JPS63205961A - マルチゲート薄膜トランジスタ - 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、Ｉ・ランジスタの性能を最適化し、より大き
な電流出力を得るために、電荷移送層に対する電子と正
孔の注入を独立に制御する薄膜トランジスタに関するも
のである。

発明が解決しようとする課題 係属中の米国特許出願節８３９，４０３号（１９８６年
３月１４日出願）、発明の名称「改良型の高電圧薄膜ト
ランジスタ」は、注入電極、コレクタ電極、およびチャ
ンネル領域に対する制御ゲート電極の配向に特徴がある
デバイスを開示している。ゲートは、チャンネルの導電
率を変えるためでなく、向かい合った注入電極から、両
者の間にはさまれた電荷キャリヤ移送層へ電荷キャリヤ
の注入を制御するために使用される。電荷キャリヤが移
送層に注入されると、電荷キャリヤは、コレクタ電極の
電位によって生じた電界の影響を受け、空間電荷制限に
より、移送層のチャンネル領域を横切ってドリフトする
。チャンネル領域の抵抗は、本質的に、ゲート電圧の変
化による影響を受けない。前記米国特許出願のデバイス
と同様に、本発明の薄膜トランジスタの利点は、非晶質
半導体デバイスの製造に利用可能な、独特な融通性と簡
易性のある処理工程から得られるものであり、非晶質シ
リコンなど、ハイバンド・ギャップ物質のかなり独特な
電荷移送性質に基づいている。これらの物質は、比較的
低い（３５０°Ｃ以下）温度で、カラスやセラミ・ツク
スなどの大面積の非結晶基板の上に一様に蒸着すること
ができ、大きな面積のトランジスタ構造の配列を容易に
作ることができる。２つの特別な性質が、ここに記載す
る独自のデバイスの動作を可能にしている。これら２つ
の性質とは、デバイスを誘電体のようにふるまわせる高
い抵抗率と、注入された電荷キャリヤがデバイスを通っ
てドリフトすることを許し、電流を生じさせる能力であ
る。非晶質ケイ素ゲルマニウムや非晶質窒化ケイ素は、
移送層としても運ぶことができる物質である。

前記米国特許出願のデバイスは、５００〜６００ボルト
の高電圧のスイッチングが可能であるが、電流出力は、
比較的小さく、１０−７アンペア程度である。

本発明は、注入接点から電荷移送層へ正反対に荷電され
たキャリヤの注入を制御し、より高い電流出力が得られ
るように、前記米国特許出願のデバイスを改良すること
を目的としている。

課題を解決するための手段 上記の目的は、−ｑ様として、適当な基板の上に薄膜ト
ランジスタを設けることによって　達成することができ
る。デバイスは、非晶質半導体の電荷移送層と、それぞ
れが前記電荷移送層に接し、前記移送層のチャンネル領
域によって互いに横方向に隔てられた電子注入電極と正
孔注入電極を備えている。前記注入電極のそれぞれに対
して、注入制御ゲート電極が組み合わされ、向かい合っ
て配置されている。各ゲート電極は、移送層からゲート
誘電体層だけ隔てられているので、電荷注入電極から移
送層とゲート誘電体層の厚さの相だけ離れている。また
ゲート電極は、互いに、電荷注入電極間の横の間隔とほ
ぼ同じ距離だけ横方向にはなれているので、ゲート電極
は、チャンネル領域の主要部とは重なっていない。

実施例 第１図に、本発明に従って改良され、性能が強化された
前記米国特許出願の薄膜トランジスタ１０を示す。トラ
ンジスタ１０は、適当な物質たとえばガラスまたはセラ
ミックスで作られた基板１２を有し、その上に金属ゲー
ト１４が蒸着されている。金属ゲート１４はＣｒ、　Ｎ
ｉＣｒ、その他の物質がよいであろう。基板１２とゲー
ト１４の上に、ゲート誘電体層１６（通例は、窒化ケイ
素または二酸化ケイ素）があり、その上に、ドーピング
しないまたは薄くドーピングした非晶質半導体物質（非
晶質シリコンが好ましい）から成る電荷キャリヤ移送層
１８がある。゛移送層に接しているパッシベーション誘
電体層２０は、通例は、ゲート誘電体層１６と同じ物質
である。パッシベーション誘電体層２０にエツチングさ
れた窓２２は、注入室ｆｉ２４　（ソース）とコレクタ
電；［！２Ｇ　（トレイン）を物理的および電気的に移
逆層１８に接触させるための開口になっている。ソース
電極２４とドレイン電極２６（非晶質シリコンで作られ
たものが好ましい）は、注入電極が所望のタイプの電荷
キャリヤ、すなわち電子（ｎ”）または正孔（ｐ゛）を
与え、コレクタ電極がそれらを受は取るように、適切に
ドーピングされている。ソース電極２４とドレイン電極
２６のそれぞれの上に、適当な導体たとえばアルミニウ
ムで作られたソース接点２８とドレイン接点３０がある
。

ソース電極２４とゲート１４の空間的関係により、それ
ぞれの問題の部分は、ドレイン電極２６に最も近い方の
縁であり、トレイン電極から遠い方の縁は、このデバイ
スの動作にほとんど関係がない。

移送層１８のチャンネル領域３２は、ゲート／ソースミ
電極とドレイン電極との間の横距離にわたって延びてい
る。移送層の高い抵抗率（一般に、１０９ｏ１０９ｏｈ
以上）と、長いチャンネル領域（約２０ミクロン）のせ
いで、高電位のドレインとソース電＆／ゲートとの間で
絶縁破壊することなく、チャンネルは、数百ボルトの高
電位を維持することができる。ソース電極とドレイン電
極間の広い間隔（約２０ミクロン）に比べて、ソース電
極とグー１〜電極間の間隔が狭い（約１００ナノメート
ル）ので、ゲー１〜に対する非常に低いスイッチング電
位（約１５ボルト以下）で、オフ状態では、ソースから
移送層への電荷キャリヤの注入を抑止し、オン状態では
、ソースから移送層へ電荷キャリヤの注入を生じさせる
ことができる。電荷キャリヤは、移送層に′注入される
と、非常に高い（数百ボルト）電極間の電界の影響を受
り、トレインへドリフトし、約１０−７アンペアの電流
を生じさせる。

第２図に、本発明の一態様を示す。いろいろな層と要素
を構成する物質は、第１図の構造に使用されているもの
と同じか、または同等物であることを理解されたい。薄
膜四極デバイス３４は、第１図のデバイス１０よりも優
れた改良型デバイスであり、かなり高い電流出力を有す
る。この薄膜四極デバイス３４では、基板３６の上に、
第１ゲート３８、間隔をおいて横に配置された第２のゲ
ート４０、およびゲート誘電体層４２が支持されている
。誘電体層４２の上に、電荷キャリヤ移送Ｊ１４４があ
り、移送層４４自体は、電子注入電極５２と正孔注入電
極５４を受は入れる窓４８．５０が設けられたパッシベ
ーション層４６を支持している。第１図のデバイスと同
様に、移送層は、ドーピングされていないか、非常に薄
くドーピングされている。２つの注入電極は、それぞれ
電子と正孔を注入するため、ｎ゛とｐ＋に正反対にドー
ピングされている。電極５２と５４の上には、金属接点
５６．５８がある。

第１ゲート電極３８と第２ゲート電極４０は、それぞれ
、電子注入電極５２と正孔注入電極５４に向かい合って
配置されており、それで各ゲート電極の横方向に最も近
い縁は、電子注入電極および正孔注入電極の横方向に最
も近い縁の場合よりも、互いにわずか接近している。こ
の改良型デバイスの寸法は、第１図の高電圧薄膜トラン
ジスタの寸法とほぼ同じである。第１図のデバイスの場
合と同様に、ゲート電極は、電荷キャリヤ移送層４４へ
の電荷ギヤリヤの注入率を制御する作用をし、電荷キャ
リヤは移送層４４を通って反対側の注入電極へドリフト
し、その電極によって集められる。このように、移送層
に対する正反対の符号の電荷キャリヤの注入を制御する
ために、マルチゲートが用いられる。

第３図に、四極デバイス３４の代替態様３４′を示す。

その移送層は、真性半導体であるか、または　　　ｐ４
に薄くドーピングされており、もし第２制御電極を除去
して、金属接点５８′を移送層４４′に接触させれば、
正孔の注入も可能であろう。

第２図および第３図のデバイスは、電子注入電極５２お
よび正孔注入電極５４７５４　’から移送層４４／４４
’への電子および正孔の注入を独立して制御することが
可能である。制御ゲート３８．４０に加える電位を適切
に選べば、各タイプの最適な数の電荷キャリヤを注入し
、一種類のキャリヤの注入を制御して得られたよりも高
い電流出力を達成することができる。電荷キャリヤは、
移送層に注入されると５反対側の電極ヘトリフトする。

第１図のデバイスにおいては、一種類のキャリヤの注入
が行われる。マルチゲートを用いて、移逆層に対する二
種類のキャリヤの注入を独立に制御できるようにすれば
、全電荷移送量は、増加する。しかし、この付加効果に
基づき大きな電流が期待されるにもかかわらす、正孔は
、電子よりも移動度が小さいので、そのようにはならず
、多くのキャリヤは、反対側の電極へ全く流れないであ
ろう。最適に、注入された電子と正孔が同数であれば、
期待できる最良の場合は、電流が１０〜３０％増加する
はずである。非晶質シリコンの場合、移動度の差は、か
なり大きく、増加電流のの予想値は、約１％に過ぎない
。都合の良いことに、この独特のデバイスの場合、増加
電流は、両符号の電荷キャリヤの移送の付加効果のみで
なく、空間電荷制限にも基づいている。

この薄膜四極デバイスの移送層を通る空間電荷制限電流
は、電荷注入電極間に加わる電圧差によって維持できる
正味電荷に基づいている。電荷移送層４４内の電子およ
び正孔のプラズマは、そこを通過する全電荷量を表して
いる。この全電荷量により、電流が流れるのである。一
種類の電荷キャリヤのみを制御する場合のようにく第１
図）、一種類の電荷キャリヤが移送層に注入される場合
は、全電荷と正味電荷が、同じであろう。電子のほかに
大量の正孔を移送層に独立して制御し、導入すれば、こ
れらの電荷キャリヤは、外界に関して相互に中和するの
で、全電荷を、正味電荷よりかなり大きくすることがで
きる。実電流は、全電荷によって運ばれ、正味電荷によ
って運ばれるのでないから、この四極デバイスを通る電
流を、がなり増加させることが可能である。

仮定例として、ソースとドレイン間の電位差が１０個の
電子の正味電荷を維持している第１図の形式のデバイス
を考える。全電荷の移送は、１０であり、一定の電流が
生じる。次に、上に述べた四極デバイスを考える。もし
デバイスが１０００個の正孔と１０１０個の電子を注入
すれば、正味の電荷は、１０個の電子で変りないが、全
電荷、つまり電流は、１００倍に増加するであろう。

第４図に、第２図のデバイスをさらに改良した薄膜三極
デバイス６２を示す。このデバイス６２は、３個の制御
ゲート電極を持っている。注入電極に向かい合って配置
されたゲート電極３８”、４０″のほかに、チャンネル
領域６０″に向かい合って、第３のグー１〜電極６４が
追加されている。ゲート電極６４は、移送層４４″を通
る注入された電荷キャリヤの横方向の移送に影響を与え
る。第３ゲート電極６４に電圧を加えると、移送層を横
切る電界が生じる。

この電界は、正孔と電子をチャンネル領域の異なる区域
に動かすことによって両者を分離する働きをする。電子
は、ゲート誘電体層４２″に隣接するチャンネル領域６
０″の横区域において優勢であり、正孔は、パッシベー
ション誘電体層４６″に隣接するチャンネル領域の横区
域において優勢である。

このように、分離されるので、正孔と電子は、互いに再
結合して消滅することが防がれる。この結果、電流がさ
らに増大する。

以−ヒの開示は、実例として記載したものであること、
そして特許請求の範囲に記載した発明の真の精神と範囲
内で、構造の細部や、部品の組合せや配列についている
いろな変更が可能であること、を理解すべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、引用した米国特許出願に記載されている高電
圧薄膜トランジスタの略図、 第２図は、本発明の四極構造デバイスの略図、第３図は
、四極構造デバイスの別の実施例の略図、 第４図は、本発明の三極構造デバイスの略図である。 符号の説明 １０・・・薄膜トランジスタ、１２・・・基板、１４・
・・金属ゲー！・、　　　１６・・・ゲート誘電体層、
１８・・・電荷キャリヤ移送層、 ２０・・・パッシベーション誘電体層、２２・・・窓、
　　　　　　　２４・・・注入電極（ソース）、２６・
・・コレクタ電極（ドレイン）、２８・・・ソース接点
、　　　３０・・・ドレイン接点、３２・・・チャンネ
ル領域、 ３４．３４’・・・薄膜四極デバイス、３６・・・基板
、　　　　　　３８．３８″・・・第１ゲート電極、４
０．４０″・・・第２ゲート電極、 ４２．４２”・・・ゲート誘電体層、 ４４．４４’、４４″・・・電荷キャリヤ移送層、４６
．４６″・・・パッシベーション層、４８．５０・・・
窓、　　　　　　５２・・・電子注入電極、５４．５４
’・・正孔注入電極、５６，５８．５８’・・・金属接
点、６０．６０″・・チャンネル領域、 ６２・・・薄膜三極デバイス、６４・・・第３ゲーＩ−
電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）電荷移送層、 前記電荷移送層に接している電子注入電極、前記電荷移
   送層に接している正孔注入電極、前記電荷移送層の反対
   側の面に接している一の面を有し、前記電荷移送層の全
   横寸法とほぼ同一の広がりを持つ誘電体層、および それぞれが前記注入電極の１っに向かい合って配置され
   、それぞれの向かい合った縁が互いに前記第１の距離だ
   け横方向に離れている第１および第２制御電極、 から成り、 前記電子注入電極と前記正孔注入電極の向かい合った縁
   は、前記電荷移送層内にチャンネル領域を形成する第１
   の距離だけ互いに横方向に離れており、 前記制御電極は、前記電荷移送層から誘電体層だけ離れ
   ており、前記制御電極と前記注入電極の向かい合った面
   は、前記第１の距離よりかなり小さい第２の距離だけ離
   れており、これにより、電子と正孔を前記電荷移送層に
   選択して注入することができ、それぞれは前記チャンネ
   ル領域を横切って互いに反対の方向に移動することを特
   徴とする薄膜トランジスタ。 （２）前記注入電極は、それぞれが正反対にドーピング
   され、そのドーピングに従って電子または正孔のどちら
   かを注入することを特徴とする請求項１記載の薄膜トラ
   ンジスタ。（３）前記電荷移送層は、ドーピングされ、
   前記一方の注入電極は、正反対にドーピングされ、前記
   他方の注入電極は、前記電荷移送層に接した導電性接点
   から成ることを特徴とする請求項１記載の薄膜トランジ
   スタ。 （４）前記電荷移送層は、ｐ＾＋にドーピングされ、前
   記注入電極の１っは、ｎ＾＋にドーピングされ、前記注
   入電極の他の１っは、金属接点から成ることを特徴とす
   る請求項３記載の薄膜トランジスタ。 （５）前記第１の距離は、前記第２の距離の約１００倍
   であることを特徴とする請求項１記載の薄膜トランジス
   タ。 （６）さらに、前記チャンネル領域に向かい合い、前記
   電荷移送層から誘電体層だけ離れている第３の制御電極
   を備えており、前記第３制御電極は、注入された電子と
   正孔を前記チャンネル領域の分離された横通路内で移動
   させることにより、それらの横移送に影響を与えること
   を特徴とする請求項１記載の薄膜トランジスタ。 （７）前記電荷移送層は、非晶質シリコン層から成るこ
   とを特徴とする請求項１記載の薄膜トランジスタ。 （８）基板、 前記基板の上に支持された薄膜層から成る電荷キャリヤ
   移送手段、 前記移送手段に注入する一の符号の電荷キャリヤを提供
   する第１手段、 前記移送手段に注入する反対の符号の電荷キャリヤを提
   供する第２手段、 前記移送手段の反対面に接している誘電体層、前記第１
   電荷キャリヤ提供手段からの電荷キャリヤの注入率を制
   御する第１手段、および 前記第２電荷キャリヤ提供手段からの電荷キャリヤの注
   入率を制御する第２手段、 から成り、 前記第１注入率制御手段は、前記移送手段から前記誘電
   体層だけ離れ、前記第１電荷キャリヤ提供手段に向かい
   合って置かれ、そこから前記移送手段と前記誘電体層の
   厚さの和である垂直距離だけ離れており、 前記第２注入率制御手段は、前記移送手段から前記誘電
   体層だけ離れ、前記第２電荷キャリヤ提供手段に向かい
   合って置かれ、そこから前記垂直距離だけ離れており、 前記第１および第２電荷キャリヤ提供手段は、前記移送
   手段の第１の面に物理的および電気的に接触して配置さ
   れ、かつ前記移送手段内にある長さのチャンネル領域を
   定める第１の横距離だけ互いに離れており、 前記第１および第２注入率制御手段は、互いに、前記チ
   ャンネル領域とほぼ同じ長さの第２横距離だけ離れてい
   ることを特徴とする固体電子デバイス。 （９）前記第１および第２電荷キャリヤ提供手段は、正
   反対にドーピングされ、それぞれは、そのドーピングに
   従って電子または正孔のどちらかを注入することを特徴
   とする請求項８記載の固体電子デバイス。 （１０）さらに、前記移送手段を通る電荷キャリヤの移
   送を制御する手段を備えており、前記移送制御手段は、
   注入された電子および正孔を前記チャンネル領域の分離
   された横通路内で動かすことによって電子および正孔の
   横移送に影響を与えるため、前記誘電体層の前記移送手
   段から遠い方の面に接していることを特徴とする請求項
   ８記載の固体電子デバイス。 （１１）互いに第１の距離だけ横方向に離れ、向かい合
   った縁を有する電子注入電極および正孔注入電極、 前記両注入電極に接している一の面と、前記第１の距離
   にわたるチャンネル領域を有する電荷移送層、 前記電荷移送層の反対側の面に接している一の面を有し
   、前記電荷移送層の全横寸法とほぼ同一の広がりを持つ
   誘電体層、および 前記誘電体層の反対側の面に接している第１および第２
   の制御電極、 から成り、 前記第１および第２制御電極は、それぞれ、前記注入電
   極の１っに重なり、前記制御電極の向かい合った縁は、
   互いに横方向に前記第１の距離だけ離れ、前記制御電極
   および前記注入電極の向かい合った面は、前記第１の距
   離よりかなり小さい第２の距離だけ離れており、これに
   より、電子と正孔を前記電荷移送層に選択して注入する
   ことができ、それぞれは、前記チャンネル領域を横切っ
   て互いに反対の方向に移動することを特徴とする薄膜ト
   ランジスタ。