、ジメチルスルホキシド（ｄｉｍｅｔｈｙｌ ｓｕｌｆｏｘｉｄ，ＤＭＳＯ）、Ｎ，Ｎ-ジメチルアセトアミド（Ｎ，Ｎ-ｄｉｍｅｔｈｙｌ ａｃｅｔａｍｉｄｅ，ＤＭＡｃ））、ジメチルホルムアミド（ｄｉｍｅｔｈｙｌｆｏｒｍａｍｉｄｅ，ＤＭＦ））、スルホラン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン及びこれらの組み合わせより選択されるいずれか一つ以上を使用することができる。
炭素同素体を良好に分散させるために、その他の添加物を添加するか、または超音波を照射すればよい。炭素同素体-半導体物質混合物に超音波を照射する場合、超音波を数回分割して照射することが好ましい。例えば、炭素同素体と半導体物質とを混合し、超音波破砕器で強い超音波（約２５０Ｗ）を約３０分間照射する。このような工程を繰り返すことによって、炭素同素体が良好に分散された炭素同素体-半導体物質混合物を作製できる。
本発明における炭素同素体-半導体物質混合物に使用される炭素同素体の量は、半導体物質固形分１００重量％に対し０．０１から１重量％含まれることができる。ここで、炭素同素体が半導体物質固形分１００重量％に対して０．０１重量％以上であると、電荷移動度が向上した効果を表すことができ、炭素同素体が半導体物質固形分１００重量％に対して１重量％以下であると、オンオフ比の低下を防止する効果を表すことができる。
以下、前述の材料を利用して、アクティブ層を含む薄膜トランジスタ及び表示装置について説明することにする。以下では、具体的に炭素同素体-半導体物質混合物で形成されたアクティブ層を例に挙げて説明するが、前述の材料で形成されたアクティブも適用可能である。
図１及び図２は、本発明の実施例にかかる薄膜トランジスタアレイ基板を示した断面図であり、図３から図５は、本発明の実施例にかかるアクティブ層を示した平面図であり、図６から図８は、本発明の実施例にかかる薄膜トランジスタアレイ基板の多様な構造を示した断面図である。
＜薄膜トランジスタアレイ基板＞
ここで開示する薄膜トランジスタアレイ基板は、アクティブ層の下部にゲート電極が位置するボトムゲート型（ｂｏｔｔｏｍ-ｇａｔｅ ｔｙｐｅ）薄膜トランジスタを例に挙げて説明する。
図１を参照すると、基板１１０上にゲート電極１２０が位置する。基板１１０は、透明または不透明なガラス、プラスチックまたは金属からなるで形成される。ゲート電極１２０は、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、ネオジム（Ｎｄ）、タンタル（Ｔａ）及びタングステン（Ｗ）の群より選択されたいずれか一つまたはこれらの合金の単層または多層からなるで形成される。ゲート電極１２０上にゲート電極１２０を絶縁させるゲート絶縁膜１３０が位置する。ゲート絶縁膜１３０は、シリコン酸化膜（ＳｉＯｘ）、シリコン窒化膜（ＳｉＮｘ）またはこれらの多層で形成される。ゲート絶縁膜１３０上にアクティブ層１４０が位置する。アクティブ層１４０は、前述の半導体物質、炭素同素体またはこれらの混合物で作製される。アクティブ層１４０は、互いに異なる厚さを有する第１領域１４２と第２領域１４６とを含む。第１領域１４２は、第２領域１４６の厚さより薄い領域で、第２領域１４６は、第１領域１４２の厚さより厚い領域である。すなわち、アクティブ層１４０において厚さが薄い領域は第１領域１４２に該当し、アクティブ層１４０において厚さが厚い領域は第２領域１４６に該当する。
アクティブ層１４０は、チャネル領域ＣＨを含む。チャネル領域ＣＨは、ゲート電極１２０と重なるアクティブ層１４０のうち、ソース電極１５０ａとドレン電極１５０ｂとの間を意味する。アクティブ層１４０の第１領域１４２と第２領域１４６とは、チャネル領域ＣＨと完全に重なる領域に該当する。すなわち、第１領域１４２は、ソース電極１５０ａ（またはドレン電極１５０ｂ）と重ならないで第２領域１４６は、ドレン電極１５０ｂ（またはソース電極１５０ａ）と重ならない。図１では、第１領域１４２がソース電極１５０ａに隣接するように示したが、これに限定されず、第２領域１４６がソース電極１５０ａに隣接しても良い。
アクティブ層１４０の第１領域１４２は、チャネル領域ＣＨが形成され、厚さが相対的に薄いから、電子濃度が相対的に狭く分布し、有効チャネル長（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｃｈａｎｎｅｌ ｌｅｎｇｔｈ）が相対的に短い。したがって、第１領域１４２は、しきい値電圧Ｖｔｈを正方向に移動させることができる。また、アクティブ層１４０の第１領域１４２に多数の炭素同素体を含む場合、多数の炭素同素体は、キャリヤが炭素同素体を介して速く移動できるようにして、電子移動度を増加させることができる。
アクティブ層１４０の第２領域１４６は、チャネル領域ＣＨが形成され、厚さが相対的に厚いから、電子濃度が相対的に広く分布し、有効チャネル長が相対的に長い。したがって、第２領域１４６は、電子移動度を増加させ、しきい値電圧Ｖｔｈが負方向に移動するのを防止できる。また、アクティブ層１４０の第２領域１４６に多数の炭素同素体を含む場合、多数の炭素同素体は、キャリヤが炭素同素体を介して速く移動できるようにして、電子移動度を増加させることができる。
したがって、本発明のアクティブ層１４０は、厚さの薄い第１領域１４２と厚さの厚い第２領域１４６を含むことによって、電子移動度を増加させ、しきい値電圧が負方向に移動するのを防止できるという利点がある。
図２を参照すると、本発明のアクティブ層１４０の第１領域１４２の厚さＦＴは、３から１０ｎｍであればよい。第１領域１４２の厚さＦＴが３ｎｍ以上であると、チャネル領域ＣＨの厚さが小さく形成されて、電子移動度が減少するのを防止でき、第１領域１４２の厚さＦＴが１０ｎｍ以下であると、アクティブ層１４０の厚さが厚くなることを防止できる。本発明のアクティブ層１４０の第２領域１４６の厚さＳＴは、第１領域１４２の厚さＦＴの１．５から３倍でありうる。第２領域１４６の厚さＳＴが第１領域１４２の厚さＦＴの１．５倍以上であると、チャネル領域ＣＨにキャリヤを供給して電子移動度を増加させることができ、第２領域１４６の厚さＳＴが第１領域１４２の厚さＦＴの３倍以下であると、アクティブ層１４６の厚さが厚くなることを防止できる。
一方、本発明のアクティブ層１４０の第２領域１４６の長さＳＬは、チャネル領域ＣＨの長さＣＨＬに対して５０から９０％でなされることができる。第２領域１４６の長さＳＬがチャネル領域ＣＨの長さＣＨＬに対して５０％以上であると、チャネル領域ＣＨに電子濃度を最適化して電子移動度を増加させることができ、第２領域１４６の長さＳＬがチャネル領域ＣＨの長さＣＨＬに対して９０％以下であると、しきい値電圧Ｖｔｈが負方向に移動するのを防止できる。
したがって、図３に示すように、アクティブ層１４０の第２領域１４６の長さＳＬは、チャネル領域ＣＨの長さＣＨＬと少なくとも５対５になされることができる。好ましくは、図４に示すように、アクティブ層１４０の第２領域１４６の長さＳＬは、チャネル領域ＣＨの長さＣＨＬと少なくとも７対３になされることができる。しかし、図５に示すように、アクティブ層１４０の第２領域１４６の長さＳＬは、チャネル領域ＣＨの長さＣＨＬと少なくとも９対１を超えないことが好ましい。
本発明のアクティブ層１４０が半導体物質と炭素同素体とを含む場合、アクティブ層１４０は、第１領域１４２及び第２領域１４６において炭素同素体が半導体物質１００重量％に対し０．０１から１重量％で含まれていればよい。ここで、炭素同素体の含量比が半導体物質１００重量％に対して０．０１％以上であると、アクティブ層の電子移動度を向上することができ、炭素同素体の含量比が半導体物質１００重量％に対して１重量％以下であると、しきい値電圧Ｖｔｈが負方向へ移動するのを防止できる。参考までに、半導体物質１００重量％は半導体物質固形分１００重量％を意味し、半導体物質固形分１００重量％に対して炭素同素体固形分の重量％を意味することである。
前述のアクティブ層１４０は、ゲート絶縁膜１３０が形成された基板１１０上に前述の炭素同素体-半導体物質混合物を２回コーティングして、第１領域１４２及び第２領域１４６を含むように形成できる。炭素同素体-半導体物質混合物をコーティングする方法には、スピンコーティング（ｓｐｉｎ ｃｏａｔｉｎｇ）、スリットコーティング（ｓｌｉｔ ｃｏａｔｉｎｇ）、スクリーンプリンティング（ｓｃｒｅｅｎ ｐｒｉｎｔｉｎｇ）、インクジェットプリンティング（ｉｎｋ-ｊｅｔ ｐｒｉｎｔｉｎｇ）などの方法を使用することができ、溶液をコーティングする方法であれば、いかなる方法も適用可能である。炭素同素体-半導体物質薄膜に２５０℃で２時間の熱処理を行って溶媒を除去する。そして、炭素同素体-半導体薄膜をフォトリソグラフィ法でパターニングすることによって、本発明のアクティブ層１４０を作製することができる。例えば、第１番目のコーティングで所定厚のアクティブ層パターンを形成し、第２番目のコーティングでアクティブ層パターン上に所定厚を有したアクティブ層パターンをさらに形成して、互いに異なる厚さを有した第１領域１４２と第２領域１４６とを有したアクティブ層１４０を形成できる。しかしながら、本発明は、これに限定されず、ハーフトーンマスクを利用して厚さが互いに異なるアクティブ層を１回のコーティングで形成することもできる。
アクティブ層１４０上にアクティブ層１４０の一方に接触するソース電極１５０ａと、アクティブ層１４０の他方に接触するドレン電極１５０ｂとが位置する。ソース電極１５０ａ及びドレン電極１５０ｂは、単一層または多層で形成することができ、単一層の場合には、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、ネオジム（Ｎｄ）及び銅（Ｃｕ）の群より選択されたいずれか一つまたはこれらの合金により形成することができる。また、ソース電極１５０ａ及びドレン電極１５０ｂが多層の場合には、モリブデン／アルミニウム-ネオジム、モリブデン／アルミニウムまたはチタン／アルミニウムの二重層であるか、またはモリブデン／アルミニウム-ネオジム／モリブデン、モリブデン／アルミニウム／モリブデンまたはチタン／アルミニウム／チタンの３重層により形成することができる。
アクティブ層１４０のチャネル領域ＣＨに厚さの薄い第１領域を形成して、しきい値電圧が負方向へ移動するのを防止し、厚さの厚い第２領域を形成して電子移動度を向上させることができる。したがって、チャネル領域ＣＨの厚さが異なるようにアクティブ層１４０を形成することによって、電子移動度としきい値電圧とを調節できる。
また、アクティブ層１４０は、半導体物質に炭素同素体が分散されることで、ソース電極１５０ａとドレン電極１５０ｂとに電圧がかかると、アクティブ層１４０のチャネルに電子と正孔が移動する。このとき、アクティブ層１４０のチャネルに炭素同素体が分散されているから、電子と正孔が半導体物質で半導体物質の移動度に応じて移動している途中で導体に近い炭素同素体で非常に速く移動するようになる。電子と正孔は、半導体と炭素同素体に沿って移動して電子移動度を非常に向上することができる。特に、半導体物質には、電子移動時に発生する散乱現象であるスキャタリングによって電子の移動度が減少する特性があるが、炭素同素体には、炭素同素体の内部から発生するスキャタリング現象がほとんどないから、電子移動度が減少するおそれを除去できる。
また、アクティブ層１４０は、炭素同素体が少量含まれるから、炭素同素体が互いに接触（または化学的結合）することにより、キャリヤが移動する通路がほとんど形成されない。したがって、アクティブ層１４０の半導体特性が低下して、オフ電流が増加するのを防止できる。
一方、薄膜トランジスタアレイ基板は、薄膜トランジスタの構造が多様になされることができる。
図６を参照すると、薄膜トランジスタアレイ基板は、ボトムゲート型構造を有するように形成されるものの、アクティブ層１４０とゲート絶縁膜１３０との間にソース電極１５０ａとドレン電極１５０ｂとを配置できる。さらに詳細には、基板１１０上にゲート電極１２０が位置し、ゲート電極１２０上にゲート絶縁膜１３０が位置する。ゲート絶縁膜１３０上に互いに離隔されたソース電極１５０ａとドレン電極１５０ｂとが位置し、ゲート絶縁膜１３０上においてソース電極１５０ａとドレン電極１５０ｂとにコンタクトするよう、アクティブ層１４０を配置できる。このとき、アクティブ層１４０は、ソース電極１５０ａに隣接するよう第１領域１４２が配置され、ドレン電極１５０ｂに隣接するよう第２領域１４６が配置されるように配置することができる。したがって、アクティブ層１４０のチャネル領域ＣＨの厚さが異なって形成されるようにする。
また、図７を参照すると、薄膜トランジスタアレイ基板は、トップゲート型構造を有するように形成され、ゲート絶縁膜１３０上にゲート電極１２０、ソース電極１５０ａとドレン電極１５０ｂとを配置できる。さらに詳細には、基板１１０上にアクティブ層１４０が位置し、アクティブ層１４０上にゲート絶縁膜１３０が位置する。ゲート絶縁膜１３０上に互いに離隔されたソース電極１５０ａとドレン電極１５０ｂとが位置してアクティブ層１４０にコンタクトし、ソース電極１５０ａとドレン電極１５０ｂとの間にゲート電極１２０が配置される。このとき、アクティブ層１４０は、ソース電極１５０ａに隣接するよう第１領域１４２が配置され、ドレン電極１５０ｂに隣接するよう第２領域１４６が配置されるように配置することができる。したがって、アクティブ層１４０のチャネル領域ＣＨの厚さが異なって形成されるようにする。
また、図８を参照すると、薄膜トランジスタアレイ基板は、トップゲート型構造を有するように形成されるものの、アクティブ層１４０の下部にソース電極１５０ａとドレン電極１５０ｂとを配置できる。さらに詳細には、基板１１０上に互いに離隔されたソース電極１５０ａとドレン電極１５０ｂとが位置し、ソース電極１５０ａとドレン電極１５０ｂの上においてソース電極１５０ａとドレン電極１５０ｂとコンタクトするようアクティブ層１４０が位置する。アクティブ層１４０上にゲート絶縁膜１３０が位置し、ゲート絶縁膜１３０上にゲート電極１２０が配置される。このとき、アクティブ層１４０は、ソース電極１５０ａに隣接するよう第１領域１４２が配置され、ドレン電極１５０ｂに隣接するよう第２領域１４６が配置されるように配置することができる。したがって、アクティブ層１４０のチャネル領域ＣＨの厚さが異なって形成されるようにする。
以下、図９及び図１０を参照して、本発明における薄膜トランジスタアレイ基板を含む表示装置について説明する。以下、前述の実施例にかかる薄膜トランジスタアレイ基板を含む表示装置を開示し、重複する説明は省略することにする。図９は、本発明の一実施例にかかる液晶表示装置を示した断面図であり、図１０は、本発明の一実施例にかかる有機発光表示装置を示した断面図である。
＜表示装置＞
図１０を参照すると、ソース電極１５０ａとドレン電極１５０ｂ上に有機絶縁膜１６０が位置する。有機絶縁膜１６０は、下部の段差を平坦化するもので、フォトアクリル（ｐｈｏｔｏ ａｃｒｙｌ）、ポリイミド（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）、ベンゾシクロブテン系樹脂（ｂｅｎｚｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ ｒｅｓｉｎ）、アクリレート系樹脂（ａｃｒｙｌａｔｅ ｒｅｓｉｎ）などの有機物により形成されてもよい。有機絶縁膜１６０は、ドレン電極１５０ｂを露出するビアホール１６５を含む。図示していないが、ソース電極１５０ａとドレン電極１５０ｂ上にシリコン酸化物（ＳｉＯｘ）、シリコン窒化物（ＳｉＮｘ）またはこれらの多層により形成されたパッシベーション膜を配置してもよい。
有機絶縁膜１６０上には画素電極１７０と共通電極１８０とを配置する。画素電極１７０は、有機絶縁膜１６０に形成されたビアホール１６５を介してドレン電極１５０ｂに接続される。画素電極１７０は、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）またはＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）のような透明かつ導電性を有した物質により形成される。共通電極１８０は、画素電極１７０と同じ物質により形成される。画素電極１７０と共通電極１８０とは、互いに交互に配置されて、画素電極１７０と共通電極１８０との間に水平電界を形成する。
基板１１０と対向して上部基板１９０が配置され、基板１１０と上部基板１９０との間に液晶層ＬＣが配置される。本発明の実施例では、画素電極１７０と共通電極１８０とが同一平面上に位置するＩＰＳ（ｉｎ-ｐｌａｎｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）液晶表示装置を例として説明した。しかしながら、本発明は、これに限定されず、画素電極１７０の下部に共通電極１８０が配置されてもよく、共通電極１８０が上部基板１９０に配置されてもよい。
一方、図１０を参照すると、本発明における表示装置は、有機発光ダイオードを含む有機発光表示装置であってもよい。さらに詳細には、ソース電極１５０ａとドレン電極１５０ｂ上に有機絶縁膜１６０が配置される。有機絶縁膜１６０は、ドレン電極１５０ｂを露出するビアホール１６５を含む。
有機絶縁膜１６０上には画素電極１７０が配置される。画素電極１７０は、有機絶縁膜１６０に形成されたビアホール１６５を介してドレン電極１５０ｂに接続される。画素電極１７０上にはバンク層１７５が配置される。バンク層１７５は、画素電極１７０の一部を露出して画素を画定する画素画定膜であればよい。バンク層１７５及び露出した画素電極１７０上には有機膜層１９０が配置される。有機膜層１９０は、電子と正孔とが結合して発光する発光層を含み、正孔注入層、正孔輸送層、電子輸送層または電子注入層を含むことができる。有機膜層１９０の形成された基板１１０上に対向電極２００が位置する。対向電極２００は、カソード電極であって、仕事関数の低いマグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）またはこれらの合金により形成することができる。このようにして、画素電極１７０、有機膜層１９０及び対向電極２００を含む有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）が構成される。
有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）の形成された基板１１０上に封止層２１０が配置される。封止層２１０は、下部の有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）を含む基板１１０を封止するものであって、無機膜、有機膜またはこれらの多層構造により形成することができる。封止層２１０上にカバーウィンドウ２２０が位置して有機発光表示装置を構成する。
以下、本発明の実施例によって第１領域と第２領域とを含むアクティブ層に対する実験例を開示する。下記の実験例は、本発明の一実施例に過ぎず、本発明がこれに限定されるものではない。
＜実験１：アクティブ層組成分析＞
酸化物半導体物質のみで形成されるアクティブ層と、酸化物半導体物質と炭素同素体とが混合されたアクティブ層との組成についてラマン（Ｒａｍａｎ）スペクトル分析を実施した。ここで、炭素同素体には、カーボンナノチューブを使用し、酸化物半導体物質固形分１００重量％に対して０．１重量％を混合した。図１１は、酸化物半導体物質のみにより形成されたアクティブ層のラマンスペクトル分析結果を示したグラフであり、図１２は、酸化物半導体物質とカーボンナノチューブとが混合されたアクティブ層のラマンスペクトル分析結果を示したグラフである。
図１１を参照すると、酸化物半導体物質のみで形成されるアクティブ層のラマンスペクトル分析結果は、アクティブ層が形成された基板のピーク（Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｐｅａｋ）のみを示した。
これに対し、図１２を参照すると、酸化物半導体物質とカーボンナノチューブとが混合されたアクティブ層のラマンスペクトル分析結果には、基板ピークの他に炭素同素体が存在すると現れるＧピーク、Ｄピーク及び２Ｄピーク（ｐｅａｋ）が現れた。一般に、薄膜内にカーボンナノチューブが存在すると、ラマンスペクトル分析時にＧピーク、Ｄピーク及び２Ｄピークが現れる。ここで、Ｇピークの位置は１５８０ｃｍ-１であり、Ｄピークの位置は１３４０ｃｍ-１であり、２Ｄピークの位置は２７００ｃｍ-１である。これらのピークは、黒鉛系物質において共通して発見されるピークであって、グラファイトの「ｇ」を取ってＧピークとし、Ｄピークは、結晶内の欠陥によるピークであって、グラフェンまたはカーボンナノチューブの欠陥（ｄｅｆｅｃｔ）に関連したピークである。２Ｄピークは、１３５０ｃｍ-１エネルギーを有するフォノンによる非弾性散乱が２回引き続いて発生する場合に現れるので、１３５０ｃｍ-１の２倍である２７００ｃｍ-１付近に現れる。Ｄピークの場合、カーボンナノチューブに存在する欠陥が多いほど、ピーク値が増加する。したがって、ラマンスペクトル分析結果に、Ｇピーク、Ｄピーク及び２Ｄピークが現れたことから、炭素同素体であるカーボンナノチューブが存在することが分かる。
＜実験２：薄膜トランジスタの評価＞
＜比較例１＞
（炭素同素体を混合していない）純粋ＩＧＺＯをコーティングし、４５０℃で１時間熱処理してコーティング層を形成した後にパターニングすることで１層のアクティブ層を形成し、ボトムゲート型薄膜トランジスタを作製した。
＜比較例２＞
前述の比較例１と同じ工程条件下で、ＩＧＺＯ溶液にＩＧＺＯ固形分１００重量％に対して０．１重量％のカーボンナノチューブパウダーを混合して、２０ｎｍの厚さでアクティブ層を形成したことのみを異ならせて薄膜トランジスタを作製した。
＜比較例３＞
前述の比較例２と同じ工程条件下で、５ｎｍの厚さでアクティブ層を形成したことのみを異ならせて、薄膜トランジスタを作製した。
＜実施例＞
前述の比較例１と同じ工程条件下で、ＩＧＺＯ溶液にＩＧＺＯ固形分１００重量％に対して０．１重量％のカーボンナノチューブパウダーを混合して、厚さの薄いアクティブ層を形成し、アクティブ層上に再度コーティングして一部分に厚さの厚いアクティブ層を形成したことのみを異ならせて、薄膜トランジスタを作製した。このとき、図１の構造において第１領域は、５ｎｍの厚さに形成し、第２領域の厚さは、１０ｎｍの厚さに形成した。
前述の比較例１，２，３及び実施例によって作製された薄膜トランジスタの電流-電圧カーブを測定して図１３に示し、図１３のドレン電流にスクエアルート（ｓｑｕａｒｅ ｒｏｏｔ）の値を表すＳＱＲＴ-電圧を測定して、図１４に示し、しきい値電圧と電子移動度を下記表１に表した。
Figure 2018107440
前記図１３、図１４及び表１を参照すると、ＩＧＺＯのみで形成された１層のアクティブ層を備えた比較例１は、しきい値電圧が-０．５Ｖと現れ、電子移動度が３．３ｃｍ２／Ｖｓと現れた。ＩＧＺＯとカーボンナノチューブとが混合された１層のアクティブ層を備えた比較例２は、しきい値電圧が-９Ｖと現れ、電子移動度が１０．４ｃｍ２／Ｖｓと現れた。ＩＧＺＯとカーボンナノチューブとが混合された５ｎｍの厚さの１層アクティブ層を備えた比較例３は、しきい値電圧が６．１Ｖと現れ、電子移動度が０．８６ｃｍ２／Ｖｓと現れた。ＩＧＺＯとカーボンナノチューブとが混合され、５ｎｍの厚さの第１領域と１０ｎｍの厚さの第２領域を有したアクティブ層を備えた実施例は、しきい値電圧が２．２Ｖと現れ、電子移動度が８．４ｃｍ２／Ｖｓと現れた。
この結果にて、ＩＧＺＯにより形成された１層のアクティブ層を備えた比較例１は、しきい値電圧特性は良好であるものの、電子移動度が低かった。また、ＩＧＺＯとカーボンナノチューブとが混合された１層のアクティブ層を備えた比較例２は、電子移動度は高かったが、しきい値電圧が負方向に移動して特性が低かった。また、ＩＧＺＯとカーボンナノチューブとが混合された５ｎｍの厚さの１層アクティブ層を備えた比較例３は、電子移動度が非常に低かったし、しきい値電圧は、正方向に多く移動した。これに対し、ＩＧＺＯとカーボンナノチューブとが混合され、５ｎｍの厚さの第１領域と１０ｎｍの厚さの第２領域とを有したアクティブ層を備えた実施例は、比較例１と３に比べて電子移動度が速く現れ、比較例２と３に比べてしきい値電圧特性が優秀であった。
したがって、本発明によれば、アクティブ層のチャネル領域に厚さの薄い第１領域を形成して、しきい値電圧が負方向へ移動するのを防止し、厚さの厚い第２領域を形成して、電子移動度を向上させることができる。このように、チャネル領域の厚さが異なるようにアクティブ層を形成することによって、電子移動度としきい値電圧とを調節できる。
以上説明した内容を通じて、当業者であれば、本発明の技術思想から逸脱しない範囲内で様々な変更と修正が可能であることが分かる。したがって、本発明の技術的範囲は、明細書の詳細な説明に記載された内容に限定されるものではなく、特許請求の範囲により定められねばならない。
１１０ 基板
１２０ ゲート電極
１３０ ゲート絶縁膜
１４０ アクティブ層
１４２ 第１領域
１４６ 第２領域
１５０ａ ソース電極
１５０ｂ ドレン電極

Claims (16)

  1. 基板と、
    前記基板上に位置するゲート電極と、
    前記ゲート電極と対向し、厚さが互いに異なる第１領域及び第２領域を有し、少なくとも半導体物質を含むアクティブ層と、
    前記ゲート電極と前記アクティブ層との間に介在されるゲート絶縁膜と、
    前記アクティブ層に各々接触するソース電極及びドレン電極と
    を含む薄膜トランジスタアレイ基板。
  2. 前記第１領域の厚さは、前記第２領域の厚さより薄い請求項１に記載の薄膜トランジスタアレイ基板。
  3. 前記アクティブ層は、チャネル領域を含み、
    前記第１領域及び前記第２領域は、前記チャネル領域と完全に重なる請求項１に記載の薄膜トランジスタアレイ基板。
  4. 前記第１領域は、前記ソース電極及び前記ドレン電極の一方に隣接し、前記第２領域は、前記ソース電極及び前記ドレン電極の他方に隣接する請求項１に記載の薄膜トランジスタアレイ基板。
  5. 前記第１領域の厚さは、３から１０ｎｍである請求項１に記載の薄膜トランジスタアレイ基板。
  6. 前記第２領域の厚さは、前記第１領域の厚さに対して１．５から３倍である請求項５に記載の薄膜トランジスタアレイ基板。
  7. 前記チャネル領域の長さに対して前記第２領域の長さは、５０から９０％である請求項１に記載の薄膜トランジスタアレイ基板。
  8. 前記アクティブ層は、多数の炭素同素体をさらに含み、
    前記炭素同素体は、前記半導体物質内に分散されている請求項１に記載の薄膜トランジスタアレイ基板。
  9. 前記炭素同素体は、１次元または２次元構造を有する請求項８に記載の薄膜トランジスタアレイ基板。
  10. 前記炭素同素体は、還元型酸化グラフェン、非酸化グラフェン、グラフェンナノリボンまたはカーボンナノチューブのうち、いずれか一つまたはこれらの混合物である請求項８に記載の薄膜トランジスタアレイ基板。
  11. 前記半導体物質は、セラミック半導体、有機半導体、遷移金属カルコゲン化合物または酸化物半導体のうち、いずれか一つまたはこれらの混合物である請求項８に記載の薄膜トランジスタアレイ基板。
  12. 前記アクティブ層において前記炭素同素体は、前記半導体物質１００重量％に対して０．０１から１重量％で含まれる請求項８に記載の薄膜トランジスタアレイ基板。
  13. 基板と、
    前記基板上に位置するゲート電極と、
    前記ゲート電極と対向し、厚さが互いに異なる第１領域及び第２領域を有し、少なくとも半導体物質を含むアクティブ層と、
    前記ゲート電極と前記アクティブ層との間に介在されるゲート絶縁膜と、
    前記アクティブ層に各々接触するソース電極及びドレン電極と、
    前記ソース電極及びドレン電極上に位置する有機絶縁膜と、
    前記有機絶縁膜上に位置する画素電極と
    を含む表示装置。
  14. 前記アクティブ層は、多数の炭素同素体をさらに含み、
    前記炭素同素体は、前記半導体物質内に分散されている請求項１３に記載の表示装置。
  15. 前記画素電極に電気的に接続した有機発光ダイオードと、
    前記有機発光ダイオード上に位置する封止層と、
    前記封止層上に位置するカバーウィンドウと
    をさらに含む請求項１３または１４に記載の表示装置。
  16. 前記画素電極と同一平面上または下部で離隔して位置する共通電極と、
    前記共通電極上に位置する液晶層と
    をさらに含む請求項１３または１４に記載の表示装置。
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