TWI447983B - 半導體結構以及有機電致發光元件 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種半導體結構，且特別是有關於一種適用於發光元件的半導體結構。
薄膜電晶體的通道層以氧化物半導體來製作(此稱氧化物半導體薄膜電晶體)，可有效提升元件之載子移動率。同時，由於氧化物半導體具有透明、導電、非晶態、低溫製程等特性，因此氧化物半導體薄膜電晶體適於應用在顯示面板上。
然而，將氧化物半導體薄膜電晶體應用於主動式矩陣液晶顯示器(active matrix liquid crystal display,AMLCD)或主動式矩陣有機發光顯示器(active matrix organic light emitting display,AMOLED)時，需要在封裝或是透明化(UV-bleach)的過程進行紫外光(UV-light)照射。如此，因為氧化物半導體薄膜電晶體的通道層受到紫外光照射，將導致元件特性的不穩定，例如可能發生汲極引發能障降低(Drain Induced Barrier Lowering,DIBL)效應，而使元件容易產生漏電流現象，影響顯示品質。
本申請提供一種半導體結構，可有效防止光線照射元件造成的元件特性變異。
本申請提供一種有機電致發光元件，應用本發明的半導體結構來提供良好、穩定的元件特性。
在此提出一種半導體結構，其設置於一基板上。所述半導體結構包括一閘極、一閘絕緣層、一通道層、一源極、一汲極、一介電層以及一導電遮光圖案層。閘極與閘絕緣層配置於基板上，且閘絕緣層覆蓋閘極。通道層位於閘絕緣層上，且位於閘極上方。通道層沿一通道方向上具有一通道長度L，且通道層具有一第一側邊以及相對於該第一側邊的一第二側邊。源極以及汲極位於通道層的相對兩側，且分別電性連接通道層的第一側邊與第二側邊。介電層覆蓋源極、汲極以及通道層。導電遮光圖案層配置於介電層上。導電遮光圖案層跟部份源極與通道層在垂直投影上重疊，其中導電遮光圖案層跟通道層具有一重疊長度d1，且0.3≦d1/L≦0.85。
在一實施例中，通道層的材質包括氧化物半導體。
在一實施例中，氧化物半導體包括銦鎵鋅氧化物(IGZO)。
在一實施例中，導電遮光圖案層沿通道方向具有一第三側邊與一第四側邊。第四側邊跟通道層重疊，其中重疊長度等於第四側邊跟通道層的第一側邊在通道方向上的距離。
在一實施例中，通道層覆蓋部分的源極以及部分的汲極。
在一實施例中，源極以及汲極分別覆蓋部分的通道
層。
在一實施例中，所述半導體結構更包括一蝕刻阻擋層(etching stop layer)，配置於通道層上，且源極以及汲極更分別覆蓋部分的蝕刻阻擋層。
在一實施例中，汲極沿通道方向具有一第五側邊，其中第五側邊跟通道層重疊，第五側邊與第二側邊在通道方向上相距t1，且0<t1/L<0.15。
此外，本申請提出的有機電致發光元件包括：設置於基板上的前述半導體結構；一有機發光層，配置於半導體結構的導電遮光圖案層上；以及，一上電極，配置於有機發光層上。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
為了改善照光對薄膜電晶體所造成的影響，例如可能發生的汲極引發能障降低(DIBL)效應以及漏電流現象，吾人初步思考，利用光罩定義出覆蓋元件的遮光層，藉以遮擋光線直射通道層。然，若遮光層覆蓋元件的汲極，會在元件操作時產生額外的電場，如此將導致高源極電壓驅動下的元件產生臨界電壓(threshold voltage)的漂移與下降，同樣會導致漏電流的發生。
基此，吾人進一步調整遮光層的覆蓋區域，以求得遮光效果與元件效能之間的良好平衡。
圖1A繪示依照本申請之一實施例的一種半導體結構的剖面圖，圖1B繪示圖1A之半導體結構的上視圖。為清楚表達圖式內容，圖1B僅繪出圖1A之半導體結構的部分構件。如圖1A與1B所示，半導體結構100的閘極110配置於基板12上。閘絕緣層120配置於基板12上，並且覆蓋閘極110。通道層130位於閘絕緣層120上，並且位於閘極110上方。在本實施例中，通道層130的材質例如是氧化物半導體(Oxide Semiconductor)材質，比如是銦鎵鋅氧化物(IGZO)、銦鎵氧化物(IGO)、銦鋅氧化物(IZO)等半導體材質，且較佳是銦鎵鋅氧化物半導體。通道層130沿一通道方向D上，具有一通道長度L，且通道層130具有一第一側邊S1以及相對於第一側邊S1的一第二側邊S2。
半導體結構100的源極140以及汲極150位於通道層130的相對兩側，且源極140以及汲極150分別電性連接通道層130的第一側邊S1以及第二側邊S2。在本實施例中，通道層130覆蓋部分的源極140以及部分的汲極150。換言之，通道層130的第一側邊S1以及第二側邊S2分別位於源極140以及汲極150上。此外，介電層160覆蓋源極140、汲極150以及通道層130。本實施例所形成的半導體結構為氧化半導體薄膜電晶體結構。
本實施例將導電遮光圖案層172配置於介電層160上，導電遮光圖案層172為電性浮接(electrically floating)，不跟其他電極電性連接，且導電遮光圖案層172跟部份的源極140與部份的通道層130在垂直投影上重疊。導電遮
光圖案層172可由金屬層所構成，亦可由金屬層與透明導電層的疊層所構成。此外，導電遮光圖案層172跟通道層130沿通道方向D具有一重疊長度d1。在本發明中，導電遮光圖案層可以是任何具有遮光效果的可能的圖形。例如，本實施例的導電遮光圖案層172為矩形，而沿通道方向D具有一第三側邊S3與一第四側邊S4，且第四側邊S4跟通道層130在垂直投影上重疊。在此，所述重疊長度d1可進一步被定義為第四側邊S4跟通道層130的第一側邊S1在通道方向上D的距離。
為了兼顧遮光效果與良好的元件效能，包括汲極引發能障降低(DIBL)效應，本實施例中所述重疊長度d1的範圍較佳是0.3≦d1/L≦0.85，且更佳是0.4≦d1/L≦0.7。更詳細而言，導電遮光圖案層172跟通道層130在垂直投影上會有部份重疊，重疊長度在0.3L以上，可以達到減少汲極引發能障降低(DIBL)效應，同時可以在照光步驟中遮蔽一定數量的光線(例如紫外光)，降低光線對通道層130造成的影響。另一方面，導電遮光圖案層172跟通道層130在垂直投影上的重疊長度被限制在0.85L以下，使得導電遮光圖案層172不會過度接近或甚至覆蓋汲極150，避免在元件操作時產生額外電場，防止漏電流的發生。
本申請所提出的半導體結構適於應用在例如有機電致發光元件上。請參考圖2，其繪示應用圖1A與1B之半導體結構100的一種有機電致發光元件20。有機電致發光元件20包括前述設置於基板12上的半導體結構100，以
及有機發光二極體200。在一實施例中，半導體結構100可以作為一切換電晶體(switching transistor)，經由其他電路(未圖示)電性連接至有機發光二極體200，如圖2所示。在另一實施例中，半導體結構100亦可以作為一驅動電晶體(driving transistor)，有機發光二極體200可經由一接觸窗開口電性連接至半導體結構100的汲極150，上述部分為該項技藝者所熟知，因此不再贅述。藉由製作有機發光二極體200的下電極174時，同時製作導電遮光圖案層172。在本實施例中，製作導電層170的圖案時，除了形成用以遮蔽部份源極140與部份通道層130的導電遮光圖案層172之外，還同時形成下電極174。換言之，導電遮光圖案層172以及下電極174是對同一層的材料層進行圖案化來獲得。有機發光層210配置於下電極174上。上電極220配置於有機發光層210上。藉此，可經由上電極220與下電極174施加電壓，以驅動有機發光層210發光。
在一實施例中，導電層170可以是金屬層，或是金屬層與透明導電層的疊層，導電層170圖案化後形成導電遮光圖案層172以及下電極174，接著製作有機發光層210與上電極220，此時上電極220為透明導電層，可形成向上發光的有機電致發光元件20。在另一實施例中，導電層170可以是金屬層與透明導電層的疊層，導電層170圖案化後形成導電遮光圖案層172以及下電極174，並且移除下電極174上的金屬層而僅剩下透明導電層，接著製作有機發光層210與上電極220，此時上電極220可為不透明
導電層，藉此可形成向下發光的有機電致發光元件20。
前述實施例的薄膜電晶體結構還可能因實際需求而有其他變化。
圖3A繪示依照本申請之另一實施例的一種半導體結構的剖面圖，圖3B繪示圖3A之半導體結構的上視圖。為清楚表達圖式內容，圖3B僅繪出圖3A之半導體結構的部分構件。如圖3A與3B所示，半導體結構300與前述實施例的半導體結構100類似，除了：兩者的源極340、汲極350以及通道層330的相對位置不同。更具體而言，本實施例的源極340以及汲極350分別覆蓋部分的通道層330，即通道層330的第一側邊S1以及第二側邊S2分別位於源極340以及汲極350下。介電層360覆蓋源極340、汲極350以及通道層330。導電遮光圖案層370配置於介電層360上。類似地，導電遮光圖案層370跟通道層330在通道方向D上的重疊長度為d1，且較佳是0.3≦d1/L≦0.85，且更佳是0.4≦d1/L≦0.7。
另外，由於源極340以及汲極350分別覆蓋部分的通道層330，本實施例可以考慮進一步限定汲極350與通道層330的重疊位置，以避免導電遮光圖案層370覆蓋汲極350。在本實施例中，汲極350沿通道方向D具有一第五側邊S5，且第五側邊S5跟通道層330重疊。如此，第五側邊S5與第二側邊S2在通道方向D的距離即被定義為汲極350與通道層330的重疊長度t1。對比前述導電遮光圖案層170與通道層130的重疊長度d1的範圍較佳為
0.3≦d1/L≦0.85，且更佳是0.4≦d1/L≦0.7，本實施例可以將汲極350與通道層330的重疊長度t1的範圍較佳為：0<t1/L<0.15。如此，便可確保導電遮光圖案層370不會過度接近或甚至覆蓋汲極350，避免在元件操作時產生額外電場，防止漏電流的發生。
圖4A繪示依照本申請之又一實施例的一種半導體結構的剖面圖，圖4B繪示圖4A之半導體結構的上視圖。為清楚表達圖式內容，圖4B僅繪出圖4A之半導體結構的部分構件。如圖4A與4B所示，半導體結構400與前述實施例的半導體結構300類似，除了：本實施例的半導體結構400更包括一蝕刻阻擋層480，配置於通道層430上，且源極440以及汲極450更分別覆蓋部分的蝕刻阻擋層480。本實施例的其他構件以及重疊長度d1、t1等結構參數皆可沿用半導體結構300的設計，因此不再贅述。
此外，如圖3A、3B以及圖4A、4B所示的半導體結構300與400同樣可應用在如圖2所示的有機電致發光元件200上，以得到類似的技術效果。
圖5A為依據本申請之一實施例實際量測重疊長度d1相對於薄膜電晶體之臨界電壓(threshold voltage)以及載子移動率(carrier mobility)的關係曲線。圖5B為依據本申請之一實施例實際量測重疊長度d1相對於薄膜電晶體之次臨界斜率(sub-threshold swing)以及汲極引發能障降低(DIBL)效應的關係曲線。在圖5A與圖5B的實施例中，薄膜電晶體的通道層的長度約為23微米(μm)，而圖5A與圖
5B的相關曲線表示了導電遮光圖案層跟通道層由相互遠離(-6μm)到相互重疊(20μm)所造成的薄膜電晶體的前述電氣特性的變化。由圖5A與圖5B可知，薄膜電晶體的載子移動率以及次臨界斜率在不同的重疊長度下維持穩定。此外，薄膜電晶體的汲極引發能障降低(DIBL)效應在重疊長度大於4μm之後有顯著的改善，此時薄膜電晶體的臨界電壓也趨於穩定。本實施例的重疊長度d1較佳是不超過20μm，以避免導電遮光圖案層與汲極重疊。在重疊長度d1為7~20μm的區間內，汲極引發能障降低(DIBL)效應獲得更為良好的改善，且在10~16μm的區間內更佳。此範圍為7~20μm的重疊長度d1與通道層的長度(23μm)的比值大致符合上文提到的0.3≦d1/L≦0.85，且更佳是0.4≦d1/L≦0.7。
綜上所述，本發明為了改善照光對薄膜電晶體所造成的影響，在半導體結構上製作金屬遮光圖案層，藉以遮擋光線直射通道層。同時，考量遮光層覆蓋元件的汲極可能導致漏電流的發生，本發明進一步調整金屬遮光圖案層與通道層的重疊長度，藉以求得遮光效果與元件效能之間的良好平衡。如此，不僅可以有效防止光線照射元件造成的元件特性變異，更可進一步提供良好、穩定的元件特性。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
12‧‧‧基板
20‧‧‧有機電致發光元件
100、300、400‧‧‧半導體結構
110‧‧‧閘極
120‧‧‧閘絕緣層
130、330、430‧‧‧通道層
140、340、440‧‧‧源極
150、350、450‧‧‧汲極
160、360‧‧‧介電層
170‧‧‧導電層
172、370‧‧‧導電遮光圖案層
174‧‧‧下電極
210‧‧‧有機發光層
220‧‧‧上電極
200‧‧‧有機發光二極體
480‧‧‧蝕刻阻擋層
D‧‧‧通道方向
L‧‧‧通道長度
d1‧‧‧導電遮光圖案層與通道層的重疊長度
t1‧‧‧汲極與通道層的重疊長度
S1‧‧‧通道層的第一側邊
S2‧‧‧通道層的第二側邊
S3‧‧‧導電遮光圖案層的第三側邊
S4‧‧‧導電遮光圖案層的第四側邊
S5‧‧‧汲極的第五側邊
圖1A繪示依照本申請之一實施例的一種半導體結構的剖面圖。
圖1B繪示圖1A之半導體結構的上視圖。
圖2繪示應用圖1A與1B之半導體結構的一種有機電致發光元件。
圖3A繪示依照本申請之另一實施例的一種半導體結構的剖面圖。
圖3B繪示圖3A之半導體結構的上視圖。
圖4A繪示依照本申請之又一實施例的一種半導體結構的剖面圖。
圖4B繪示圖4A之半導體結構的上視圖。
圖5A為依據本申請之一實施例實際量測重疊長度d1相對於薄膜電晶體之臨界電壓以及載子移動率的關係曲線。
圖5B為依據本申請之一實施例實際量測重疊長度d1相對於薄膜電晶體之次臨界斜率以及汲極引發能障降低效應的關係曲線。
12‧‧‧基板
100‧‧‧半導體結構
110‧‧‧閘極
120‧‧‧閘絕緣層
130‧‧‧通道層
140‧‧‧源極
150‧‧‧汲極
160‧‧‧介電層
170‧‧‧導電遮光圖案層
D‧‧‧通道方向
L‧‧‧通道長度
d1‧‧‧導電遮光圖案層與通道層的重疊長度
S1‧‧‧通道層的第一側邊
S2‧‧‧通道層的第二側邊
S3‧‧‧導電遮光圖案層的第三側邊
S4‧‧‧導電遮光圖案層的第四側邊
Claims (16)
- 一種半導體結構，設置於一基板上，包括：一閘極，配置於該基板上；一閘絕緣層，配置於該基板上，並且覆蓋該閘極；一通道層，位於該閘絕緣層上，且位於該閘極上方，該通道層沿一通道方向上，具有一通道長度L，該通道層具有一第一側邊，以及一第二側邊相對於該第一側邊；一源極以及一汲極，位於該通道層的相對兩側，且分別電性連接該通道層的該第一側邊與該第二側邊；一介電層，覆蓋該源極、該汲極以及該通道層；以及一導電遮光圖案層，配置於該介電層上，該導電遮光圖案層跟部份該源極與該通道層在垂直投影上重疊，其中該導電遮光圖案層跟該通道層具有一重疊長度d1，且0.3≦d1/L≦0.85，該導電遮光圖案層與該汲極在垂直投影上不重疊。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體結構，其中該通道層之材質包括氧化物半導體。
- 如申請專利範圍第2項所述的半導體結構，其中該氧化物半導體包括銦鎵鋅氧化物(IGZO)。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體結構，其中該導電遮光圖案層沿該通道方向具有一第三側邊與一第四側邊，該第四側邊跟該通道層在垂直投影上重疊，其中該重疊長度d1等於該第四側邊跟該通道層的第一側邊在該通道方向上的距離。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體結構，其中該通道層覆蓋部分的該源極以及部分的該汲極。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體結構，其中該源極以及該汲極分別覆蓋部分的該通道層。
- 如申請專利範圍第6項所述的半導體結構，更包括一蝕刻阻擋層(etching stop layer)，配置於該通道層上，且該源極以及該汲極更分別覆蓋部分的該蝕刻阻擋層。
- 如申請專利範圍第6項所述的半導體結構，其中該汲極沿該通道方向具有一第五側邊，其中該第五側邊跟該通道層重疊，且該第五側邊與該第二側邊在該通道方向上相距t1，且0<t1/L<0.15。
- 一種有機電致發光元件，設置於一基板上，包括：一閘極，配置於該基板上；一閘絕緣層，配置於該基板上，並且覆蓋該閘極；一通道層，位於該閘絕緣層上，且位於該閘極上方，該通道層沿一通道方向上，具有一通道長度L，該通道層具有一第一側邊，以及一第二側邊相對於該第一側邊；一源極以及一汲極，位於該通道層的相對兩側，且分別電性連接該通道層的該第一側邊與該第二側邊；一介電層，覆蓋該源極、該汲極以及該通道層；一導電遮光圖案層，配置於該介電層上，該導電遮光圖案層跟部份該源極與該通道層在垂直投影上重疊，其中該導電遮光圖案層跟該通道層具有一重疊長度d1，且0.3≦d1/L≦0.85，該導電遮光圖案層與該汲極在垂直投影 上不重疊；一有機發光層，配置於該下電極上；以及一上電極，配置於該有機發光層上。
- 如申請專利範圍第9項所述的有機電致發光元件，其中該通道層之材質包括氧化物半導體。
- 如申請專利範圍第10項所述的有機電致發光元件，其中該氧化物半導體包括銦鎵鋅氧化物(IGZO)。
- 如申請專利範圍第9項所述的有機電致發光元件，其中該導電遮光圖案層沿該通道方向具有一第三側邊與一第四側邊，該第四側邊跟該通道層重疊，其中該重疊長度等於該第四側邊跟該通道層的第一側邊在該通道方向上的距離。
- 如申請專利範圍第9項所述的有機電致發光元件，其中該通道層覆蓋部分的該源極以及部分的該汲極。
- 如申請專利範圍第9項所述的有機電致發光元件，其中該源極以及該汲極分別覆蓋部分的該通道層。
- 如申請專利範圍第14項所述的有機電致發光元件，更包括一蝕刻阻擋層(etching stop layer)，配置於該通道層上，且該源極以及該汲極更分別覆蓋部分的該蝕刻阻擋層。
- 如申請專利範圍第14項所述的有機電致發光元件，其中該汲極沿該通道方向具有一第五側邊，其中該第五側邊跟該通道層重疊，且該第五側邊與該第二側邊在該通道方向上相距t1，且0<t1/L<0.15。
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