JPS6159779A - 薄膜トランジスタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、焦電型赤外検出器のような受光素子。

ＥＬ表示装置のような発光素子等の駆動に使用される薄
膜トランジスタ（以下ＴＰＴと略す）に関するものであ
る。

従来例の構成とその問題点 一般的なＴＰＴについて第１図で説明する。

ＴＰＴは、絶縁基板１の上にゲート電極２、これを被覆
する酸化物層３Ｊその上に半導体層４、前記半導体層４
の両端に接触するソース電極５およびドレイン電極６に
より構成されている。

絶縁基板１としては、ガラスまたはセラミック等が使用
される。ゲート電極２は、その材料としテアルミニウム
（Ａｔ）　、金（Ａｕ）、りｏム（Ｃｒ）等の金属が使
用され、真空蒸着、スパッタリング等の方法により、マ
スク蒸着、フォトエツチング技術を用いて形成される。

酸化物層３は、その材料として酸化アルミニウム（Ａｔ
２０３）、−酸化珪素（Ｓｉｎ）、　二酸化珪素（Ｓ　
ｉ　０２　）　ｒ窒化珪素（Ｓ１３Ｎ４）、酸化タンタ
ル（Ｔａ２０６）等が使用され、真空蒸着、スパッタリ
ング、ＣＶＤ等の方法により形成される。半導体層４は
、その材料として一般にセレン化カドミウム（ＣｄＳｅ
）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、テルル（Ｔｅ　）等が
使用され、真空蒸着、スパッタリング等の方法で形成さ
れる。

ソース電極６．ドレイン電極６としては、一般には、Ａ
ｔ、Ａｕ、Ｏｒ等の金属が用いられる。

ＴＰＴの相互コンダクタンスｇｍは以下のように表わさ
れる。

ｑｍ−ｒｐｃＯｚ（ＶＧ−ＶＴ）　−−（１）ここでＷ
はＴＰＴのチャネルの幅、Ｌはチャネルの長さ、μは半
導体層４のモビリティ、ＣｏＸは酸化膜層３の単位面積
当シの容量、ｖＧはＴＦＴのゲート電圧、ｖＴ　は閾値
電圧である。ところでＣｏＸは・ と表わされる。ここで、ε。は真空の誘電率、Ｃ１とｔ
。Ｘはそれぞれ酸化物層３の比誘電率および厚さを表わ
している。したがってｇｍを大きくするためには、Ｃ１
の大きな材料を選ぶ必要がある。

トコ口で従来、ＴＰＴにおいてドレイン電流を変化させ
るためにゲートとソースとの間に電圧を加えると、その
ゲートとソースとの間にも電流が流れ（ゲートリーク）
ＴＰＴのｑｍが小さくなるという現象が見られた。また
ゲート電圧が０でソースとドレインとの間に電圧を加え
たときのドレイン電流ｌ０ＦＦは、前記ゲートリークが
存在すれば、大きくなる。したがって、ゲート電圧を加
えたときのドレイン電流工ＯＮと”ＯＦＦとの比（以下
オン／オフ比という）は前記ゲートリークが大きくなれ
ば、いちじるしく小さくなる。

次に、前記ＴＰＴをマトリックス型ＥＩ、表示装置の駆
動に使用した場合を考えてみる。

第２図は、一般的なＴＰＴを利用したマトリックス型Ｅ
Ｌ表示装置の一絵素の回路図を示したものである。すな
わち、スイッチングトランジスタＴ１．一方の端子が前
記スイッチングトランジスタＴ、のソース端子に接続さ
れている蓄積用コンデンサＣ８，ゲート端子が前記スイ
ッチングトランジスタＴ１　のソース端子に接続され、
かつそのソース端子がコンデンサの他方の端子と接続さ
れている電力用トランジスタＴ２．および、一方の端子
が前記電力用トランジスタＴ２のドレイン端子に接続さ
れ、他方の端子が外部の高周波ドライブ電源７に接続さ
れているＥＬ素子ＣＥＬで構成されている。また、前記
スイッチングトランジスタＴ　のドレイン端子は情報信
号母線ｘ１に、ゲート端子はスイッチング信号母線Ｙ、
にそれぞれ接続され、前記蓄積用コンデンサＣ８の一方
の端子と前記電力用トランジスタＴ２　のドレイン端子
は、前記高周波ドライブ電源７に接続する共通垂直母線
Ｐに接続されている。

Ｘｌ、Ｙｌに電圧が加えられると、Ｔ１　はオン状態と
なシ、Ｃ８に電荷が蓄積され、Ｔ２のゲート電圧が上昇
するため、Ｔ２がオン状態となり、ＣＥＬが発光する。

この時、与えられた時間内にＣ３への充電を完了するた
めには、Ｔ、の工ＯＮが充分に大きくなければならない
。たとえば、Ｃ８の容量が５０ｐＦであり、２０マイク
ロ秒以内に充電を完了するため忙は、Ｘｌに加えられた
電圧を２０Ｖとすれば、工３は、５０１ＩＡ以上必要で
ある。

次にｘ４．ｙｌの電圧が０となシ、Ｔ、がオフ状態にな
ればＣＢに蓄積されている電荷は、Ｔ、のオフ抵抗を通
して放電を開始するが、Ｔ１　のオフ抵抗が十分大きけ
れば、その放電は徐々にしか行なわれず、Ｔ２のゲート
電圧は長時間高電位に保持され、Ｔ２はオン状態を維持
し、次にＸｌ、Ｙｌに電圧が加えられるまで、ＣＥＬは
発光し続ける。

この時Ｔ１の”ＯＦＦがゲートソース間のゲートリーク
などにより大きくなれば、Ｃ８に蓄積された電荷はすみ
やかに放電され、Ｔ２がオフ状態となり、ＣＥＬの発光
が停止する。したがって面順次方式の利点がそこなわれ
ることになる。

ここで、たとえばＣＥＬの発光が１０ミリ秒以上持続す
るためには、Ｔ２のゲート電圧の降下が１゜Ｖまで許さ
れるとすれば、Ｃ５の容量をｓ’ｏｐＦとしてて１　の
工○ＦＦは５ｎＡ以下でなければならない。したがって
、前記の工○Ｎの条件とあわせれば、Ｔ１のオン／オフ
比は１００００倍以上必要である〇 一方、焦電型赤外検出器の高出力インピーダンスで微少
な出力信号を低雑音でインピーダンス変換を行う目的と
してＴＰＴを用いる場合、ゲート電圧がなるべく小さく
て電流値が大きく変化するｇｍが大きいことが重要なポ
イントとなる。そのために、比誘電率ε、が５０以上で
耐圧が大きく、ゲートリークが小さなゲート酸化膜が望
まれる。

しかし比誘電率ε１が５０以上の誘電体薄膜には、チタ
ン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ストロンチウムと
いったいわゆるペロプスカイト型酸化物薄膜があるが、
耐圧が高く、欠陥における絶縁破壊が電気的に開放にす
るには、ゲート電極、ソース、ドレイン取り出し電極の
厚みと材質に制限が出て来る。通常、電極の抵抗を下げ
るためにアルミニウムで２００　ｔｔｒｍ程度の厚みが
必要であるが前記に示したペロブスカイト型酸化物薄膜
では、膜形成時に発生した欠陥のためゲートリークが太
き（ＴＰＴの動作は極めて不安定であった。一方、従来
よりゲート酸化物層に用いられている前記の酸化アルミ
ニウム、酸化タンタル等は、膜形成時に発生した欠陥に
よるリークは、電圧印加後電気的に短絡から開放状態に
なる自己回復形絶縁破壊する膜であり、絶縁性に関して
は有利であるがＣ１が小さかった。

以上説明したように、酸化物層３の材料としては、ＴＰ
Ｔのオン／オフ比を大きくするためには、比誘電率ε１
が大きく、リーク電流の甑めて小さいことが要求される
。また、ＴＰＴの安定な特性を得るためには、界面準位
の少ないことも必要である。

前記ゲートリークは、酸化物層の製造方法にも起因して
いるが、ＴＦＴのゲートリークが極めて小さく、同一基
板上および製造ロット間でのばらつきも小さくなるよう
に、各製造パラメータの正確な制御を行なうことは、非
常に困難であった。

発明の目的 本発明は、ゲートリークが極めて小さく、ｇｍが大きな
、界面準位の少ない安定な特性のＴＰＴを提供すること
を目的とする。

発明の構成 薄膜の両面に自己回復形絶縁破壊する絶縁膜を配した積
層構造を持つ複合酸化価膜であることを特徴とする。

実施例の説明 本発明によるＴＰＴの具体的な一実施例を第３図を用い
て説明する。ガラスからなる絶縁基板７上に２０００人
程度０膜厚を有するＡＩからなるゲート電極８が設けら
れている。その上には、絶縁層９ａ、９ｃ及び誘電体層
９ｂの積層体である酸化物層９が設けられている。絶縁
層９＆及び９Ｃは、ＢａＴａ２Ｏ６からなるセラミック
ターゲットを、アルゴン８０％、酸素２０％の混合ガス
中で高周波マグネトロンスパッタすることにより形成し
た、１ｏｏＯ人程度の膜厚を有する自己回復型絶縁破壊
する膜である。誘電体層９ｂは、ＳτＴ　ｉ　Ｏａを主
成分とするセラミックターゲットを、アルゴン２０　％
、酸素ｓｏ％の混合ガス中で高周波マグネトロンスパッ
タすることにより形成した２００ＯＡ程度の膜厚を有す
る高誘電率を持つ膜である。酸化物層９の上には、５０
０人程鹿の膜厚を有するＣｄＳｅからなる半導体層１０
が、その上には１ｏｏＯ人程度の膜厚を有するＡｌから
なるソース電極１１およびドレイン電極１２が積層され
ている。

本発明によるＴＰＴでは、ゲートリークが非常に小さい
ため、ｌ０ＦＦは１ｎ八以下となり、酸化物層９０比誘
を率Ｅ１は、約３２とＡ１２Ｏ３の７に比べ約５倍近く
大きく、オン／オフ比は容易に１Ｃ４以上となり、マト
リックス型ＥＬ表示装置の駆動用ＴＰＴとしても十分使
用できる。また、ｑｍがゲート酸化膜にＡｌ２Ｏ３を用
いたＴＰＴに較べ、同−ドレイン電流で４倍以上となる
ためゲート電圧が６ｖ程度でもオン／オフ比が１ａ程度
と非常に大きくなり微小信号を扱う焦電型赤外検出器に
組み込む低雑音のインピーダンス変換器としても十分使
用可能である。

また、ＣｄＳｅとこのＢａＴａ２Ｏ６，５ｒＴｓｏ３゜
ＢａＴａ２Ｏ６の積層構造を持つ酸化物層との界面特性
は良好であり、経時変化の少ない安定なＴＰＴが得られ
た。

Ｂ　ａ　Ｔ　＆２０ｓの代りに、ＰｂＮｂ２Ｏ６゜Ｐ　
ｂ　ｏ　、　ｅ　Ｓ　ｒ　ｏ　、４　Ｎ　ｂ　２０６　
、Ｂ　ａ　ｏ　、ａ　Ｓ　ｒ　ｏ　、２Ｎ　ｂ　２０　
ｅのターゲットを用いて同様なＴＰＴを作製した時の特
性は、いずれも良好であった。このことからタングステ
ンブロンズ型酸化物が、本発明の積層構造を作る際極め
て有利であることがわかる。またペロブスカイト型酸化
物と積層することにより高誘電率、高耐圧、低リーク電
流にすることができる。さらに、自己回復型絶縁破壊す
る膜としてＡｌ−Ｔａ−０，Ａ６２０３，５ＩＯ２，５
Ｌ３Ｎ４　を用いてもε１を大きくでき、リーク電流の
少ないＴＰＴができた。

発明の効果 以上のように本発明によれば、ゲート酸化物層として、
リーク電流が小さく比誘電率の大きい自己回復型絶縁破
壊する絶縁膜を高誘電率を持つ誘電体膜の両側に配した
積層構造を持つ酸化物層を使用することにより、”　Ｏ
ＦＦが小さく、オン／オフ比の大きいＴＰＴを提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のＴＰＴの断面図、第２図はＴＰＴを用い
たマ）　ＩＪックス型ＥＩ、表示装置の一絵素の回路の
概略図、第３図は本発明の一実施例を示すＴＰＴの断面
図である。 ７・・・・・・絶縁基板、８・・・・・・ゲート電極、
９・・・・・・酸化物層、９ａ、９ｃ・・・・・・自己
回復型絶縁破壊する絶縁層、９ｂ・・・・・・比誘電率
５０以上の誘電体層、１ｏ・・・・・・半導体層、１１
・・・・・・ソース電極、１２・・・・・・ドレイン電
極。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 ？ 第２図 ｘ′Ｉ 第３図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体層とゲート電極との間のゲート酸化物層が
   、比誘電率５０以上の誘電体薄膜の両面に自己回復形絶
   縁破壊する絶縁膜を配した積層構造を持つ複合酸化物膜
   であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
2. （２）比誘電率５０以上の誘電体薄膜が、チタン酸スト
   ロンチウムを主成分とすることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の薄膜トランジスタ。
3. （３）自己回復形絶縁破壊する絶縁膜が、タングステン
   ブロンズ型酸化物からなるターゲットを用いてスパッタ
   により形成された薄膜であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の薄膜トランジスタ。
4. （４）自己回復形絶縁破壊する絶縁膜が、ＡＢ＿２Ｏ＿
   ６なる化学式で表記され、上記一般式中のＡがＢａ、Ｐ
   ｂ、Ｓｒ、ＣａおよびＣｄよりなるグループのなかから
   選ばれた少なくとも一種からなり、同ＢがＴａ、Ｎｂの
   内少なくとも一種からなることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の薄膜トランジスタ。