JP5743407B2 - トランジスタの駆動方法及び該方法で駆動されるトランジスタを含む表示装置 - Google Patents
トランジスタの駆動方法及び該方法で駆動されるトランジスタを含む表示装置 Download PDFInfo
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Description
基板に、第一の導電層、第一の絶縁層、半導体層、第二の絶縁層、第二の導電層をこの順に積層してなり、
前記第一の絶縁層は、前記半導体層および前記第一の導電層と接し、
前記第二の絶縁層は、前記半導体層および前記第二の導電層と接し、
前記半導体層は、ソース電極及びドレイン電極に接続されており、
前記第一の導電層はゲート電極であるトランジスタの駆動方法であって、
前記第二の絶縁層が、前記半導体層側から順に、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜とを含んでおり、前記シリコン酸化膜は、前記シリコン窒化膜並びに前記ソース電極およびドレイン電極の形成前に形成される、前記半導体層のチャネル領域を覆うチャネル保護層であり、
前記第二の導電層に、
VBG≦VON1×C1/(C1+C2)
C1:前記第一の絶縁層の単位面積当たりの容量
C2:前記第二の絶縁層の単位面積当たりの容量
VON1:ソース電圧を基準電圧とし、かつ前記第二の導電層にかかる電圧を0Vにしたときのトランジスタの伝達特性におけるドレイン電流の立ち上がり電圧
を満たす電圧VBGを印加することを特徴とするトランジスタの駆動方法を提供するものである。
基板に、第一の導電層、第一の絶縁層、半導体層、第二の絶縁層、第二の導電層をこの順に積層してなり、
前記第一の絶縁層は、前記半導体層および前記第一の導電層と接し、
前記第二の絶縁層は、前記半導体層および前記第二の導電層と接し、
前記半導体層は、ソース電極及びドレイン電極に接続されており、
前記第一の導電層はゲート電極であるトランジスタの駆動方法であって、
前記第二の絶縁層が、前記半導体層側から順に、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜とを含んでおり、前記シリコン酸化膜は、前記シリコン窒化膜並びに前記ソース電極およびドレイン電極の形成前に形成される、前記半導体層のチャネル領域を覆うチャネル保護層であり、
前記第二の導電層に、
VBG≦VT1×C1/(C1+C2)
C1:前記第一の絶縁層の単位面積当たりの容量
C2:前記第二の絶縁層の単位面積当たりの容量
VT1:トランジスタのフラットバンド電圧
を満たす電圧VBGを印加することを特徴とするトランジスタの駆動方法を提供するものである。
電気的ストレスによる薄膜トランジスタの閾値電圧の変化の要因は次のように考えられる。
前記トラップ準位は薄膜トランジスタの製造工程で生じ、薄膜トランジスタの作製完了時に既に存在する場合と、薄膜トランジスタの駆動中に熱、電場や電流等により生じる場合とが考えられる。このため、トラップ準位密度は半導体層の構造、デバイス構造、製造工程等にも依存する。例えば、半導体層に不純物が多い場合には、薄膜トランジスタの作製完了時にトラップ準位密度が高くなる、或いは薄膜トランジスタの駆動中に新たなトラップができやすい、と考えられる。その他、半導体層上に別の層を成膜する際、或いはエッチング工程を施す際に半導体層へダメージを与える場合も同様に、作製完了時にトラップ準位密度が高くなる、或いは駆動中に新たなトラップができやすい、と考えられる。
半導体層のバックゲート電極側の領域のキャリア密度を低減するためには、バックゲート電極に印加する電圧(バックゲート電圧)でキャリア密度を制御することが有効な手段の一つである。有効なバックゲート電圧を検討するため、ここで薄膜トランジスタのフラットバンド電圧の概念を導入する。
IFB=ts×W×σ×VD/L ・・・・・・(1)
で表される電流をフラットバンド電流と定義すると、
フラットバンド電圧VFB0は、
VFB0=(フラットバンド電流IFBを流すのに必要なゲート電圧) ・・・(2)
と定義できる。
電気的ストレスの印加を考えるに際して、薄膜トランジスタのドレイン−ソース間に一定の電流を流し続ける「定電流ストレス」と、薄膜トランジスタの各電極端子に一定の電圧を印加し続ける「定電圧ストレス」を分けて説明する。
図5(a)は、図4のトランジスタ2において観測された、バックゲート電圧VBGと、電気的ストレスによる閾値電圧の変化に相当するドレイン−ソース間電圧の変化量ΔVDSとの関係である。図5(a)中の「〇」は、バックゲート電極が存在しない図4のトランジスタ1についてのゲート電圧とドレイン−ソース間電圧の変化量ΔVDSの関係である。ソース電圧を基準電圧として、ゲート電圧をVG、ドレイン電圧をVDとする。図5(a)は電気的ストレスとして、VG=VD=0Vにおいてドレイン−ソース間電流IDS=4μAの一定電流を3162秒流し続けることにより、定電流ストレスを印加したデータである。図5(a)によると、トランジスタ2のバックゲート電極に、上記式(2)で定義したフラットバンド電圧VFB0より低い電圧を印加することで、トランジスタ2はトランジスタ1より閾値電圧の変化量を低減できることがわかる。これは、トランジスタ2のバックゲート電極にフラットバンド電圧VFB0より低い電圧を印加すると、半導体層のバックゲート電極(絶縁層2)側の領域ではトランジスタ1における半導体層の絶縁層2側の領域よりもキャリア密度が低くなるためと考えられる。
VBG≦VFB0 ・・・・・・(3)
なるバックゲート電圧VBGを印加して薄膜トランジスタを駆動すると、トランジスタ2はトランジスタ1より電気的ストレスによる閾値電圧の変化量を抑制することができる。
VG_2>VG_1
となる。このため、半導体層中のゲート電極側の領域におけるキャリア密度を比較すると、トランジスタ2のキャリア密度はトランジスタ1より高くなり、電気的ストレスによる閾値電圧の変化は増加する。
半導体層中のバックゲート電極側の領域で閾値電圧の変化を低減する効果と、
半導体層中のゲート電極側の領域で閾値電圧の変化を増加する効果と、が相反し、ある電圧で逆転することになる。即ち、閾値電圧の変化量はあるバックゲート電圧VBGで極小値を持つ。
ソース、ドレイン及びゲート電極に一定の電圧を印加する「定電圧ストレス」の場合には、ドレイン電圧が高いほど半導体層中のバックゲート電極側の領域ではバックゲート−ドレイン間で逆バイアスが印加されるため、キャリア密度を低減することができる。このため、閾値電圧の変化の抑制には、上記式(3)より広い範囲のバックゲート電圧VBGの値が有効である。
VBG<VFB0+Vα ・・・・・・(4)
となる。
V(x)=(VG−VT)[1−{1−(x/L)}1/(γ+2)]と表される。ここで、γは0以上のパラメータであり、薄膜トランジスタの理想的な特性からのずれを示す。理想的な特性はγ=0である。また、xは電流方向のチャネル内位置を示し、ソース端でx=0、ドレイン端でx=Lとなる。これをx=0からx=Lまで積分しLで割ると、Vave=∫(V(x)/L)dx=(VG−VT)/(3+γ)なる平均電圧が得られる。図6の実測例では、VG=(VD=)20V、VT=0であり、γを0と仮定すると、Vave=6Vである。ドレイン電圧の影響でフラットバンド電圧VFB0が6Vシフトすると見なせば、図6の定電圧ストレスの結果と矛盾しない。即ち、ドレイン−ソース間の電圧分布V(x)の平均値Vaveが上記式(4)中のVαに相当することになり、定電圧ストレスの場合、閾値電圧の変化の抑制に効果があるバックゲート電圧VBGの範囲は、
VBG<VFB0+Vave
である。
四端子の薄膜トランジスタにおいて、そのうちのバックゲート電極がない三端子の薄膜トランジスタのフラットバンド電圧VFB0に相当する電圧を導く方法について説明する。ここで、四端子の薄膜トランジスタのゲート電極とバックゲート電極に対するフラットバンド電圧VFB0が一致する、と仮定する。この仮定は、固定電荷等の影響がほとんどない理想的な場合に成立する。この時、三端子の薄膜トランジスタにゲート電圧Vg’を印加した場合にドレイン−ソース間に流れるドレイン電流と等しい電流を、四端子の薄膜トランジスタのドレインーソース間に流すためのゲート電圧Vgとバックゲート電圧VBGの関係は、
Vg=VFB0+ψs−Qsc/C1−(C2/C1)×(VBG−VFB0)
=Vg’−(C2/C1)×(VBG−VFB0) ・・・・・・(5)
となる。なお、Qsc:半導体層内部の単位面積当たりのキャリア密度、ψs:ゲート絶縁層−半導体層界面のポテンシャル、C1:絶縁層1の単位面積当たりの容量値、C2:絶縁層1の単位面積当たりの容量値である。
Vg=VFB0−(C2/C1)×(VBG−VFB0) ・・・・・・(6)
となる。上記式(6)からフラットバンド電圧VFB0を導くために、バックゲート電圧VBG=0Vの時のフラットバンド電圧をVT1と定義する。但し、VT1については半導体層単膜の導電性が高い場合と低い場合を区別して考える必要がある。これは、半導体層単膜の導電性が低い場合、薄膜トランジスタの伝達特性において、測定からは上記式(1)で定義したフラットバンド電流IFBに相当する電流値が得られない場合があるためである。例えば、オフ電流が大きく、ドレイン電流の最小値がIFB以上になる場合や、IFBが測定器の測定精度よりも小さい場合等が相当する。このような場合には、伝達特性においてドレイン電流が急峻に立ち上がるゲート−ソース間電圧(立ち上がり電圧)、VON1がほぼフラットバンド電圧VT1に相当することを利用する。
a−Si:Hのように半導体層単膜の導電性が低い場合(IFB<10-12A、VD=0.1V)には、VBG=0Vの時の伝達特性におけるドレイン電流の立ち上がり電圧VON1で表し、
AOSのように導電性が高い場合(IFB>10-12A、VD=0.1V)には、VBG=0Vの時のフラットバンド電圧VT1で表せば良い。
VBG=0Vの時の伝達特性におけるドレイン電流の立ち上がり電圧は、上記式(6)より、
VON1=VFB0−(C2/C1)×(0−VFB0)
である。この式より、
VFB0=VON1×C1/(C1+C2) ・・・・・・(7)
が導かれる。
VBG=0Vの時のフラットバンド電圧VT1は、上記式(6)より、
VT1=VFB0−(C2/C1)×(0−VFB0)
である。この式より、
VFB0=VT1×C1/(C1+C2) ・・・・・・(8)
が導かれる。
以上の考察と測定結果より、電気的ストレスに対して、薄膜トランジスタの閾値電圧の変化量を低減するためには、四端子の薄膜トランジスタにおいて、バックゲート電極に、次のような範囲のバックゲート電圧VBGを印加すれば本発明の効果が得られる。
上記式(3)、上記式(7)、及びVBG=0Vの時の伝達特性におけるドレイン電流の立ち上がり電圧VON1より、
VBG≦VON1×C1/(C1+C2) ・・・・・・(9)
なる範囲のバックゲート電圧VBGを印加すれば良い。
上記式(3)、上記式(8)、及びVBG=0Vの時のフラットバンド電圧VT1より、
VBG≦VT1×C1/(C1+C2) ・・・・・・(10)
なる範囲のバックゲート電圧VBGを印加すれば良い。
本実施例に使用する薄膜トランジスタ(a−IGZOをチャネル層とする薄膜トランジスタ)の作製方法を、図2を用いて説明する。
ΔVth_1>ΔVth_2
であり、電気的ストレス印加前後の伝達特性におけるゲート−ソース間電圧の変化量は、遮光層18に1V印加した場合の方が、従来の遮光層18がない場合に比べ、低減されていることがわかる。
実施例2については、実施例1のa−IGZO TFTの作製方法において、酸化物半導体層13の成膜時のガス流量比をAr:O2=98:2と変更したことを除いては、実施例1と同様である。また、遮光層18のない薄膜トランジスタも同時に作製した。
ΔVth_3>ΔVth_4
であり、電気的ストレス印加前後の伝達特性におけるゲート−ソース間電圧の変化量は、遮光層18に0V印加した場合の方が、従来の遮光層がない場合に比べ、低減されていることがわかる。
Claims (5)
- 基板に、第一の導電層、第一の絶縁層、半導体層、第二の絶縁層、第二の導電層をこの順に積層してなり、
前記第一の絶縁層は、前記半導体層および前記第一の導電層と接し、
前記第二の絶縁層は、前記半導体層および前記第二の導電層と接し、
前記半導体層は、ソース電極及びドレイン電極に接続されており、
前記第一の導電層はゲート電極であるトランジスタの駆動方法であって、
前記第二の絶縁層が、前記半導体層側から順に、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜とを含んでおり、前記シリコン酸化膜は、前記シリコン窒化膜並びに前記ソース電極およびドレイン電極の形成前に形成される、前記半導体層のチャネル領域を覆うチャネル保護層であり、
前記第二の導電層に、
VBG≦VON1×C1/(C1+C2)
C1:前記第一の絶縁層の単位面積当たりの容量
C2:前記第二の絶縁層の単位面積当たりの容量
VON1:ソース電圧を基準電圧とし、かつ前記第二の導電層にかかる電圧を0Vにしたときのトランジスタの伝達特性におけるドレイン電流の立ち上がり電圧
を満たす電圧VBGを印加することを特徴とするトランジスタの駆動方法。 - 基板に、第一の導電層、第一の絶縁層、半導体層、第二の絶縁層、第二の導電層をこの順に積層してなり、
前記第一の絶縁層は、前記半導体層および前記第一の導電層と接し、
前記第二の絶縁層は、前記半導体層および前記第二の導電層と接し、
前記半導体層は、ソース電極及びドレイン電極に接続されており、
前記第一の導電層はゲート電極であるトランジスタの駆動方法であって、
前記第二の絶縁層が、前記半導体層側から順に、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜とを含んでおり、前記シリコン酸化膜は、前記シリコン窒化膜並びに前記ソース電極およびドレイン電極の形成前に形成される、前記半導体層のチャネル領域を覆うチャネル保護層であり、
前記第二の導電層に、
VBG≦VT1×C1/(C1+C2)
C1:前記第一の絶縁層の単位面積当たりの容量
C2:前記第二の絶縁層の単位面積当たりの容量
VT1:トランジスタのフラットバンド電圧
を満たす電圧VBGを印加することを特徴とするトランジスタの駆動方法。 - 前記トランジスタは、チャネル層として非晶質酸化物半導体を用いていることを特徴とする請求項1又は2に記載のトランジスタの駆動方法。
- 前記第一の絶縁層が、シリコン窒化膜であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のトランジスタの駆動方法。
- 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の駆動方法で駆動されるトランジスタを含むことを特徴とする表示装置。
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