TWI520345B - 非晶氧化物半導體材質、場效電晶體以及顯示元件 - Google Patents

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Description

非晶氧化物半導體材質、場效電晶體以及顯示元件
本發明是有關於一種非晶氧化物半導體材質、場效電晶體以及顯示元件。
場效電晶體廣泛用作半導體記憶體之積體電路之單位元件、高頻訊號放大元件以及驅動諸如液晶顯示元件之顯示元件的元件，且已製成薄膜之電晶體稱為薄膜電晶體(TFT)。另外，矽薄膜電晶體具有包含可大面積形成之非晶矽的主動層，且矽薄膜電晶體使用於平板顯示器中。
近年來，平板顯示器技術(大螢幕、薄、重量輕)已取得顯著進展，且將彼等平板顯示器技術應用於可撓性基板(重量輕且彎曲之顯示器)之努力已朝使所述基板變得更薄且重量更輕之方向發展。另一方面，作為目前用於驅動顯示器之TFT之主流的矽薄膜電晶體的製造溫度較高，且很難在可撓性基板上形成矽薄膜電晶體。
在此背景下，目前正關注將氧化物半導體作為TFT之主動層。詳言之，東京工學院(Tokyo Institute of Technology)之Hosono等人所報導之In-Ga-Zn-O(下文縮寫為IGZO)顯示出作為TFT之新材質的前景，因為其可在室溫下形成且即使在非晶狀態下亦展現出卓越的半導體特性，且關於IGZO之研究正蓬勃開展(參見下列非專利文獻1以及2)。
在此等研究中，關於非晶IGZO之光學性質，當具有包含非晶IGZO之主動層之TFT應用於諸如有機電致發光顯示器之顯示元件時，所述主動層有時會經光照射，因此如下列非專利文獻3至6所述，已報導許多關於非晶IGZO之光照射性質之研究結果。
在非專利文獻3以及4中，報導當TFT的閘電極包含n型Si、閘極絕緣膜包含熱氧化膜、源電極以及汲電極包含Al且主動層包含非晶IGZO(In:Ga:Zn=1:1:1)時，TFT在暗處經單色光照射時的性質。
具體而言，可證實，當使照射量恆定且使單色光之波長改變時，當TFT經460奈米≦λ≦660奈米之單色光照射時，TFT的性質實際上不變化(汲極電流稍有變動)，但當TFT經λ≦420奈米之單色光照射時，TFT的性質大幅變化(當TFT經λ=365奈米(3.4電子伏)之單色光照射時，臨限電壓Vth負向變動7伏)。另外，可證實，當單色光波長固定(λ=420奈米)且照射強度改變時，TFT的性質之變化(Vth之負向變動)亦隨照射強度增加而變大。此外，應瞭解，除Vth以外，遷移率、次臨限擺幅(S值)以及斷開狀態電流(off-state)亦大幅變化，且IGZO會受可見光短波長範圍影響。
在非專利文獻3以及4中，描述因為藍色濾色器之透明波長峰值以及有機電致發光元件(有機電致發光元件)之藍光之波長峰值為450奈米，因此有可能在不使用阻光膜之情況下驅動有機電致發光元件。然而，考慮到藍色濾色器可穿透約70%的400奈米之光、有機電致發光元件之藍光之發射光譜的邊緣延伸至420奈米、且慮及透明元件之製造，因而使元件暴露於日光，尚未有資料顯示根據此等文獻製造之IGZO是否足以作為主動層之TFT。
類似地，在非專利文獻5以及6中，亦報導關於非晶IGZO之光照射性質之研究結果。
具體而言，首先使用In:Ga:Zn=1:1:1之多晶IGZO作為靶材來形成非晶IGZO膜(In:Ga:Zn=1.01:1.00:0.76)。TFT自其基板側起具有如下組態：玻璃/Mo(閘電極)/SiO2或SiNx:H(閘極絕緣膜)/IGZO(主動層)/SiO2/SiN(鈍化層)/Mo(源電極以及汲電極)。可證實，藉由用λ≦440奈米之單色光照射此TFT，TFT的性質會發生變化(Vth負向變動)。此外，亦可證實，TFT的性質之變化量隨用單色光照射TFT之時間量變長而變大。另外，藉由在120℃下施加熱處理，獲得如下結果：TFT的性質會恢復到與最初性質相同之性質。
作為上述研究之結果的結論，應瞭解，當用可見光照射TFT之包含非晶IGZO之主動層時，對於可見光短波長範圍內之光(波長在400奈米至420奈米附近之光)，TFT性質(斷開狀態電流增加、Vth變動等)大幅變化。另外，性質之此等變化極大地影響TFT驅動時之穩定運作。
因此，當使用以非晶IGZO用作其主動層之TFT作為驅動顯示元件之TFT時，為使TFT能夠穩定運作，在專利文獻1中，採用針對非晶IGZO之阻光手段。另外，在專利文獻2中，採用不將非晶IGZO暴露於藍光(可見光短波長範圍內之光)中之結構。
然而，在專利文獻1以及2之發明中，目的在於不允許非晶IGZO作為受光照射之主動層，且其中並無關於改良非晶IGZO本身之光照射性質之描述。
此處，可構想控制In、Ga以及Zn之組成比率，以改良非晶IGZO之光照射性質。為此，亦提出將非晶IGZO之組成比率限制在特定範圍內之材質(例如參見下列專利文獻3至6)。
在專利文獻3中，報導一種非晶氧化物，其由下式表示：Znx[Al,Ga]yInzO(x+3y/2+3z/2)[比率x/y在0.2至2範圍內，且比率z/y在0.4至1.4範圍內]。舉例而言，顯示大約In:Ga:Zn=1:1:1之製造實例。
然而，目的在於使用非晶IGZO作為透明的導電膜，亦即作為電極，且目的並不在於使用非晶IGZO作為半導體。另外，由於電子濃度等於或大於1×1018/cm3至1022/cm3(即使在實例中，亦為1019/cm3)，因此可以假設其具有相當高密度之載子濃度。當使用此非晶氧化物作為電晶體之主動層時，可以想見，極難實現常開(normally-off)狀態。
在專利文獻4中，報導一種具有特定組成之非晶氧化物半導體材質，其中由In/(In+Zn)表示之原子組成比率為35原子百分比至55原子百分比，且其中由Ga/(In+Ga+Zn)表示之原子組成比率等於或小於30原子百分比。
然而，未以實例方式顯示與光吸收相關之實驗資料。
在專利文獻5中，報導一種具有非晶IGZO作為主動層之TFT，其能夠在長時間下穩定地通過恆定電流。此文獻具有顯示在光照射時TFT性質(Vg-Id特性)之變化之圖。
然而，在專利文獻5中，製造出一種在富含In、Ga含量少且Zn含量少之區域中在光照射時無性質變化的TFT，且無表明富含Ga之區域具有光穩定性的描述。
另外，因為未有與光源相關之詳細描述，所以尚不清楚哪個光波長範圍會影響TFT，且亦不清楚在可見光短波長範圍內(且特定言之在400奈米至420奈米之可見光短波長範圍內)是否存在光穩定性。因此，當IGZO中存在缺陷等時，IGZO有時甚至會受可見光短波長範圍內之光影響，所以亦有可能製造出在可見光短波長範圍內之光照射時無性質變化之TFT。另外，亦有可能製造出在400奈米至420奈米範圍以外之可見光短波長範圍內之光照射時無性質變化之TFT。
此外，在構成各TFT之主動層之非晶IGZO中，In、Ga以及Zn之組成比率因感應耦合電漿(inductively coupled plasma，ICP)之結果而不同，但最後尚不清楚何組成量影響光穩定性之改良。
此外，因為使用相同的靶材製造非晶IGZO，所以考慮到ICP誤差(±0.2)而製造出多個具有主動層的TFT，所述主動層包含具有實質上相同之組成之非晶IGZO，但光照射各TFT時之TFT性質差別很大，因而認為重現性很低。
在專利文獻6中，報導一種具有非晶氧化物半導體作為其主動層之場效電晶體，所述非晶氧化物半導體包括元素In、元素Zn以及元素X(包括元素Ga作為元素X之一候選物)且滿足In/(In+Zn+X)=0.200至0.600且Zn/(In+Zn+X)=0.200至0.800。在實例中，雖然描述具有Ga濃度已改變之IGZO作為主動層之TFT的電性質，但不存在與光學性質相關之資料或表明在富含Ga之區域具有光穩定性之結果。另外，雖然主張一種組成範圍且此組成範圍亦包括具有良好光穩定性的富含Ga之區域，但根據說明書，電晶體需要採用阻斷半導電相之結構，所以認為所述光學性質不佳。場效電晶體不同於本發明之處亦在於膜厚度為1奈米至15奈米且極薄。
非專利文獻1：Science,300(2003)，第1269-1272頁
非專利文獻2：Nature,432(2004)，第488-492頁
非專利文獻3：Journal of Information Display,9(2008)，第21-29頁
非專利文獻4：SID08 Digest(2008)，第1215-1218頁
非專利文獻5：Japanese Journal of Applied Physics,48(2009)，第03B018-1-03B018-5頁
非專利文獻6：「Instability of Amorphous IGZO TFTs under Light Illumination,」The 15th Int. Workshop on Active-Matrix Flatpanel Display and Devices[AM-FPD08]~TFT Technologies and FPD Materials~(2008年7月2-4日，Tokyo,Japan)
專利文獻1：日本專利公開申請案(JP-A)第2007-115902號
專利文獻2：JP-A第2007-250984號
專利文獻3：日本專利第4,170,454號
專利文獻4：JP-A第2007-281409號
專利文獻5：美國專利申請公開案第2007/0252147號
專利文獻6：JP-A第2009-253204號
本發明之主要目標為提供一種非晶氧化物半導體材質，在所述材質中，對於波長處於400奈米至420奈米之可見光短波長範圍的光，其光吸收減少。
本發明之上述問題藉由如下所述之方式得到解決。
本發明之第一態樣提供一種非晶氧化物半導體材質，其包括含In、Ga以及Zn之非晶氧化物半導體，其中當In:Ga:Zn=a:b:c表示氧化物半導體之元素組成比率時，元素組成比率由a+b=2且b<2且c<4b-3.2且c>-5b+8且1≦c≦2之範圍界定。
本發明之第二態樣提供根據第一態樣之非晶氧化物半導體材質，其中其光帶隙(optical band gap)等於或大於3.79電子伏。
本發明之第三態樣提供一種非晶氧化物半導體材質，其包括含In、Ga以及Zn之非晶氧化物半導體，其中當In:Ga:Zn=a:b:c表示氧化物半導體之元素組成比率時，元素組成比率由a+b=2且c<4b-3.2且c<-5b+8且1≦c之範圍界定，且其光帶隙等於或大於3.79電子伏。
本發明之第四態樣提供一種場效電晶體，其具有主動層，所述主動層包含根據本發明第一態樣之非晶氧化物半導體材質且電導率σ為10-9≦σ≦10-2(S/cm)。
本發明之第五態樣提供根據第四態樣之場效電晶體，其中非晶氧化物半導體材質經熱處理。
本發明之第六態樣提供一種顯示元件，裝備有根據第四態樣之場效電晶體。
本發明之第七態樣提供一種底部發光式顯示元件(bottom-emission display device)，其包括：基板；根據本發明第四態樣之場效電晶體，其位於基板上且具有下閘極式結構(bottom-gate structure)；以及有機電致發光元件，其電連接至基板上之場效電晶體，其中自有機電致發光元件發射之光是自基板側產生。
根據本發明，可提供一種非晶氧化物半導體材質，在所述材質中，對於波長處於400奈米至420奈米之可見光短波長範圍之光，光吸收減少。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
以下，將使用圖式描述本發明之非晶氧化物半導體材質、場效電晶體以及顯示元件之例示性實施例。在所有圖式及通篇說明書中具有實質上相同功能之部分將給予相同參考符號，且其描述在一些情況下將省略。
1.非晶氧化物半導體材質
首先，將描述本發明例示性實施例之非晶氧化物半導體材質。
<組態>
本發明例示性實施例之非晶氧化物半導體材質之組態如下。
非晶氧化物半導體材質包含含In、Ga以及Zn之非晶氧化物半導體，且當In:Ga:Zn=a:b:c表示氧化物半導體之元素組成比率時，元素組成比率由a+b=2且b<2且c<4b-3.2且c>-5b+8且1≦c≦2之範圍界定。
當非晶氧化物半導體材質具有此組成時，對於波長處於400奈米至420奈米之可見光短波長範圍之光，其光吸收減少。
氧化物半導體之元素組成比率較佳由a+b=2且1.3≦b<2且c>-5b+8且1≦c≦2之範圍界定。另外，，氧化物半導體之元素組成比率更佳由a+b=2且1.3≦b≦1.5且c>-5b+8且1≦c≦2之範圍界定，原因在於光吸收減少更多。
非晶氧化物半導體材質之光帶隙等於或大於3.7電子伏，且較佳等於或大於3.79電子伏，原因在於光吸收減少更多。
另外，亦關於一種非晶氧化物半導體材質，其元素組成比率由a+b=2且c<4b-3.2且c<-5b+8且1≦c之範圍界定，光帶隙等於或大於3.7電子伏且更佳等於或大於3.79電子伏且足夠寬，對於波長處於400奈米至420奈米之可見光短波長範圍之光，其光吸收減少。元素組成比率更佳由a+b=2且1.3≦b且c<-5b+8且1≦c之範圍定義，原因在於光吸收減少更多。
<製造方法>
本發明例示性實施例之非晶氧化物半導體材質之製造方法如下所述。
非晶氧化物半導體材質之製造方法之實例包括粉末製造法，諸如固相反應、溶膠-凝膠法、草酸鹽法、醇鹽法以及共沈澱(coprecipitation)；以及薄膜製造法，諸如濺鍍、雷射燒蝕、化學氣相沈積(chemical vapor deposition，CVD)以及金屬有機化合物分解(metal-organic decomposition，MOD)。
在粉末製造法中，可藉由將含In之化合物、含Ga之化合物以及含Zn之化合物混合在一起製造非晶氧化物半導體材質。
含In之化合物之實例包括In2O3、In(NO3)3、In(NO3)3‧nH2O、In(CH3COO)3、In(CH3COO)2(OH)、In2O3‧nH2O、InN、In(OH)3、InO(OH)、In2(C2O4)3、In2(C2O4)3‧4H2O、In(C2H5OCS2)3以及In2(SO4)3‧nH2O。
含Ga之化合物之實例包括Ga2O3、Ga(NO3)3、Ga(NO3)3‧nH2O、Ga(CH3COO)3、Ga(CH3COO)2(OH)、Ga2O3‧nH2O、GaN、Ga(OH)3、GaO(OH)、Ga2(C2O4)3、Ga2(C2O4)3‧4H2O、Ga(C2H5OCS2)3以及Ga2(SO4)3‧nH2O。
含Zn之化合物之實例包括ZnO、Zn(C2H3O2)2、Zn(C2H3O2)2‧2H2O、ZnBr2、ZnCO3、ZnS、ZnCl2、ZnF2、ZnF2‧4H2O、Zn(OH)2、ZnI2、Zn(NO3)2‧6H2O、ZnC2O4、Zn(CN)2、Zn(OCH3)2、Zn(OC2H5)2以及ZnSO4。
可經由上述原材質之投入量來調整非晶氧化物半導體材質之組成比率。
在薄膜製造法中，宜使用利用氧化物半導體之多晶燒結體作為靶材之氣相成膜法。在氣相沈積法中，濺鍍以及脈衝雷射沈積(pulse laser deposition，PLD)較合適。此外，自大規模生產之觀點而言，濺鍍較佳。
舉例而言，控制真空以及氧氣流率，且藉由RF磁控濺射(magnetron sputtering)來形成膜。氧氣流率越大，所達成之電導率越小。
可藉由靶材之選擇或組合、每個靶材之濺鍍方法之選擇、濺鍍輸入功率以及成膜壓力來調整非晶氧化物半導體材質之組成比率。
亦可對由粉末製造法或薄膜製造法製造之非晶氧化物半導體材質施加熱處理(退火)。藉由施加此熱處理，可調整非晶氧化物半導體材質之載子濃度以及電導率。
非晶氧化物半導體材質之熱處理溫度超過室溫(例如25℃)且小於700℃，且自減少熱處理時間以及熱處理成本之觀點而言，非晶氧化物半導體材質較佳在較低溫度下經熱處理。
使熱處理溫度超過室溫之原因在於調整非晶氧化物半導體材質之電導率，且使熱處理溫度小於700℃之原因在於不允許非晶氧化物半導體材質結晶。
即使當對非晶氧化物半導體材質施加熱處理時，對於波長處於400奈米至420奈米之可見光短波長範圍之光，其光吸收亦減少。另外，由於非晶氧化物半導體材質之光帶隙趨於增加(儘管僅略有增加)，故與熱處理之前的非晶氧化物半導體材質相比，光帶隙不會降低。
由熟知的X光繞射可證實，由粉末製造法或薄膜製造法製造之非晶氧化物半導體材質為非晶的。另外，可由觸針式輪廓測定法(stylus profilometry)獲得由薄膜製造法製造之非晶氧化物半導體材質之膜厚度。可由螢光X光分析獲得組成比率。另外，可使用分光光度計(spectrophotometer)獲得光帶隙。此外，可使用電阻率測定儀測定電導率。
2.場效電晶體
本發明例示性實施例之場效電晶體為主動元件，其至少具有閘電極、閘極絕緣膜、主動層、源電極以及汲電極，且具有向閘電極施加電壓、控制流經主動層之電流以及在源電極與汲電極之間切換電流之功能。場效電晶體可形成為交錯結構(亦稱為上閘極式結構)或反向交錯結構(亦稱為下閘極式結構)。
場效電晶體之主動層包含上述非晶氧化物半導體材質，且其電導率σ較佳為10-9≦σ≦10-2(S/cm)。
<場效電晶體之結構>
接著，將更詳細地描述場效電晶體之結構。下文將描述薄膜電晶體(TFT)作為場效電晶體之一實例。
圖1為顯示作為本發明例示性實施例之TFT之一實例的具下閘極式結構之TFT 10的示意圖。TFT 10具有如下組態：閘電極14、閘極絕緣層16以及主動層18依次層疊於基板12上，且源電極20以及汲電極22相互分開地安置於主動層18之表面上。另外，主動層18包含上述非晶氧化物半導體材質。
當TFT為以此方式具有下閘極式結構之TFT 10時，當TFT 10應用於底部發光式有機電致發光顯示元件時，雖然有時用由有機電致發光顯示元件之發光層產生的包括藍光之光照射主動層18，但TFT 10仍可穩定地運作而不受所照射之光影響，乃因TFT 10具有包含上述非晶氧化物半導體材質之主動層18，在所述材質中，對於可見光短波長範圍，光吸收減少。
圖2為顯示作為本發明例示性實施例之TFT之一實例的具有上閘極式結構之TFT 30的示意圖。TFT 30具有如下組態：主動層34層疊於基板32之表面上，源電極36以及汲電極38相互分開地安置於主動層34上，且閘極絕緣層40以及閘電極42進一步依次層疊於其上。
當TFT為以此方式具有上閘極式結構之TFT 30時，當TFT 30應用於底部發光式有機電致發光顯示元件時，與具有下閘極式結構之TFT 10相比，源電極36、汲電極38、閘極絕緣層40以及閘電極42位於主動層34上，故與具有下閘極式結構之TFT 10相比，主動層34很難被來自有機電致發光顯示元件之發光層的包括藍光之光照射。然而，當主動層34具有未被閘極絕緣層40等覆蓋之暴露部分時，或當覆蓋主動層34之源電極36、汲電極38、閘極絕緣層40以及閘電極42透射光時，主動層34變得受來自有機電致發光顯示元件之發光層的包括藍光之光照射。在本例示性實施例中，即使在此等情況下，TFT 30亦可穩定地運作而不受所照射之光影響，乃因TFT 30具有包含上述非晶氧化物半導體材質之主動層34，在所述材質中，對於可見光短波長範圍，光吸收減少。
本例示性實施例之TFT能夠採用除上述組態以外之各種組態，且亦可適當地具有於主動層上裝備有保護層或於基板上裝備有絕緣層等的組態。
<場效電晶體之製造方法>
接下來，將簡要地描述上述TFT 10以及30之製造方法。
在具有下閘極式結構之TFT 10之製造方法中，首先，製備用於形成TFT 10之基板12，且在此基板12上依序形成閘電極14以及閘極絕緣層16。接著，在閘極絕緣膜16上形成包含In、Ga以及Zn之氧化物半導體膜，且對此氧化物半導體膜進行圖案化以形成主動層18。隨後，在主動層18上形成源電極20以及汲電極22。由此，製成具有下閘極式結構之TFT 10。亦可在氧化物半導體膜形成之後直接熱處理氧化物半導體膜(或主動層18)、在氧化物半導體膜圖案化之後直接熱處理氧化物半導體膜(或主動層18)或在TFT 10製造之後熱處理氧化物半導體膜(或主動層18)。
在具有上閘極式結構之TFT 30之製造方法中，首先，製備用於形成TFT 30之基板32，且在此基板32上形成包含In、Ga以及Zn之氧化物半導體膜，且對此氧化物半導體膜進行圖案化以形成主動層34。隨後，在主動層34上形成源電極36以及汲電極38，且此後，依序形成閘極絕緣層40以及閘電極42。由此，製成具有上閘極式結構之TFT 30。在此種情況下，亦可在氧化物半導體膜形成之後直接熱處理氧化物半導體膜(或主動層34)、在氧化物半導體膜圖案化之後直接熱處理氧化物半導體膜(或主動層34)或在TFT 30製造之後熱處理氧化物半導體膜(或主動層34)。
另外，亦可應用具有簡單結構之下閘極式TFT結構，在所述簡單結構中，閘電極使用Si且閘極絕緣膜使用熱氧化膜。在此種情況下，足以在熱氧化膜上形成主動層、進行圖案化且在此後形成源電極以及汲電極。在此種情況下，亦可在氧化物半導體膜形成之後直接熱處理氧化物半導體膜(或主動層34)、在氧化物半導體膜圖案化之後直接熱處理氧化物半導體膜(或主動層34)或在TFT 30製造之後熱處理氧化物半導體膜(或主動層34)。
<場效電晶體各組態之細節>
下文將詳細描述TFT各組態之材質、厚度以及圖案形成方法。
(基板)
使用至少形成有TFT之表面具有絕緣性質且對於熱處理具有尺寸穩定性、耐溶劑性、可加工性以及耐熱性的基板作為基板。另外，使用當例如製造有機電致發光顯示元件作為最終產品時能抑制水分以及氧氣透過且當光自基板側透射以進行光發射以及顯示時能透射光的基板。作為符合此等條件之基板，諸如玻璃以及經氧化釔穩定之二氧化鋯(yttria-stabilized zirconia，YSZ)之無機材質為適合的。較佳使用無鹼玻璃，以降低離子自玻璃中之溶離。另外，當使用鈉鈣玻璃時，較佳使用已施加二氧化矽或其類似物之障壁塗層(barrier coat)之玻璃。
當在隨後所述之過程中熱處理溫度較低時，亦可使用有機材質，諸如飽和聚酯樹脂、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)樹脂、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)樹脂、聚對苯二甲酸丁二醇酯樹脂、聚苯乙烯、聚環烯烴、降冰片烯樹脂、聚(三氟氯乙烯)、交聯二酯反丁烯二酸酯樹脂、聚碳酸酯(PC)樹脂、聚醚碸(PES)樹脂、聚碸(PSF、PSU)樹脂、聚芳酯(PAR)樹脂、環狀聚烯烴(COP、COC)樹脂、纖維素樹脂、聚醯亞胺(PI)樹脂、聚醯胺-醯亞胺(PAI)樹脂、順丁烯二醯亞胺-烯烴樹脂、聚醯胺(PA)樹脂、丙烯酸樹脂、氟化樹脂、環氧樹脂、矽酮樹脂膜、聚苯并噁唑樹脂、環硫化合物、液晶聚合物(LCP)、氰酸酯樹脂以及芳族醚樹脂。另外，亦可使用在以下之間具有至少一個接合界面之層壓塑膠材質：含二氧化矽粒子之複合塑膠材質；含金屬奈米粒子、無機氧化物奈米粒子或無機氮化物奈米粒子之複合塑膠材質；含金屬或無機奈米纖維及/或微纖維、碳纖維之複合塑膠材質；含碳奈米管之複合塑膠材質；含玻璃薄片、玻璃纖維或玻璃珠之複合塑膠材質；含具有黏土礦物或雲母衍生物晶體結構之粒子的複合塑膠材質；或薄玻璃以及上述單一有機材質或具有障壁效能之複合材質，其藉由交替層壓無機層(例如SiO2、Al2O3、SiOxNy)與包含上述材質之有機層而具有至少一或多個界面接合。
當不需要自基板側產生光時，舉例而言，可使用由不鏽鋼、Fe、Al、Ni、Co、Cu或此等之合金或其類似物製造之金屬基板或由Si或其類似物製造之半導體基板，且可在基板上安置絕緣膜以確保電絕緣。當基板為金屬基板時，亦可使用廉價金屬，即使當金屬基板厚度較薄時，金屬基板之強度亦可較高，且基板對大氣中之水分以及氧氣具有高的障壁性質。關於基板之形狀、結構以及尺寸，並無特定限制，且可視目的而適當選擇。通常，自形成TFT之可操作性以及容易性觀點而言，基板之形狀較佳為平板狀。基板可具有單層結構或層壓結構。另外，基板可由單個成構件或兩個或兩個以上構件構成。
(閘電極)
使用導電且耐熱之材質作為閘電極。舉例而言，使用諸如Al、Mo、Cr、Ta、Ti、Au或Ag之金屬、或諸如Al-Nd或APC之合金、或諸如氧化錫、氧化鋅、氧化銦、氧化銦錫(ITO)或氧化銦鋅(IZO)之金屬氧化物導電膜形成閘電極。舉例而言，根據考慮到對所用材質之適用性而自濕式方法(諸如印刷以及塗佈)、物理方法(諸如真空沈積、濺鍍以及離子鍍覆)以及化學方法(諸如CVD以及電漿CVD)中適當選擇之方法，在基板上形成閘電極。閘電極之厚度較佳為10奈米至1000奈米。
在膜形成之後，藉由光刻法將閘電極圖案化成預定形狀。此時，較佳同時將閘電極及閘極線圖案化。
(閘極絕緣膜)
使用絕緣且耐熱之材質作為閘極絕緣膜。舉例而言，絕緣膜可為SiO2、SiNx、SiON、Al2O3、Y2O3、Ta2O5或HfO2之絕緣膜或包括至少兩種或兩種以上此等化合物之絕緣膜。亦根據考慮到對所用材質之適用性而自濕式方法(諸如印刷以及塗佈)、物理方法(諸如真空沈積、濺鍍以及離子鍍覆)以及化學方法(諸如CVD以及電漿CVD)中適當選擇之方法，在基板上形成閘極絕緣膜。當需要時，藉由光刻法將閘極絕緣膜圖案化成預定形狀。
需要使閘極絕緣膜具有厚度以降低漏電流以及提高耐電壓能力，但當厚度太大時，此會最終導致驅動電壓升高。視閘極絕緣膜之材質而定，閘極絕緣膜之厚度較佳為10奈米至10微米，且更佳為50奈米至1000奈米。
(主動層)
較佳使用氣相成膜法、利用含In、Ga以及Zn之氧化物半導體之多晶燒結體作為靶材來形成主動層。在氣相成膜法中，濺鍍以及脈衝雷射沈積(PLD)更佳，且自大規模生產之觀點而言，濺鍍尤其較佳。
舉例而言，藉由濺鍍或PLD形成厚度為20奈米至150奈米之IGZO非晶膜。可由X光繞射證實，已形成之IGZO膜為非晶膜。另外，可由觸針式輪廓測定法獲得膜厚度，且可由螢光X光分析獲得組成比率。
形成非晶IGZO膜之後，需要藉由蝕刻進行圖案化。當主動層對用於其圖案化之蝕刻液體無耐受性時，例如是利用所謂的剝離(lift-off)來形成圖案之方法最簡單且最方便。
可藉由光刻或蝕刻進行IGZO膜之圖案化。具體而言，藉由以下方式形成主動層：利用光刻在IGZO膜中被留作主動層之部分中形成抗蝕遮罩(resist mask)之圖案，並用酸溶液(諸如鹽酸、硝酸、稀硫酸、或磷酸、硝酸以及乙酸之混合液體)(鋁蝕刻液體；由Kanto Chemical Co.,Inc.製造)蝕刻形成於閘極絕緣膜上之IGZO膜。舉例而言，較佳使用包括磷酸、硝酸以及乙酸之水溶液，乃因可可靠地移除IGZO膜之暴露部分。
本發明不侷限於上述實施例。舉例而言，雖然已描述IGZO膜經濕式蝕刻並圖案化之情況，但IGZO膜亦可藉由乾式蝕刻圖案化。
另外，非晶IGZO膜亦可在膜形成之後直接進行熱處理、在圖案化之後直接進行熱處理或在製造TFT之後進行熱處理。藉由施加此熱處理，可改良TFT特性，諸如非晶IGZO膜之載子濃度、電導率、臨限電壓、遷移率以及S值。
非晶IGZO膜之熱處理溫度超過室溫(例如25℃)且小於700℃，且自減少熱處理時間以及熱處理成本之觀點以及增加可用於TFT之基板類型之觀點而言，非晶IGZO膜較佳在較低溫度下經熱處理。
此外，即使當對構成主動層之非晶IGZO膜施加熱處理時，對於波長處於400奈米至420奈米之可見光短波長範圍之光，其光吸收亦減少。另外，由於非晶IGZO膜之光帶隙趨於增加(儘管僅略有增加)，故與熱處理之前的非晶IGZO膜相比，光帶隙不會降低。
(源電極以及汲電極)
在主動層以及閘極絕緣膜上形成用於形成源電極以及汲電極之金屬膜。
金屬膜如同電極以及導線一般具有導電性，且對於金屬膜而言，形成為可藉由蝕刻而圖案化之金屬以覆蓋主動層即足夠。具體而言，實例包括諸如Al、Mo、Cr、Ta、Ti、Au以及Ag之金屬、諸如Al-Nd以及APC之合金、諸如氧化錫、氧化鋅、氧化銦、氧化銦錫(ITO)以及氧化銦鋅(IZO)之金屬氧化物導電膜、諸如聚苯胺、聚噻吩以及聚吡咯之有機導電化合物、以及上述之混合物。
具體而言，自可成形性、導電率以及可圖案化性之觀點而言，較佳利用諸如濺鍍或沈積之技術形成且層壓包含Al或主要組分為Al且含Nd、Y、Zr、Ta、Si、W以及Ni中至少一種之金屬的層(鋁金屬膜)、或自氧化物半導體膜側形成且層壓包含主要組分為Al且含Nd、Y、Zr、Ta、Si、W以及Ni中至少一種之金屬的第一層以及主要組分為Mo或Ti之第二層。此處，「主要組分」為構成金屬膜之各組分中具有最大含量(質量比)之組分，且主要組分較佳等於或大於50質量%且更佳等於或大於90質量%。
在頂部接觸型之情況下，由於已形成主動層，故不存在諸如當在源電極以及汲電極之後形成主動層時對金屬膜厚度之限制，且可形成較厚之金屬膜。考慮到可成形性、由蝕刻所致之可圖案化性以及導電率(使之具有低電阻)，變成源電極以及汲電極以及與其連接之導線的金屬膜之總厚度較佳為10奈米至1000奈米。頂部接觸型為在源電極以及汲電極形成之前形成主動層且主動層之頂面接觸源電極以及汲電極之組態。
另外，當層壓鋁金屬膜(第一層)與主要組分為Mo或Ti之鉬金屬膜或鈦金屬膜(第二層)時，第一層之厚度較佳為10奈米至1000奈米，且第二層之厚度較佳為1奈米至300奈米。
接著，蝕刻並圖案化金屬膜，由此形成接觸主動層之源電極以及汲電極。此處，源電極與汲電極至少其中之一是藉由以下方式形成：在欲留有金屬膜之部分上利用光刻法形成抗蝕遮罩，使用在磷酸及硝酸中添加乙酸或硫酸之酸溶液並進行蝕刻。自簡化製程之觀點，較佳同時圖案化源電極以及汲電極以及連接至此等電極之導線(資料線等)。
本發明不侷限於上述實施例。舉例而言，雖然已描述金屬膜經濕式蝕刻並圖案化之情況，但金屬膜亦可藉由乾式蝕刻圖案化。
3.顯示元件
接下來，將描述一種底部發光式有機電致發光顯示元件作為本發明例示性實施例之顯示元件之一實例。
底部發光式有機電致發光顯示元件裝備有：基板；上述場效電晶體，位於基板上且具有下閘極式結構；以及有機電致發光元件，所述元件電連接至基板上之場效電晶體，其中自有機電致發光元件發射之光是自基板側產生。
圖3為顯示作為本發明例示性實施例之顯示元件之一實例的底部發光式有機電致發光顯示元件100的示意圖。
在底部發光式有機電致發光顯示元件100中，基板102具有位於可撓性支撐體上之基板絕緣膜104，諸如PEN膜。其上安置有已經圖案化之濾色器層106。驅動TFT部分上具有閘電極108，且閘極絕緣膜110安置於閘電極108上。連接孔形成於閘極絕緣膜110之一部分中以用於電連接。本發明例示性實施例之主動層112安置於驅動TFT部分上，且主動層112上安置有源電極114以及汲電極116。汲電極116與有機電致發光元件畫素電極(陽極)118為連續的單件體，且由相同材質以及相同製程形成。開關TFT之汲電極與驅動TFT經由連接電極120在連接孔中電連接。此外，除形成畫素電極部分之有機電致發光元件的部分以外，整體被絕緣膜122覆蓋。包括發光層之有機層124以及陰極126安置於畫素電極部分上，且形成有機電致發光元件部分。
另外，在圖3所示之底部發光式有機電致發光顯示元件100中，由發光層產生之光透射穿過畫素電極118，經濾色器層106發生改變，透射穿過基板102並產生至外部。
此處，根據本發明例示性實施例之有機電致發光顯示元件100，主動層112變成被由發光層產生的包括藍光之光照射，但TFT仍可穩定地運作而不受所照射之光影響，乃因TFT具有包含上述非晶氧化物半導體材質之主動層112，在所述材質中，對於可見光短波長範圍，光吸收減少。另外，可預期製造步驟數目減少且成本降低，乃因不再需要如專利文獻1中一樣使用用於阻擋光朝TFT行進之手段。
4.應用
上述有機電致發光顯示元件100的應用領域廣泛，包括行動電話顯示器、個人數位助理(personal digital assistant，PDA)、電腦顯示器、汽車中之資訊顯示器、TV監視器或一般照明。
另外，當在上述有機電致發光顯示元件100之外使用本發明例示性實施例之場效電晶體時，當在透明基板上進行元件製造時，可提供具有卓越光透射率之元件。具有卓越光透射率之元件之實例包括透明顯示元件，諸如透明顯示器以及電子紙。
另外，本發明例示性實施例之場效電晶體亦適用於光感測器以及X光成像裝置。
<實例>
下文將舉例描述本發明之非晶氧化物半導體材質，但本發明決非受限於此等實例。
-非晶氧化物半導體材質之製造-
<實例1>
作為本發明實例1之非晶氧化物半導體材質，形成組成比率為In:Ga:Zn=0.7:1.3:1.0之IGZO膜1。
具體而言，藉由由InGaZnO4、ZnO以及Ga2O3之各靶材引起之共濺鍍，在25平方公釐石英玻璃上形成實例1之IGZO膜1。至於此等靶材，使用Toshima Manufacturing Co.,Ltd.製造之靶材(純度為99.99%)。當使用InGaZnO4靶材以及Ga2O3靶材時，藉由RF濺鍍進行膜形成，且當使用ZnO靶材時，藉由DC濺鍍進行膜形成。當使用ZnO靶材時，雖然一般而言ZnO之電阻較高且經常藉由RF濺鍍進行膜形成，但採用了DC濺鍍，乃因藉由DC濺鍍形成膜是可行的且是出於大規模生產之考慮。
<實例2>
作為本發明實例2之非晶氧化物半導體材質，形成組成比率為In:Ga:Zn=0.5:1.5:1.0之IGZO膜2。此IGZO膜2使用與實例1相同之膜形成方法而形成，只是改變了組成比率。
<實例3>
作為本發明實例3之非晶氧化物半導體材質，形成組成比率為In:Ga:Zn=0.7:1.3:2.0之IGZO膜3。此IGZO膜3使用與實例1相同之膜形成方法而形成，只是改變了組成比率。
<實例4>
作為本發明實例4之非晶氧化物半導體材質，形成組成比率為In:Ga:Zn=0.5:1.5:2.0之IGZO膜4。此IGZO膜4使用與實例1相同之膜形成方法而形成，只是改變了組成比率。
<比較實例1>
作為本發明比較實例1之非晶氧化物半導體材質，形成組成比率為In:Ga:Zn=1.1:0.9:1.0之比較IGZO膜1。此比較IGZO膜1使用與實例1相同之膜形成方法而形成，只是改變了組成比率。
<比較實例2>
作為本發明比較實例2之非晶氧化物半導體材質，形成組成比率為In:Ga:Zn=1.0:1.0:1.0之比較IGZO膜2。此比較IGZO膜2使用與實例1相同之膜形成方法而形成，只是改變了組成比率。
<比較實例3>
作為本發明比較實例3之非晶氧化物半導體材質，形成組成比率為In:Ga:Zn=1.1:0.9:2.0之比較IGZO膜3。此比較IGZO膜3使用與實例1相同之膜形成方法而形成，只是改變了組成比率。
<比較實例4>
作為本發明比較實例4之非晶氧化物半導體材質，形成組成比率為In:Ga:Zn=1.0:1.0:2.0之比較IGZO膜4。此比較IGZO膜4使用與實例1相同之膜形成方法而形成，只是改變了組成比率。
實例1至4以及比較實例1至4之IGZO膜1至4以及比較IGZO膜1至4之膜形成條件顯示於表1中。
-場效電晶體之製造-
<實例5>
作為本發明實例5之場效電晶體，製造主動層包含組成比率為In:Ga:Zn=0.7:1.3:1.0之IGZO膜的TFT 1。
具體而言，在具有熱氧化膜之Si基板上形成具有上述組成比率之IGZO膜(膜厚度為50奈米)，此後藉由混合酸鋁蝕刻液進行圖案化來製造主動層。構成主動層之IGZO膜之膜成形方法以及條件與實例1相同。然而，關於膜厚度，使用實例1中形成之IGZO膜之膜厚度以及膜形成時間作為基準，調整膜形成時間以使膜厚度變為50奈米。同樣，關於組成比率發生改變之下述場效電晶體，調整膜形成時間以使膜厚度變為50奈米。此後，使用ITO作為源電極以及汲電極進行膜形成，由此製成閘電極包含Si基板且閘極絕緣膜包含熱氧化膜(100奈米)之TFT 1。
<實例6>
作為本發明實例6之場效電晶體，製造主動層包含組成比率為In:Ga:Zn=0.5:1.5:1.0之IGZO膜的TFT 2。此TFT 2使用與實例5相同之製造方法以及條件來製造，只是改變了主動層之組成比率以及膜形成時間。
<實例7>
作為本發明實例7之場效電晶體，製造主動層包含組成比率為In:Ga:Zn=0.7:1.3:2.0之IGZO膜的TFT 3。此TFT 3使用與實例5相同之製造方法以及條件來製造，只是改變了主動層之組成比率以及膜形成時間。
<實例8>
作為本發明實例8之場效電晶體，製造主動層包含組成比率為In:Ga:Zn=0.5:1.5:2.0之IGZO膜的TFT 4。此TFT 4使用與實例5相同之製造方法以及條件來製造，只是改變了主動層之組成比率以及膜形成時間。
<比較實例5>
作為比較實例5之場效電晶體，製造主動層包含組成比率為In:Ga:Zn=1.1:0.9:1.0之IGZO膜的比較TFT 1。此比較TFT 1使用與實例5相同之製造方法以及條件來製造，只是改變了主動層之組成比率以及膜形成時間。
<比較實例6>
作為比較實例6之場效電晶體，製造主動層包含組成比率為In:Ga:Zn=1.0:1.0:1.0之IGZO膜的比較TFT 2。此比較TFT 2使用與實例5相同之製造方法以及條件來製造，只是改變了主動層之組成比率以及膜形成時間。
<比較實例7>
作為比較實例7之場效電晶體，製造主動層包含組成比率為In:Ga:Zn=1.1:0.9:2.0之IGZO膜的比較TFT 3。此比較TFT 3使用與實例5相同之製造方法以及條件來製造，只是改變了主動層之組成比率以及膜形成時間。
<比較實例8>
作為比較實例8之場效電晶體，製造主動層包含組成比率為In:Ga:Zn=1.1:1.0:2.0之IGZO膜的比較TFT 4。此比較TFT 4使用與實例5相同之製造方法以及條件來製造，只是改變了主動層之組成比率以及膜形成時間。
-非晶氧化物半導體材質以及場效電晶體之熱處理-
<實例9>
作為本發明實例9之非晶氧化物半導體材質，對實例1之非晶氧化物半導體材質(b=1.3，c=1.0)進行熱處理以形成IGZO膜5。
在將非晶氧化物半導體材質置放於氧化性氛圍控制爐(Fujifilm Corporation定製爐)中且以200標準立方公釐/分之流率進行氧氣取代之後，對非晶氧化物半導體材質進行熱處理。熱處理條件為：溫度上升速率為8.3℃/分鐘，溫度自室溫上升至180℃，保持180℃之溫度1小時，此後使非晶氧化物半導體材質自然冷卻，且上述氧氣自熱處理開始時持續流過直至移出非晶氧化物半導體材質。
<實例10>
作為本發明實例10之非晶氧化物半導體材質，對實例2之非晶氧化物半導體材質(b=1.5，c=1.0)進行熱處理以形成IGZO膜6。
非晶氧化物半導體材質之熱處理方法以及條件與實例9之方法以及條件相同。
<比較實例9>
作為比較實例9之非晶氧化物半導體材質，對比較實例1之非晶氧化物半導體材質(b=0.9，c=1.0)進行熱處理以形成比較IGZO膜5。
非晶氧化物半導體材質之熱處理方法以及條件與實例5之方法以及條件相同。
<比較實例10>
作為比較實例10之非晶氧化物半導體材質，對比較實例2之非晶氧化物半導體材質(b=1.0，c=1.0)進行熱處理以形成比較IGZO膜6。
非晶氧化物半導體材質之熱處理方法以及條件與實例5之方法以及條件相同。
<實例11>
作為本發明實例11之場效電晶體，對實例5之場效電晶體(主動層之組成：b=1.3，c=1.0)進行熱處理來製造TFT5。
在將場效電晶體置放於台式馬弗爐(desktop muffle furnace)(Dengen Co.,Ltd.製造之KDF-75)中且以200標準立方公釐/分之流率進行氧氣取代之後，對場效電晶體進行熱處理。熱處理條件為：溫度上升速率為8.3℃/分鐘，溫度自室溫上升至180℃，保持180℃之溫度1小時，此後使場效電晶體自然冷卻，且上述氧氣自熱處理開始時持續流過直至移出場效電晶體。
<比較實例11>
作為比較實例11之場效電晶體，對比較實例5之場效電晶體(主動層之組成：b=0.9，c=1.0)進行熱處理來製造比較TFT 5。
場效電晶體之熱處理方法以及條件與實例11之方法以及條件相同。
-薄膜之評估-
對於實例1至4以及比較實例1至4之IGZO膜1至4以及比較IGZO膜1至4，進行X光繞射量測以及組成比率、膜厚度、光學性質及電性質之評估。表2顯示評估結果。下文將詳細描述所述評估。
(X光繞射量測)
使用Rint-Ultima III量測元件(Rigaku Corporation製造)藉由眾所周知的X光繞射對所形成之所有IGZO膜進行繞射強度量測。如表2所示，量測結果證實，所有IGZO膜均為非晶的。
(組成比率之評估)
由螢光X光分析確定所形成之所有IGZO膜之組成比率(元件：由PANalytical製造之Axios)。具體而言，首先，量測已藉由ICP確定In、Ga以及Zn元素之元素濃度之標準樣品的螢光X光強度。接著，產生標準樣品之各元素濃度與螢光X光強度之間的標準曲線。最後，對未知樣品進行螢光X光分析，且使用所產生之標準曲線確定組成比率。
如表2所示，由確定組成比率之結果證實，IGZO膜1至4以及比較IGZO膜1至4具有以上所示之組成比率。
圖4為共同顯示於相位圖中之IGZO膜1至4以及比較IGZO膜1至4的組成比率之分析結果的圖。
圖中之範圍A為本發明實例之IGZO膜之組成範圍，且範圍B為實例之IGZO膜之較佳組成範圍。範圍C為專利文獻3所述之IGZO膜之組成範圍，且範圍D為專利文獻4所述之IGZO膜之組成範圍。另外，範圍E為專利文獻5所述之IGZO膜之組成範圍。此外，範圍F為專利文獻6所述之IGZO膜之組成比率。
如圖4所示，實例1至4之IGZO膜1至4之組成比率包含於相位圖內之範圍A中。另外，實例1至4之IGZO膜1至4之組成比率亦包含於相位圖內之為較佳範圍之範圍B中。詳言之，實例2至4之IGZO膜2至4之組成比率不包含於範圍F中。亦即，其在如下範圍內：a+b=2且1.3≦b≦1.5且c>-5b+8且1≦c≦2。
比較實例1至4之比較IGZO膜1至4之組成比率不包含於相位圖內之範圍A以及B中，而是包含於相位圖內之範圍C、D或F中。
(膜厚度評估)
如同確定組成比率一樣，由螢光X光分析來確定所形成之所有IGZO膜之膜厚度。如表2所示，確定膜厚度之結果證實，所有厚度均為約100奈米。
(光學性質)
藉由根據下列參考文獻1以及參考文獻2外推由(αhv)2對hv所產生之Tauc曲線，計算所有IGZO膜之光帶隙。為形成此Tauc曲線，使用分光光度計(由Hitachi,Ltd.製造之U3310、U4000)進行透射以及反射量測。
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參考文獻2：Journal of Applied Physics,102,113525(2007)，第1至8頁
圖5為繪製IGZO膜之光帶隙之計算結果的圖，其中水平軸表示Ga之組成比率(b值)且垂直軸表示光帶隙。
如圖5以及表2所示，可證實隨著IGZO膜之Ga之組成比率b增加，光帶隙擴大。另外，亦可證實非晶IGZO膜之光帶隙可在比結晶IGZO膜(未顯示)寬之範圍內擴大。此乃因非晶相不同於結晶相，其不具有被稱為固溶體之概念且有可能實際上無限地增加Ga濃度。
(電性質)
藉由用電阻率測定儀(Mitsubishi Chemical Corporation,Hiresta MCP-HT450)確定所製造之所有IGZO膜之薄層電阻來計算其電導率。
圖6顯示所計算之IGZO膜之電導率σ與Ga之組成比率b之間的關係。
如圖6以及表2所示，可證實隨著Ga之組成比率b增加，電導率σ減小。
此處，參考下列非專利文獻2以及參考文獻3以及4中之電晶體Vg-Id特性，可有效用作電晶體主動層之比電阻之範圍變成102≦ρ≦109(歐姆，公分)。亦即，可有效用作電晶體主動層之電導率σ變成10-9≦σ≦10-2(西門子/公分)。
另外，所製造之所有IGZO膜之電導率處於上述範圍10-9≦σ≦10-2(西門子/公分)內。
參考文獻3：Thin Solid Films,516(2008)，第1516頁
參考文獻4：Appl. Phys. Lett90 212114(2007)
-光照射之前的TFT特性-
關於實例5至8以及比較實例5至8之TFT 1至4以及比較TFT 1至4，評估光照射之前的TFT特性(Vg-Id特性、遷移率μ、臨限電壓Vth)。在暗處且乾燥空氣環境中在乾燥空氣流動20分鐘或20分鐘以上後，進行TFT特性評估。在Vd=10 V時，評估Vg-Id特性。
表3顯示TFT 1至4以及比較TFT 1至4之TFT特性的評估結果。
另外，圖7至圖12顯示TFT 1至4以及比較TFT 2以及2之TFT特性。
圖7為顯示當在c值為c=1下b值改變時，TFT之Vg-Id特性的圖。圖8為顯示當在c值為c=2下b值改變時，TFT之Vg-Id特性的圖。
如圖7、圖8以及表3所示，在Zn之組成比率為c=1與c=2之情況下，可證實隨著Ga之組成比率b增加，Vg-Id特性之圖移至正側。
另外，圖9為顯示當在c值為c=1下b值改變時，TFT之遷移率μ的圖。圖10為顯示當在c值為c=2下b值改變時，TFT之遷移率μ的圖。
如圖9、圖10以及表3所示，在Zn之組成比率為c=1與c=2之情況下，可證實隨著Ga之組成比率b增加，遷移率μ減小。
此外，圖11為顯示當在c值為c=1下b值改變時，TFT之臨限電壓Vth的圖。圖12為顯示當在c值為c=2下b值改變時，TFT之臨限電壓Vth的圖。
如圖11、圖12以及表3所示，在Zn之組成比率為c=1與c=2之情況下，可證實隨著Ga之組成比率b增加，臨限電壓Vth增加。
-光照射時的TFT特性-
關於實例5至8以及比較實例5及7之TFT 1至4以及比較TFT 1及3，量測單色光照射時之TFT特性。圖13顯示TFT特性量測之一般組態。
具體而言，如圖13所示，將各TFT置放於探測台200上，使乾燥空氣流動2小時或2小時以上，且在乾燥空氣環境中量測TFT特性(Vg-Id特性、Vg-Ig特性、遷移率μ、臨限值Vth)。單色光照射TFT特性之量測條件為：Vds=10伏，單色光源之照射強度為10微瓦/平方公分，波長λ之範圍為380奈米至700奈米。除下文註明外，所有量測均在用單色光照射TFT 10分鐘時進行。
(遷移率)
用約420奈米之不同波長之單色光照射TFT 1至4以及比較TFT 1以及3之主動層。表4顯示此時遷移率變化(μ/μ0)之量測結果。另外，圖14顯示繪製此等量測結果之圖，其中水平軸表示波長(奈米)且垂直軸表示遷移率變化(μ/μ0)。
μ為用不同波長之單色光照射TFT時，各TFT(主動層)之遷移率，且μ0為用波長為600奈米之單色光照射TFT時，各TFT(主動層)之遷移率。
由表4以及圖14之結果，可證實當單色光之波長為約420奈米時，隨著Ga之組成比率b增加，遷移率變化減小。另外，應瞭解，當單色光波長為約420奈米時，實際上未見TFT1至3之遷移率變化。
(臨限電壓之暫時變化)
用波長為420奈米之單色光照射TFT1至4以及比較TFT 1及3之主動層，且改變光照射時間。表5顯示此時臨限電壓之暫時變化ΔVth之量測結果。另外，圖15顯示繪製此等量測結果之圖，其中水平軸表示光照射時間(分鐘)且垂直軸表示臨限電壓之暫時變化(ΔVth)。使用光照射之前的臨限電壓Vth作為基準(0)量測ΔVth。
由表5以及圖15所示之結果，在實例5之TFT 1以及實例8之TFT 4中，即使當光照射時間已進行10分鐘時，ΔVth(伏)實際上亦無變化。
(臨限電壓之變化)
用不同波長之單色光照射TFT 1至4以及比較TFT 1及3之主動層。表6顯示此時臨限電壓Vth之量測結果。另外，圖16顯示繪製此等量測結果之圖，其中水平軸表示波長(奈米)且垂直軸表示臨限電壓(Vth)。在圖16中，省略Zn之組成比率c為c=2時臨限電壓之量測結果。
(Vg-Id特性)
用不同波長之單色光照射TFT 1至4以及比較TFT 1及3之主動層。圖17至圖22顯示此時Vg-Id特性之量測結果。
另外，基於圖17至圖22中所示之結果，將Vg=-5伏時之電流值定義為斷開狀態電流(Ioff)，且獲得TFT 1至4以及比較TFT 1及3之每一波長之斷開狀態電流。表7顯示所獲得之斷開狀態電流。
由所有上述結果，獲得以下結論。
在比較實例5之比較TFT 1(b=0.9，c=1)中，即使當用波長等於或大於460奈米之單色光照射比較TFT 1時，實際上亦未見斷開狀態電流變化，且顯示主動層不受波長等於或大於460奈米之可見光影響(參見圖17以及表7)。然而，可證實斷開狀態電流因波長等於或小於440奈米之單色光而開始增加。舉例而言，當用作用於有機電致發光驅動之TFT時，考慮到有機電致發光之藍光光發射峰之邊緣為約420奈米，已顯示主動層為b=0.9且c=1之IGZO膜不合適，乃因TFT特性因藍光而發生變化。
類似地，在比較實例7之比較TFT 3(b=0.9，c=2)中，當用波長等於或小於460奈米之單色光照射比較TFT 3時，可證實斷開狀態電流增加(參見圖20以及表7)。此外，關於遷移率以及ΔVth，由於兩者可見較大變化(參見圖14以及圖15)，故顯示比較TFT 3不適於用於有機電致發光驅動之TFT。
在實例5之TFT 1(b=1.3，c=1)中，即使當用波長等於或大於420奈米之單色光照射TFT 1時，亦未見斷開狀態電流變化(參見圖18以及表7)。另外，亦關於光照射時之遷移率以及Vth，其亦未因波長等於或大於420奈米之光而發生變化(參見圖14以及圖16)。因此，獲得TFT 1不受波長等於或大於420奈米之光影響的效果，故可認為TFT 1展現出作為用於有機電致發光驅動之TFT之充分光敏性質。
另外，在實例6之TFT 2(b=1.5，c=1)中，即使當用380奈米或400奈米之短波長之單色光照射TFT 2時，亦未見斷開狀態電流變化(參見圖19以及表7)。關於遷移率，即使當用波長為380奈米之單色光照射TFT 2時，遷移率之降低亦為5%，且可見光範圍內未見對遷移率之影響。因此，顯示TFT 1展現出作為用於有機電致發光驅動之TFT的充分光敏性質。
此外，在實例7之TFT 3(b=1.3，c=2)中，當用波長等於或小於400奈米之單色光照射TFT 3時，斷開狀態電流顯著增加。此外，當用波長為420奈米之單色光照射TFT 3時，雖然斷開狀態電流略有增加，但在接通區域中未見Id移動，且遷移率以及臨限電壓實際上未見變化(參見圖21以及表7)。因此，顯示TFT 3展現出作為用於有機電致發光驅動之TFT的充分光敏性質。
此外，在實例8之TFT 4(b=1.5，c=2)中，當用波長為380奈米之單色光照射TFT 4時，TFT特性發生負向移動且斷開狀態電流增加。然而，即使當用400奈米或420奈米之短波長之單色光照射TFT 4時，亦未見斷開狀態電流變化(參見圖22以及表7)。雖然當用波長為420奈米之單色光照射TFT 4時，開始看到遷移率下降，但Vth以及斷開狀態電流實際上未見變化(參見表6以及表7)，故認為TFT 4適用於有機電致發光。
另外，在含In、Ga以及Zn(In:Ga:Zn=a:b:c，a+b=2)之非晶氧化物半導體材質中，在c=1與c=2之情況下，發現光吸收傾向於向短波長側移動且帶隙值傾向於伴隨Ga組成比率增加而增加(參見圖5)。作為在單色光照射時TFT特性量測之結果，藉由增加Ga之組成比率b以及擴大帶隙，獲得TFT光照射特性得到改良且有可能實現具有高光穩定性之TFT之結果。詳言之，根據圖14至圖22所示之結果，主動層之組成比率為b=1.3且c=1之TFT 1顯示出就可見光短波長範圍而言最穩定的TFT特性，故顯示約b=1.3且c=1之組成範圍為較佳範圍。
-熱處理之後的評估-
(薄膜評估)
對於實例9及10以及比較實例9及10之經熱處理之後的IGZO膜5及6以及比較IGZO膜5及6，進行X光繞射量測以及組成比率、光學性質及電性質之評估。評估方法與上述方法相同。表8顯示評估結果。為便於比較熱處理之前與之後的評估，已顯示於表2中之熱處理之前的IGZO膜評估亦顯示於表8中。
由X光繞射量測之結果，如表8所示，熱處理之後各IGZO膜之結構表現出寬的圖案，在此圖案中，所有均被視為非晶的。
此外，關於熱處理之後各IGZO膜之光帶隙，光帶隙趨於增加(儘管僅略有增加)，且證實與熱處理之前的IGZO膜1以及2以及比較IGZO膜1及2相比，光帶隙未降低。
關於電性質，熱處理之前與之後變化顯著。
(TFT特性)
接著，關於實例11以及比較實例11之TFT 5以及比較TFT 5，評估TFT特性(Vg-Id特性、Von、臨限電壓Vth、遷移率μ、S值)。在暗處且乾燥空氣環境中，在乾燥空氣流動20分鐘或20分鐘以上後進行TFT特性評估。在Vd=10 V時，評估Vg-Id特性。另外，關於實例11，Von為在獲得Id=1×10-11 A時之電壓值(Vg)，且關於比較實例11，Von為在獲得Id=1×10-10 A時之Vg值。
表9顯示TFT 5以及比較TFT 5之TFT特性之評估結果。為便於比較熱處理之前與之後的評估，已顯示於表3中之熱處理之前的TFT評估亦顯示於表9中。
另外，圖23顯示具有組成比率為a=0.7、b=1.3且c=1.0之IGZO膜作為其主動層之TFT(TFT 1、TFT 5)在熱處理之前與之後Vg-Id特性之量測結果的圖。此時，不用光照射主動層。
根據表9以及圖23之結果，應瞭解，與熱處理之前之TFT 1相比，熱處理之後TFT 5之Vg-Id特性發生大的負向移動。另外，在TFT 5中，與TFT 1相比，斷開狀態電流表現出實質上相同的值，且接通狀態電流增加。此外，亦可證實接通狀態電壓Von以及S值因熱處理而增加。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，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，因此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。
10．．．TFT
12．．．基板
14．．．閘電極
16．．．閘極絕緣層
18．．．主動層
20．．．源電極
22．．．汲電極
30．．．TFT
32．．．基板
34．．．主動層
36．．．源電極
38．．．汲電極
40．．．閘極絕緣層
42．．．閘電極
100．．．底部發光式有機電致發光顯示元件
102．．．基板
104．．．基板絕緣膜
106．．．濾色器層
108．．．閘電極
110．．．閘極絕緣膜
112．．．主動層
114．．．源電極
116．．．汲電極
118．．．有機電致發光元素畫素電極(陽極)
120．．．連接電極
122．．．絕緣膜
124．．．有機層
126．．．陰極
圖1為顯示作為本發明例示性實施例之TFT之一實例的具有下閘極式結構之TFT的示意圖。
圖2為顯示作為本發明例示性實施例之TFT之一實例的具有上閘極式結構之TFT的示意圖。
圖3為顯示作為本發明例示性實施例之顯示元件之一實例的底部發光式有機電致發光顯示元件的示意圖。
圖4為共同顯示於相位圖中之實例1至4之IGZO膜1至4以及比較實例1至4之比較IGZO膜1至4的組成比率分析結果的圖。
圖5為繪製實例1至4之IGZO膜1至4以及比較實例1至4之比較IGZO膜1至4的光帶隙計算結果的圖，其中水平軸表示Ga之組成比率(b值)且垂直軸表示光帶隙。
圖6為顯示實例1至4之IGZO膜1至4以及比較實例1至4之比較IGZO膜1至4的電導率σ與Ga之組成比率b之間關係的圖。
圖7為顯示實例5及6之TFT 1及TFT 2以及比較實例6之比較TFT 2的Vg-Id特性的圖。
圖8為顯示實例7及8之TFT 3及TFT 4以及比較實例8之比較TFT 4的Vg-Id特性的圖。
圖9為顯示實例5及6之TFT 1及TFT 2以及比較實例6之比較TFT 2的遷移率μ的圖。
圖10為顯示實例7及8之TFT 3及TFT 4以及比較實例8之比較TFT 4的遷移率μ的圖。
圖11為顯示實例5及6之TFT 1及TFT 2以及比較實例6之比較TFT 2的臨限電壓Vth的圖。
圖12為顯示實例7及8之TFT 3及TFT 4以及比較實例8之比較TFT 4的臨限電壓Vth的圖。
圖13為顯示光照射時TFT性質量測之一般組態的圖。
圖14為繪製遷移率變化之量測結果之圖，其中水平軸表示波長(奈米)且垂直軸表示遷移率變化(μ/μ0)。
圖15為繪製臨限電壓暫時變化之量測結果之圖，其中水平軸表示光照射時間(分鐘)且垂直軸表示臨限電壓暫時變化(ΔVth)。
圖16為繪製臨限電壓之量測結果之圖，其中水平軸表示波長(奈米)且垂直軸表示臨限電壓(Vth)。
圖17為顯示當比較TFT1之主動層經不同波長之單色光照射時，Vg-Id特性之量測結果之圖。
圖18為顯示當TFT1之主動層經不同波長之單色光照射時，Vg-Id特性之量測結果之圖。
圖19為顯示當TFT2之主動層經不同波長之單色光照射時，Vg-Id特性之量測結果之圖。
圖20為顯示當比較TFT3之主動層經不同波長之單色光照射時，Vg-Id特性之量測結果之圖。
圖21為顯示當TFT3之主動層經不同波長之單色光照射時，Vg-Id特性之量測結果之圖。
圖22為顯示當TFT4之主動層經不同波長之單色光照射時，Vg-Id特性之量測結果之圖。
圖23為顯示以組成比率為a=0.7、b=1.3且c=1.0之IGZO作為主動層之TFT(TFT1以及TFT5)在熱處理之前與熱處理之後Vg-Id特性之量測結果的圖。

Claims (7)

  1. 一種非晶氧化物半導體材質，其包含含In、Ga以及Zn之非晶氧化物半導體，其中當In:Ga:Zn=a:b:c表示所述氧化物半導體之元素組成比率時，所述元素組成比率由a+b=2且b<2且c<4b-3.2且c>-5b+8且1≦c≦2之範圍界定。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之非晶氧化物半導體材質，其中其光帶隙等於或大於3.79電子伏。
  3. 一種非晶氧化物半導體材質，其包含含In、Ga以及Zn之非晶氧化物半導體，其中當In:Ga:Zn=a:b:c表示所述氧化物半導體之元素組成比率時，所述元素組成比率由a+b=2且c<4b-3.2且c<-5b+8且1≦c之範圍界定，且其光帶隙等於或大於3.79電子伏。
  4. 一種場效電晶體，其具有主動層，所述主動層包含如申請專利範圍第1項所述之非晶氧化物半導體材質且電導率σ為10-9≦σ≦10-2(西門子/公分)。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之場效電晶體，其中所述非晶氧化物半導體材質經熱處理。
  6. 一種顯示元件，其裝備有如申請專利範圍第4項所述之場效電晶體。
  7. 一種底部發光式顯示元件，包含：基板；如申請專利範圍第4項所述之場效電晶體，位於所述基板上且具有下閘極式結構；以及有機電致發光元件，電連接至所述基板上之所述場效電晶體，其中自所述有機電致發光元件發射之光是自所述基板側產生。
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