TWI409955B - 場效應電晶體、顯示元件、影像顯示裝置及系統 - Google Patents

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Description

場效應電晶體、顯示元件、影像顯示裝置及系統
本發明涉及場效應電晶體、顯示元件、影像顯示裝置，以及系統。尤其涉及具有氧化物半導體形成的活性層的場效應電晶體，包括該場效應電晶體的顯示元件和影像顯示裝置，以及具有影像顯示裝置的系統。
場效應電晶體(FET)係一種電晶體，用於藉由在閘電極上供應電壓來控制源電極和汲電極之間的電流，取決於通道上的電場對閘極提供電子流或電洞流。
FET的特性使其作為開關元件和放大元件。由於FET具有小閘電流並具有平坦剖面，則FET的製造或集成與比起兩級電晶體更為簡單。因此，現在FET在積體電路中用於電子裝置係為不可或缺的元件。
FET已經在主動矩陣類型顯示器中作為薄膜電晶體(TFT)。
近幾年，液晶顯示器、有機電致發光(EL)顯示器、電子紙等等已經作為平面顯示器(FPD)而實用。
FPD由驅動電路驅動，該驅動電路包括具有由非晶矽或多晶矽形成的活性層的TFT。FPD需達成進一步擴大、更高解析度和驅動速度。依照這些需求，需要具有更高載子遷移率、隨著時間其特性改變較少以及面板內較少特性改變的TFT。
然而，具有由非晶矽(a-Si)或多晶矽(尤其低溫多晶矽(LTP))形成的活性層的TFT具有一些優點和缺點。因此，很難同時滿足所有需求。
例如，高速驅動大螢幕LCD(液晶顯示器)a-Si TFT的缺點是遷移率不足，並且在持續驅動中閾值電壓的大量位移。儘管LTPS-TFT具有高遷移率，仍存在的缺點是利用準分子鐳射儀藉由退火對結晶活性層的過程大大地改變了閾值電壓；因此，可能不需要使用大規模生產線上所用的大尺寸母板玻璃。
再者，為了實現重量輕、撓性、高抗衝擊力以及低成本顯示，已經研究出如塑膠膜的撓性基板。
在此情況下，鑒於撓性基板的抗熱性，製造過程中，不能使用需要相對高溫處理的矽。
為了滿足這些需要，利用氧化物半導體形成的TFT已經積極開發出來(例如，參見專利文獻1至5，以及非專利文獻1和2)，該氧化物半導體具有比非晶矽更高的載子遷移率。
專利文獻1揭露了透明半導體裝置，其具有由氧化鋅等形成的透明通道層，在該氧化鋅上摻雜3d過渡金屬元素，並且該透明半導體裝置不需要熱處理。
專利文獻2揭露了具有由ZnO形成的活性層的TFT。
專利文獻3和4揭露了具有通道的半導體裝置，該通道包括一個或多個金屬氧化物，該金屬氧化物包括鋅(Zn)-鎵(Ga)、鈣(Ca)-鎵(Ga)、以及鎘(Cd)-銦(In)。
專利文獻5揭露了具有由InMO3 (ZnO)m (M=In，Fe，Ga，或Al，m=1至49的整數)同系物薄膜形成的活性層的透明薄膜場效應電晶體。
非專利文獻1揭露了具有利用單晶InGaO3 (ZnO)5 形成的通道的TFT。
非專利文獻2揭露了具有利用多晶銦-鎵-鋅氧化物形成的活性層的TFT。
非專利文獻3揭露了MgIn2 O4-x 燒結體的化學狀態以及光電特性。非專利文獻4揭露了具有高電導的MgIn2 O4 。
【專利文獻1】日本專利申請公開號2002-76356
【專利文獻2】美國專利號7067843
【專利文獻3】日本專利申請公開號2007-529119
【專利文獻4】美國專利號7297977
【專利文獻5】日本專利申請公開號2004-103957
【非專利文獻1】K. Nomura等，“單晶透明氧化物半導體中的薄膜電晶體”，SCIENCE，2003年5月23日，第300卷，第1269-1272頁。
【非專利文獻2】K. Nomura等，“使用多晶氧化物半導體的撓性薄膜電晶體的常溫製造”，NATURE，2004年11月25日，第432卷，第488-492頁。
【非專利文獻3】Naoko Hikima等，“新透明電子傳導性氧化物.2. MgIn2 o4-x 燒結體的化學狀態和光電特性”，日本應用物理學協會連合演講會(1992年，第39次春季會議)，演講摘要，No. 3，30p-C-2，第851頁。
【非專利文獻4】N. Ueda等，“寬頻間隙和高導電的新型氧化物相，mgIn2 O4-x ”，Appln. Phys. Lett. 61(16),1992年10月19日，第1954-1955頁。
用於顯示器的驅動電路中的TFT需要具有所謂的常關特性。然而，當TFT的活性層使用ZnO、CdO、Cd-In氧化物和Cd-Ga氧化物的時候，很容易造成氧氣空位或間隙金屬原子。結果，增加了電子載體濃度。因此，很難獲得常關特性。
鑒於此，建議摻雜降低電子載體濃度的微量金屬(參見專利文獻1)。然而，很難在一寬廣範圍上均勻地摻雜微量金屬。
另外，專利文獻2中揭露的TFT當沈積活性層的時候，藉由精確地控制氧氣量達成常關特性。然而，有限的處理範圍(極限)造成該控制無法實踐。
對TFT的另一個重要特徵為，源電極和汲電極之間存在接觸阻抗以及活性層。在專利文獻3和4中揭露的半導體裝置中，Zn-Ga氧化物的導電帶最小值之能量位準相當高。因此，很難注入電子載體並獲得良好的連接。(參考Appln. Phys. Lett. 64,1077(1994))
另外，由於ZnO和銦-鎵-鋅-O的晶體結構，分別為維爾茨型和同系型(六方晶系)，具有較高的異向性，則需要控制薄膜的方向。因此，很難將這個晶體結構用於大面積顯示器。
鑒於上述狀況，提出製造一種活性層非晶矽。然而，當Zn濃度增加以獲得高遷移率時，ZnO易結晶，且銦-鎵-鋅-O易結晶。
另外，由於銦-鎵-鋅-O為三元氧化物系統，其組成無法簡單地控制。因此，當利用濺鍍法沈積銦-鎵-鋅-O的時候，已有薄膜成分很大一部分從目標組成中偏離之缺點。
另外，銦-鎵-鋅-O在源電極和汲電極之間具有較高接觸阻抗以及活性層。因此，問題在於由於接觸阻抗導致的電壓降減少了電晶體的導通電流，並且易導致TFT的特性減弱，如電晶體特性的變化，因為各個TFT的接觸阻抗變化。
在本發明中，提供了具有高載體遷移率的場效應電晶體，其利用活性層材料形成，該活性層材料主要由具有輕易控制之成分的兩個金屬元件形成，並藉由在源電極和汲電極之間抑制接觸阻抗而增進其特性，且活性層降低。
由於非專利文獻3和4中揭露了鎂-銦氧化物具有高導電性，所以不適合使用這個鎂-銦氧化物作為TFT的材料。
然而，通過各種實驗等等，本發明人發現利用鎂-銦氧化物可以形成場效應電晶體，以解決上述問題。
《解決問題之技術裝置》
本發明基於發明人作出的上述發現而產生。
根據本發明的一個方面，場效應電晶體包括閘電極，載入閘電壓；源電極和汲電極，用於獲得電流以響應該閘電壓；活性層，鄰近該源電極和該汲電極，並由包括鎂和銦作為主成分之氧化物半導體所形成；以及閘絕緣層，位於該閘電極和該活性層之間。
本發明實施例1參考第1至第12圖進行描述。第1圖顯示了電視設備100的示意結構，作為本發明實施例1的系統。在第1圖中的連接線代表各個信號和資料的流動，並不顯示區塊之間所有的連接關係。
電視設備100包括主控制裝置101、調頻器103、AD(類比-數位轉換)轉換器(ADC)104、解調電路105，TS(傳輸流)解碼器106、音頻解碼器111、DA(數位-類比轉換)轉換器(DAC)112、音頻輸出電路113、揚聲器114、視頻解碼器121、視頻/OSD(操作序列圖)合成電路122、視頻輸出電路123、影像顯示裝置124、OSD繪圖電路125、記憶體131、操作電路132、驅動介面(驅動IF)141、硬碟裝置142、光碟裝置143、IR(紅外線)接收器151、通訊控制裝置152等。
主控制裝置101控制整個電視設備100並由中央處理單元(CPU)、快閃ROM(唯讀記憶體)、RAM(隨機存取記憶體)等等形成。快閃ROM以CPU可解碼形式儲存由編碼方式寫入的程式、用於CPU處理的各種資料等等。RAM為工作記憶體(儲存)。
調頻器103從天線210接收廣播波中選擇預定頻道的廣播。
ADC 104將調頻器103的輸出信號(類比資料)轉換為數位資料。
解調電路105對ADC 104輸出的數位資料進行解調。
TS解碼器106進行解調電路105的輸出信號的TS解碼，並分離音頻資料和視頻資料。
音頻解碼器111對TS解碼器106輸出的音頻資料進行解碼。
DA轉換器(DAC)112將音頻解碼器111的輸出信號轉換為類比信號。
音頻輸出電路113將DA轉換器(DAC)112的輸出信號輸出至揚聲器114。
視頻解碼器121對TS解碼器106輸出的視頻資料進行解碼。
視頻/OSD合成電路122將視頻解碼器121的輸出信號與OSD繪圖電路125的輸出信號合成。
視頻輸出電路123將視頻/OSD合成電路122的輸出信號輸出至影像顯示裝置124。
OSD繪圖電路125包括在影像顯示裝置124的螢幕上顯示文字和圖形的字元產生器，並根據操作裝置132和IR接收器151的指令產生包括顯示資料的信號。
記憶體131臨時累加AV(視-聽)資料等等。
操作裝置132包括，例如，像控制面板的輸入媒介(圖中未示)，藉以使用者輸入的各種資訊報告給主控制裝置101。
驅動IF 141為雙向通訊介面，其與例如ATAPI(AT附件包介面)相容。
硬碟裝置142包括硬碟、驅動硬碟的驅動裝置等。驅動裝置在硬碟中記錄資料並再產生資料。
光碟裝置143在光碟(如DVD(數位影音光碟))中記錄資料並再產生資料。
IR接收器151從遠端控制發射機220中接收光學信號並將該信號報告給主控制裝置101。
通訊控制裝置152控制網際網路的通訊。通訊控制裝置152可以通過網際網路獲取各種資訊。
影像顯示裝置124包括，例如，顯示裝置300和顯示控制裝置400，如第2圖所示。
如第3圖所示的範例，顯示裝置300包括顯示器310，其中複數個(n×m)顯示元件302以矩陣形式排列。
另外，如第4圖的範例所示，顯示器310包括n條掃描線(X0、X1，X2、X3...Xn-2、和Xn-1)沿X軸方向以等間距排列、m條資料線(Y0,Y1,Y2,Y3...和Ym-1)沿Y軸方向等間距排列、以及m條電流供應線(Y0i,Y1i,Y2i,Y3i,…和Ym-1i)沿Y軸方向等間距排列。顯示元件可以利用掃描線和資料線定義之。
如第5圖所示的範例，各個顯示元件包括有機EL(電致發光)元件350和驅動電路320，用來便有機EL元件350發射光線。也就是，顯示器310被稱作活性矩陣有機EL顯示器。另外，顯示器310為32英吋彩色顯示器，儘管顯示器310的尺寸並不侷限於次。
如第6圖所示的範例，有機EL元件350包括有機EL薄膜層340、陰極312和陽極314。
陰極312利用鋁(Al)形成。陰極312可以利用鎂(Mg)-銀(Ag)合金、鋁(Al)-鋰(Li)合金、ITO(銦錫氧化物)等等形成。
陽極314是利用ITO形成。陰極314可以利用導電氧化物如In2 O3 、SnO2 、ZnO、銀(Ag)-釹(Nd)合金等等形成。
有機EL薄膜層340包括電子傳輸層342、發光層344和電洞傳輸層346。電子傳輸層342與陰極312連接而電洞傳輸層346與陽極314連接。當在陰極312和陽極314之間載入預定電壓時，發光層344發射光線。
在第5圖中，驅動電路320包括兩個場效應電晶體10和20以及電容30。
場效應電晶體10當作開關元件。場效應電晶體10具有與預定掃描線連接的閘電極G和與預定資料線連接的源電極S。另外，場效應電晶體10的汲電極D與電容30的一端連接。
電容30用於記錄場效應電晶體10，也就是資料的狀態。電容的30的另一端與預定電流供應線連接。
場效應電晶體20將巨大電流供應至有機EL元件350。該場效應電晶體20具有與場效應電晶體10的汲電極D連接的閘電極G以及與有機EL元件350的陽極314連接的汲電極D。場效應電晶體20的源電極S與預定電流供應線連接。
當場效應電晶體10開啟的時候，有機EL元件350係利用場效應電晶體20驅動。
如第7圖所示的範例，場效應電晶體10和20包括基板21、活性層22、源電極23、汲電極24、閘絕緣層25和閘電極26。
在此，每個場效應電晶體10和20都稱作“頂部接點底閘極(top contact bottom gate)型”電晶體。
場效應電晶體的製造方法簡述如下。
(1)在玻璃基板21上沈積厚度為100nm的鋁。利用光蝕刻，該被沈積的鋁圖形化為一線條來形成閘電極26。
(2)藉由施行電漿CVD(化學氣相沈積法)，在基板上沈積厚度為200nm的SiO2 來形成閘絕緣薄膜25。
(3)在閘絕緣薄膜25上施予光阻劑，並在具有光阻劑的基板上進行曝光、顯影。因此形成圖形化為一對應活性層22形狀之光阻層。
(4)藉由施予無線電頻率濺鍍方法(radio frequency sputtering method)，形成鎂-銦氧化物薄膜作為活性層22。
在此，具有In2 MgO4 組成的多晶燒結體(直徑為4英吋)當作濺鍍的目標。濺鍍室內的後壓設定為2×10-5 帕(Pa)。濺鍍應用的氬氣和氧氣的流速得以控制，以致總壓變為0.3帕並且氧氣之局部壓力變為1.7×10-3 帕。在濺鍍過程中，利用水將支撐基板21的支架冷卻，以便將基板21的溫度控制在15至35℃。藉由施予濺鍍功率150W的濺鍍30分鐘，形成厚度為100nm的鎂-銦氧化物薄膜。
(5)藉由去除光阻劑進行剝離處理(liftoff process)，讓活性層22形成為一所需的形狀。
(6)藉由進行光刻和剝離方法，由厚度為100nm的鋁(Al)形成源電極和汲電極。在此，通道長度設定為50μm並且通道寬度設定為2mm。
當沈積在如上所述具有相同條件的玻璃基板上的鎂-銦氧化物的體積電阻率被測量的時候，其為10Ωcm。另外，當利用裝配有平行光學系統的X-射線光柵設備經銅(Cu)的Kα線(入射角=1°，2θ=10°至70°)掃描鎂-銦氧化物薄膜的時候，沒有發現代表結晶的銳鋒，因此確認所形成的薄膜處於非晶狀態。
利用上述製造方法製造的場效應電晶體為具有電子載流子的n型電晶體。第8圖顯示了當場效應電晶體中的源-汲極電壓VDS 為20V的時候，閘電極VG 和源-汲極電流IDS 之間的關係。因此，當閘電壓VG 為1V的時候，源-汲極電流IDS 為4pA，其為最小值。當閘電壓VG 為0V的時候，源-汲極電流IDS 為接近最小值的值。也就是，這個場效應電晶體具備良好的常關特性。
當閘電壓VG 為20V時，源-汲極電流IDS (源極與汲極間之電流)為90μA。在飽和區內計算的場效應遷移率為2.1cm2 /Vs。
也就是，本實施例中的場效應電晶體具有高載流子遷移率和常關特性。
如比較範例1，具有如第24圖所示的非晶矽形成的活性層的場效應電晶體利用以下步驟來製造。
(1)鉬(Mo)在玻璃基板500上濺鍍厚度為200nm，利用光刻將所形成的薄膜圖形化為線條，形成閘電極501。
(2)利用電漿CVD，依序沈積作為閘絕緣薄膜502之SiNx、作為活性層503之非晶矽(a-Si:H)、以及摻雜磷的非晶矽504(n+ -a-Si:H)的三層。三層的薄膜厚度分別為300nm、200nm和50nm。活性層503在基板溫度250℃、SiH4 流速35sccm、H2 流速35sccm、壓力0.1Torr以及電源強度100mW/cm2下沈積。n+ -a-Si:H用於提高活性層503、源和汲電極505和506之間的接觸。接下來，利用光刻將TFT形成島狀區。
(3)形成厚度為100nm的鋁(Al)層。這個鋁層藉由光刻來圖形化為源電極505和汲電極506的形狀。
(4)藉著把源和汲電極505、506當作遮罩，利用反應離子蝕刻(RIE)形成背面通道。利用這個蝕刻，除去源和汲電極之間(通道部分)的n+ -a-Si:H，並獲得如第24圖所示的場效應電晶體。電晶體的通道長度和寬度分別設為50μm和0.2mm。
上述場效應電晶體具備典型n型電晶體的特性。當源-汲極電壓(源極和汲極間之電壓)VDS 為10V的時候，電晶體處於關閉狀態並且當閘電壓VG =0V時，源-汲極電流IDS 大約為10pA。另外，若閘電壓VG =20V時，源-汲極電流IDS 為3μA，飽和區計算的場效應遷移率為0.3cm2 /Vs。
經上述實施例1和比較範例1，顯示出具有由鎂-銦氧化物薄膜形成的活性層的場效應電晶體，比具有由a-Si形成的活性層的典型電晶體可以達到更高的載子移動率。
本發明實施例2，如第14圖中所示的底閘極底部接點(bottom gate bottom contact)型電晶體利用以下步驟來製造。
(1)在玻璃基板21上利用蒸汽沈積沈積厚度為100nm的鋁(Al)。藉由光刻將沈積薄膜圖形化為線條形狀，形成閘電極26。
(2)藉由電漿CVD，沈積厚度200nm的SiO2 來形成閘絕緣薄膜25。
(3)藉由DC濺鍍方法，形成作為源電極23和汲電極24的ITO薄膜。然後，ITO薄膜利用光刻圖形化為所需之電極形狀。
(4)藉由光阻劑的應用、曝光和顯像，形成已圖形化為對應活性層22形狀之光阻層。
(5)藉由無線頻率濺鍍方法，形成作為活性層22的鎂-銦氧化物薄膜。沈積條件與實施例1相似。
(6)藉由去除光阻劑進行剝離過程，讓活性層22形成為所需之形狀。由於沈積條件與實施例1相同，則實施例2中的鎂-銦氧化物薄膜也處於非晶狀態且具有約為10Ωcm的電阻。
藉由上述步驟，獲得通道長度為5μm、寬度為1.5mm的場效應電晶體。另外，藉著重複相同步驟，製造出四個採樣場效應電晶體。
當四個場效應電晶體每個的源-汲極電壓VDS 為20V的情況下，閘電壓VG 和源-汲極電流IDS 之間的關係如第25圖所示。四個電晶體的特性，由一條實線和三條虛線利用不同的圖形顯示，彼此匹配完好，意味著良好特性的電晶體具有良好的再造性。飽和區內計算的場效應遷移率為0.8至1.1cm2 /Vs。
再者，源電極和活性層之間的接觸阻抗，以及汲電極和活性層之間的接觸阻抗大約為2kΩ。
如比較範例2，除了非晶矽銦-鎵-鋅氧化物用來作為形成活性層的材料外，製造場效應電晶體的方式與實施例2雷同。
利用DC濺鍍方法沈積銦-鎵-鋅氧化物薄膜。作為目標，使用具有InGaZnO4 組成的多晶燒結體(直徑4英吋)。濺鍍腔室內的背壓設定為2×10-5 帕。應用至濺鍍的氬氣和氧氣其流速得以控制，以便總壓變成0.7帕，且氧氣之局部壓力變成1.16×10-2 帕。在濺鍍過程中，利用水將支撐基板21的支架冷卻，從而控制基板21的溫度為15至35℃。藉由設定140W之濺鍍功率及30分鐘的濺鍍，形成厚度為100nm的銦-鎵-鋅氧化物薄膜。
藉著與實施例2相似的步驟獲得一具有通道長度5μm、寬度為1.5mm的場效應電晶體。另外，藉著重複相同的步驟，製造出四個採樣的場效應電晶體。
當四個場效應電晶體每個的源-汲極電壓VDS 為20V的情況下，閘電壓VG 和源-汲極電流IDS 之間的關係如第26圖所示。由一條實線和三條虛線利用不同圖形顯示的四個電晶體的特性很清楚地變化。例如，當電晶體開啟的時候，採樣中所獲之電流值存在很大的區別。飽和區內計算的場效應遷移率為0.8至3.0cm2 /Vs。
源電極和活性層之間以及汲電極和活性層之間的接觸阻抗大約為50kΩ。另一方面，電晶體開啟的情況下(譬如：閘電壓VG =20V)，估計通道(通道阻抗)的阻抗大約為5kΩ。在這個採樣中，由於接觸阻抗大於通道阻抗，故接觸阻抗具有較大的影響。因此，這個採樣的特性是不穩定的。接觸阻抗依據採樣的不同而不同，其為電晶體特性不同的原因。
藉上述實施例2和比較範例2，顯示使用鎂-銦氧化物作為活性層，藉由數量級或大於銦-鎵-鋅氧化物可降低接觸阻抗，且可獲得均一特性的電晶體。
如比較範例3，除了濺鍍鎂-銦氧化物薄膜的氧氣局部壓力設定為1.3×10-3 帕之外，該壓力小於上述製造方法的氧氣局部壓力，其他製造電晶體的方式都與實施例1相似。在比較範例3的場效應電晶體中，當源-汲極電壓VDS 為20V的情況下，閘電壓VG 和源-汲極電流IDS 之間的關係如第9圖所示。因此，儘管當閘電壓VG 從-40變成20V的時候，源-汲極電流IDS 的變化很小。因此，在這閘電壓VG 的範圍內無法達到電晶體的關閉狀態。這些條件下形成的鎂-銦氧化薄膜的體積電阻率為4×10-3 Ωcm。
各種實驗之後，發現當濺鍍鎂-銦氧化薄膜的氧氣局部壓力降低時，鎂-銦氧化薄膜的體積電阻率是降低的，且製造場效應電晶體的臨界電壓切換為負向(降低)。藉檢示鎂-銦氧化薄膜的體積電阻率和常關特性之間的關係，發現當體積電阻率少於10-2 Ωcm的時候，無法獲得常關特性。
如比較範例4，除了濺鍍鎂-銦氧化物薄膜的氧氣局部壓力設定為5.0×10-3 帕之外，該壓力大於上述製造方法的氧氣局部壓力，其他製造電晶體的方式都與實施例1相似。在比較範例4的場效應電晶體中，當源-汲極電壓VDS 為20V的情況下，閘電壓VG 和源-汲極電流IDS 之間的關係如第10圖所示。因此，當閘電壓VG 為5V的時候，源-汲極電流IDS 為0.5pA，其為最小值。當閘電壓VG =20V、源-汲極電流IDS -0.14nA。飽和區域計算的場效應遷移率為7×10-6 cm2 /Vs，其小於場效應電晶體所需的值。這些條件下形成的鎂-銦氧化薄膜的體積電阻率為2×109 Ωcm。
各種實驗之後，發現當濺鍍鎂-銦氧化薄膜的氧氣局部壓力增加時，則鎂-銦氧化薄膜的體積電阻率增加，而導通電流值和所製的電晶體的場效應遷移率降低。經鎂-銦氧化薄膜的體積電阻率和場效應遷移率之間的關係得出，當鎂-銦氧化薄膜體積電阻率高於109 Ωcm時，則場效應遷移率小於1×10-5 cm2 /Vs，而且電晶體特性退化至不符實際使用的等級。
表1顯示實施例1和2、比較範例3和4，以及修改範例1至3的電晶體之作為活性層的鎂-銦氧化薄膜的體積電阻率和電晶體特性。
為了獲得常關特性和高載子遷移率，最佳地，將作為活性層的鎂-銦氧化薄膜的體積電阻率設定為10-2 至109 Ωcm。
電阻率主要基於載子強度和遷移率。因此，電阻率可藉由潛在改變載子強度和遷移率來控制。為了控制鎂-銦氧化薄膜的電阻率，藉由控制氧化薄膜內的氧氣量(氧氣反應的強度)而有效改變載子強度。如上所述，所形成之薄膜的電阻率藉由改變應用於濺鍍沈積中之氧氣局部壓力來改變。利用除了濺鍍方法外的其他方法形成薄膜的情況下，具有所需電阻率的薄膜可利用控制大氣壓的過程來形成。另外，由於電阻率還藉由薄膜形成後所進行的退火而改變，則還可有效最佳化退火溫度或大氣壓。或者，電阻率還可以藉由替換與另一種元件構成鎂-銦氧化薄膜之每個元件的一部分而改變。
第11圖顯示顯示元件302的有機EL元件350和實施例1中場效應電晶體20之間的位置關係。在此，有機EL元件350設置在場效應電晶體20旁邊。場效應電晶體10和電容30如同這些元件形成在相同的基板上。
顯示元件302可以利用與習知技術類似的設備和步驟(製造過程)來製造。
如第12圖所示的範例，顯示控制裝置400包括影像資料處理電路402、掃描線驅動器電路404和資料線驅動器電路406。
資料處理電路402根據視頻輸出電路123的輸出信號決定顯示器310的複數個顯示元件302的亮度。
掃描線驅動器電路404根據影像資料處理電路402的指令，獨立地將電壓供應至n掃描線。
資料線驅動器電路406根據影像資料處理電路402的指令，獨立地將電壓供應至m資料線。
從上述描述中瞭解，本實施例中的電視設備100具有由視頻解碼器121、視頻/OSD合成電路122、視頻輸出電路123和OSD繪圖電路125形成的影像資料形成設備。
如上所述，根據本實施例，場效應電晶體包括供應閘電壓的閘電極26、獲得電流的源電極23和汲電極24、由氧化物半導體形成的活性層22，該氧化物半導體主要由鎂(Mg)和銦(In)形成，並且該活性層鄰近源電極23和汲電極24、以及位於閘電極26和活性層22之間的閘絕緣層25。
當形成活性層22時控制供應氧氣的流速，以便局部氧氣壓力變為1.7×10-3 Pa。組成活性層22的氧化物半導體係為MgIn2 O4 氧化物半導體，其具有10Ωcm的體積電阻率以及關於氧之非化學計量(nonstoichiometric)之成分。
在此情況下，可以達成高遷移率和常關特性。
另外，由於根據本實施例中的顯示元件302提出具有場效應電晶體10和20，可以獲得高速驅動並可以減少元件變化。
再者，由於影像顯示裝置124包括顯示元件302，可利用大面積顯示器顯示高品質影像。
再者，由於實施例中的電視設備100包括影像顯示裝置124，則影像資訊可以一高解析度來顯示。
在上述實施例中，已描述有機EL薄膜層由電子傳輸層、發光層和電洞傳輸層形成。然而，本發明並不侷限於此。例如，電子傳輸層和發光層可以成為一個層。另外，可於電子傳輸層和陰極之間提供一電子注入層。而且，可在電洞傳輸層和陽極之間提供電洞注入層。
在上述實施例中，已經描述了光從基板側發出的“底部發射”型發光元件。然而，本發明並不侷限於此。例如，利用像是銀(Ag)-釹(Nd)合金當作陽極314的高反射電極，且利用像是鎂(Mg)-銀(Ag)合金的半透明電極或利用像是ITO作為陰極312的透明電極，光可以從相對基板的側面發出。
另外，在上述實施例中，有機EL元件350設置在顯示元件320內的場效應電晶體20旁邊。然而，本發明並不侷限於此。例如，有機EL元件350可提供在場效應電晶體20之上，如第13圖所示。在此情況下，閘電極26需為透明的。因此，具有導電性之透明氧化物，像是ITO、In2 O3 、SnO2 、ZnO和摻雜Ga的ZnO、摻雜Al的ZnO以及摻雜Sb的ZnO2 作為閘電極26。
另外，在上述實施例中，已描述場效應電晶體稱作“頂部接點底閘極(top contact bottom gate)型”電晶體。然而，本發明並不侷限於此。例如，如第14圖所示，稱作“底部接點底閘極(bottom contact bottom gate)型”電晶體也可以應用。再者，如第15圖所示，稱作“頂部接點頂閘極(top contact top gate)型”電晶體也可以應用。而且，稱作“底部接點頂閘極(bottom contact top gate)型”電晶體可以使用，如第16圖所示。
第17圖和第18圖顯示場效應電晶體係“頂部接點頂閘極(top contact top gate)型”電晶體的情況下，場效應電晶體20和有機EL元件350的排列範例。第17圖和第18圖中的符號說明360代表絕緣層。
在上述實施例中，已描述基板21為玻璃平板。然而，本發明並不侷限於此，由陶瓷、塑膠或者塑膠膜的平板，也可用來當作基板21。
在上述實施例中，已描述每個電極都由鋁(Al)形成。然而，本發明並不侷限於此。例如，每個電極可以由：由單一的鉻(Cr)、金(Au)、銀(Ag)，鉈(Ta)、銦(In)、鉬(Mo)、鎢(W)、鎳(Ni)、鈦(Ti)等等所形成的金屬薄膜；藉由堆疊複數個這些金屬薄膜所形成的金屬堆疊層；包括上述金屬的合金薄膜；如In2 O3 、SnO2 和ZnO的導電氧化薄膜；摻雜錫(Sn)的In2 O3 、摻雜鎵(Ga)的ZnO、摻雜鋁(Al)的ZnO、以及添加銻(Sb)的SnO2 的導電氧化薄膜；或者散佈上述材料微粒的薄膜，來形成。
在上述實施例中，已描述用SiO2 作為閘絕緣層25。然而，本發明並不侷限於此。例如，具有絕緣特性的氧化物，如Al2 O3 、Ta2 O5 、Y2 O3 、La2 O3 、HfO2 、Nb2 O3 和ZrO2 、有機絕緣材料以及SiNX ，可作為絕緣層25的材料。
另外，在上述實施例中，組成活性層22的氧化物半導體為非晶矽。然而，本發明並不侷限於此。例如，氧化物半導體可以具有尖晶石結構(包括所稱反尖晶石結構)或橄欖石結構。另外，組成活性層22的氧化物半導體可具有結晶和混合結晶的非晶矽特性。而且，組成活性層22的氧化物半導體可包括具有尖晶石結構的相位和具有與尖晶石混合的橄欖石結構的相位。
如修改範例1，除了將用於濺鍍鎂-銦氧化薄膜的局部氧氣壓力設定為2.7×10-3 Pa，且基板21的溫度保持在300℃外，其他製造方式與實施例1相似。針對具有修改範例1的條件的玻璃基板上所形成的鎂-銦氧化薄膜，進行X射線衍射測量的方式與上述實施例相似。接著，觀察複數峰值。尤其，當2θ大約為33°的時候，獲得最高峰值，對應具有尖晶石結構的MgIn2 O4 (311)的峰值。因此，確定的是當加熱基板21時，藉由沈積獲得結晶鎂-銦氧化薄膜。
第19圖顯示源-汲極電極VDS 為20V的情況下，修改範例1的場效應電晶體的閘電壓VG 和源-汲極電流IDS 之間的關係。因此，當閘電壓VG 為5V的時候，源-汲極電流IDS 為最小值1.9pA，而當閘電壓VG 為20V的時候，源-汲極電流IDS =63μA。接著，飽和區計算所得之場效應遷移率為2.6cm2 /Vs。也就是，修改範例1的場效應電晶體獲得與前面實施例中的場效應電晶體類似的高載子遷移率和常關特性。在修改範例1的條件下所形成的鎂-銦氧化薄膜具有40Ωcm的體積電阻率。
在此情況下，尖晶結構為立方體，其中一維鏈(金紅石鏈)與BO6 八面體在各種三維方向內邊緣共用，並且AO4 四面體用於連接金紅石鏈。載子的傳輸特性不依靠薄膜的方向特性。也就是，電子的移動方向為等向性。因此，並沒有液晶結構之非等向性的缺點，如ZnO半導體。另外，由於導電帶的底部由銦的5s軌道構成，對晶粒邊之電子載體的傳輸特性影響不大。
另外，在上述實施例中構成活性層22的氧化物半導體中，部分銦(In)可以由鋁(Al)和鎵(Ga)中至少一個替代。在此情況下，導電帶的底部的帶間隙的能量、以及氧原子的晶格能量可藉由替代元素的替換量和種類控制。例如，當替換量增加的時候，可以擴大紫外線透明面積。另外，當替換量增加的時候，導電帶的能量位準變得更高，很難產生電子載體。
如修改範例2，除了作為活性層22之鎂-銦氧化薄膜中的部分銦(In)由鎵(Ga)替代之後，並且用於濺鍍處理的氧局部壓力設定為1.8×10-3 Pa之外，其他製造方式與實施例1相似。
在此情況下，鎂-銦氧化薄膜使用兩個目標(目標1和2)利用相似的濺鍍方法形成。目標1為具有In2 MgO4 成分的多晶燒結體(直徑為4英吋)，目標2為具有Ga2 MgO4 成分的多晶燒結體(直徑為4英吋)。設定In2 MgO4 之濺鍍能量為40W、Ga2 MgO4 之濺鍍能量為60W，來形成厚度為100nm的鎂-銦氧化薄膜。
第20圖顯示了源-汲極電壓VDS 設定為20V的情況下，修改範例2中場效應電晶體的閘電壓VG 和源-汲極電流IDS 之間的關係。根據第20圖，當閘電壓VG 設定為11V的時候，源-汲極電流IDS 為最小值0.9pA，而當閘電壓VG 為20V的時候，源-汲極電流IDS =9.1μA。飽和區計算出的場效應遷移率為1.3cm2 /Vs。也就是，修改範例2的場效應電晶體獲得與前面實施例中的場效應電晶體相似的高載子遷移率和常關特性。在修改範例2的條件下形成的鎂-銦氧化薄膜具有1100Ωcm的體積電阻率。
在上述實施例中，組成活性層22的氧化物半導體可以具有鎂(Mg)，其局部替換為鈣(Ca)、鍶(Sr)和鈀(Ba)中至少一個。
如修改範例3，除了作為活性層22之鎂-銦氧化薄膜中部分鎂(Mg)替換為鍶(Sr)之外，其他製造方式與實施例1相似。
在此情況下，鎂-銦氧化薄膜使用兩個目標(目標1和2)藉由相似的濺鍍方法形成。目標1為具有In2 MgO4 成分的多晶燒結體(直徑為4英吋)，目標2為具有In2 SrO4 成分的多晶燒結體(直徑為4英吋)。設定In2 MgO4 之濺鍍能量為200W、In2 SrO4 之濺鍍能量為30W，來形成厚度為100nm的鎂-銦氧化薄膜。
第21圖顯示了源-汲極電壓VDS 設定為20V的情況下，修改範例3中場效應電晶體的閘電壓VG 和源-汲極電流IDS 之間的關係。當閘電壓VG 設定為2V的時候，源-汲極電流IDS 為最小值2pA，而當閘電壓VG 為20V的時候，源-汲極電流IDS =99μA。然而，飽和區計算出的場效應遷移率為2.6cm2 /Vs。也就是，修改範例3的場效應電晶體獲得與前面實施例中的場效應電晶體(10和20)相似的高載子遷移率和常關特性。在修改範例3的條件下形成的鎂-銦氧化薄膜具有9Ωcm的體積電阻率。
在反尖晶石結構中觀察，三價陽離子(YⅢ )佔用四面體位置，而二價陽離子(XⅡ )可以佔用八面體位置。可以調整二價陽離子(Mg、Ca、Sr、Ba)和三價陽離子(In、Ga、Al)的組成比。可能的組成比XⅡ /YⅡⅠ 大約為0.2：1。陽離子的種類和組成比可以藉由TFT所需之特性、帶間隙(紫外線的透明區域)、氧空位的穩定性、過程限制(過程範圍)等等做適當選擇。
在上述實施例中，組成活性層22的氧化物半導體可以具有氧，部分替換為氮和氟中至少一個。在此情況下，可以更精確控地制氧化物半導體的氧量。
在上述實施例中，已描述光控元件為有機EL元件；然而，本發明並不侷限於此。例如，液晶元件可作為光控元件，其中顯示器310作為液晶顯示器。另外，第22圖中所示的範例，並不需要用於顯示元件302’的電流供應線。
在此情況下，如第23圖所示的範例，驅動電路320’可以僅僅由一個場效應電晶體40構成，該電晶體與前述的場效應電晶體(10和20)相似。場效應電晶體40具有與預定掃描線連接的閘電極G、與預定資料線連接的源電極S和與液晶元件370的像素電極連接的汲電極D。第23圖中的符號372代表液晶元件的370的反電極(共用電極)。
有機EL元件可以用作光控元件。
在上述實施例中，已經描述了彩色顯示器；然而，本發明並不侷限於此。
在上述實施例中，已經描述了電視設備系統。然而，本發明並不侷限與此。也就是說，僅僅需要影像顯示裝置124作為顯示影像和資訊的裝置。例如，也可以應用電腦系統，其中電腦(包括個人電腦)與影像顯示裝置124連接。
影像顯示裝置124可以作為可攜式資訊裝置的顯示單元，如PDA(個人數位助理)、可攜式電話、可攜式音樂播放器和可攜式電影播放器以及作為成像裝置的顯示單元，如靜態照相機和視頻照相機。另外，影像顯示裝置124可以作為車輛、飛機、火車、船舶等移動系統內顯示各種資訊的顯示單元。再者，影像顯示裝置124可以作為在測量設備、分析設備以及醫療設備中顯示各種資訊的顯示單元。
本實施例中的場效應電晶體可以用於除顯示元件之外的元件(例如，IC積體電路)卡和ID(識別標籤)。
如上所述，本發明的場效應電晶體適於獲得高載子遷移率和常關特性。另外，本發明的顯示元件能夠高速驅動並適合減少元件間的變化。另外，本發明中的影像顯示裝置適於在大螢幕上顯示高品質影像。再者，本發明的系統適合顯示高解析影像資訊。
根據一實施例，可以獲得高載子遷移率和常關特性。
根據一實施例中的場效應電晶體，可以執行高速驅動並減少元件的變化。
根據一實施例中的顯示元件，可以在大螢幕上顯示高品質影像。
根據一實施例中的影像顯示裝置，可以顯示高解析影像資訊。
本發明可以在不脫離自身特點的情況下具體為若干形式，可以理解地是上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明作任何形式上之限制，是以，凡有在相同之發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇。
本申請基於2008年8月20日之日本申請專利第2008-211623號，以及2009年8月3日的日本申請專利第2009-180600號，主張優先權，且整體合併於此作為參考。
10、20．．．場效應電晶體
21．．．基板
22．．．活性層
23．．．源電極
24．．．汲電極
25．．．閘絕緣層
26．．．閘電極
30．．．電容
40．．．場效應電晶體
100．．．電視設備
101．．．主控制裝置
103．．．調頻器
104．．．AD轉換器
105．．．解調電路
106．．．TS解碼器
111．．．音頻解碼器
112．．．DA轉換器
113．．．音頻輸出電路
114．．．揚聲器
121．．．視頻解碼器
122．．．視頻/OSD合成電路
123．．．視頻輸出電路
124．．．影像顯示裝置
125．．．OSD繪圖電路
131．．．記憶體
132．．．操作電路
141．．．驅動介面
142．．．硬碟裝置
143．．．光碟裝置
151．．．IR接收器
152．．．通訊控制裝置
210．．．天線
220．．．遠端控制發射機
300．．．顯示裝置
310．．．顯示器
302、302’．．．顯示元件
312．．．陰極
314．．．陽極
320、320’．．．驅動電路
340．．．有機EL薄膜層
342．．．電子傳輸層
344．．．發光層
346．．．電洞傳輸層
350．．．有機EL元件
360．．．絕緣層
370．．．液晶元件
372．．．反電極
400．．．顯示控制裝置
402．．．影像處理電路
404．．．掃描線驅動器電路
406．．．資料線驅動器電路
500．．．玻璃基板
501．．．閘電極
502．．．閘絕緣薄膜
503．．．活性層
504．．．非晶矽
505．．．源電極
506．．．汲電極
所附圖式其中提供關於本發明實施例的進一步理解並且結合與構成本說明書的一部份，說明本發明的實施例並且描述一同提供對於本發明實施例之原則的解釋。
圖式中：
第1圖為顯示本發明實施例中電視設備的結構的框圖；
第2圖為描繪第1圖的影像顯示裝置的圖式；
第3圖為描繪第1圖的影像顯示裝置的圖式；
第4圖為描繪第1圖的影像顯示裝置的圖式；
第5圖為描繪顯示元件的圖式；
第6圖為描繪有機EL元件的圖式；
第7圖為描繪場效應電晶體的圖式；
第8圖為描繪實施例1的場效應電晶體的特性的圖式；
第9圖為描繪比較例3的場效應電晶體的特性的圖式；
第10圖為描繪比較例4的場效應電晶體的特性的圖式；
第11圖為描繪有機EL元件和場效應電晶體佈置的圖式；
第12圖為描繪顯示控制裝置的圖式；
第13圖為描繪有機EL元件和場效應電晶體佈置的修改範例的圖式；
第14圖為描繪“底部接點底閘極(bottom contact bottom gate)型”場效應電晶體的圖式；
第15圖為描繪“頂部接點頂閘極(top contact top gate)型”場效應電晶體的圖式；
第16圖為描繪“底部接點頂閘極(bottom contact top gate)型”場效應電晶體的圖式；
第17圖為描繪當場效應電晶體為“頂部接點頂閘極(top contact top gate)型”場效應電晶體的時候，有機EL元件和場效應電晶體佈置的範例1圖式；
第18圖為描繪當場效應電晶體為“頂部接點頂閘極(top contact top gate)型”場效應電晶體的時候，有機EL元件和場效應電晶體佈置的範例2圖式；
第19圖為描繪修改範例1的場效應電晶體的特性圖式；
第20圖為描繪修改範例2的場效應電晶體的特性圖式；
第21圖為描繪修改範例3的場效應電晶體的特性圖式；
第22圖為描繪液晶顯示器的圖式；
第23圖為描繪第22圖的顯示元件的圖式；
第24圖為描繪比較範例1的場效應電晶體的圖式；
第25圖為描繪實施例2的場效應電晶體的特性的圖式；以及
第26圖為描繪比較範例2的場效應電晶體的特性的圖式。
21．．．基板
22．．．活性層
23．．．源電極
24．．．汲電極
25．．．閘絕緣層
26．．．閘電極

Claims (12)

  1. 一種場效應電晶體，包括：一閘電極，載入一閘電壓；一源電極和一汲電極，用於獲得一電流以響應該閘電壓；一活性層，鄰近該源電極和該汲電極，並由包括In2 MgO4 之一氧化物半導體所形成；以及一閘絕緣層，位於該閘電極和該活性層之間。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述的場效應電晶體，其中該氧化物半導體具有一10-2 Ωcm至109 Ωcm的體積電阻率。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述的場效應電晶體，其中包含於該氧化物半導體之銦係部分地被鋁和鎵的至少其中之一所取代。
  4. 依據申請專利範圍第1項所述的場效應電晶體，其中包含於該氧化物半導體之鎂係部分地被鈣、鍶和鋇的至少其中之一所取代。
  5. 依據申請專利範圍第1項所述的場效應電晶體，其中該氧化物半導體有至少一部分具有一尖晶石結構或一橄欖石結構。
  6. 依據申請專利範圍第1項所述的場效應電晶體，其中該氧化物半導體有至少一部分為非晶質。
  7. 依據申請專利範圍第1項所述的場效應電晶體，其中包含於該氧化物半導體之氧係部分地被氮和氟的至少其中之一所取代。
  8. 一種顯示元件，包括：一光控元件，其光輸出係根據一驅動信號來控制；以及一驅動電路，包括如申請專利範圍第1項所述的場效應電晶體，並被配置以驅動該光控元件。
  9. 依據申請專利範圍第8項所述的顯示元件，其中該光控元件包含一有機電致發光元件。
  10. 依據申請專利範圍第8項所述的顯示元件，其中該光控元件包含一液晶元件。
  11. 一種影像顯示裝置，用以根據影像資料來顯示一影像，包括：如申請專利範圍第8項所述之複數個顯示元件，以一矩陣排列；複數條導線，被配置以獨立供應一閘電壓至該複數個顯示元件的該場效應電晶體的每一個；以及一顯示控制裝置，被配置以根據該影像資料透過該複數條導線來獨立控制供應至該場效應電晶體的每一個的該閘電壓。
  12. 一種系統，包括：如申請專利範圍第11項所述的影像顯示裝置；以及一影像資料形成裝置，被配置以根據要被顯示的影像資訊來形成影像資料，並輸出該影像資料至該影像顯示裝置。
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