[发明专利]具有通过使用非晶氧化物膜而形成的栅绝缘层的场效应晶体管

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有通过使用非晶氧化物膜而形成的栅绝缘层的场效应晶体管，并且还涉及一种显示装置。

背景技术

场效应晶体管(FET)是一种具有栅电极、源电极和漏电极的三端子器件。FET还是一种电子有源器件，其具有当向栅电极施加电压时控制流过其沟道层的电流并开关在源电极和漏电极之间流动的电流的功能特征。具有通过使用在诸如陶瓷、玻璃和塑料的绝缘体衬底上形成的薄膜而形成的沟道层的FET被称为TFT(薄膜晶体管)。

由于TFT是利用薄膜技术形成的，所以TFT具有其可容易地在大面积衬底上形成的优点。TFT由于此优点而广泛用作液晶显示器及其它平板显示器的驱动器件。更具体地说，在有源液晶显示器(ALCD)中，TFT在玻璃衬底上形成，并且被操作为用于单独地打开/关闭各个像素的开关器件。预计在将来，TFT可有效地用于高性能有机LED显示器(OLED)中像素的电流驱动操作。另外，迄今已经实现了在图像显示区外围形成TFT电路以驱动和控制整个图像的高性能液晶显示器。

目前最普及的TFT是通过将多晶硅膜或非晶硅膜用作沟道层材料而制造的金属-绝缘体-半导体场效应晶体管(MIS-FET)。非晶硅TFT和多晶硅TFT已经分别被商业化，用于驱动像素和驱动/控制整个图像。

但是，制备非晶和多晶硅TFT需要热器件制造工艺。因此，难以在塑料板或膜上形成这种器件。

同时，已经大量地进行了开发努力，以通过在聚合物板或膜上形成TFT并将它们用作LCD或OLED的驱动电路来实现柔性(flexible)显示器。由于有机半导体膜导电并且可在低温下在塑料膜上形成，因而这样的膜正引起关注。

例如，并五苯和其它有机物质提供了有机半导体膜的研究和开发努力的对象。这些有机半导体具有芳香环(aromatic ring)，并且当结晶时沿芳香环的多层形成方向显示高载流子迁移率。例如，已经报导，当将并五苯用于有源层时，载流子迁移率大约为0.5cm²(Vs)^-1，其与非晶Si-MOSFET相当(equivalent)。

但是，并五苯和其它有机半导体的热稳定性差(<150℃)且高度有毒(致癌)，因此通过使用这种有机半导体形成的器件迄今尚未市售。

氧化物材料已经作为可应用于TFT的沟道层的材料而引起关注。

例如，正积极作出努力以开发包括通过使用透明导电氧化物多晶薄膜而形成的沟道层的TFT，该薄膜是使用ZnO作为主要成分而制备的。这种薄膜可在相对低的温度下在衬底上形成，该衬底可以是塑料板或膜。但是，主要包含ZnO的化合物在室温下不能产生稳定的非晶相且不可避免地产生多晶相，因此，由于在多晶晶粒边界处的散射而不能提高电子迁移率。另外，成膜(film forming)工艺对多晶晶粒的轮廓(profile)及其相互连接有很大影响，从而制备的TFT器件可显示出多样化的特性。

K.Nomura等人，Nature432，488(2004)报导了通过使用In-Ga-Zn-O型非晶氧化物而制备的薄膜晶体管。这种晶体管可在室温下在塑料或玻璃衬底上形成。另外，这种晶体管提供了常关断(normally-off)型晶体管特性和大约6到9的场效应迁移率。此外，这种晶体管具有相对于可见光透明的特性。

发明内容

常规地，通常将SiO₂或SiN_x用于场效应晶体管的栅绝缘层。对于其中将氧化物应用于沟道层的晶体管，正在讨论这种栅绝缘层的使用。另一方面，正在尝试通过使用由诸如Y₂O₃或HfO₂的显示高介电常数的物质制成的栅绝缘层来实现显示大的导通(ON)电流的薄膜晶体管。

但是，当Y₂O₃和HfO₂在低温下生长时，它们变得被结晶以产生粒状团块(granular agglomerate)，从而使得难以在栅绝缘层和沟道层之间形成良好的边界界面。因此，难以同时实现良好的晶体管特性和良好的操作稳定性。这里所用的良好的晶体管特性是指显示大的导通电流和小的关断(OFF)电流，提供高电场迁移率并且是常关断型的等等。另一方面，这里所用的良好的操作稳定性是指显示小的滞后，并且相对于经过的(elapsed)时间、驱动历史和环境变化具有良好的稳定性等等。