KR102008754B1 - 표시 장치와 이의 제조 방법 - Google Patents

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KR102008754B1
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Abstract

극단적으로 낮은 오프 전류를 보이는 트랜지스터를 포함하는 표시 장치가 개시된다. 오프 전류를 감소시키기 위하여, 밴드 갭이 규소 반도체의 것보다 큰 반도체 재료가 트랜지스터를 형성하기 위하여 사용되며, 반도체 재료의 캐리어 도너로 동작하는 불순물의 농도가 감소된다. 특히, 밴드 갭이 2eV 이상, 바람직하게는 2.5eV 이상이고, 보다 바람직하게는 3eV 이상의 산화물 반도체가 트랜지스터의 반도체층을 위해 사용되고, 포함된 캐리어 도너로 동작하는 불순물의 농도가 감소된다. 그 결과, 트랜지스터의 오프 전류가 실온에서 채널 폭 1마이크로미터당 10 zA/㎛ 미만, 85 ℃에서 100 zA/㎛ 미만으로 감소될 수 있다.

Description

표시 장치와 이의 제조 방법{DISPLAY DEVICE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명의 한 실시형태는 산화물 반도체를 이용한 전계 효과 트랜지스터를 포함하는 표시 장치에 관한 것이다.
액정의 구동 소자로 비정질 규소를 사용하는 박막 트랜지스터를 포함하는 액정 표시 패널은 컴퓨터의 모니터와 액정 텔레비전과 같은 시판 제품들에 폭넓게 사용된다. 비정질 규소를 사용하는 박막 트랜지스터의 제조 기술은 이미 확립되어 있으며 60인치보다 큰 액정 패널이 생산되었다.
비정질 규소를 사용하는 박막 트랜지스터의 동작 속도가 느리고 어떠한 더 이상의 고성능이 예상될 수 없기 때문에, 폴리실리콘(polysilicon)을 사용하는 박막 트랜지스터의 개발이 진행되고 있다. 그러나, 폴리실리콘을 형성하기 위한 결정화 단계가 필요하고, 이는 트랜지스터 특성들의 변화를 초래하고, 패널 영역의 대형화를 억제한다.
그에 반해, 규소계 재료 이외의 트랜지스터 재료로서 산화물 반도체 재료가 관심을 끌고 있다. 산화물 반도체 재료로서, 산화 아연 또는 산화 아연 함유 물질이 알려져 있다. 각각이 1018/cm3 미만의 전자 캐리어 농도를 갖는 비정질 산화물(산화물 반도체)을 이용하여 형성되는 박막 트랜지스터들이 개시되었다.(특허 문헌 1 내지 3 참조)
일본 공개 특허 공보 번호 제2006-165527호 일본 공개 특허 공보 번호 제2006-165528호 일본 공개 특허 공보 번호 제2006-165529호
산화물 반도체가 1018/cm3 미만의 전자 캐리어 농도를 갖지만, 산화물 반도체는 실질적으로 n형 산화물 반도체이고, 특허 문헌들에서 개시된 박막 트랜지스터들의 온-오프 비율은 단지 약 103이다. 이러한 박막 트랜지스터들의 낮은 온-오프 비율의 이유는 높은 오프 전류이다.
예를 들어, 액정 패널에서, 각 화소는 액정을 구동하는 화소 전극에 병렬로 제공된 저장 커패시터를 포함한다. 트랜지스터는 화소 전극 및 저장 커패시터로 화상 신호를 인가하도록 온 상태가 되고, 따라서 전위가 액정으로 인가되며 저장 커패시터는 주어진 전위로 변화된다. 이러한 기록 동작이 완성하면, 다음 화상 신호가 인가될 때까지 트랜지스터는 오프 상태가 된다. 이때, 트랜지스터의 오프 전류가 높으면, 액정으로 인가된 전위는 변동되고(fluctuated) 저장 커패시터에 저장된 전하들은 방전된다.
화소에서, 트랜지스터의 오프 전류(i), 저장 커패시터(C), 전압 변동(V), 그리고 유지 시간(T) 사이의 관계가 CV=iT로 표현될 수 있다. 예를 들어, 트랜지스터의 오프 전류가 0.1 pA일 때, 저장 커패시터의 정전(electrostatic) 용량은 o.1 pF이며, 한 프레임 기간은 16.6 ms이고, 한 프레임 중의 화소의 전압 변동(V)은 다음과 같이 된다:
Figure 112018065774541-pat00001
액정의 최대 구동 전압은 5V이며 256 계조(grayscale)가 표시되는 경우에, 1 계조에 대한 계조 전압은 약 20mV이다. 상술된 바와 같이 화소의 전압 변동이 16.6mV일 때, 이는 약 1 계조에 대한 계조 전압에 대응한다. 또한, 1024 계조가 표시되는 경우에, 1 계조에 대한 계조 전압은 약 5mV이며, 화소의 전압 변동이 16.6mV일 때, 이는 4 계조들에 대한 계조 전압에 대응하고 따라서 오프 전류로 인한 전압 변동의 영향이 무시될 수 없다. 그 결과, 표시 패널에 포함된 트랜지스터의 온 상태의 특성들(온 전류 및 전계 효과 이동도와 같은) 뿐만 아니라 오프 전류의 영향이 고려되어야 한다.
본 발명의 한 실시형태의 목적은 안정한 전기적 특성들(예를 들면, 오프 전류가 극단적으로 감소되는)을 갖는 트랜지스터를 포함하는 표시 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시형태는 오프 전류가 극단적으로 낮은 레벨로 감소되는 트랜지스터를 사용하는 것에 의해 높은 화상 품질을 갖는 표시 장치를 제공한다. 본 발명의 한 실시형태에서, 트랜지스터의 오프 전류를 감소시키기 위하여, 그의 금제대(forbidden band)의 폭(밴드 갭)이 규소 반도체의 것보다 큰 반도체 재료가 트랜지스터를 형성하기 위하여 사용되며, 반도체 재료의 캐리어 도너(donor)로 동작하는 불순물의 농도가 감소된다. 따라서, 에너지 갭이 2eV 이상, 바람직하게는 2.5eV 이상, 보다 바람직하게는 3eV 이상의 산화물 반도체가, 산화물 반도체에서 캐리어 도너로 동작하는 불순물의 농도를 감소시키기 위하여 트랜지스터의 반도체층(채널 형성 영역을 형성하는 층)을 위해 사용된다. 그 결과, 트랜지스터의 오프 전류가 실온에서 채널 폭 1마이크로미터당 10 zA/㎛ 미만, 85 ℃에서 100 zA/㎛ 미만으로 감소될 수 있으며, 이는 극단적으로 낮은 레벨이다.
본 발명의 한 실시형태는 화상을 표시하고 화소들이 매트릭스로 배열되는 표시 패널을 포함하는 표시 장치이다. 각 화소는 각각이 다음 구성요소들을 포함하는 하나 이상의 유닛들을 포함한다: 게이트 절연층을 개재하여 게이트 전극과 중첩하도록 산화물 반도체층이 제공되는 트랜지스터; 액정을 구동하고 트랜지스터의 소스측 또는 드레인측에 접속되는 화소 전극; 화소 전극과 대향하도록 제공된 대향 전극; 그리고 화소 전극과 대향 전극 사이에 제공된 액정층. 트랜지스터의 오프 전류는 실온에서 채널 폭 1마이크로미터당 10 zA/㎛ 미만, 85 ℃에서 100 zA/㎛ 미만이다. 이러한 표시 장치에서, 액정을 구동하기 위해 화소 전극에 접속되도록 일반적으로 제공되고 액정층으로 병렬로 제공되는 저장 커패시터가 생략될 수 있다. 대안적으로, 저장 커패시터는 적절하게 제공될 수 있다.
트랜지스터의 소스 전극과 드레인 전극은 금속 질화물을 함유할 수 있다는 것에 주의한다. 트랜지스터의 게이트 전극은 절연층을 사이에 개재하여 산화물 반도체층의 하단측(기판측), 상단측(기판측의 반대측), 또는 양측들 상에 제공될 수 있다. 또한, 온 상태에서 최대 전계 효과 이동도가 5 cm2/Vsec 이상, 바람직하게는 10 cm2/Vsec 내지 150 cm2/Vsec인 트랜지스터가 사용된다. 이는 트랜지스터의 동작 속도를 증가시키는 것에 의해, 화소의 밀도가 증가하는 경우에도 기록 동작 등이 빠르게 수행될 수 있기 때문이다.
본 발명의 한 실시형태에 따라, 오프 전류가 충분히 감소되는 트랜지스터를 사용하는 것에 의해 화소로 인가된 신호 전압이 안정적으로 유지될 수 있다. 그 결과, 주어진 상태(화상 신호가 기록되는 상태)에서 화소로의 신호 입력이 유지될 수 있으며, 따라서 화상이 안정적으로 표시될 수 있다. 화소의 전압 변동을 감소시키는 것에 의해, 다계조(multi-grayscale) 표시가 쉽게 수행될 수 있다.
도 1은 실시형태 1에 따른 액정 표시 장치의 구조를 도시하는 블록도이다.
도 2a 및 2b는 실시형태 2에 따른 텔레비전 수신기의 구조를 도시하는 도면들이다.
도 3a 및 3b는 실시형태 3에 따른 모니터의 구조를 도시하는 도면들이다.
도 4a 내지 4c는 각각이 액정 표시 장치의 백라이트(backlight)의 예를 도시하는 도면들이다.
도 5a 내지 5c는 액정 표시 장치의 백라이트의 예들을 도시하는 도면들이다.
도 6a 내지 6d는 각각이 액정 표시 장치로 적용될 수 있는 트랜지스터의 일례를 도시하는 도면들이다.
도 7a 내지 7e는 산화물 반도체층을 포함하는 트랜지스터의 일례와 이의 제조 방법의 일례를 도시하는 도면들이다.
도 8은 산화물 반도체를 포함하는 트랜지스터의 Vg-Id 특성들의 일례를 도시하는 그래프이다.
도 9는 산화물 반도체를 포함하는 트랜지스터의 Vg-Id 특성들의 오프 상태 특성들을 설명하는 그래프이다.
도 10는 소스-드레인 전압(Vg)과 오프 전류(Id) 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 11a 및 11b는 본 발명에 따른 전자 서적 리더의 일례를 도시하는 도면들이다.
도 12는 본 발명에 따른 컴퓨터의 일례를 도시하는 도면이다.
도 13은 액정 표시 장치의 화소의 일례를 도시하는 평면도이다.
도 14는 액정 표시 장치의 화소의 일례를 도시하는 단면도이다.
이하로, 본 발명의 실시형태들이 첨부 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 그러나, 본 명세서에 개시된 본 발명은 다음 설명에 제한되지 않으며, 모드들 및 상세한 설명들이 본 발명의 목적과 범주로부터 벗어남이 없이 다양하게 변경될 수 있다는 것이 당업자에 의해 쉽게 이해된다. 따라서, 본 명세서에 개시된 본 발명은 다음 실시형태들의 기술 내용으로 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다.
실시형태들에서 도면들을 참조하여 설명되는 경우에, 일부 경우들에서 참조 번호들은 다른 도면들의 동일한 구성요소들을 나타내는데 사용된다. 도면들에서 예시된 구성요소들, 즉, 층, 영역 등의 두께 또는 폭, 상대적인 위치 등은 실시형태들의 설명의 명확성을 위해 일부 경우들에서 과장된다는 것에 주의한다.
(실시형태 1)
본 실시형태에서, 본 발명의 액정 표시 장치의 한 모드가 도 1을 참조하여 설명된다.
본 실시형태에서 보여진 액정 표시 장치(100)의 각 구성요소의 일례가 도 1의 블록도에 도시된다. 액정 표시 장치(100)는 전원(116), 표시 제어 회로(113), 그리고 표시 패널(120)을 포함한다. 투과형 액정 표시 장치 또는 반투과형 액정 표시 장치의 경우에, 조명 유닛(백라이트)부가 광원으로서 또한 제공될 수 있다.
액정 표시 장치(100)와 접속되는 외부 기기로부터 화상 신호(화상 신호(Data))가 액정 표시 장치(100)로 공급된다. 전원 전위(고전원 전위(Vdd), 저전원 전위(Vss), 및 공통 전위(Vcom))는 액정 표시 장치의 전원(116)을 켜고 전력 공급을 시작하는 것에 의해 공급되고, 제어 신호(시작 펄스(SP) 및 클록 신호(CK))는 표시 제어 회로(113)에 의해 공급된다는 것에 주의한다.
고전원 전위(Vdd)는 기준 전위보다 높은 전위이고, 저전원 전위(Vss)는 기준 전위 이하의 전위라는 것에 주의한다. 고전원 전위(Vdd)와 저전원 전위(Vss) 모두 트랜지스터가 동작하는 것을 허용하는 레벨을 갖는 것이 바람직하다. 고전원 전위(Vdd)와 저전원 전위(Vss)는 일부 경우들에서 일괄적으로 전원 전압으로 불린다.
공통 전위(Vcom)는, 고정 전위로서 화소 전극에 공급된 화상 신호의 전위에 대해 기준으로 사용되는 한 임의의 전위일 수 있다. 예를 들어, 공통 전위는 접지 전위일 수 있다.
화상 신호(Data)는 도트 반전(dot inversion) 구동, 소스선 반전 구동, 게이트선 반전 구동, 프레임 반전 구동 등에 따라 액정 표시 장치(100)로 공급되도록 적절하게 반전될 수 있다. 화상 신호가 아날로그 신호인 경우에, 액정 표시 장치(100)로 공급되도록 A/D 컨버터 등을 통하여 디지털 신호로 변환될 수 있다.
본 실시형태에서, 고정 전위인 공통 전위(Vcom)가 전원(116)으로부터 표시 제어 회로(113)를 통하여 공통 전극(128)의 한 전극과 커패시터(210)의 한 전극으로 공급된다.
표시 제어 회로(113)는 표시 패널 화상 신호(Data), 제어 신호(구체적으로, 시작 펄스(SP)와 클록 신호(CK)와 같은 제어 신호의 공급 또는 정지를 제어하기 위한 신호), 그리고 전원 전위(고전원 전위(Vdd), 저전원 전위(Vss), 및 공통 전위(Vcom))을 표시 패널(120)로 공급한다.
표시 패널(120)은 한 쌍의 기판들(제 1 기판과 제 2 기판) 사이에 끼워진 액정 소자(215)를 포함하며, 구동 회로부(121)와 화소부(122)가 제 1 기판 위에 제공된다. 제 2 기판에 공통 접속부(또한 커먼 콘텍트(common contact)로 칭함)와 공통 전극(128)(또한 대향 전극으로 칭함)이 제공된다. 제 1 기판과 제 2 기판은 공통 접속부를 통해 서로 전기적으로 접속되며; 따라서 공통 접속부는 제 1 기판 위에 제공될 수 있다는 것에 주의한다.
복수의 게이트선들(124)(주사선들) 및 복수의 소스선들(125)(신호선들)은 화소부(122)에 제공되고, 복수의 화소들(123)은 화소들이 게이트선들(124)과 소스선들(125)에 의해 둘러싸이도록 매트릭스로 제공된다. 본 실시형태에 도시된 표시 패널에서, 게이트선들(124)은 게이트선 구동 회로(121A)로부터 확장되며 소스선들(125)은 소스선 구동 회로(121B)로부터 연장된다는 것에 주의한다.
화소(123)는 스위칭 소자로 기능하는 트랜지스터(214)와, 트랜지스터(214)에 접속된 커패시터(210)와, 그리고 트랜지스터(214)에 접속된 액정 소자(215)를 포함한다.
액정 소자(215)는 액정의 광학적 변조 작용을 사용하여 광의 투과와 비투과를 제어하는 소자이다. 액정의 광학적 변조 작용은 액정에 인가된 전계에 의해 제어된다. 액정에 인가된 전계의 방향은 액정 재료, 구동 방법, 그리고 전극 구조에 따라 다르며, 적절하게 선택될 수 있다. 예를 들어, 액정층의 두께 방향(소위 수직 방향)으로 전계가 인가되는 구동 방법이 사용되는 경우에, 액정이 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 개재되도록 화소 전극과 공통 전극이 제 1 기판과 제 2 기판 상에 각각 제공된다. 액정에 기판 면내 방향(소위 수평 방향)으로 전계가 인가되는 구동 방법이 사용되는 경우에, 화소 전극과 공통 전극은 동일 기판 상에 제공될 수 있다. 화소 전극과 공통 전극은 다양한 개구 패턴들을 갖는다. 본 실시형태에 액정 소자가 광학적 변조 작용에 의해 광의 투과 또는 비투과를 제어한다면 액정 재료, 구동 방법, 그리고 전극 구조에 특별한 제한은 없다.
트랜지스터(214)의 게이트 전극은 화소부(122)에 제공된 복수의 게이트선들(124) 중 하나에 접속되고, 트랜지스터(214)의 소스 전극와 드레인 전극 중 하나는 복수의 소스선들(125) 중 하나에 접속되며, 트랜지스터(214)의 소스 전극과 드레인 전극들 중 다른 하나, 커패시터(210)의 전극들 중 하나, 그리고 액정 소자(215)의 하나의 전극(화소 전극)은 서로 접속된다.
오프 전류가 감소되는 트랜지스터가 트랜지스터(214)로서 사용되는 것이 바람직하다. 트랜지스터(214)가 오프일 때, 트랜지스터(214)에 접속되는 커패시터(210)와 액정 소자(215)에 축적된 전하들은 트랜지스터(214)를 통해 거의 누설되지 않고, 트랜지스터(214)가 오프 되기 전에 기록된 신호가 다음 신호가 기록될 때까지 안정적으로 유지될 수 있다. 따라서, 화소(213)는 커패시터(210)를 사용하지 않고 형성될 수 있다.
이러한 구조로, 커패시터(210)는 액정 소자(215)에 인가된 전압을 매우 안정적으로 유지할 수 있다. 커패시터(210)의 전극은 부가적으로 제공되는 커패시터 선에 접속될 수 있다는 것에 주의한다.
구동 회로부(121)는 게이트선 구동 회로(121A)와 소스선 구동 회로(121B)를 포함한다. 게이트선 구동 회로(121A)와 소스선 구동 회로(121B)는 복수의 화소들을 포함하는 화소부(122)를 구동시키기 위한 구동 회로들이며 각각은 시프트 레지스터 회로(또한 시프트 레지스터라고 칭함)를 포함한다.
게이트선 구동 회로(121A)와 소스선 구동 회로(121B)는 화소부(122)와 동일한 기판 위에 형성될 수 있거나, 화소부(122)가 형성되는 기판과 다른 기판 위에 형성될 수 있다는 것에 주의한다.
표시 제어 회로(113)에 의해 제어되는 고전원 전위(Vdd), 저전원 전위(Vss), 시작 펄스(SP), 클록 신호(CK), 그리고 화상 신호(Data)가 구동 회로부(121)로 공급된다는 것에 주의한다.
단자부(126)는 표시 제어 회로(113)로부터 출력되는 소정의 신호들(고전원 전위(Vdd), 저전원 전위(Vss), 시작 펄스(SP), 클록 신호(CK), 화상 신호(Data), 공통 전위(Vcom) 등)을 구동 회로부(121)로 공급하는 입력 단자이다.
공통 전극(128)은 공통 접속부를 통해 표시 제어 회로(113)에 의해 제어된 공통 전위(Vcom)를 공급하는 공통 전위선에 전기적으로 접속된다.
공통 접속부의 구체적인 예로써, 절연성 구체(insulating sphere)가 금속 박막으로 덮이는 도전성 입자가 공통 전극(128)과 공통 전위선 사이에 개재되고, 따라서 공통 전극(128)과 공통 전위선이 서로 전기적으로 접속될 수 있다. 2개 이상의 공통 접속부들이 표시 패널(120) 내에 제공될 수 있다는 것에 주의한다.
또한, 액정 표시 장치는 측광 회로(photometry circuit)를 포함할 수 있다. 측광 회로가 제공된 액정 표시 장치는 액정 표시 장치가 설치되는 환경의 밝기를 검출할 수 있다. 따라서, 측광 회로가 연결되는 표시 제어 회로(113)는 측광 회로로부터의 신호 입력에 따라 백라이트 또는 사이드라이트(sidelight)와 같은 광원의 구동 방법을 제어할 수 있다.
컬러 표시가 수행될 때, 컬러 필터를 사용하여 표시가 가능하다는 것에 주의한다. 부가적으로, 다른 광학막(예: 편광막, 위상차막, 또는 반사방지막)이 사용될 수 있다. 투과형 액정 표시 장치 또는 반투과형 액정 표시 장치를 위해 사용된 백라이트와 같은 광원은 액정 표시 장치(100)의 용도에 따라 사용될 수 있으며, 예를 들면, 냉음극 형광 램프(cold cathode fluorescent lamp), 발광 다이오드(LED) 등이 사용될 수 있다. 또한, 면광원이 복수의 LED 광원들, 복수의 전계발광(EL) 광원들 등을 사용하여 형성될 수 있다. 면광원으로서, 3종류 이상의 LED들이 사용될 수 있으며 백색 발광의 LED가 사용될 수 있다. RGB 발광 다이오드들 등이 백라이트에 배치되는 경우에는 컬러 필터가 제공되지 않으며, 컬러 표시가 시분할에 의해 수행되는 연속적이고 부가적인 컬러 혼합 방법(필드 순차형 방법; field sequential method)이 채용된다는 것에 주의한다.
(실시형태 2)
본 실시형태에서, 실시형태 1에서 설명된 액정 표시 장치를 포함하는 전자 기기의 예가 설명될 것이다.
도 2a는 전자 기기인 텔레비전 수신기의 외관 도면을 도시한다. 도 2a는 실시형태 1에서 설명된 표시 패널을 이용하여 제조된 표시 모듈(701)이 제공되는 하우징(700)을 도시한다. 하우징(700)은 스피커(702), 조작키들(703), 외부 접속 단자(704), 조도 센서(705) 등을 포함한다.
도 2a에 도시된 텔레비전 수신기는 동화상 이외에 텍스트 정보 또는 정지 화상을 표시할 수 있다. 동화상이 표시부의 한 영역에서 표시될 수 있는 동안 정지 화상이 다른 영역에서 표시될 수 있다. 표시된 정지 화상은, 문자들, 도면들, 기호들, 사진들, 디자인들, 및 그림들 또는 임의의 그들의 조합을 포함한다는 것에 주의한다. 대안적으로, 채색되는 임의의 표시된 화상들이 포함된다.
도 2b는 텔레비전 수신기의 주요 구조의 블록도를 도시한다. 도 2b에 도시된 텔레비전 수신기(710)는 튜너(711), 디지털 복조 회로(712), 비디오 신호 처리 회로(713), 오디오 신호 처리 회로(714), 표시 조절 회로(715), 표시 제어 회로(716), 표시 패널(717), 게이트선 구동 회로(718), 소스선 구동 회로(719), 그리고 스피커(720)를 포함한다.
튜너(711)는 안테나(721)로부터 비디오 신호와 오디오 신호를 수신한다. 디지털 복조 회로(712)는 튜너(711)로부터의 신호를 디지털 신호의 비디오 신호와 오디오 신호로 복조한다. 비디오 신호 처리 회로(713)는 디지털 신호의 비디오 신호를 각 컬러: 적색, 녹색, 그리고 청색에 대응하는 컬러 신호로 변환한다. 오디오 신호 처리 회로(714)는 디지털 신호의 오디오 신호의 스피커(720) 등으로부터 소리로 출력되는 신호로의 변환을 수행한다. 표시 조절 회로(715)는 수신국(수신 주파수) 및 음량의 제어 정보를 외부 입력부(722)로부터 수신하며 신호를 튜너(711) 또는 오디오 신호 처리 회로(714)로 출력한다.
표시 제어 회로(716), 표시 패널(717), 게이트선 구동 회로(718), 소스선 구동 회로(719)는 실시형태 1에서 설명된 표시 제어 회로(113), 표시 패널(120), 게이트선 구동 회로(121A), 그리고 소스선 구동 회로(121B)에 각각 대응한다. 즉, 점선부(723)는 실시형태 1에서 설명된 액정 표시 장치(100)에 대응하는 구조를 갖는다. 비디오 신호 처리 회로(713)는 또한 표시 제어 회로(716)로 동작할 수 있다는 것에 주의한다.
다음, 도 3a는 전자 기기인 전자 계산기(개인용 컴퓨터) 용도의 모니터(또한 PC 모니터로 불림)의 외관 도면을 도시한다. 도 3a는 실시형태 1에서 설명된 표시 패널을 사용하여 제조된 표시 모듈(801)이 제공되는 하우징(800)을 도시한다. 하우징(800)은 스피커(802), 외부 접속 단자(803) 등을 포함한다. 도 3a에서, 모니터가 PC 모니터임을 나타내기 위하여 윈도우형 표시부(804)가 도시되어 있음에 주의한다.
도 3a에서, 소위 데스크탑형 컴퓨터의 PC 모니터의 구조가 도시되지만, PC 모니터는 랩탑 컴퓨터의 PC 모니터가 될 수도 있다. PC 모니터의 표시는 동화상 이외에, 문자들, 도면들, 기호들, 사진들, 디자인들, 및 그림들 또는 임의의 그들의 조합과 같은 정지 화상들, 또는 채색되는 임의의 정지 화상들을 포함한다는 것에 주의한다.
PC 모니터의 주요 구조의 블록도가 도 3b에 도시된다. 도 3b에 도시된 PC 모니터(810)는 비디오 신호 처리 회로(813), 오디오 신호 처리 회로(814), 표시 제어 회로(816), 표시 패널(817), 게이트선 구동 회로(818), 소스선 구동 회로(819), 그리고 스피커(820)를 포함한다.
비디오 신호 처리 회로(813)는 CPU와 같은 외부 연산 회로(821)로부터의 비디오 신호를 각 컬러: 적색, 녹색, 그리고 청색에 대응하는 컬러 신호로 변환한다. 오디오 신호 처리 회로(814)는 CPU와 같은 외부 연산 회로(821)로부터의 오디오 신호를 스피커(820) 등으로부터 소리로 출력되는 신호로 변환한다. 비디오 신호 처리 회로(813)와 오디오 신호 처리 회로(814)로부터의 신호 출력은 키보드와 같은 외부 조작 수단(822)에 의한 동작에 따라 변화한다.
표시 제어 회로(816), 표시 패널(817), 게이트선 구동 회로(818), 그리고 소스선 구동 회로(819)는 실시형태 1에서 설명된 표시 제어 회로(113), 표시 패널(120), 게이트선 구동 회로(121A), 그리고 소스선 구동 회로(121B)에 각각 대응한다. 즉, 점선부(823)는 실시형태 1에서 설명된 액정 표시 장치(100)에 대응하는 구조를 갖는다. 비디오 신호 처리 회로(813)는 또한 표시 제어 회로(816)로 동작할 수 있다는 것에 주의한다.
본 실시형태는 다른 실시형태들에서 설명된 구조들과의 적절한 조합으로 수행될 수 있다.
(실시형태 3)
본 실시형태에서, 본 명세서에서 개시된 액정 표시 장치에 적용될 수 있는 백라이트(백라이트부, 백라이트 유닛)의 구조적 예가 도 4a 내지 4c와 도 5a 내지 5c를 참조하여 설명된다.
도 4a는 소위 에지 라이트식(edge-light type) 백라이트부(5201)와 표시 패널(5207)을 포함하는 액정 표시 장치의 일례를 도시한다. 에지 라이트식은 광원이 백라이트부의 단부에 제공되고 광원의 광이 발광면 전체로부터 방출되는 형태에 대응한다.
백라이트부(5201)는 확산판(5202)(또한 확산 시트라고 칭함), 도광판(light guide plate;5203), 반사판(5204), 램프 리플렉터(lamp reflector;5205), 그리고 광원(5206)을 포함한다. 백라이트부(5201)는 또한 휘도 향상막 등을 포함할 수 있다는 것에 주의한다.
광원(5206)은 필요에 따라 광을 방출하는 기능을 갖는다. 예를 들어, 광원(5206)으로서, 냉음극 형광 램프(CCFL), 발광 다이오드, EL 소자 등이 사용된다.
도 4b는 에지 라이트식 백라이트부의 상세한 구조를 도시하는 도면이다. 확산판, 도광판, 반사판 등의 설명이 생략된다는 것에 주의한다.
도 4b에 도시된 백라이트부(5201)는 광원들로서 발광 다이오드들(LED들)(5223)이 사용되는 구조를 갖는다. 예를 들어, 백색 광을 방출하는 발광 다이오드들(LED들)(5223)이 일정한 간격으로 제공된다. 부가적으로, 발광 다이오드들(LED들)(5223)로부터의 광을 효율적으로 반사시키기 위해 램프 리플렉터(5222)가 제공된다. 표시가 필드 순차형 방법과 함께 수행되는 경우에, RGB의 각 색의 발광 다이오드들(LED들)이 광원들로 사용된다는 것에 주의한다.
도 4c는 소위 직하형(direct-type) 백라이트부와 액정 패널을 포함하는 액정 표시 장치의 일례를 도시한다. 직하형은 광원이 발광면의 바로 아래에 제공되고 광원의 광이 발광면 전체로부터 방출되는 형태에 대응한다.
백라이트부(5290)는 확산판(5291), 차광부(5292), 램프 리플렉터(5293), 광원(5294), 그리고 액정 패널(5295)을 포함한다.
광원(5294)은 필요에 따라 광을 발광하는 기능을 갖는다. 예를 들어, 광원(5294)으로서, 냉음극 형광 램프, 발광 다이오드, 발광 소자인 EL 소자(예를 들어, 유기 전계발광 소자) 등이 사용된다.
소위 직하형 백라이트부에서, 광원으로서 EL 소자의 사용으로 백라이트부의 두께가 감소될 수 있다는 것에 주의한다. EL 소자를 사용하는 백라이트부의 예가 도 5a에 도시된다.
도 5a에 도시된 백라이트부(5290)는 기판(1020) 위에 제공된 EL소자(1025)를 포함한다. EL 소자(1025)는 한 쌍의 전극들(양극(1001)과 음극(1002)) 사이에 발광 영역을 포함하는 EL층(1003)이 끼워지는 구조를 갖는다. EL 소자(1025)를 덮도록 기판, 보호막 등이 제공되어, EL 소자(1025)가 밀봉될 수 있다는 것에 주의한다.
본 실시형태에서, EL층(1003)으로부터의 광이 양극(1001)을 통해 표시 패널(5295)로 방출되기 때문에, 양극(1001)은 산화 인듐 주석(ITO)과 같은 광을 투과하는 재료를 포함할 수 있다. 음극(1002)은 알루미늄막과 같은 광을 반사하는 재료를 포함할 수 있다.
도 5a의 EL 소자(1025)의 소자 구조들의 예들이 도 5b 및 5c에 도시된다.
EL층(1003)은 적어도 발광층(1013)을 포함할 수 있으며, 발광층(1013)과는 다른 기능층들을 포함하는 적층 구조를 가질 수 있다. 발광층(1013)과 다른 기능층으로서, 높은 정공 주입성을 갖는 물질, 높은 정공 수송성을 갖는 물질, 높은 전자 수송성을 갖는 물질, 높은 전자 주입성을 갖는 물질, 바이폴라성 물질(높은 전자와 정공 수송성들을 갖는 물질) 등을 포함하는 층이 사용될 수 있다. 구체적으로, 정공 주입층(1011), 정공 수송층(1012), 발광층(1013), 전자 수송층(1014), 그리고 전자 주입층(1015)과 같은 기능층들이 적절하게 조합되어 사용될 수 있다.
다음, 상술된 EL 소자(1025)에 사용될 수 있는 재료들이 상세히 설명된다.
양극(1001)은 높은 일 함수(구체적으로, 4.0 eV 이상의 일 함수가 바람직함)를 갖는 금속, 합금, 전기 전도성 화합물, 그의 혼합물 등을 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 예를 들어, 산화 인듐 - 산화 주석(ITO: Indium Tin Oxide), 규소 또는 산화 규소를 함유하는 산화 인듐 - 산화 주석, 산화 인듐 - 산화 아연(IZO: Indium Zinc Oxide), 또는 산화 텅스텐과 산화 아연을 함유하는 산화 인듐과 같은 도전성 금속 산화물이 주어질 수 있다.
이러한 도전성 금속 산화물들의 막들은 일반적으로 스퍼터링에 의해 성막되나; 졸-겔법 등이 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 산화 인듐 - 산화 아연(IZO)은 1 내지 20 wt%의 산화 아연이 첨가되는 산화 인듐을 타겟으로 사용하는 스퍼터링법에 의해 형성될 수 있다. 산화 텅스텐과 산화 아연을 함유하는 산화 인듐은 0.5 wt% 내지 5 wt%의 산화 텅스텐과 0.1 wt% 내지 1 wt%의 산화 아연이 첨가되는 산화 인듐을 타겟으로 사용하는 스퍼터링법에 의해 형성될 수 있다.
게다가, 양극(1001)에 사용된 재료로서, 금(Au), 백금(Pt), 니켈(Ni), 텅스텐(W), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 철(Fe), 코발트(Co), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti), 금속 재료의 질화물(예: 질화 티타늄), 몰리브덴 산화물, 바나듐 산화물, 루테늄 산화물, 텅스텐 산화물, 망간 산화물, 티타늄 산화물 등을 사용하는 것이 또한 가능하다.
음극(1002)은 낮은 일 함수(구체적으로, 3.8 eV 이하의 일 함수가 바람직함)를 갖는 금속, 합금, 전기 전도성 화합물, 그의 혼합물을 사용할 수 있다. 이러한 음극 재료의 구체예로써, 주기율표의 제 1 족 또는 제 2 족에 속하는 원소, 즉, 리튬(Li) 또는 세슘(Cs)과 같은 알칼리 금속, 또는 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 또는 스트론튬(Sr)과 같은 알칼리 토금속; 임의의 이들 금속을 함유하는 합금(예: MgAg 또는 AlLi);유로퓸(Eu) 또는 이테르븀(Yb)과 같은 희토류 금속; 임의의 이러한 희토류 금속들을 함유하는 합금 등이 사용될 수 있다. 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 또는 그의 합금의 막은 진공 증착법에 의해 형성될 수 있다는 것에 주의한다. 또한, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속의 합금이 스퍼터링법에 의해 또한 형성될 수 있다. 또한, 은 페이스트(silver paste) 등이 잉크젯법 등에 의해 형성될 수 있다.
또한, 음극(1002)은 알칼리 금속 화합물, 알칼리 토금속 화합물, 또는 희토류 금속 화합물(예를 들면, 불화리튬(LiF), 산화리튬(LiOx), 불화세슘(CsF), 불화칼슘(CaF2), 또는 불화에르븀(ErF3))의 박막과 알루미늄과 같은 금속의 막의 적층에 의해 형성될 수 있다.
다음, EL층(1003)에 포함된 층들의 각각을 형성하기 위해 사용된 재료들의 구체예들이 이하로 설명된다.
정공 주입층(1011)은 높은 정공 주입성을 갖는 물질을 포함하는 층이다. 높은 정공 주입성을 갖는 물질로서, 예를 들면, 몰리브덴 산화물, 바나듐 산화물, 루테늄 산화물, 텅스텐 산화물, 망간 산화물 등이 사용될 수 있다. 대안적으로, 정공 주입층(1011)은 프탈로시아닌(약칭: H2Pc) 또는 구리 프탈로시아닌(약칭: CuPc)과 같은 프탈로시아닌계 화합물; 4,4'-비스[N-(4-디페닐아미노페닐)-N-페닐아미노]비페닐(약칭: DPAB) 또는 N,N'-비스[4-[비스(3-메틸페닐)아미노]페닐]-N,N'-디페닐-[1,1'-비페닐]-4,4'-디아민(약칭: DNTPD)와 같은 방향족 아민 화합물; 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)/폴리(스티렌설폰산)(PEDPT/PSS)와 같은 고분자 화합물 등을 사용하여 형성될 수 있다. 또한, 정공 주입층(1011)은 트리스(p-엔아민-치환된-아미노페닐)아민 화합물, 2,7-디아미노-9-플루오레닐리덴 화합물, 트리(p-N-엔아민-치환된-아미노페닐)벤젠 화합물, 적어도 하나의 아릴기를 갖는 하나 또는 두개의 에티닐기들을 갖는 피렌 화합물, N,N'-디(비페닐-4-일)-N,N'-디페닐비페닐-4,4'-디아민, N,N,N',N'-테트라(비페닐-4-일)비페닐-4,4'-디아민, N,N,N',N'-테트라(비페닐-4-일)-3,3'-디에틸비페닐-4,4'-디아민, 2,2'-(메틸렌디-4,1-페닐렌)비스[4,5-비스(4-메톡시페닐)-2H-1,2,3-트리아졸], 2,2'-(비페닐-4,4'-디일)비스(4,5-디페닐-2H-1,2,3-트리아졸), 2,2'-(3,3'-디메틸비페닐-4,4'-디일)비스(4,5-디페닐-2H-1,2,3-트리아졸), 비스[4-(4,5-디페닐-2H-1,2,3-트리아졸-2-일)페닐](메틸)아민 등을 이용하여 형성될 수 있다.
정공 주입층(1011)은 또한 유기 화합물과 무기 화합물(바람직하게는, 유기 화합물에 대해 전자 수용성을 갖는 무기 화합물)을 포함하는 정공 주입성 복합 재료로 형성될 수 있다. 정공 주입성 복합 재료는, 유기 화합물과 무기 화합물 사이에 전자들의 수수가 행해지므로, 높은 캐리어 밀도를 갖고, 따라서 뛰어난 정공 주입성과 정공 수송성을 갖는다.
정공 주입층(1011)이 정공 주입성 복합 재료로 만들어지는 경우에, 정공 주입층(1011)은 양극(1001)과 오믹 콘택트(ohmic contact)를 형성할 수 있고; 따라서, 양극(1001)의 재료는 일 함수와 상관없이 선택될 수 있다.
정공 주입성 복합 재료에 사용된 무기 화합물은 전이 금속의 산화물인 것이 바람직하다. 부가적으로, 주기율표의 제 4 족 내지 제 8 족에 속하는 금속들의 산화물이 주어질 수 있다. 구체적으로, 그들의 전자 수용성들이 높기 때문에, 산화 바나듐, 산화 니오븀, 산화 탄탈, 산화 크롬, 산화 몰리브덴, 산화 텅스텐, 산화 망간, 그리고 산화 레늄이 바람직하다. 그 중에서, 대기 중에서 안정하고, 낮은 흡습성을 가지며, 쉽게 처리되므로, 산화 몰리브덴의 사용이 특히 바람직하다.
정공 주입성 복합 재료에 사용된 유기 화합물로서, 방향족 아민 화합물, 카르바졸 유도체, 방향족 탄화수소, 그리고 고분자 화합물(올리고머, 덴드리머, 폴리머 등)과 같은 다양한 화합물들을 사용하는 것이 가능하다. 정공 주입성 복합 재료에 사용된 유기 화합물은 높은 정공 수송성을 갖는 유기 화합물인 것이 바람직하다는 것에 주의한다. 구체적으로, 10-6 cm2/Vs 이상의 정공 이동도를 갖는 물질이 사용되는 것이 바람직하다. 그의 정공 수송성이 전자 수송성보다 높은 물질들이라면 상술된 재료들과 다른 물질들이 또한 사용될 수 있다는 것에 주의한다. 정공 주입성 복합 재료에 사용될 수 있는 유기 화합물들이 이하에 구체적으로 설명된다.
방향족 아민 화합물들로서, 예를 들면, N,N'-디(p-톨릴)-N,N'-디페닐-p-페닐렌디아민(약칭: DTDPPA), 4,4'-비스[N-(4-디페닐아미노페닐)-N-페닐아미노]비페닐(약칭: DPAB), N,N'-비스[4-[비스(3-메틸페닐)아미노]페닐]-N,N'-디페닐-[1,1'-비페닐]-4,4'-디아민(약칭: DNTPD), 1,3,5-트리스[N-4-디페닐아미노페닐)-N-페닐아미노]벤젠(약칭: DPA3B) 등이 있다.
정공 주입성 복합 재료에 사용된 카르바졸 유도체의 구체적인 예들은: 3-[N-(9-페닐카르바졸-3-일)-N-페닐아미노]-9-페닐카르바졸(약칭: PCzPCAl); 3,6-비스[N-(9-페닐카르바졸-3-일)-N-페닐아미노]-9-페닐카르바졸(약칭: PCzPCA2); 3-[N-(1-나프틸)-N-(9-페닐카르바졸-3-일)아미노]-9-페닐카르바졸(약칭: PCzPCNl) 등을 포함한다.
또한, 4,4'-디(N-카르바졸릴)비페닐(약칭: CBP); 1,3,5-트리스[4-(N-카르바졸릴)페닐]벤젠(약칭: TCPB); 9-[4-(N-카르바졸릴)페닐-10-페닐안트라센(약칭: CzPA); 1,4-비스[4-(N-카르바졸릴)페닐]-2,3,5,6-테트라페닐벤젠 등이 또한 사용될 수 있다.
정공 주입성 복합 재료에 사용된 방향족 탄화수소의 예들은: 2-t-부틸-9,10-디(2-나프틸)안트라센(약칭: t-BuDNA); 2-t-부틸-9,10-디(1-나프틸)안트라센; 9,10-비스(3,5-디페닐페닐)안트라센(약칭: DPPA); 2-t-부틸-9,10-비스(4-페닐페닐)안트라센(약칭: t-BuDBA); 9,10-디(2-나프틸)안트라센(약칭: DNA); 9,10-디페닐안트라센(약칭: DPAnth); 2-t-부틸안트라센(약칭: t-BuAnth); 9,10-비스(4-메틸-1-나프틸)안트라센(약칭: DMNA); 2-t-부틸-9,10-비스[2-(1-나프틸)페닐)안트라센; 9,10-비스[2-(1-나프틸)페닐]안트라센; 2,3,6,7-테트라메틸-9,10-디(1-나프틸)안트라센; 2,3,6,7-테트라메틸-9,10-디(2-나프틸)안트라센; 9,9'-비안트릴; 10,10'-디페닐-9,9'-비안트릴; 10,10'-비스(2-페닐페닐)-9,9'-비안트릴; 10,10'-비스[(2,3,4,5,6-펜타페닐)페닐]-9,9'-비안트릴; 안트라센; 테트라센; 루브렌; 페릴렌; 2,5,8,11-테트라(tert-부틸)페릴렌 등을 포함한다. 이외에, 펜타센, 코로넨 등이 또한 사용될 수 있다. 특히, 1 x 10-6 cm2/Vs 이상의 정공 이동도를 갖고 탄소수 14 내지 42의 방향족 탄화수소가 특히 바람직하다.
정공 주입성 복합 재료에 사용된 방향족 탄화수소는 비닐 골격을 가질 수 있다는 것에 주의한다. 비닐기를 갖는 방향족 탄화수소로서, 예를 들면, 다음; 4,4'-비스(2,2-디페닐비닐)비페닐(약칭: DPVBi); 9,10-비스[4-(2,2-디페닐비닐)페닐]안트라센(약칭: DPVPA)) 등이 주어진다.
또한, 폴리(N-비닐카르바졸)(약칭: PVK) 또는 폴리(4-비닐트리페닐아민)(약칭: PVTPA)와 같은 고분자 화합물이 또한 사용될 수 있다.
정공 수송층(1012)은 높은 정공 수송성을 갖는 물질을 포함한다. 높은 정공 수송성을 갖는 물질로서, 예를 들면, 방향족 아민 화합물(즉, 벤젠 환-질소 결합을 갖는 화합물)이 바람직하다. 폭넓게 이용되는 재료의 예들로서, 4,4'-비스[N-(3-메틸페닐)-N-페닐아미노]비페닐; 4,4'-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐아미노]비페닐(이하, NPB로 칭함)와 같은 그의 유도체; 그리고 4,4',4"-트리스[N,N-디페닐-아미노)트리페닐아민, 4,4',4"-트리스[N-(3-메틸페닐)-N-페닐아미노]트리페닐아민 등과 같은 스타버스트(starburst)형 방향족 아민 화합물을 들 수 있다. 여기서 언급된 물질들은 주로 10-6 cm2/Vs 이상의 정공 이동도를 갖는 것들이다. 물질들이 전자 수송성보다 높은 정공 수송성을 갖는다면 상술된 재료들 이외의 물질들이 또한 사용될 수 있다는 것에 주의한다. 정공 수송층(1012)은 단층으로 제한되지 않으며, 앞서 언급된 물질들의 혼합층이거나 각각 앞서 언급된 물질을 포함하는 2층 이상 적층된 층일 수 있다.
대안적으로, 정공 수송성을 갖는 재료를 PMMA와 같은 전기적으로 불활성인 고분자 화합물에 첨가될 수 있다.
또한 대안적으로, 폴리(N-비닐카르바졸)(약칭: PVK), 폴리(4-비닐트리페닐아민)(약칭: PVTPA), 폴리[N(4-{N'-[4-(4-디페닐아미노)페닐]페닐-N'-페닐아미노}페닐)메타크릴아미드](약칭: PTPDMA), 또는 폴리[N,N'-비스(4-부틸페닐)-N,N'-비스(페닐)벤지딘(약칭: Poly-TPD)와 같은 고분자 화합물이 사용될 수 있으며, 또한, 정공 수송성을 갖는 재료가 위의 고분자 화합물에 적절하게 첨가될 수 있다. 또한, 정공 수송층(1012)은 트리스(p-엔아민-치환된-아미노페닐)아민 화합물, 2,7-디아미노-9-플루오레닐리덴 화합물, 트리(p-N-엔아민-치환된-아미노페닐)벤젠 화합물, 적어도 하나의 아릴기를 갖는 하나 또는 두개의 에티닐기들을 갖는 피렌 화합물, N,N'-디(비페닐-4-일)-N,N'-디페닐비페닐-4,4'-디아민, N,N,N',N'-테트라(비페닐-4-일)비페닐-4,4'-디아민, N,N,N',N'-테트라(비페닐-4-일)-3,3'-디에틸비페닐-4,4'-디아민, 2,2'-(메틸렌디-4,1-페닐렌)비스[4,5-비스(4-메톡시페닐)-2H-1,2,3-트리아졸], 2,2'-(비페닐-4,4'-디일)비스(4,5-디페닐-2H-1,2,3-트리아졸), 2,2'-(3,3'-디메틸비페닐-4,4'-디일)비스(4,5-디페닐-2H-1,2,3-트리아졸), 비스[4-(4,5-디페닐-2H-1,2,3-트리아졸-2-일)페닐](메틸)아민 등을 사용하여 형성될 수 있다.
발광층(1013)은 발광 물질을 포함하는 층이며 다양한 재료들을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 발광 물질로서, 형광을 발광하는 형광 화합물 또는 인광을 발광하는 인광 화합물이 사용될 수 있다. 발광층을 위해 사용될 수 있는 유기 화합물 재료들이 이하로 설명된다. EL 소자(1025)에 사용될 수 있는 재료들은 이러한 재료들로 제한되지 않는다는 것에 주의한다.
청색 내지 청녹색 광의 발광은 예를 들면, 게스트 재료로 페릴렌, 2,5,8,11-테트라-t-부틸페릴렌(약칭: TBP), 9,10-디페닐안트라센 등을 사용하고, 게스트 재료를 적절한 호스트 재료에 분산시키는 것에 의해 얻어질 수 있다. 대안적으로, 청색 내지 청녹색 광의 발광은 4,4'-비스(2,2-디페닐비닐)비페닐(약칭: DPVBi)와 같은 스티릴아릴렌 유도체, 또는 9,10-디-2-나프틸안트라센(약칭: DNA) 또는 9,10-비스(2-나프틸)-2-t-부틸안트라센(약칭: t-BuDNA)와 같은 안트라센 유도체로부터 얻어질 수 있다. 또한, 폴리(9,9-디옥틸플루오렌)과 같은 폴리머가 사용될 수 있다. 또한, 청색 발광의 게스트 재료로서, 스티릴아민 유도체가 바람직하다. 주어질 수 있는 예들은 N,N'-비스[4-(9H-카르바졸-9-일)페닐]-N,N'-디페닐스틸벤-4,4'-디아민(약칭: YGA2S), N,N'-디페닐-N,N'-비스(9-페닐-9H-카르바졸-3-일)스틸벤-4,4'-디아민(약칭: PCA2S) 등을 포함한다. 특히, YGA2S는 약 450 nm에서 피크를 가지므로 바람직하다. 또한, 호스트 재료로서, 안트라센 유도체가 바람직한데; 9,10-비스(2-나프틸)-2-t-부틸안트라센(약칭: t-BuDNA) 또는 9-[4-(10-페닐-9-안트릴)페닐]-9H-카르바졸(약칭: CzPA)이 적절하다. 특히, CzPA는 전기화학적으로 안정하기 때문에 바람직하다.
청녹색 내지 녹색의 발광은, 예를 들면, 게스트 재료로 쿠마린 30 또는 쿠마린 6과 같은 쿠마린 염료, 비스[2-(2,4-디플루오로페닐)피리디나토](피콜리네이트)이리듐(약칭: FIrpic), 비스(2-페닐피리디나토)(아세틸아세토나토)이리듐(약칭: Ir(ppy)2(acac)) 등을 사용하고, 게스트 재료를 적절한 호스트 재료에 분산시키는 것에 의해 얻어질 수 있다. 또한, 청녹색 내지 녹색의 발광은 위에서 언급되는 페릴렌 또는 TBP를 5 wt% 이상의 고농도로 적절한 호스트 재료에 분산시키는 것에 의해 얻어질 수 있다. 또한 대안적으로, 청녹색 내지 녹색의 발광은 BAlq, Zn(BTZ)2, 또는 비스(2-메틸-8-퀴놀리놀라토)클로로갈륨(Ga(mq)2Cl)과 같은 금속 착체로부터 얻어질 수 있다. 또한, 폴리(p-페닐렌비닐렌)과 같은 폴리머가 사용될 수 있다. 청녹색 내지 녹색 발광층의 게스트 재료로서 안트라센 유도체가 사용되는 경우 높은 발광 효율을 얻을 수 있기 때문에 안트라센 유도체가 바람직하다. 예를 들어, 9,10'-비스{4-[N-(4-디페닐아미노)페닐-N-페닐]아미노페닐}-2-t-부틸안트라센(약칭: DPABPA)가 사용될 때, 매우 효율적인 청녹색 발광이 얻어질 수 있다. 부가적으로, 아미노기가 2-위치로 대체된 안트라센 유도체가 바람직하며, 이러한 안트라센 유도체로 매우 효율적인 녹색 발광이 얻어질 수 있다. 특히, 긴 수명을 가지므로, N-(9,10-디페닐-2-안트릴)-N,9-디페닐-9H-카르바졸-3-아민(약칭: 2PCAPA)이 적절하다. 이러한 재료들에 대한 호스트 재료로, 안트라센 유도체가 바람직하며; 위에서 언급되는 CzPA가 전기화학적으로 안정하기 때문에 바람직하다. 녹색 발광과 청색 발광을 조합하여 청색 내지 녹색 파장 범위에서 두개의 피크들을 갖는 EL 소자(1025)가 제조되는 경우에, 청색 발광층의 CzPA와 같은 전자 수송성을 갖는 안트라센 유도체가 호스트 재료로 사용되는 것이 바람직하며, NPB와 같은, 정공 수송성을 갖는 방향족 아민 화합물이 녹색 발광층의 호스트 재료로 사용되는 것이 바람직하고, 따라서 청색 발광층과 녹색 발광층 사이의 계면에서 발광이 얻어질 수 있다. 즉, 이러한 경우에, NPB와 같은 방향족 아민 화합물이 2PCAPA와 같은 녹색 발광 재료의 호스트 재료로 바람직하다.
황색 내지 오렌지색 발광은, 예를 들어, 게스트 재료로 루브렌, 4-(디시아노메틸렌)-2-[p-(디메틸아미노)스티릴]-6-메틸-4H-피란(약칭: DCM1), 4-(디시아노메틸렌)-2-메틸-6-(9-줄로리딜)에테닐-4H-피란(약칭: DCM2), 비스[2-(2-티에닐)피리디나토]아세틸아세토나토이리듐(약칭: Ir(thp)2(acac)), 비스(2-페닐퀴놀리나토)아세틸아세토나토이리듐(약칭: Ir(pq)2(acac)) 등을 사용하고, 게스트 재료를 적절한 호스트 재료에 분산시키는 것에 의해 얻어질 수 있다. 특히, 루브렌과 같은 테트라센 유도체가 매우 효율적이고 화학적으로 안정하기 때문에 게스트 재료로 바람직하다. 본 예에서 호스트 재료로서, NPB와 같은 방향족 아민 화합물이 바람직하다. 대안적으로, 비스(8-퀴놀리놀라토)아연(II)(약칭: Znq2), 비스[2-신나모일-8-퀴놀리놀라토]아연(약칭: Znsq2) 등과 같은 금속 착체가 호스트 재료로 사용될 수 있다. 또한 대안적으로, 폴리(2,5-디알콕시-1,4-페닐렌비닐렌)과 같은 폴리머가 사용될 수 있다.
오렌지색 내지 적색 발광은, 예를 들면, 게스트 재료로 4-(디시아노메틸렌)-2,6-비스[p-(디메틸아미노)스티릴]-4H-피란(약칭: BisDCM), 4-(디시아노메틸렌)-2,6-비스[2-(줄로리딘-9-일)에테닐]-4H-피란(약칭: BisDCJ), 4-(디시아노메틸렌)-2-메틸-6-(9-줄로리딜)에테닐-4H-피란(약칭: DCM2), 비스[2-(2-티에닐)피리디나토]아세틸아세토나토이리듐(약칭: Ir(thp)2(acac)) 등을 사용하고, 게스트 재료를 적절한 호스트 재료에 분산시키는 것에 의해 얻어질 수 있다. 오렌지색 내지 적색 발광은 비스(8-퀴놀리놀라토)아연(II)(약칭: Znq2), 비스[2-신나모일-8-퀴놀리놀라토]아연(약칭: Znsq2) 등과 같은 금속 착체를 사용하는 것에 의해 또한 얻어질 수 있다. 또한, 폴리(3-알킬티오펜)과 같은 폴리머가 사용될 수 있다. 적색 발광을 나타내는 게스트 재료로서, 4-(디시아노메틸렌)-2,6-비스[p-(디메틸아미노)스티릴]-4H-피란(약칭: BisDCM), 4-(디시아노메틸렌)-2,6-비스[2-(줄로리딘-9-일)에테닐]-4H-피란(약칭: BisDCJ), 4-(디시아노메틸렌)-2-메틸-6-(9-줄로리딜)에테닐-4H-피란(약칭: DCM2), {2-이소프로필-6-[2-(2,3,6,7-테트라하이드로-1,1,7,7-테트라메틸-1H,5H-벤조[ij]퀴놀리진-9-일)에테닐]-4H-피란-4-일리덴}프로판디니트릴(약칭: DCJTI), 또는 {2,6-비스[2-(2,3,6,7-테트라하이드로-8-메톡시-1,1,7,7-테트라메틸-1H,5H-벤조[ij]퀴놀리진-9-일)에테닐]-4H-피란-4-일리덴}프로판디니트릴(약칭: BisDCJTM)과 같은 4H-피란 유도체가 이의 고효율 때문에 사용되는 것이 바람직하다. 특히, DCJTI와 BisDCJTM은, 약 620nm에서 발광 피크를 가지므로 바람직하다.
발광층(1013)은 위의 발광성을 갖는 물질(게스트 재료)이 다른 물질(호스트 재료)에 분산되는 구조를 가질 수 있다는 것에 주의한다. 높은 발광성을 갖는 물질이 분산되는 물질로서, 다양한 종류들의 재료들이 사용될 수 있고, 최저준위 비점유 분자 오비탈(LUMO) 준위가 높은 발광성을 갖는 물질의 것보다 높고 최고준위 점유 분자 오비탈(HOMO) 준위가 높은 발광성을 갖는 물질의 것보다 낮은 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
발광성을 갖는 물질이 분산되는 물질로서, 구체적으로, 트리스(8-퀴놀리놀라토)알루미늄(III)(약칭: Alq), 트리스(4-메틸-8-퀴놀리놀라토)알루미늄(III)(약칭: Almq3), 비스(10-하이드록시벤조[h]퀴놀리나토)베릴륨(II)(약칭: BeBq2), 비스(2-메틸-8-퀴놀리놀라토)(4-페닐페놀라토)알루미늄(III)(약칭: BAlq), 비스(8-퀴놀리놀라토)아연(II)(약칭: Znq2), 비스[2-(2-벤족사졸릴)페놀라토]아연(II)(약칭: ZnPBO), 또는 비스[2-(2-벤조티아졸릴)페놀라토]아연(II)(약칭: ZnBTZ)와 같은 금속 착체; 2-(4-비페닐릴)-5-(4-t-부틸페닐)-1,3,4-옥사디아졸(약칭: PBD), 1,3-비스[5-(p-t-부틸페닐)-1,3,4-옥사디아졸-2-일]벤젠(약칭: OXD-7), 3-(4-비페닐릴)-4-페닐-5-(4-t-부틸페닐)-1,2,4-트리아졸(약칭: TAZ), 2,2',2"-(1,3,5-벤젠트리일)트리스(1-페닐-1H-벤즈이미다졸)(약칭: TPBI), 바토페난트롤린(약칭: BPhen), 또는 바토쿠프로인(약칭: BCP)과 같은 헤테로사이클릭 화합물; 9-[4-(10-페닐-9-안트릴)페닐]-9H-카르바졸)(약칭: CzPA), 3,6-디페닐-9-[4-(10-페닐-9-안트릴)페닐]-9H-카르바졸(약칭: DPCzPA), 9,10-비스(3,5-디페닐페닐)안트라센(약칭: DPPA), 9,10-디(2-나프틸)안트라센(약칭: DNA), 2-t-부틸-9,10-디(2-나프틸)안트라센(약칭: t-BuDNA), 9,9'-비안트릴(약칭: BANT), 9,9'-(스틸벤-3,3'-디일)디페난트렌(약칭: DPNS), 9,9'-(스틸벤-4,4'-디일)디페난트렌(약칭: DPNS2), 3,3',3"-(벤젠-1,3,5-트리일)트리피렌(약칭: TPB3), 9,10-디페닐안트라센(약칭: DPAnth), 또는 6,12-디메톡시-5,11-디페닐크리센과 같은 축합 방향족 화합물; N,N-디페닐-9-[4-(10-페닐-9-안트릴)페닐]-9H-카르바졸-3-아민(약칭: CzAlPA), 4-(10-페닐-9-안트릴)트리페닐아민(약칭: DPhPA), N,9-디페닐-N-[4-(10-페닐-9-안트릴)페닐]-9H-카르바졸-3-아민(약칭: PCAPA), N,9-디페닐-N-{4-[4-(10-페닐-9-안트릴)페닐]페닐}-9H-카르바졸-3-아민(약칭: PCAPBA), N-(9,10-디페닐-2-안트릴)-N,9-디페닐-9H-카르바졸-3-아민(약칭: 2PCAPA), NPB(또는 α-NPD), TPD, DFLDPBi, 또는 BSPB와 같은 방향족 아민 화합물 등이 사용될 수 있다.
발광성을 갖는 물질이 분산되는 물질로서, 복수의 종류들의 물질들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 결정화를 억제하기 위하여, 결정화를 억제하는 루브렌과 같은 물질이 또한 첨가될 수 있다. 또한, NBP, Alq 등이 발광성을 갖는 물질로 에너지를 효율적으로 이동시키기 위해 또한 첨가될 수 있다.
발광성을 갖는 물질이 다른 물질로 분산되는 구조가 채용될 때, 발광층(1013)의 결정화가 억제될 수 있다. 또한, 발광성을 갖는 물질의 높은 농도로 인한 농도 켄칭이 억제될 수 있다.
전자 수송층(1014)은 높은 전자 수송성을 갖는 물질을 포함하는 층이다. 높은 전자 수송성을 갖는 물질로서, 예를 들면, 트리스(8-퀴놀리놀라토)알루미늄(III)(약칭: Alq), 트리스(4-메틸-8-퀴놀리놀라토)알루미늄(III)(약칭: Almq3), 비스(10-하이드록시벤조[h]퀴놀리나토)베릴륨(II)(약칭: BeBq2), 또는 비스(2-메틸-8-퀴놀리놀라토)(4-페닐페놀라토)알루미늄(III)(약칭: BAlq)와 같은 퀴놀린 골격 또는 벤조퀴놀린 골격을 갖는 금속 착체를 포함하는 층이 사용될 수 있다. 또한, 비스[2-(2-하이드록시페닐)벤족사졸라토]아연(약칭: Zn(BOX)2) 또는 비스[2-(2-하이드록시페닐)벤조티아졸라토]아연(II)(약칭: Zn(BTZ)2)와 같은 옥사졸계 또는 티아졸계 리간드를 포함하는 금속 착체 등이 사용될 수 있다. 금속 착체들 이외에, 2-(4-비페닐릴)-5-(4-t-부틸페닐)-1,3,4-옥사디아졸(약칭: PBD), 1,3-비스[5-(p-t-부틸페닐)-1,3,4-옥사디아졸-2-일]벤젠(약칭: OXD-7), 3-(4-비페닐릴)-4-페닐-5-(4-t-부틸페닐)-1,2,4-트리아졸(약칭: TAZ), 바토페난트롤린(약칭: BPhen), 또는 바토쿠프로인(약칭: BCP), 비스[3-(1H-벤즈이미다졸-2-일)플루오렌-2-올라토]아연(II), 비스[3-(1H-벤즈이미다졸-2-일)플루오렌-2-올라토]베릴륨(II), 비스[2-(1H-벤즈이미다졸-2-일)디벤조[b,d]푸란-3-올라토](페놀라토)알루미늄(III), 비스[2-(벤조사졸-2-일)-7,8-메틸렌디옥시디벤조[b,d]푸란-3-올라토](2-나프톨라토)알루미늄(III) 등이 또한 사용될 수 있다. 여기서 언급된 물질들은 주로 10-6 cm2/Vs 이상의 전자 이동도를 갖는 물질들이다. 그들의 전자 수송성들이 그들의 정공 수송성들보다 높다면 상술된 것 이외의 물질들로 전자 수송층(1014)이 형성될 수 있다는 것에 주의한다. 전자 수송층(1014)은 단층으로 제한되지 않으며 각각 앞서 언급된 물질을 포함하는 층을 2층 이상 포함하는 적층된 층일 수 있다.
전자 주입층(1015)은 높은 전자 주입성을 갖는 물질을 포함하는 층이다. 높은 전자 주입성을 갖는 재료로서, 불화 리튬(LiF), 불화 세슘(CsF), 및 불화 칼슘(CaF2)과 같은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속, 및 그의 화합물이 주어질 수 있다. 유기 화합물(바람직하게는, 전자 수송성을 갖는 유기 화합물)과 무기 화합물(바람직하게는, 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 희토류 금속, 또는 이들 금속들의 화합물)을 포함하는 전자 주입성 복합 재료를 사용하는 것이 또한 가능하다. 전자 주입성 복합 재료로서, 예를 들면, 마그네슘(Mg)을 함유하는 Alq로 만들어진 층이 사용될 수 있다. 이러한 구조는 음극(1002)으로부터의 전자 주입 효율을 증가시킨다.
전자 주입층(1015)이 앞서 언급된 전자 주입성 복합 재료로 만들어지는 경우에, 일 함수에 상관 없이 Al, Ag, ITO, 또는 규소나 산화 규소를 함유하는 ITO와 같은 다양한 도전성 재료들이 음극(1002)에 사용될 수 있다는 것에 주의한다.
이러한 층들이 적절한 조합으로 적층되어, EL층(1003)이 형성될 수 있다. 발광층(1013)은 2층 이상의 층들을 포함하는 적층 구조를 가질 수 있다. 발광층(1013)은 2층 이상의 층들을 포함하는 적층 구조를 가지며 각 발광층에 상이한 발광 물질이 사용되어, 다양한 발광색을 얻을 수 있다. 또한, 발광 물질로 발광색이 상이한 복수의 발광 물질들이 사용되어, 넓은 스펙트럼을 갖는 발광 또는 백색 발광이 또한 얻어질 수 있다. 특히, 높은 휘도가 필요한 백라이트를 위하여, 발광층들이 적층되는 구조가 바람직하다.
또한, EL층(1003)의 형성 방법으로서, 사용되는 재료에 따라 다양한 방법들(예를 들면, 건식 처리 및 습식 처리)이 적절하게 선택될 수 있다. 예를 들어, 진공 증착법, 스퍼터링법, 잉크젯법, 스핀 코팅법 등이 사용될 수 있다. 각 층에 대하여 상이한 형성 방법이 채용될 수 있다는 것에 주의한다.
본 실시형태에서 설명된 EL 소자(1025)는 건식 처리(예를 들면, 진공 증착법 또는 스퍼터링법)인지 또는 습식 처리(예를 들면, 잉크젯법 또는 스핀 코팅법)인지에 상관없이 임의의 다양한 방법들로 형성될 수 있다.
본 실시형태에서 설명된 EL 소자(1025)의 구조는 도 5c에 도시된 바와 같이 한 쌍의 전극들 사이에 복수의 EL층들(1003)이 적층되는 구조, 즉, 적층 소자 구조일 수 있다는 것에 주의한다. n(n은 2 이상의 자연수)개의 EL층들(1003)이 적층되는 구조의 경우에, 중간층(1004)이 m번째(m은 1 이상 n-1 이하인 자연수) EL층과 (m+1)번째 EL층 사이에 제공된다는 것에 주의한다.
중간층(1004)은, 전압이 양극(1001)과 음극(1002)에 인가될 때, 양극(1001) 측 상에 있고 중간층(1004)과 접하여 형성된 EL층들(1003) 중 하나로 전자들을 주입하고, 음극(1002) 측 상의 다른 EL층(1003)에 정공들을 주입하는 기능을 갖는다.
중간층(1004)은 앞서 언급된 유기 화합물과 무기 화합물의 복합 재료들(정공 주입성 복합 재료 또는 전자 주입성 복합 재료)를 이용하는 것 뿐만 아니라 금속 산화물들과 같은 재료들을 적절히 조합하는 것에 의해 만들어질 수 있다. 보다 바람직하게, 중간층(1004)은 정공 주입성 복합 재료와 다른 재료들의 조합으로 만들어진다. 중간층(1004)에 사용된 이러한 재료들은 뛰어난 캐리어 주입성과 캐리어 수송성을 가지며, 따라서 낮은 전류와 낮은 전압으로 구동된 EL 소자(1025)가 구현될 수 있다.
적층 소자의 구조에서, EL층이 2층 적층 구조를 갖는 경우에, 제 1 EL층과 제 2 EL층이 보색들의 광을 발광하도록 하여 백색 광이 외부로 얻어질 수 있다. 제 1 EL층과 제 2 EL층이 각각 보색들의 광을 발광하는 복수의 발광층들을 포함하는 구조로 백색 발광이 또한 얻어질 수 있다. 보완적 관계로서, 청색과 황색, 청녹색과 적색 등이 주어질 수 있다. 청색, 황색, 청녹색, 또는 적색을 발광하는 물질은, 예를 들면, 위에서 주어진 발광 물질들로부터 적절하게 선택될 수 있다.
다음은 제 1 EL층과 제 2 EL층이 각각 보색들의 광을 발광하는 복수의 발광층들을 포함하는 구조의 예이다. 이러한 구조로, 백색 발광이 얻어질 수 있다.
예를 들어, 제 1 EL층은 그의 피크가 청색 내지 청녹색 파장 범위에 있는 발광 스펙트럼을 나타내는 제 1 발광층과, 그의 피크가 황색 내지 오렌지색 파장 범위에 있는 발광 스펙트럼을 나타내는 제 2 발광층을 포함한다. 제 2 EL층은 그의 피크가 청녹색 내지 녹색 파장 범위에 있는 발광 스펙트럼을 나타내는 제 3 발광층과, 그의 피크가 오렌지색 내지 적색 파장 범위에 있는 발광 스펙트럼을 나타내는 제 4 발광층을 포함한다.
이러한 경우에, 제 1 EL층으로부터의 발광은 제 1 발광층과 제 2 발광층 모두로부터의 발광을 합한 것이며, 따라서 청색 내지 청녹색 파장 범위와 황색 내지 오렌지색 파장 범위 모두에서 피크들을 갖는 발광 스펙트럼을 보인다. 즉, 제 1 EL층은 2-파장형의 백색이나 백색에 유사한 2-파장형의 색을 갖는 발광을 나타낸다.
또한, 제 2 EL층으로부터의 발광은 제 3 발광층과 제 4 발광층 모두로부터의 발광을 합한 것이며 따라서 청녹색 내지 녹색 파장 범위와 오렌지색 내지 적색 파장 범위 모두에서 피크들을 갖는 발광 스펙트럼을 보인다. 즉, 제 2 EL층은, 2 파장형 백색이나 백색에 유사한 2 파장형 색을 갖는 발광을 나타내며, 이는 제 1 EL층과는 다르다.
그 결과, 제 1 EL층으로부터의 발광과 제 2 EL층으로부터의 발광을 조합하는 것에 의해, 청색 내지 청녹색의 파장 범위, 청녹색 내지 녹색의 파장 범위, 황색 내지 오렌지색의 파장 범위, 그리고 오렌지색 내지 적색의 파장 범위를 포함하는 백색 발광이 얻어질 수 있다.
위에서 언급된 적층 소자의 구조에서, 적층된 EL층들 사이에 중간층들의 배치에 의해, 소자는 전류 밀도가 낮게 유지되면서 높은 휘도 영역에서 긴 수명을 가질 수 있다는 것에 주의한다. 또한, 전극 재료의 저항으로 인한 전압 강하가 감소될 수 있고, 따라서 큰 영역에서 균일 발광이 가능하다.
도 4a 내지 4c와 도 5a 내지 5c에서 설명된 백라이트부는 휘도가 조절되는 구조를 가질 수 있다는 것에 주의한다. 예를 들어, 휘도가 액정 표시 장치의 주위의 조도에 따라 조절되는 구조나 또는 표시된 화상 신호에 따라 휘도가 조절되는 구조가 채용될 수 있다.
컬러 표시가 컬러 필터들의 조합에 의해 가능하다는 것에 주의한다. 대안적으로, 다른 광학막들(예: 편광막, 지연막, 및 반사방지막)이 또한 조합에 사용될 수 있다. 컬러 필터는 RGB 등의 발광 다이오드들이 백라이트에 배열되는 경우에는 제공되지 않으며 컬러 표시가 시분할에 의해 수행되는 연속 부가 컬러 혼합법(필드 순차형 방법)이 채용된다는 것에 주의한다.
본 실시형태는 다른 실시형태들과 자유롭게 조합될 수 있다는 것에 주의한다.
(실시형태 4)
본 실시형태에서, 본 명세서에서 개시된 액정 표시 장치로 적용될 수 있는 트랜지스터의 예가 설명될 것이다. 본 명세서에서 개시된 액정 표시 장치로 적용될 수 있는 트랜지스터의 구조에는 특별한 제한은 없다. 예를 들어, 게이트 전극이 게이트 절연층을 개재하여 산화물 반도체층의 상부측 상에 제공되는 탑 게이트 구조 또는 게이트 전극이 게이트 절연층을 개재하여 산화물 반도체층의 하부측 상에 제공되는 바텀 게이트 구조를 갖는 스태거형(staggered) 트랜지스터, 플래너형 트랜지스터 등이 사용될 수 있다. 트랜지스터는 하나의 채널 형성 영역을 포함하는 단일 게이트 구조, 두개의 채널 형성 영역들을 포함하는 이중 게이트 구조, 또는 세개의 채널 형성 영역들을 포함하는 삼중 게이트 구조를 가질 수 있다. 대안적으로, 트랜지스터는 게이트 절연층을 개재하여 채널 영역의 위와 아래에 위치된 두개의 게이트 전극층들을 포함하는 듀얼 게이트 구조를 가질 수 있다. 도 6a 내지 6d는 트랜지스터들의 단면 구조들의 예들을 도시한다. 도 6a 내지 6d에 도시된 트랜지스터들의 각각은 반도체로서 산화물 반도체를 포함한다. 산화물 반도체를 이용하는 것의 장점은 트랜지스터가 온 상태일 때 전계 효과 이동도(최대값은 5 cm2/Vsec 이상이고, 바람직하게는 10 cm2/Vsec 내지 150 cm2/Vsec의 범위 내)가 얻어질 수 있으며, 트랜지스터가 오프 상태일 때 낮은 오프 전류(1 aA/㎛ 미만, 바람직하게는 실온에서 10 zA/㎛ 미만, 85 ℃에서 100 zA/㎛ 미만)가 얻어질 수 있다는 것이다.
도 6a에 도시된 트랜지스터(410)는 바텀 게이트형 트랜지스터들 중 하나이며 또한 역 스태거형 트랜지스터로 불린다.
트랜지스터(410)는 절연 표면을 갖는 기판(400) 위에 게이트 전극층(401), 게이트 절연층(402), 산화물 반도체층(403), 소스 전극층(405a), 그리고 드레인 전극층(405b)을 포함한다. 절연막(407)이 트랜지스터(410)를 덮기 위해 산화물 반도체층(403) 위에 적층되도록 제공된다. 또한, 보호 절연층(409)이 절연막(407) 위에 제공된다.
도 6b에 도시된 트랜지스터(420)는 채널 보호형(또한 채널 중지형(channel-stop)이라고 칭함)으로 불리는 바텀 게이트형 트랜지스터들 중 하나이며 또한 역 스태거형 트랜지스터로도 불린다.
트랜지스터(420)는 절연 표면을 갖는 기판(400) 위에 게이트 전극층(401), 게이트 절연층(402), 산화물 반도체층(403), 산화물 반도체층(403)의 채널 형성 영역을 덮는 채널 보호층으로 기능하는 절연막(427), 소스 전극층(405a), 그리고 드레인 전극층(405b)을 포함한다. 또한, 보호 절연층(409)이 트랜지스터(420)를 덮도록 제공된다.
도 6c에 도시된 트랜지스터(430)는 바텀 게이트형 트랜지스터이며, 절연 표면을 갖는 기판(400) 위에 게이트 전극층(401), 게이트 절연층(402), 소스 전극층(405a), 드레인 전극층(405b), 그리고 산화물 반도체층(403)을 포함한다. 절연막(407)이 트랜지스터(430)를 덮고 산화물 반도체층(403)과 접하도록 제공된다. 또한, 보호 절연층(409)이 절연막(407) 위에 제공된다.
트랜지스터(430)에서, 게이트 절연층(402)이 기판(400) 및 게이트 전극층(401) 위에 그와 접하여 제공되고; 소스 전극층(405a)과 드레인 전극층(405b)이 게이트 절연층(402) 위에 그와 접하여 제공된다. 산화물 반도체층(403)이 게이트 절연층(402), 소스 전극층(405a), 그리고 드레인 전극층(405b) 위에 제공된다.
도 6d에 도시된 트랜지스터(440)는 탑 게이트형 트랜지스터들 중 하나이다. 트랜지스터(440)는 절연 표면을 갖는 기판(400) 위에 절연층(437), 산화물 반도체층(403), 소스 전극층(405a), 드레인 전극층(405b), 게이트 절연층(402), 그리고 게이트 전극층(401)을 포함한다. 각각 소스 전극층(405a)과 드레인 전극층(405b)에 배선층(436a)과 배선층(436b)이 접하여 전기적으로 접속되도록 제공된다.
본 실시형태에서, 상술된 바와 같이 산화물 반도체층(403)이 반도체층으로 사용된다. 산화물 반도체층(403)에 사용된 산화물 반도체로서, 다음 금속 산화물들: In-Sn-Ga-Zn-O계 산화물 반도체와 같은 4 성분 금속 산화물; In-Ga-Zn-O계 산화물 반도체, In-Sn-Zn-O계 산화물 반도체, In-Al-Zn-O계 산화물 반도체, Sn-Ga-Zn-O계 산화물 반도체, Al-Ga-Zn-O계 산화물 반도체, 그리고 Sn-Al-Zn-O계 산화물 반도체와 같은 3 성분 금속 산화물; In-Zn-O계 산화물 반도체, Sn-Zn-O계 산화물 반도체, Al-Zn-O계 산화물 반도체, Zn-Mg-O계 산화물 반도체, Sn-Mg-O계 산화물 반도체, 그리고 In-Mg-O계 산화물 반도체와 같은 2 성분 금속 산화물; In-O계 산화물 반도체; Sn-O계 산화물 반도체; 그리고 Zn-O계 산화물 반도체가 사용될 수 있다. 또한, SiO2가 위의 산화물 반도체에 함유될 수 있다. 여기서, 예를 들어, In-Ga-Zn-O계 산화물 반도체는 인듐(In), 갈륨(Ga), 그리고 아연(Zn)을 함유하는 산화물막을 의미하며, 그의 화학양론비에는 특별한 제한은 없다. In-Ga-Zn-O계 산화물 반도체는 In, Ga, 그리고 Zn 이외의 원소를 함유할 수 있다.
산화물 반도체층(403)으로서, 화학식 InMO3(ZnO)m(m>0, 여기서 m은 정수가 아니다)으로 표기된 박막이 사용될 수 있다. 여기서, M은 Ga, Al, Mn, 및 Co로부터 선택된 하나 이상의 금속 원소들을 나타낸다. 예를 들어, M은 Ga, Ga 및 Al, Ga 및 Mn, Ga 및 Co 등일 수 있다.
산화물 반도체층(403)을 사용하는 트랜지스터들(410, 420, 430, 및 440)의 각각에서, 오프 상태의 전류 값(오프 전류 값)이 감소될 수 있다. 따라서, 화상 신호 등의 전기 신호의 유지 기간이 길어질 수 있으며 전원이 온인 상태에서 기록 동작들 사이의 간격이 더 길게 설정될 수 있다. 결론적으로, 리프래시 동작의 빈도가 감소될 수 있으며, 따라서 전력 소비가 효과적으로 억제될 수 있다.
또한, 산화물 반도체층(403)을 사용하는 트랜지스터들(410, 420, 430, 및 440)의 각각은 비교적 높은 전계 효과 이동도가 얻어질 수 있기 때문에 고속 구동할 수 있다. 그 결과, 위의 트랜지스터들이 액정 표시 장치의 화소부에 사용될 때, 색 분리가 억제될 수 있고 고화질 화상들이 얻어질 수 있다. 또한, 트랜지스터들이 하나의 기판 위의 구동 회로부와 화소부에 별개로 제공될 수 있기 때문에, 액정 표시 장치의 부품수가 감소될 수 있다.
절연 표면을 갖는 기판(400)으로 적용될 수 있는 기판에 제한은 없다, 예를 들어, 바륨 붕규산 유리나 알루미노실리케이트 유리로 만들어진 유리 기판과 같은 유리 기판이 사용될 수 있다.
바텀 게이트형 트랜지스터들(410, 420, 그리고 430)에서, 기저막으로 동작하는 절연막이 기판과 게이트 전극층 사이에 제공될 수 있다. 기저막은 기판으로부터 불순물 원소의 확산을 방지하는 기능을 갖고, 질화 규소막, 산화 규소막, 질화산화 규소막, 그리고 산화질화 규소막 중 하나 이상을 이용하여 적층 구조를 갖도록 형성될 수 있다.
게이트 전극층(401)이 몰리브덴, 티타늄, 크롬, 탄탈, 텅스텐, 알루미늄, 구리, 네오데뮴, 또는 스칸듐과 같은 금속 재료, 또는 이들 재료들 중 어느 것을 주성분으로서 함유하는 합금 재료를 이용하여 단층 구조 또는 적층 구조를 갖도록 형성될 수 있다.
게이트 절연층(402)은 산화 규소층, 질화 규소층, 산화질화 규소층, 질화산화 규소층, 산화 알루미늄층, 질화 알루미늄층, 산화질화 알루미늄층, 질화산화 알루미늄층, 그리고 산화 하프늄층 중 하나 이상을 이용하여 플라즈마 CVD법, 스퍼터링법 등에 의해 단층 구조 또는 적층 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 50nm 내지 200nm의 두께를 갖는 질화 규소층(SiNy(y>0))이 플라즈마 CVD법에 의해 제 1 게이트 절연층으로 형성되고, 5nm 내지 300nm의 두께를 갖는 산화 규소층(siOx)(x>0)이 제 1 게이트 절연층 위에 제 2 게이트 절연층으로 형성되어, 200nm의 총 두께를 갖는 게이트 절연층이 형성된다.
소스 전극층(405a)과 드레인 전극층(405b)에 사용된 도전막으로서, 예를 들면, Al, Cr, Cu, Ta, Ti, Mo, 그리고 W로부터 선택된 원소를 함유하는 금속막과 그의 주성분으로서 위의 원소들 중 어느 것을 함유하는 금속 질화물막(질화 티타늄막, 질화 몰리브덴막, 그리고 질화 텅스텐막)이 사용될 수 있다. Ti, Mo, W 등과 같은 고융점 금속막 또는 이들 원소들의 어느 것 중의 금속 질화물막(질화 티타늄막, 질화 몰리브덴막, 그리고 질화 텅스텐막)은 Al, Cu 등의 금속막의 하부측 또는 상부측의 하나 또는 모두 상에 적층될 수 있다.
소스 전극층(405a)과 드레인 전극층(405b)의 것과 동일한 재료가 소스 전극층(405a)과 드레인 전극층(405b)에 각각 접속되는 배선층(436a)과 배선층(436b)에 사용된 도전막으로 또한 사용될 수 있다.
소스 전극층(405a)과 드레인 전극층(405b)(소스 전극층(405a)과 드레인 전극층(405b)과 동일한 층을 사용하여 형성된 배선층을 포함)이 될 도전막이 도전성 금속 산화물을 사용하여 형성될 수 있다. 도전성 금속 산화물로서, 산화 인듐(In2O3), 산화 주석(SnO2), 산화 아연(ZnO), 산화 인듐 - 산화 주석 합금(In2O3-SnO2, ITO라고 칭함), 산화 인듐 - 산화 아연 합금(In2O3-ZnO), 그리고 산화 규소를 함유하는 이러한 금속 산화물 재료가 사용될 수 있다.
절연막들(407, 427, 그리고 437)로서, 산화 규소막, 산화질화 규소막, 산화 알루미늄막 또는 산화질화 알루미늄막과 같은 무기 절연막이 전형적으로 사용될 수 있다.
산화물 반도체층 위에 제공된 보호 절연층(409)은, 질화 규소막, 질화 알루미늄막, 질화산화 규소막, 또는 질화산화 알루미늄막과 같은 무기 절연막이 사용될 수 있다.
또한, 트랜지스터로 인한 표면 거칠기를 감소시키기 위해 평탄화 절연막이 보호 절연층(409) 위에 형성될 수 있다. 평탄화 절연막으로서, 폴리이미드, 아크릴 수지, 그리고 벤조사이클로부텐계 수지와 같은 유기 재료가 사용될 수 있다. 위의 유기 재료들에 더하여, 저유전율 재료(low-k 재료) 등이 사용될 수 있다. 평탄화 절연막은 이러한 재료들 중 어느 것으로 형성된 복수의 절연막들을 적층하는 것에 의해 형성될 수 있다는 것에 주의한다.
이러한 트랜지스터를 사용한 액정 표시 장치의 화소의 예가 도 13과 도 14에 도시된다. 도 13은 화소의 평면도를 도시하며 도 14는 도 13에 도시된 선 A-B를 따라 취해진 단면도를 도시한다. 도 13은 그 위에 트랜지스터(410)가 형성되는 기판(400)의 평면도를 도시하며, 도 14는 그 위에 트랜지스터(410)가 형성되는 기판(400)의 구조에 더하여 대향 기판(416)과 액정층(414)이 형성되는 구조를 도시한다는 것에 주의한다. 다음 설명이 도 13과 도 14를 모두 참조하여 주어질 것이다.
트랜지스터(410)의 구조는 도 6a와 동일하며, 게이트 전극층(401), 게이트 절연층(402), 그리고 산화물 반도체층(403)을 포함한다. 화소가 제공될 때, 게이트 전극층(401)이 한 방향으로 확장하도록 형성된다. 산화물 반도체층(403)은 게이트 절연층(402)을 사이에 개재하여 게이트 전극층(401)과 중첩하도록 제공된다. 소스 전극층(405a)과 드레인 전극층(405b)이 산화물 반도체층(403)의 상부측 상에 제공된다(여기서, "소스 전극층(405a)"과 "드레인 전극층(405b)"이라는 용어들은 트랜지스터(410)의 전극들을 구별하기 위하여 단지 편의를 위해 사용된다는 것에 주의한다). 소스 전극층(405a)은 게이트 전극층(401)과 교차하기 위한 방향으로 확장된다. 화소 전극(411)은 보호 절연층(409) 위에 제공되며, 화소 전극(411)은 콘텍트 홀(412)을 통해 드레인 전극층(405b)과 접속된다. 화소 전극(411)이 산화 인듐 주석, 산화 아연, 또는 산화 주석과 같은 투광성 전극 재료로부터 형성된다.
저장 커패시터(419)는 적절히 제공될 수 있다. 저장 커패시터(419)가 제공될 때, 저장 커패시터(419)는 게이트 전극층(401)과 동일한 층에서 형성된 커패시터 배선층(417)과, 커패시터 전극층(418)을 포함하여 형성된다. 커패시터 배선층(417)과 커패시터 전극층(418) 사이에서, 게이트 절연층(402)이 유전체로 기능하도록 확장되어, 저장 커패시터(419)가 형성된다.
슬릿들이 화소 전극(411)에 제공되어, 액정의 배향이 제어될 수 있다. 이러한 구조는 수직 배향(VA) 모드로 적용된다. VA 모드는 액정 패널의 액정 분자들의 배향을 제어하는 모드이다. VA 모드는 전압이 인가되지 않을 때 액정 분자들이 패널면에 수직하게 배열되는 모드이다. VA 모드 이외의, TN(twisted nematic) 모드, MVA(multi-domain vertical alignment) 모드, IPS(in-plane vertical switching) 모드, CPA(continuous pinwheel alignment) 모드, PVA(patterned vertical alignment) 모드 등이 적용될 수 있다는 것에 주의한다.
대향 전극(415)이 대향 기판(416) 측 상에 제공된다. 액정층(414)이 기판(400)과 대향 기판(416) 사이에 제공된다. 배향막(413)이 액정층(414)과 접하도록 제공된다. 배향막(413)의 배향 처리는 광 배향법 또는 러빙(rubbing)법에 의해 수행된다. 액정층(414)의 액정상(phase)으로서, 네마틱 상, 스멕틱 상, 콜레스테롤 상, 블루 상(blue phase) 등이 사용될 수 있다.
다음 구성성분들을 포함하는 하나의 유닛이 형성된다: 산화물 반도체층(403)이 게이트 절연층(402)을 사이에 개재하여 게이트 전극층(401)과 중첩하도록 제공되는 트랜지스터(410); 트랜지스터(410)의 소스측 또는 드레인측에 접속되고 액정을 구동하는 화소 전극(411); 화소 전극(411)과 대향하도록 제공된 대향 전극(415); 그리고 화소 전극(411)과 대향 전극(415) 사이에 제공된 액정층(414). 화소는 하나 이상의 이러한 유닛들로 구성될 수 있고, 화소들을 매트릭스로 배열하는 것에 의해 화상 등을 표시하는 표시 패널이 형성될 수 있다.
이러한 방식으로, 본 실시형태에서 높은 전계 효과 이동도와 낮은 오프 전류를 갖는 산화물 반도체층을 포함하는 트랜지스터를 사용하는 것에 의해, 저소비전력의 액정 표시 장치가 제공될 수 있다.
(실시형태 5)
본 실시형태에서, 산화물 반도체층을 포함하는 트랜지스터와 이의 제조 방법의 일례들이 도 7a 내지 7e를 참조하여 이하로 상세하게 설명될 것이다. 위의 실시예에서와 동일한 부분 또는 유사한 기능을 갖는 부분은 위의 실시예에서 설명된 것과 유사한 방식으로 형성될 수 있으며, 반복적인 설명은 생략된다. 또한, 동일한 부분들의 상세한 설명이 반복되지 않는다.
도 7a 내지 7e는 트랜지스터의 단면 구조의 일례를 도시한다. 도 7d 및 7e에 도시된 트랜지스터(510)는 바텀 게이트 구조를 갖는 역 스태거형 박막 트랜지스터이며, 이는 도 6a에 도시된 트랜지스터(410)와 유사하다.
이후로, 기판(505) 위의 트랜지스터(510)의 제조 공정이 도 7a 내지 7e를 참조하여 설명된다.
먼저, 절연 표면을 갖는 기판(505) 위에 도전막이 형성되고, 이후, 게이트 전극층(511)이 제 1 포토리소그래피 단계를 통해 형성된다. 레지스트 마스크는 잉크젯법에 의해 형성될 수 있다는 것에 주의한다. 잉크젯법에 의한 레지스트 마스크의 형성은 포토마스크를 필요로 하지 않으며; 따라서, 제조 비용이 감소될 수 있다.
절연 표면을 갖는 기판(505)으로서, 실시형태 4에서 설명된 기판(400)과 유사한 기판이 사용될 수 있다. 본 실시형태에서, 유리 기판이 기판(505)으로 사용된다.
기저막으로 동작하는 절연막이 기판(505)과 게이트 전극층(511) 사이에 제공될 수 있다. 기저막은 기판(505)으로부터 불순물 원소의 확산을 방지하는 기능을 갖고, 질화 규소막, 산화 규소막, 질화산화 규소막, 그리고 산화질화 규소막 중 하나 이상을 이용하여 단층 구조 또는 적층 구조로 형성될 수 있다.
게이트 전극층(511)은 몰리브덴, 티타늄, 탄탈, 텅스텐, 알루미늄, 구리, 네오디뮴, 또는 스칸듐과 같은 금속 재료, 및 이들 금속 재료 중 어느 것을 주성분으로 포함하는 합금 재료를 사용하여 단층 구조 또는 적층 구조를 갖도록 형성될 수 있다.
다음, 게이트 절연층(507)이 게이트 전극층(511) 위에 형성된다. 게이트 절연층(507)은 산화 규소층, 질화 규소층, 산화질화 규소층, 질화산화 규소층, 산화 알루미늄층, 질화 알루미늄층, 산화질화 알루미늄층, 질화산화 알루미늄층, 또는 산화 하프늄층을 중 어느 것을 사용하여 단층 구조 또는 적층 구조를 갖도록 플라즈마 CVD법, 스퍼터링법 등에 의해 형성될 수 있다.
본 실시형태의 산화물 반도체는, 불순물을 제거하는 것에 의해 i형 반도체 또는 실질적으로 i형 반도체로 만들어지는 산화물 반도체가 사용된다. 이러한 고순도의 산화물 반도체는 계면 준위와 계면 전하들에 매우 민감하고; 따라서, 산화물 반도체층과 게이트 절연층 사이의 계면은 중요하다. 이러한 이유로, 고순도의 산화물 반도체와 접하게 되는 게이트 절연층은 고품질을 가질 필요가 있다.
예를 들어, 절연층이 치밀하고, 높은 내전압(withstand voltage)과 고품질을 가질 수 있으므로, 마이크로파들(예를 들면, 2.45 GHz의 주파수를 갖는)을 사용하는 고밀도 플라즈마 CVD가 채택되는 것이 바람직하다. 고순도의 산화물 반도체와 고품질 게이트 절연층은 서로 밀접하고, 따라서 양호한 계면 특성들을 얻도록 계면 준위 밀도가 감소될 수 있다.
말할 필요도 없이, 방법이 게이트 절연층과 같은 고품질 절연층의 형성을 가능하게 한다면 스퍼터링법 또는 플라즈마 CVD법과 같은 다른 성막 방법이 채용될 수 있다. 또한, 절연층의 형성 후에 수행되는 가열 처리에 의해 막 품질과 절연층과 산화물 반도체 사이의 계면 특성들이 개선되는 절연층이, 게이트 절연층으로 형성될 수 있다. 어떠한 경우든, 절연층이 절연층과 산화물 반도체 사이의 계면의 계면 준위 밀도의 감소와, 양호한 막 품질을 가질 뿐만 아니라 양호한 계면의 형성을 가능하게 하는 특성들을 갖는 한, 임의의 절연층이 절연층으로서 사용될 수 있다.
게이트 절연층(507)과 산화물 반도체막(530)에 가능한 적게 수소, 수산기, 그리고 수분을 함유하기 위하여, 산화물 반도체막(530)의 성막 전에 전처리를 수행하는 것이 바람직하다. 전처리로서, 게이트 전극층(511)이 제공된 기판(505) 또는 게이트 전극층(511)과 게이트 절연층(507)이 형성되는 기판(505)이 스퍼터링 장치의 예열 챔버에서 예열되어, 기판(505) 상에 흡수된 수소 또는 수분과 같은 불순물이 제거되고, 이후 배기가 수행된다. 예열 챔버에 제공된 배기 수단으로서, 크라이오펌프가 바람직하다. 이러한 예열 처리는 생략될 수 있다는 것에 주의한다. 또한, 위의 예열과 같은 가열 처리는 소스 전극층(515a)과 드레인 전극층(515b)이 그 위에 형성되었으나 절연층(516)은 아직 형성되지 않은 상태의 기판(505) 상에서 유사한 방식으로 수행될 수 있다.
다음, 게이트 절연층(507) 위에, 2 nm 이상 200 nm 이하, 바람직하게는 5 nm 이상 30 nm 이하의 두께를 갖는 산화물 반도체막(530)이 형성된다(도 7a 참조).
스퍼터링법에 의해 산화물 반도체막(530)이 형성되기 전에, 게이트 절연층(507)의 표면에 부착된 입상 물질들(또한 입자들 또는 먼지로 칭함)이 아르곤 가스가 주입되고 플라즈마가 생성되는 역 스퍼터링에 의해 제거되는 것이 바람직하다는 것에 주의한다. 역 스퍼터링은 타겟 측에 전압을 인가하지 않고, 아르곤 대기에서 기판측으로 RF 전원을 사용하여 전압을 인가하여 기판측의 주위에 플라즈마를 형성하여 표면을 개질시키는 방법을 나타낸다. 아르곤 분위기 대신, 질소 분위기, 헬륨 분위기, 산소 분위기 등이 사용될 수 있다는 것에 주의한다.
산화물 반도체막(530)을 위한 산화물 반도체로서, 실시형태 4에서 설명된 산화물 반도체가 사용될 수 있다. 또한, SiO2가 위의 산화물 반도체에 함유될 수 있다. 본 실시형태에서, 산화물 반도체막(530)은 In-Ga-Zn-O계 산화물 타겟의 사용으로 스퍼터링법에 의해 성막된다. 이러한 단계의 단면도가 도 7a에 도시된다. 대안적으로, 희가스(전형적으로 아르곤) 분위기, 산소 분위기, 또는 희가스와 산소를 함유하는 혼합 분위기에서 스퍼터링법에 의해 산화물 반도체막(530)이 형성될 수 있다.
스퍼터링법에 의한 산화물 반도체막(530)의 형성을 위해 사용된 타겟은, 예를 들면, 1:1:1의 조성비[몰비]로 In2O3, Ga2O3, 그리고 ZnO를 함유하는 금속 산화물 타겟이며, 따라서 In-Ga-Zn-O 막이 성막된다. 타겟의 재료와 조성에 대한 제한없이, 예를 들면, 1:1:2[몰비]로 In2O3, Ga2O3, 그리고 ZnO를 함유하는 금속 산화물 타겟이 사용될 수 있다.
금속 산화물 타겟의 충전율(filling factor)은 90% 이상 100% 이하, 바람직하게는 95% 이상 99.9% 이하이다. 높은 충전율을 갖는 금속 산화물 타겟의 사용으로, 치밀한 산화물 반도체막이 형성될 수 있다.
수소, 물, 수산기를 포함하는 화합물, 또는 수소화물과 같은 불순물이 제거된 고순도 가스가 산화물 반도체막(530)을 형성하기 위해 사용된 스퍼터링 가스로 사용되는 것이 바람직하다.
기판은 감압 하에서 유지된 성막 챔버에서 유지되고, 기판 온도는 100 ℃ 내지 600 ℃로, 바람직하게는 200 ℃ 내지 400 ℃로 설정된다. 산화물 반도체막의 형성은 기판을 가열하는 것으로 수행되고, 따라서 형성된 산화물 반도체막에 포함된 불순물들의 농도가 감소될 수 있다. 또한, 스퍼터링에 의한 손상이 감소될 수 있다. 이후, 잔류 수분이 제거된 성막 챔버로 수소와 수분이 제거된 스퍼터링 가스가 도입되고, 기판(505) 위에서 산화물 반도체막(530)이 위의 타겟을 사용하여 성막된다. 성막 챔버의 잔류 수분을 제거하기 위하여, 크라이오펌프, 이온 펌프, 또는 티타늄 서브리메이션 펌프(titanium sublimation pump)와 같은 흡착형 진공 펌프가 사용되는 것이 바람직하다. 배기 수단은 냉트랩이 구비된 터보 펌프일 수 있다. 크라이오펌프의 사용으로 배기되는 성막 챔버에서, 수소 원자, 물(H2O)과 같은 수소 원자를 포함하는 화합물(더욱 바람직하게는, 또한 탄소 원자를 포함하는 화합물) 등이 제거되고, 따라서 성막 챔버에서 성막된 산화물 반도체막의 불순물들의 농도가 감소될 수 있다.
성막 조건의 일례로써, 기판과 타겟 사이의 거리가 100 mm이고, 압력은 0.6 Pa이며, 직류(DC) 전원은 0.5 kW이고, 분위기는 산소 분위기(산소 유량 비율은 100%)이다. 성막시에 발생된 입상 물질들(또한 입자들 또는 먼지로 칭함)이 감소될 수 있으며 막 두께가 균일해 질 수 있으므로 펄스 직류(DC) 전원의 사용이 바람직하다는 것에 주의한다.
이후, 산화물 반도체막(530)이 제 2 포토리소그래피 단계를 통하여, 섬형 산화물 반도체층으로 가공된다. 섬형 산화물 반도체층을 형성하기 위한 레지스트 마스크가 잉크젯법에 의해 형성될 수 있다. 잉크젯법에 의한 레지스트 마스크의 형성은 포토마스크를 필요로 하지 않으며; 따라서, 제조 비용이 감소될 수 있다.
콘택트 홀이 게이트 절연층(507)에 형성되는 경우에, 콘택트 홀을 형성하는 단계가 산화물 반도체막(530)의 가공시에 동시에 수행될 수 있다.
산화물 반도체막(530)의 에칭은 건식 에칭, 습식 에칭, 또는 건식 에칭과 습식 에칭 모두일 수 있다는 것에 주의한다. 산화물 반도체막(530)의 습식 에칭을 위해 사용된 에천트(etchant)로서, 예를 들면, ITO07N(KANTO CHEMICAL CO., INC.에 의해 생산된)과 같은 인산, 아세트산, 그리고 질산의 혼합액이 사용될 수 있다.
다음, 산화물 반도체층이 제 1 가열 처리를 받는다. 이러한 제 1 가열 처리에 의해, 산화물 반도체층이 탈수화 또는 탈수소화될 수 있다. 제 1 가열 처리의 온도는 400 ℃ 이상 750 ℃ 이하, 바람직하게는 400 ℃ 이상 상기 기판의 변형점 미만이다. 여기서, 기판이 가열 처리 장치의 일종인 전기로(electric furnace)로 들어가고, 질소 분위기에서 450 ℃에서 1시간 동안 산화물 반도체층에 대한 가열 처리가 수행되며, 이후, 산화물 반도체층이 대기로 노출되지 않아 산화물 반도체층으로의 물과 수소의 혼입이 방지되고; 따라서, 산화물 반도체층(531)이 얻어진다(도 7b 참조).
본 단계에서 사용된 가열 처리 장치는 전기로로 제한되지 않으며, 저항 발열체와 같은 가열 소자로부터의 열 전도 또는 열 복사에 의해 대상을 가열하기 위한 장치가 대안적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, GRTA(gas rapid thermal anneal) 장치 또는 LRTA(lamp rapid thermal anneal) 장치와 같은 RTA(rapid thermal anneal) 장치가 사용될 수 있다. LRTA 장치는 할로겐 램프, 금속 할로겐화물 램프, 크세논 아크 램프, 카본 아크 램프, 고압 나트륨 램프, 또는 고압 수은 램프와 같은 램프로부터 방출된 광(전자파)의 복사에 의해 대상을 가열하기 위한 장치이다. GRTA 장치는 고온 가스를 이용하여 가열 처리를 하기 위한 장치이다. 고온 가스로서, 질소 또는 아르곤과 같은 희가스와 같은, 가열 처리에 의해 대상과 반응하지 않는 불활성 가스가 사용된다.
예를 들어, 제 1 가열 처리로서, GRTA가 다음과 같이 수행될 수 있다: 기판이 650 ℃ 내지 700 ℃의 고온으로 가열된 불활성 가스로 이동되고, 수분간 가열되며, 고온으로 가열된 불활성 가스로부터 꺼내진다.
제 1 가열 처리에서, 물, 수소 등은 질소 또는 헬륨, 네온, 또는 아르곤과 같은 희가스의 대기에 포함되지 않는 것이 바람직하다는 것에 주의한다. 가열 처리 장치로 도입되는 질소 또는 헬륨, 네온, 또는 아르곤과 같은 희가스의 순도는 6N(99.9999%) 이상으로 설정되는 것이 바람직하고, 7N(99.99999%) 이상(즉, 불순물의 농도는 바람직하게는 1ppm 이하, 더욱 바람직하게는 0.1ppm 이하) 설정되는 것이 더욱 바람직하다.
산화물 반도체층이 제 1 가열 처리에 의해 가열된 후, 고순도 산소 가스, 고순도 N2O 가스, 또는 초건조 대기(-40 ℃ 이하, 바람직하게는 -60 ℃ 이하의 이슬점을 갖는)가 동일한 노(furnace)로 주입될 수 있다. 물, 수소 등은 산소 가스 또는 N2O 가스에 함유되지 않는 것이 바람직하다. 대안적으로, 가열 처리 장치로 도입되는 산소 가스 또는 N2O 가스의 순도는 바람직하게는 6N 이상, 더욱 바람직하게는 7N 이상이다(즉, 산소 가스 또는 N2O 가스의 불순물 농도는 1ppm 이하이고, 바람직하게는 0.1 ppm 이하이다). 산화물 반도체에 포함된 주성분인 산소가 탈수화 처리 또는 탈수소화 처리의 수행에 의한 불순물들의 제거를 통해 감소되더라도, 위의 방식으로 산소 가스 또는 N2O 가스의 도입의 효과에 의해 산소가 공급되고, 따라서 산화물 반도체층은 고순도가 되며 전기적으로 i형(진성) 반도체로 만들어진다.
대안적으로, 산화물 반도체층의 제 1 가열 처리가 섬형 산화물 반도체층으로 아직 가공되지 않은 산화물 반도체막(530)에 대해 수행될 수 있다. 이러한 경우에, 기판은 제 1 가열 처리 후에 가열 장치로부터 꺼내지고, 이후 포토리소그래피 단계가 수행된다.
위의 타이밍 이외에, 제 1 가열 처리가 산화물 반도체층이 성막된 후인 한 임의의 다음 타이밍들에서 수행될 수 있다는 것에 주의한다. 예를 들어, 타이밍은 소스 전극층과 드레인 전극층이 산화물 반도체층 위에서 형성된 후 또는 절연층이 소스 전극층과 드레인 전극층 위에 형성된 후일 수 있다.
콘택트 홀이 게이트 절연층(507)에 형성되는 경우에, 콘택트 홀의 형성은 산화물 반도체막(530) 상에서 제 1 가열 처리가 수행되기 전 또는 후에 수행될 수 있다.
대안적으로, 산화물 반도체층은 2회의 성막 단계들과 2회의 가열 처리 단계들을 통해 형성될 수 있다. 이렇게 형성된 산화물 반도체층은, 기저 부재가 임의의 산화물, 질화물, 금속 등을 포함하는 때라도, 두꺼운 결정 영역(비단결정 영역), 즉, c-축이 층의 표면에 수직한 방향으로 배향되는 결정 영역을 가진다. 예를 들어, 3nm 이상 15nm 이하의 두께를 갖는 제 1 산화물 반도체막이 성막되고, 제 1 가열 처리가 질소, 산소, 희가스, 또는 건조 대기 분위기에서 450 ℃ 내지 850 ℃, 바람직하게는 550 ℃ 내지 750 ℃에서 수행되어, 제 1 산화물 반도체막은 그의 표면에 결정 영역(판형 결정)을 갖는다. 이후, 제 1 산화물 반도체막보다 큰 두께를 갖는 제 2 산화물 반도체막이 형성되고, 제 2 가열 처리가 450 ℃ 내지 850 ℃, 바람직하게는 600 ℃ 내지 700 ℃에서 수행되어, 결정 성장의 씨드로서 제 1 산화물 반도체막의 사용으로 상향으로 결정 성장이 진행하며 전체의 제 2 산화물 반도체막이 결정화된다. 이러한 방식으로, 두꺼운 결정 영역을 갖는 산화물 반도체층이 얻어질 수 있다.
다음, 소스 전극과 드레인 전극(소스 전극과 드레인 전극과 같은 층에서 형성된 배선을 포함하여)이 될 도전막이 게이트 절연층(507)과 산화물 반도체층(531) 위에 형성된다. 소스 전극과 드레인 전극이 될 도전막은 실시형태 4에서 설명된 소스 전극층(405a)과 드레인 전극층(405b)에 사용되는 재료를 사용하여 형성될 수 있다.
제 3 포토리소그래피 단계의 수행에 의해, 레지스트 마스크가 도전막 위에 형성되고, 선택적 에칭이 수행되어, 소스 전극층(515a)과 드레인 전극층(515b)이 형성된다. 이후, 레지스트 마스크가 제거된다(도 7c 참조).
제 3 포토리소그래피 단계에서 레지스트 마스크의 형성시의 노광이 자외선 광, KrF 레이저광, 또는 ArF 레이저광을 이용하여 수행될 수 있다. 나중에 형성된 트랜지스터의 채널 길이(L)는 산화물 반도체층(531) 위의 서로 이웃하는 소스 전극층의 하단부와 드레인 전극층의 하단부 사이의 거리에 의해 결정된다. 채널 길이(L)가 25nm 미만인 경우에, 제 3 포토리소그래피 단계의 레지스트 마스크의 형성을 위한 노광은 수 nm 내지 수십 nm의 초단파장을 갖는 초자외선 광을 사용하여 수행될 수 있다. 초자외선 광에 의한 노광으로, 해상도는 높고 초점 심도(focal depth)는 커진다. 이러한 이유들로, 나중에 형성될 트랜지스터의 채널 길이(L)는 10 nm 내지 1000 nm의 범위에 있을 수 있고, 회로는 보다 고속으로 동작할 수 있다.
포토리소그래피 단계에서 사용된 포토마스크들의 수를 감소시키고 단계들의 수를 감소시키기 위하여, 복수의 강도들을 갖도록 광이 투과되는 노광 마스크인 다계조 마스크의 사용으로 에칭 단계가 수행될 수 있다. 다계조 마스크의 사용으로 형성된 레지스트 마스크는 복수의 두께들을 가지며 또한 에칭에 의해 형상이 변화될 수 있어서; 상이한 패턴들로 가공하기 위한 복수의 에칭 단계들에서 레지스트 마스크가 사용될 수 있다. 따라서, 적어도 2 종류들의 상이한 패턴들에 대응하는 레지스트 마스크가 하나의 다계조 마스크로 형성될 수 있다. 그러므로, 노광 마스크들의 수가 감소될 수 있고 대응하는 포토리소그래피 단계들의 수가 또한 감소될 수 있어서, 공정의 간략화가 구현될 수 있다.
도전막이 에칭될 때, 산화물 반도체층(531)이 도전막과 함께 에칭되어 분할되지 않도록 최적의 에칭 조건이 수행되는 것이 바람직함에 주의한다. 그러나, 단지 도전막만 에칭되고 산화물 반도체층(531)은 전혀 에칭되지 않는 이러한 조건을 얻는 것은 힘들다. 도전막의 에칭에서, 일부 경우들에서 산화물 반도체층(531)이 부분적으로 에칭되어, 홈부(오목부)를 갖는 산화물 반도체층이 형성된다.
본 실시형태에서, 티타늄(Ti)막이 도전막으로 사용되며 In-Ga-Zn-O계 산화물 반도체가 산화물 반도체층(531)에 사용되므로, 과산화수소 암모늄 혼합물(31 wt% 과산화수소수: 28 wt% 암모니아수: 물 = 5:2:2)이 Ti막의 에천트로 사용된다.
다음, N2O, N2, 또는 Ar과 같은 가스를 사용한 플라즈마 처리에 의해, 산화물 반도체층의 노출부의 표면에 흡착된 물 등이 제거될 수 있다. 플라즈마 처리가 수행되는 경우에, 산화물 반도체층이 대기로 노출되지 않고 산화물 반도체층의 일부와 접하여 보호 절연막으로 작용하는 절연층(516)이 형성된다.
절연층(516)은 물 또는 수소와 같은 불순물이 절연층(516)으로 혼입되지 않는 스퍼터링법과 같은 적절한 방법에 의해 적어도 1nm의 두께로 형성될 수 있다. 수소가 절연층(516)에 함유될 때, 수소가 산화물 반도체층으로 혼입되거나 산화물 반도체층으로부터 산소를 추출하여, 산화물 반도체층의 백채널(back channel)의 저저항화를 유발하고(즉, n형 백채널을 형성한다), 따라서 기생 채널이 형성될 수 있다. 따라서, 수소를 가능한 함유하지 않도록 수소가 성막 방법에 사용되지 않는 것이 절연층(516)을 위해 중요하다.
산화물 반도체층과 접하여 형성되는 절연층(516)으로서, 수분, 수소 이온, 또는 OH-와 같은 불순물을 포함하지 않고 외부로부터 불순물의 침입을 막는 무기 절연막이 사용된다. 전형적으로, 산화 규소막, 산화질화 규소막, 산화 알루미늄막, 산화질화 알루미늄막 등이 사용된다. 본 실시형태에서, 산화 규소막이 스퍼터링법에 의해 절연층(516)으로서 200nm의 두께로 형성된다. 성막시의 기판 온도는 실온 이상 300 ℃ 이하일 수 있고, 본 실시형태에서는 100 ℃이다. 산화 규소막이 스퍼터링법에 의해 회가스(전형적으로 아르곤) 분위기, 산소 분위기, 또는 희가스와 산소를 함유하는 혼합 분위기에서 형성될 수 있다. 타겟으로, 산화 규소 타겟 또는 규소 타겟이 사용될 수 있다. 예를 들어, 산화 규소막이 산소를 포함하는 분위기에서 스퍼터링법에 의해 규소 타겟을 사용하여 형성될 수 있다.
산화물 반도체막(530)의 형성의 경우에서와 같이, 절연층(516)의 성막 챔버 내의 잔류 수분을 제거하기 위하여 흡착형 진공 펌프(예: 크라이오펌프)가 사용되는 것이 바람직하다. 절연층(516)은 크라이오펌프의 사용으로 배기되는 성막 챔버에서 성막될 때, 절연층(516)에 함유된 불순물의 농도는 감소될 수 있다. 대안적으로, 성막 챔버 내의 잔류 수분의 제거를 위해 사용된 배기 수단은 냉트랩이 구비된 터보 펌프일 수 있다.
수소, 물, 수산기를 함유하는 화합물, 또는 수소화물과 같은 불순물들이 제거된 고순도 가스가 절연층(516)을 형성하기 위해 사용된 스퍼터링 가스로 사용되는 것이 바람직하다.
다음, 불활성 가스 분위기 또는 산소 가스 분위기에서 제 2 가열 처리가 수행된다(바람직하게는 200 ℃ 내지 400 ℃에서, 예를 들면 250 ℃ 내지 350 ℃에서). 예를 들어, 제 2 가열 처리는 질소 분위기에서 250 ℃에서 1시간 동안 수행된다. 제 2 가열 처리는 산화물 반도체층의 일부(채널 형성 영역)가 절연층(516)과 접하는 상태에서 수행된다.
상술된 바와 같이, 수소, 수분, 수산기, 또는 수소화물(또한 수소 화합물로 칭함)과 같은 불순물이 산화물 반도체층을 제 1 가열 처리하는 것에 의해 산화물 반도체층으로부터 의도적으로 제거되고, 이후 불순물들을 제거하는 단계에서 산소가 감소되기 때문에 산화물 반도체의 주성분들 중 하나인 산소가 공급될 수 있다. 위의 단계들을 통해, 산화물 반도체층이 고순도가 되고 전기적으로 i형(진성) 반도체로 만들어진다.
위의 공정을 통해, 트랜지스터(510)가 형성된다(도 7d 참조).
많은 결점들을 갖는 산화 규소층이 절연층(516)으로 사용될 때, 산화물 반도체층에 포함된 수소, 수분, 수산기, 또는 수소화물과 같은 불순물이 산화 규소층의 형성 후에 수행되는 가열 처리에 의해 확산될 수 있으며, 따라서 산화물 반도체층 중의 불순물들이 더욱 감소될 수 있다.
보호 절연층(506)이 절연층(516) 위에 형성될 수 있다. 보호 절연층으로서, 수분과 같은 불순물을 포함하지 않고 외부로부터 불순물의 침입을 방지하는 무기 절연막, 예를 들면, 질화 규소막, 질화 알루미늄막 등이 사용된다. 본 실시형태에서, RF 스퍼터링 방법은 높은 생산성을 가지므로, RF 스퍼터링법에 의해 보호 절연층(506)이 질화 규소막을 사용하여 형성된다(도 7e 참조).
본 실시형태에서, 보호 절연층(506)으로서, 절연층(516)의 형성 단계를 포함하는 이제까지의 단계들이 행해진 기판(505)을 100 ℃ 내지 400 ℃의 온도로 가열하고, 수소와 수분이 제거되는 고순도 질소를 포함하는 스퍼터링 가스를 도입하며, 규소 반도체 타겟을 이용하는 것에 의해 질화 규소막이 형성된다. 그러한 경우에 또한, 절연층(516)의 경우에서와 같이 보호 절연층(506)의 성막시 성막 챔버 내의 잔류 수분이 제거되는 것이 바람직하다.
보호 절연층의 형성 후에, 1시간 내지 30시간 동안 대기에서 100 ℃ 내지 200 ℃의 온도로 가열 처리가 또한 수행될 수 있다. 이러한 가열 처리는 일정한 가열 온도에서 수행될 수 있다. 대안적으로, 가열 온도에서 다음과 같은 변화가 몇번 반복해서 수행될 수 있는데: 가열 온도가 실온에서 100 ℃ 내지 200 ℃의 온도로 증가되고 이후 실온으로 감소된다.
설명된 바와 같이 본 실시형태에 따라 제조되는 고순도의 산화물 반도체층을 포함하는 트랜지스터는 높은 전계 효과 이동도를 성취하며 따라서 고속으로 동작할 수 있다. 고순도의 산화물 반도체층을 포함하는 트랜지스터가 액정 표시 장치의 화소부에서 사용될 때, 색 분리가 억제될 수 있으며 고화질 화상이 제공될 수 있다. 또한, 고순도의 산화물 반도체층을 포함하는 트랜지스터들을 포함하는 구동 회로부와 화소부가 한 기판 위에 형성될 수 있으며; 따라서, 액정 표시 장치의 부품수가 감소될 수 있다.
고순도의 산화물 반도체를 포함하는 트랜지스터의 전계 효과 이동도의 측정 결과들이 설명된다.
본 실시형태의 위의 제조 방법에 따라, 고순도의 산화물 반도체(50nm의 두께를 갖는 In-Ga-Zn-O계 산화물 반도체막)를 포함하는 트랜지스터(L/W = 10㎛/50㎛)가 제조되었고, 기판 온도가 실온으로 설정되고, 소스-드레인 전압(이하, 드레인 전압 또는 Vd로 칭함)은 10V로 설정되었으며, 소스-게이트 전압(이하, 게이트 전압 또는 Vg로 칭함)은 -30V 내지 +30V에서 변화된 조건들 하에서 소스-드레인 전류(이하, 드레인 전류 또는 Id로 칭함)의 특성들에서의 변화가 측정되었다. 즉, Vd-Id 특성들이 측정되었다. 도 8에서, Vg의 범위는 -5V 내지 +30V라는 것에 주의한다. 도 8로부터, 고순도의 산화물 반도체층을 포함하는 트랜지스터의 전계 효과 이동도의 최대값은 10.7 cm2/Vsec로 확정되었다.
고순도의 산화물 반도체를 포함하는 트랜지스터는 오프 상태에서 극단적으로 낮은 전류 값(오프 전류 값)을 보인다는 것이 주의되어야 한다. 따라서, 화상 신호 등의 전기 신호의 유지 기간이 연장될 수 있고 기록 동작들 사이의 간격이 더 길게 설정될 수 있다. 따라서, 리프레시 동작의 빈도가 감소될 수 있으며, 따라서 소비된 전력의 감소가 더욱 효율적으로 개선될 수 있다.
고순도의 산화물 반도체를 포함하는 트랜지스터의 오프 전류의 측정 결과들이 설명된다.
본 실시형태의 위의 제조 방법에 따라, 고순도의 산화물 반도체를 포함하는 트랜지스터가 제조되었다. 먼저, 1cm의 효율적으로 큰 채널 폭(W)을 갖는 트랜지스터가 고순도의 산화물 반도체를 포함하는 트랜지스터의 매우 작은 오프 전류를 고려하여 준비되었고, 오프 전류가 측정되었다. 도 9는 1cm의 채널 폭(W)을 갖는 트랜지스터의 오프 전류의 측정 결과들을 도시한다. 도 9에서, 횡축은 게이트 전압(Vg)을 나타내고 종축은 드레인 전류(Id)를 나타낸다. 드레인 전압(Vd)이 +1V 또는 +10V인 경우에, -5V 내지 -20V의 범위 내의 게이트 전압(Vg)을 갖는 트랜지스터의 오프 전류는 검출 한계인 1 x 10-13 A 이하로 발견되었다. 또한, 트랜지스터의 오프 전류(단위 채널 폭(1㎛)당)는 10 aA/㎛(1 x 10-17 A/㎛) 이하로 발견되었다.
다음, 고순도의 산화물 반도체를 포함하는 트랜지스터의 오프 전류의 보다 정밀한 측정 결과들이 설명된다. 상술된 바와 같이, 고순도의 산화물 반도체를 포함하는 트랜지스터의 오프 전류는 측정 장비의 검출 한계인 1 x 10-13 A 이하로 발견되었다. 따라서, 보다 정밀한 오프 전류(위의 측정에서 측정 장비의 검출 한계 이하 값)가 테스트 소자 그룹(TEG)의 사용으로 측정되었다. 그의 결과들이 설명될 것이다.
전류 측정에 사용된 테스트 소자 그룹이 이하로 설명된다.
테스트 소자 그룹으로서, 병렬로 접속된 3개의 측정 시스템들이 사용된다. 각 측정 시스템은 커패시터, 제 1 트랜지스터, 제 2 트랜지스터, 제 3 트랜지스터, 그리고 제 4 트랜지스터를 포함한다. 제 1 내지 제 4 트랜지스터들은 본 실시형태에 따라 제조되었으며, 각 트랜지스터는 도 7d에 도시된 트랜지스터(510)와 동일한 구조를 가졌다.
각 측정 시스템에서, 제 1 트랜지스터의 소스 단자와 드레인 단자 중 하나, 커패시터의 단자들 중 하나, 그리고 제 2 트랜지스터의 소스 단자와 드레인 단자 중 하나가 전원(V2를 공급하기 위한 전원)에 접속된다. 제 1 트랜지스터의 소스 단자와 드레인 단자 중 다른 하나, 제 3 트랜지스터의 소스 단자와 드레인 단자 중 하나, 커패시터의 단자들 중 다른 하나, 그리고 제 2 트랜지스터의 게이트 단자가 서로 접속된다. 제 3 트랜지스터의 소스 단자와 드레인 단자 중 다른 하나, 제 4 트랜지스터의 소스 단자와 드레인 단자 중 하나, 그리고 제 4 트랜지스터의 게이트 단자가 전원(V1을 공급하기 위한 전원)에 접속된다. 제 2 트랜지스터의 소스 단자와 드레인 단자 중 다른 하나, 제 4 트랜지스터의 소스 단자와 드레인 단자 중 다른 하나가 출력 단자에 접속된다.
제 1 트랜지스터의 온 오프를 제어하기 위해 전위(Vext_b2)가 제 1 트랜지스터의 게이트 단자로 공급된다. 제 3 트랜지스터의 온 오프를 제어하기 위해 전위(Vext_b1)가 제 3 트랜지스터의 게이트 단자로 공급된다. 전위(Vout)가 출력 단자로부터 출력된다.
이후, 위의 측정 시스템들을 사용한 오프 전류의 측정이 설명된다.
먼저, 초기화 기간에서 전위차가 제 1 트랜지스터의 소스 단자와 드레인 단자 사이에 그리고 제 3 트랜지스터의 소스 단자와 드레인 단자 사이에 주어진다. 초기화가 완성된 후, 제 2 트랜지스터의 게이트 단자의 전위는 제 1 및 제 3 트랜지스터들의 오프 전류로 인해 시간에 따라 변한다. 따라서, 출력 단자의 출력 전위(Vout)의 전위가 시간에 따라 변화한다. 이후, 이렇게 얻어진 출력 전위(Vout)로 오프 전류가 계산될 수 있다.
제 1 내지 제 4 트랜지스터들의 각각은 10㎛의 채널 길이(L)와 50㎛의 채널 폭(W)을 갖는 고순도의 산화물 반도체를 포함하는 트랜지스터이다. 병렬로 배열된 3개의 측정 시스템들에서, 제 1 측정 시스템의 커패시터의 용량은 100 fF이었고, 제 2 측정 시스템의 커패시터의 용량은 1 pF이었으며, 제 3 측정 시스템의 커패시터의 용량은 3 pF이었다.
제 1 트랜지스터의 소스 단자와 드레인 단자 사이와 제 3 트랜지스터의 소스 단자와 드레인 단자 사이에 전위차를 제공하기 위하여 V1과 V2는 5V 또는 0V로 적절하게 설정되었다. 측정은 매 10 내지 300초마다 수행되었으며, 전위(Vout)는 매 측정에서 100msec 동안 측정되었다. 측정은 초기화 이후 30000 초가 지났을 때까지 수행되었다.
도 10은 위의 전류 측정에서 계산된 오프 전류를 도시한다. 도 10은 또한 소스-드레인 전압(V)과 오프 전류(I) 사이의 관계를 도시한다. 도 10에 따라, 오프 전류는 4V의 소스-드레인 전압에서 약 40 zA/㎛였다. 유사한 방식으로, 오프 전류는 3.1V의 소스-드레인 전압에서 10 zA/㎛ 이하였다. 1zA는 10-21A를 나타낸다는 것에 주의한다.
본 실시형태에 따라, 고순도 산화물 반도체를 포함하는 트랜지스터에서 오프 전류가 효율적으로 작아질 수 있다는 것이 확인되었다.
(실시형태 6)
본 명세서에서 개시된 액정 표시 장치는 다양한 전자 기기들(게임기들을 포함하여)에 적용될 수 있다. 전자 기기들의 예들은 텔레비전 세트(또한 텔레비전 또는 텔레비전 수신기로 칭함), 컴퓨터 등의 모니터, 디지털 카메라 또는 디지털 비디오 카메라와 같은 카메라, 디지털 포토 액자, 휴대 전화기(또한 휴대 전화 또는 휴대 전화 장치로 칭함), 휴대용 게임기, 휴대용 정보 단말, 오디오 재생 장치, 파친코기와 같은 대형 크기의 게임기 등이다. 각각이 위의 실시형태에서 설명된 액정 표시 장치를 포함하는 전자 기기들의 예들이 설명된다.
도 11a는 전자 서적 리더(또한 e-book 리더라고 칭함)를 도시하며, 이는 하우징들(9630), 표시부(9631), 조작키들(9632), 태양 전지(9633), 그리고 충방전 제어 회로(9634)를 포함한다. 도 11a에 도시된 e-북 리더는 표시부 상에 다양한 종류들의 정보(예를 들면, 정지 화상, 동화상, 그리고 텍스트 화상)를 표시하는 기능, 달력, 날짜, 시간 등을 표시부에 표시하는 기능, 표시부에 표시된 정보를 조작하고 편집하는 기능, 다양한 종류들의 소프트웨어(프로그램들)에 의해 처리를 제어하는 기능 등을 갖는다. 도 11a에서, 충방전 제어 회로(9634)는 일례로써 배터리(9635)와 DCDC 컨버터(이하, 컨버터로 약기)(9636)를 갖는다는 것에 주의한다. 임의의 실시형태들 1 내지 5에서 설명된 액정 표시 장치가 표시부(9631)로 적용될 때, 보다 적은 전력을 소비하는 e-북 리더가 제공될 수 있다.
도 11a에 도시된 구조의 표시부(9631)로서 반투과형 또는 반사형 액정 표시 장치를 사용하는 경우에, e-북 리더는 상대적으로 밝은 환경에서 사용될 수 있다. 그러한 경우에, 태양 전지(9633)에 의한 발전과 배터리(9635)에 의한 충전이 효율적으로 수행되며, 이것이 바람직하다. 태양 전지(9633)가 하우징(9630)의 공간(표면 또는 이면) 상에 적절하게 제공될 수 있기 때문에, 배터리(9635)가 효율적으로 충전될 수 있고, 이것이 바람직하다. 배터리(9635)로서 리튬 이온 배터리가 사용될 때, 소형화 등의 장점이 있다.
도 11a에 도시된 충방전 제어 회로(9634)의 구성과 동작이 도 11b의 블록도를 참조하여 설명된다. 도 11b는 태양 전지(9633), 배터리(9635), 컨버터(9636), 컨버터(9637), 스위치들(SW1 내지 SW3), 그리고 표시부(9631)를 도시한다. 충방전 제어 회로(9634)는 배터리(9635), 컨버터(9636), 컨버터(9637), 그리고 스위치들(SW1 내지 SW3)을 포함한다.
먼저, 태양 전지(9633)가 외부 광을 사용하는 것에 의해 발전시키는 경우의 동작 예에 대한 설명이 주어진다. 태양 전지에 의해 발전은 배터리(9635)에 저장되는 전압이 되도록 컨버터(9636)에 의해 승압 또는 강압된다. 태양 전지(9633)로부터의 전력이 표시부(9631)의 동작을 위해 사용될 때, 스위치(SW1)가 턴 온되고 표시부(9631)를 위해 필요한 전압이 되도록 전력이 컨버터(9637)에 의해 승압 또는 강압된다. 표시가 표시부(9631) 상에서 수행되지 않을 때, 스위치(SW1)는 턴 오프될 수 있고 스위치(SW2)가 턴 온 될 수 있으며, 따라서 배터리(9635)가 충전된다.
다음, 태양 전지(9633)가 외부 광을 사용하는 것에 의해 발전되지 않을 때의 동작의 예가 설명된다. 배터리(9635)에 축전된 전력은 스위치(SW3)를 턴 온 할 때 컨버터(9637)에 의해 승압 또는 강압된다. 이후, 배터리(9635)로부터의 전력이 표시부(9631)의 동작을 위해 사용된다.
태양 전지(9633)가 여기서 충전 수단의 일례로써 설명되었으나; 배터리(9635)를 충전하는 것은 다른 수단에 의해 수행될 수 있다는 것에 주의한다. 대안적으로, 다른 충전 수단의 조합이 사용될 수 있다.
도 12는 랩탑 개인용 컴퓨터를 도시하며, 이는 본체(3001), 하우징(3002), 표시부(3003), 키보드(3004) 등을 포함한다. 모든 실시형태 1 내지 5에서 설명된 액정 표시 장치가 표시부(3003)로 적용될 때, 랩탑 개인용 컴퓨터에서의 전력 소비가 작게 될 수 있다.
본 실시예는 다른 실시예들에서 설명된 구성들과 적절한 조합으로 수행될 수 있다.
본 출원은 2010년 1월 24일에 일본 특허청에 제출된 일본 특허 출원 일련 번호 제2010-012663호에 기초하며, 전체 내용들이 본원에 참조로 포함된다.
100:액정 표시 장치, 113:표시 제어 회로, 116:전원, 120:표시 패널, 121:구동 회로부, 121A:게이트선 구동 회로, 121B:소스선 구동 회로, 122:화소부, 123:화소, 124:게이트선, 125:소스선, 126:단자부, 128:공통 전극, 210:커패시터, 213:화소, 214:트랜지스터, 215:액정 소자, 225:정공 주입층, 400:기판, 401:게이트 전극층, 402:게이트 절연층, 403:산화물 반도체층, 405a:소스 전극층, 405b:드레인 전극층, 407:절연막, 409:보호 절연층, 410:트랜지스터, 411:화소 전극, 412:콘택트 홀, 413:배향막, 414:액정층, 415:대향 전극, 416:대향 기판, 417:커패시터 배선층, 418:커패시터 전극층, 419:저장 커패시터, 420:트랜지스터, 427:절연층, 430:트랜지스터, 436a:배선층, 436b:배선층, 437:절연층, 440:트랜지스터, 505:기판, 506:보호 절연층, 507:게이트 절연층, 510:트랜지스터, 511:게이트 전극층, 515a:소스 전극층, 515b:드레인 전극층, 516:절연층, 530:산화물 반도체막, 531:산화물 반도체층, 700:하우징, 701:표시 모듈, 702:스피커, 703:조작키, 704:외부 접속 단자, 705:조도 센서, 710:텔레비전 수신기, 711:튜너, 712:디지털 복조 회로, 713:비디오 신호 처리 회로, 714:오디오 신호 처리 회로, 715:표시 조절 회로, 716:표시 제어 회로, 717:표시 패널, 718:게이트선 구동 회로, 719:소스선 구동 회로, 720:스피커, 721:안테나, 722:외부 입력부, 723:점선부, 800:하우징, 801:표시 모듈, 802:스피커, 803:외부 접속 단자, 804:윈도우형 표시부, 810:PC 모니터, 813:비디오 신호 처리 회로, 814:오디오 신호 처리 회로, 816:표시 제어 회로, 817:표시 패널, 818:게이트선 구동 회로, 819:소스선 구동 회로, 820:스피커, 821:외부 연산 회로, 822:외부 조작 수단, 823:점선부, 1001:양극, 1002:음극, 1003:EL층, 1004:중간층, 1011:정공 주입층, 1012:정공 수송층, 1013:발광층, 1014:전자 수송층, 1015:전자 주입층, 1020:기판, 1025:EL 소자, 3001:본체, 3002:하우징, 3003:표시부, 3004:키보드, 5201:백라이트부, 5202:확산판, 5203:도광판, 5204:반사판, 5205:램프 리플렉터, 5206:광원, 5207:표시 패널, 5222:램프 리플렉터, 5223:발광 다이오드(LED), 5290:백라이트부, 5291:확산판, 5292:차광부, 5293:램프 리플렉터, 5294:광원, 5295:액정 패널, 9630:하우징, 9631:표시부, 9632:조작키, 9633:태양 전지, 9634:충방전 제어 회로, 9635:배터리, 9636:컨버터, 9637:컨버터

Claims (3)

  1. 기판;
    트랜지스터; 및
    상기 트랜지스터에 전기적으로 접속된 표시 소자를 포함하는 표시 장치에 있어서,
    상기 트랜지스터는:
    상기 기판 위의 산화물 반도체층;
    상기 산화물 반도체층 위의 제1 절연층;
    상기 제1 절연층 위의 게이트 전극;
    상기 산화물 반도체층과 접하는 소스 단자 및 드레인 단자; 및
    상기 소스 단자 및 상기 드레인 단자 위의 제2 절연층을 포함하며,
    상기 트랜지스터는, 3.1 V의 전압이 상기 소스 단자와 상기 드레인 단자 사이에 인가될 경우, 상기 소스 단자와 상기 드레인 단자 사이를 흐르는 전류가 실온에서 10 zA/㎛ 미만인 것을 특징으로 하고,
    상기 산화물 반도체층은 인듐, 갈륨, 및 아연을 포함하고,
    상기 산화물 반도체층의 에너지 갭은 2eV 이상인, 표시 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 트랜지스터는, 3.1 V의 전압이 상기 소스 단자와 상기 드레인 단자 사이에 인가될 경우, 상기 소스 단자와 상기 드레인 단자 사이를 흐르는 전류가 85℃에서 100 zA/㎛ 미만인 것을 특징으로 하는, 표시 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 표시 소자는 한 쌍의 전극을 포함하고, 상기 한 쌍의 전극 사이에 전계 발광(EL) 층 또는 액정층이 개재된, 표시 장치.
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