JP2010067849A - 薄膜電界効果型トランジスタおよびそれを用いた表示装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板1上に、少なくとも、ゲート電極2、ゲート絶縁膜3、活性層4、ソース電極5−1及びドレイン電極5−2を有する薄膜電界効果型トランジスタであって、前記活性層が酸化物半導体層であり、前記活性層と前記ソース電極及びドレイン電極の少なくとも一方との間に酸化物半導体層からなる抵抗層6を有し、前記活性層の電気伝導度が10−4Scm−1以上102Scm−1未満であり、且つ、前記抵抗層の電気伝導度に対する前記活性層の電気伝導度の比率(活性層の電気伝導度/抵抗層の電気伝導度)が、101以上1010以下であり、前記ソース電極及びドレイン電極の少なくとも一方の前記抵抗層と接する面側がTi又はTi合金層8−1,8−2である薄膜電界効果型トランジスタ。
【選択図】図1
Description
これらFPDは、ガラス基板上に設けた非晶質シリコン薄膜や多結晶シリコン薄膜を活性層に用いる電界効果型薄膜トランジスタ(以後の説明で、Thin Film Transistor、もしくはTFTと記載する場合がある)のアクティブマトリクス回路により駆動されている。
しかし、上述のシリコン薄膜を用いるトランジスタの製造は、比較的高温の熱工程を要し、一般的に耐熱性の低い樹脂基板上に直接形成することは困難である。
そこで、低温での成膜が可能なアモルファス酸化物、例えば、In−Ga−Zn−O系アモルファス酸化物を半導体薄膜に用いるTFTの開発が活発に行われている(例えば、特許文献1、非特許文献1参照)。
アモルファス酸化物半導体を用いたTFTは、室温成膜が可能であり、フイルム上に作製が可能であるので、フイルム(フレキシブル)TFTの活性層の材料として最近注目を浴びている。特に、東工大・細野らにより、a−IGZOを用いたTFTは、PEN基板上でも電界効果移動度が約10cm2/Vsとガラス上のa−Si系TFTよりも高移動度が報告されて、特にフイルムTFTとして注目されるようになった(例えば、非特許文献2参照)。
また、その薄膜電界効果型トランジスタを用いた表示装置を提供することにある。
<1> 基板上に、少なくとも、ゲート電極、ゲート絶縁膜、活性層、ソース電極及びドレイン電極を有する薄膜電界効果型トランジスタであって、前記活性層が酸化物半導体層であり、前記活性層と前記ソース電極及びドレイン電極の少なくとも一方との間に前記活性層より電気伝導度の低い酸化物半導体層からなる抵抗層を有し、前記活性層の電気伝導度が10−4Scm−1以上102Scm−1未満であり、且つ、前記抵抗層の電気伝導度に対する前記活性層の電気伝導度の比率(活性層の電気伝導度/抵抗層の電気伝導度)が、101以上1010以下であり、前記ソース電極及びドレイン電極の少なくとも一方の前記抵抗層に面する側がTi又はTi合金層である薄膜電界効果型トランジスタ。
<2> 前記活性層が前記ゲート絶縁膜と接している<1>に記載の薄膜電界効果型トランジスタ。
<3> 前記抵抗層の電気伝導度に対する前記活性層の電気伝導度の比率(活性層の電気伝導度/抵抗層の電気伝導度)が、102以上1010以下である<1>又は<2>に記載の薄膜電界効果型トランジスタ。
<4> 前記抵抗層の電気伝導度に対する前記活性層の電気伝導度の比率(活性層の電気伝導度/抵抗層の電気伝導度)が、102以上108以下である<3>に記載の薄膜電界効果型トランジスタ。
<5> 前記ソース電極及びドレイン電極の前記抵抗層に面する側がTi又はTi合金層である<1>〜<4>のいずれかに記載の薄膜電界効果型トランジスタ。
<6> 前記活性層の電気伝導度が10−1Scm−1以上102Scm−1未満である<1>〜<5>のいずれかに記載の薄膜電界効果型トランジスタ。
<7> 前記活性層及び前記抵抗層の酸化物半導体がアモルファス酸化物である<1>〜<6>のいずれかに記載の薄膜電界効果型トランジスタ。
<8> 前記活性層及び抵抗層の酸化物半導体がIn、GaおよびZnからなる群より選ばれる少なくとも1種若しくはこれらの複合酸化物を含む<1>〜<7>のいずれかに記載の薄膜電界効果型トランジスタ。
<9> 前記基板が可撓性樹脂基板である<1>〜<8>のいずれかに記載の薄膜電界効果型トランジスタ。
<10> <1>〜<9>のいずれかに記載の薄膜電界効果型トランジスタを用いた表示装置。
それは、従来の技術では、OFF電流を低減させる為に、活性層の電子キャリア濃度を1018/cm3未満にする必要があった。活性層に用いられるアモルファス酸化物半導体は、電子キャリア濃度が下がると電子移動度が下がる傾向があるので、良好なOFF特性と、高移動度を両立するTFTを形成することが困難であったからである。
更に、アモルファス酸化物半導体を用いたTFTの開発を進める中で、TFT素子を駆動状態での通電試験を行うと、図3に示される閾値電圧(Vth)として定義される電圧が通電時間が長くなると、高電圧側に変動する問題(閾値シフト)が生じることが判明した。よって、実用化に向け、この閾値シフトの解決が望まれている。
薄膜電界効果型トランジスタは、少なくとも、ゲート電極、ゲート絶縁膜、活性層、ソース電極及びドレイン電極を順次有し、ゲート電極に電圧を印加して、活性層に流れる電流を制御し、ソース電極とドレイン電極間の電流をスイッチングする機能を有するアクテイブ素子である。TFT構造として、スタガ構造及び逆スタガ構造いずれをも形成することができる。
好ましくは、ソース電極及びドレイン電極の抵抗層と接する面側が共にTi又はTi合金層である。より好ましくは、Ti層である。
好ましくは、活性層の電気伝導度が10−1Scm−1以上102Scm−1未満である。
好ましくは、前記抵抗層が酸化物半導体層である。
好ましくは、活性層の酸化物半導体がアモルファス酸化物である。
好ましくは、抵抗層の酸化物半導体がアモルファス酸化物である。
好ましくは、活性層及び抵抗層の酸化物半導体が、In、GaおよびZnからなる群より選ばれる少なくとも1種若しくはこれらの複合酸化物よりなる。より好ましくは、酸化物半導体がInおよびZnを含有し、抵抗層のZnとInの組成比(Inに対するZnの比率Zn/Inで表す)が活性層の組成比Zn/Inより大きい。好ましくは、抵抗層のZn/In比が活性層のZn/In比より3%以上大きく、さらに好ましくは、10%以上大きい。
また、動作安定性の観点から、抵抗層の膜厚が活性層の膜厚より厚いことが好ましい。
より好ましくは、抵抗層の膜厚/活性層の膜厚の比が1を超え100以下、さらに好ましくは1を超え10以下である。
抵抗層の電気伝導度に対する活性層の電気伝導度の比率(活性層の電気伝導度/抵抗層の電気伝導度)は、101を下まわるとON/OFF比が低下するので好ましくなく、1010を超えると通電試験によるTFTの安定性が低下するので好ましくない。
好ましくは、基板が可撓性樹脂基板である。
次に、図面を用いて、詳細に本発明における薄膜電界効果型トランジスタの構造を説明する。
図1は、本発明の薄膜電界効果型トランジスタであって、逆スタガ構造の一例を示す模式図である。基板1がプラスチックフィルムなどの可撓性基板の場合、基板1の一方の面に絶縁層7を配し、その上にゲート電極2、ゲート絶縁膜3、活性層4、抵抗層6を積層して有し、その表面にTi層またはTi合金層8−1,8−2,及びソース電極5−1とドレイン電極5−2が設置される。Ti層またはTi合金層は電極の一部を構成する。
本発明における構造によれば、薄膜電界効果型トランジスタがゲート電極に電圧が印加されたONの状態では、チャネルとなる活性層4が大きい電気伝導度を有しているため、トランジスタの電界効果移動度は高くなり、高ON電流が得られる。OFFの状態では抵抗層6の電気伝導度が小さく、高抵抗であることから、OFF電流が低く保たれるために、ON/OFF比特性が極めて改良される。
その為に、TFTの電界効果移動度で10cm2/Vs以上を得ることができず、充分なON電流を得ることができない。そのため、ON/OFF比も充分な特性が得られない。
また、膜の電子移動度を上げるために、活性層の酸化物半導体の電子キャリア濃度を上げると、活性層の電気伝導度が増し、OFF電流が増加し、ON/OFF比特性は悪くなる。
本発明における活性層及び抵抗層の酸化物半導体の電気伝導度について説明する。
電気伝導度とは、物質の電気伝導のしやすさを表す物性値であり、物質のキャリア濃度n、電荷素量をe、キャリア移動度μとすると物質の電気伝導度σは以下の式で表される。
σ=neμ
酸化物半導体がn型半導体である時はキャリアは電子であり、キャリア濃度とは電子キャリア濃度を、キャリア移動度とは電子移動度を示す。同様に酸化物半導体がp型半導体ではキャリアは正孔であり、キャリア濃度とは、正孔キャリア濃度を、キャリア移動度とは正孔移動度を示す。尚、物質のキャリア濃度とキャリア移動度とは、ホール測定により求めることができる。
厚みが分かっている膜のシート抵抗を測定することにより、膜の電気伝導度を求めることができる。半導体の電気伝導度は温度により変化するが、本文記載の電気伝導度は、室温(20℃)での電気伝導度を示す。
ゲート絶縁膜としては、SiO2、SiNx、SiON、Al2O3、Y2O3、Ta2O5、HfO2等の絶縁体、又はそれらの化合物を少なくとも二つ以上含む混晶化合物が用いられる。また、ポリイミドのような高分子絶縁体もゲート絶縁膜として用いることができる。
高分子絶縁体だと0.5μm〜5μmで用いられることが、より好ましい。特に、HfO2のような高誘電率絶縁体をゲート絶縁膜に用いると、膜厚を厚くしても、低電圧でのTFT駆動が可能であるので、特に好ましい。
本発明に用いられる活性層及び抵抗層には、酸化物半導体を用いることが好ましい。特にアモルファス酸化物半導体がさらに好ましい。酸化物半導体、特にアモルファス酸化物半導体は、低温で成膜可能である為に、プラスティックのような可撓性のある樹脂基板に作製が可能である。低温で作製可能な良好なアモルファス酸化物半導体としては、特開2006−165529号公報に開示されているような、Inを含む酸化物、InとZnを含む酸化物、In、Ga及びZnを含有する酸化物であり、組成構造としては、InGaO3(ZnO)m(mは6未満の自然数)のものが好ましいことが知られている。これらは、キャリアが電子のn型半導体である。もちろん、ZnO・Rh2O3、CuGaO2、SrCu2O2のようなp型酸化物半導体を活性層及び抵抗層に用いても良い。
もちろん、活性層及び抵抗層には酸化物半導体だけではなく、Si、Geなどの無機半導体、GaAs等の化合物半導体、ペンタセン、ポリチオフェン等の有機半導体材料、カーボンナノチューブ等にも適応可能である。
本発明における活性層は、ゲート絶縁膜に近接し、ソース電極及びドレイン電極に近接する抵抗層より高い電気伝導度を有することを特徴とする。
好ましくは、抵抗層の電気伝導度に対する活性層の電気伝導度の比率(活性層の電気伝導度/抵抗層の電気伝導度)は、101以上1010以下であり、より好ましくは、102以上1010以下であり、さらに好ましくは、102以上108以下である。好ましくは、前記活性層の電気伝導度が10−4Scm−1以上102Scm−1未満である。より好ましくは10−1Scm−1以上102Scm−1未満である。
抵抗層の電気伝導度は、好ましくは10−2Scm−1以下、より好ましくは10−9Scm−1以上10−3Scm−1以下である。
本発明に於いては、抵抗層の膜厚が活性層の膜厚より厚いことが好ましい。より好ましくは、抵抗層の膜厚/活性層の膜厚比が1を越え100以下、さらに好ましくは1を越え10以下である。
活性層の膜厚は、1nm以上100nm以下が好ましく、より好ましくは2.5nm以上30nm以下である。抵抗層の膜厚は、5nm以上500nm以下が好ましく、より好ましくは10nm以上100nm以下である。
抵抗層の膜厚/活性層の膜厚比が1以下では、駆動安定性の点で好ましくなく、100を越えると移動度が低下するので好ましくない。
電気伝導度の調整手段としては、活性層及び抵抗層が酸化物半導体である場合は下記の手段を挙げることが出来る。
酸化物半導体において、酸素欠陥ができると、キャリア電子が発生し、電気伝導度が大きくなることが知られている。よって、酸素欠陥量を調整することにより、酸化物半導体の電気伝導度を制御することが可能である。酸素欠陥量を制御する具体的な方法としては、成膜中の酸素分圧、成膜後の後処理時の酸素濃度と処理時間等がある。ここでいう後処理とは、具体的に100℃以上の熱処理、酸素プラズマ、UVオゾン処理がある。これらの方法の中でも、生産性の観点から成膜中の酸素分圧を制御する方法が好ましい。成膜中の酸素分圧を調整することにより、酸化物半導体の電気伝導度の制御ができることは、特開2006−165529号公報に開示されており、本手法を利用することができる。
酸化物半導体の金属組成比を変えることにより、電気伝導度が変化することが知られている。例えば、InGaZn1−XMgXO4において、Mgの比率が増えていくと、電気伝導度が小さくなることが、特開2006−165529号公報に開示されている。また、(In2O3)1−X(ZnO)Xの酸化物系において、Zn/In比が10%以上では、Zn比率が増加するにつれ、電気伝導度が小さくなることが報告されている(「透明導電膜の新展開II」シーエムシー出版、P.34−35)。これら組成比を変える具体的な方法としては、例えば、スパッタによる成膜方法においては、組成比が異なるターゲットを用いる。または、多元のターゲットにより、共スパッタし、そのスパッタレートを個別に調整することにより、膜の組成比を変えることが可能である。
酸化物半導体に、Li,Na,Mn,Ni,Pd,Cu,Cd,C,N,又はP等の元素を不純物として添加することにより、電子キャリア濃度を減少させること、つまり電気伝導度を小さくすることが可能であることが、特開2006−165529号公報に開示されている。不純物を添加する方法としては、酸化物半導体と不純物元素とを共蒸着により行う、成膜された酸化物半導体膜に不純物元素のイオンをイオンドープ法により行う等がある。
上記(1)〜(3)においては、同一酸化物半導体系での電気伝導度の調整方法を述べたが、もちろん酸化物半導体材料を変えることにより、電気伝導度を変えることができる。例えば、一般的にSnO2系酸化物半導体は、In2O3系酸化物半導体に比べて電気伝導度が小さいことが知られている。このように酸化物半導体材料を変えることにより、電気伝導度の調整が可能である。特に電気伝導度の小さい酸化物材料としては、Al2O3、Ga2O3、ZrO2、Y2O3、Ta2O3、MgO、又はHfO3等の酸化物絶縁体材料が知られており、これらを用いることも可能である。
電気伝導度を調整する手段としては、上記(1)〜(4)の方法を単独に用いても良いし、組み合わせても良い。
活性層及び抵抗層の成膜方法は、酸化物半導体の多結晶焼結体をターゲットとして、気相成膜法を用いるのが良い。気相成膜法の中でも、スパッタリング法、パルスレーザー蒸着法(PLD法)が適している。さらに、量産性の観点から、スパッタリング法が好ましい。
また、膜厚は触針式表面形状測定により求めることができる。組成比は、RBS(ラザフォード後方散乱)分析法により求めることができる。
本発明に於けるTi又はTi合金層は、ソース電極及びドレイン電極の少なくとも一方の抵抗層に面する側に配置され、電極の一部を形成するか、又はTi又はTi合金層が電極となる。
TiまたはTi合金層は、ソース電極およびドレイン電極が酸化物半導体層からなる抵抗層により界面が酸化されることを防止する。ソース電極およびドレイン電極と抵抗層との界面に酸化膜が形成されると、ソース電極およびドレイン電極と抵抗層とのコンタクト抵抗が上昇、または抵抗層の電気抵抗値も変動をする。これは、閾値シフトや移動度減少等のTFT特性の悪化を招く原因となる。よって、ソース電極およびドレイン電極の抵抗層に面する側にTi層またはTi合金層を導入する本発明の構成により、長時間駆動した状態でも安定したTFTが提供できる。
例えば、チタンとAl,V,Mo,Sn,Fe,Cr,Zr,Nb,Mg,Niなどの合金が挙げられる。具体的には、Ti−Al−Vが質量比で、90−6−4,又は74−4−22の合金、Ti−Al−V−Snが質量比で、75−4−20−1の合金などがある。
1nm未満では、ソース電極およびドレイン電極と抵抗層との界面酸化防止膜の機能を果たさないので好ましくなく、200nmを越えるとプロセス上加工が困難になるので好ましくない。
本発明におけるゲート電極としては、例えば、Al、Mo、Cr、Ta、Ti、Au、またはAg等の金属、Al−Nd、APC等の合金、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム錫(ITO)、酸化亜鉛インジウム(IZO)等の金属酸化物導電膜、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロ−ルなどの有機導電性化合物、またはこれらの混合物を好適に挙げられる。
ゲート電極の厚みは、10nm以上1000nm以下とすることが好ましい。より好ましくは、20nm以上500nm以下、更に好ましくは、40nm以上100nm以下である。
本発明に於けるソース電極及びドレイン電極は、Ti以外の金属からなる層とTi又はTi合金層の積層体であっても、Ti又はTi合金層がソース電極及びドレイン電極であっても良い。
ソース電極及びドレイン電極の厚みは、10nm以上1000nm以下とすることが好ましい。より好ましくは、20nm以上500nm以下、更に好ましくは、40nm以上100nm以下である。
本発明に用いられる基板は特に限定されることはなく、例えばYSZ(ジルコニア安定化イットリウム)、ガラス等の無機材料、ポリエチレンテレフタレ−ト、ポリブチレンテレフタレ−ト、ポリエチレンナフタレ−ト等のポリエステル、ポリスチレン、ポリカ−ボネ−ト、ポリエ−テルスルホン、ポリアリレ−ト、アリルジグリコ−ルカ−ボネ−ト、ポリイミド、ポリシクロオレフィン、ノルボルネン樹脂、ポリ(クロロトリフルオロエチレン)等の合成樹脂等の有機材料、などが挙げられる。前記有機材料の場合、耐熱性、寸法安定性、耐溶剤性、電気絶縁性、加工性、低通気性、又は低吸湿性等に優れていることが好ましい。
必要によって、TFT上に保護絶縁膜を設けても良い。保護絶縁膜は、活性層または抵抗層の半導体層を大気による劣化から保護する目的や、TFT上に作製される電子デバイスとを絶縁する目的がある。
必要によって、TFTの後処理として、熱処理を行っても良い。熱処理としては、温度100℃以上で、大気下または窒素雰囲気下で行う。熱処理を行う工程としては、半導体層を成膜後でも良いし、TFT作製工程の最後に行っても良い。熱処理を行うことにより、TFTの特性の面内バラつきが抑制される、駆動安定性が向上する等の効果がある。
本発明の電界効果型薄膜トランジスタは、液晶やEL素子を用いた画像表示装置、特に平面薄型表示装置(Flat Panel Display:FPD)に好ましく用いられる。より好ましくは、基板に有機プラスチックフィルムのような可撓性基板を用いたフレキシブル表示装置に用いられる。特に、本発明の電界効果型薄膜トランジスタは、移動度が高いことから有機EL素子を用いた表示装置、フレキシブル有機EL表示装置に最も好ましく用いられる。
本発明における有機EL素子は、発光層の他に、正孔輸送層、電子輸送層、ブロック層、電子注入層、および正孔注入層などの従来知られている有機化合物層を有しても良い。
1)層構成
<電極>
本発明における有機電界発光層の一対の電極は、少なくとも一方は透明電極であり、もう一方は背面電極となる。背面電極は透明であっても、非透明であっても良い。
<有機化合物層の構成>
前記有機化合物層の層構成としては、特に制限はなく、有機電界発光素子の用途、目的に応じて適宜選択することができるが、前記透明電極上に又は前記背面電極上に形成されるのが好ましい。この場合、有機化合物層は、前記透明電極又は前記背面電極上の前面又は一面に形成される。
有機化合物層の形状、大きさ、および厚み等については、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
・陽極/正孔輸送層/発光層/電子輸送層/陰極、
・陽極/正孔輸送層/発光層/ブロック層/電子輸送層/陰極、
・陽極/正孔輸送層/発光層/ブロック層/電子輸送層/電子注入層/陰極、
・陽極/正孔注入層/正孔輸送層/発光層/ブロック層/電子輸送層/陰極、
・陽極/正孔注入層/正孔輸送層/発光層/ブロック層/電子輸送層/電子注入層/陰極。
2)正孔輸送層
本発明に用いられる正孔輸送層は正孔輸送材を含む。前記正孔輸送材としては正孔を輸送する機能、もしくは陰極から注入された電子を障壁する機能のいずれかを有しているもので有れば特に制限されることはなく用いることが出来る。本発明に用いられる正孔輸送材としては、低分子正孔輸送材、および高分子正孔輸送材のいずれも用いることができる。
本発明に用いられる正孔輸送材の具体例として、例えば以下の材料を挙げることができる。
これらは、単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
本発明おいては、正孔輸送層と陽極の間に正孔注入層を設けることができる。
正孔注入層とは、陽極から正孔輸送層に正孔を注入しやすくする層であり、具体的には前記正孔輸送材の中でイオン化ポテンシャルの小さな材料が好適用いられる。例えばフタロシアニン化合物、ポルフィリン化合物、及びスターバースト型トリアリールアミン化合物等を挙げることができ、好適に用いることができる。
正孔注入層の膜厚は、1nm〜300nmが好ましい。
本発明に用いられる発光層は、少なくとも一種の発光材料を含み、必要に応じて正孔輸送材、電子輸送材、ホスト材を含んでもよい。
本発明に用いられる発光材料としては特に限定されることはなく、蛍光発光材料または燐光発光材料のいずれも用いることができる。発光効率の点から燐光発光材料が好ましい。
上記オルトメタル化錯体の中でも、三重項励起子から発光する化合物が本発明においては発光効率向上の観点から好適に使用することができる。
燐光発光材料は1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。また、蛍光発光材料と燐光発光材料を同時に用いてもよい。
ホスト材の発光層における含有量としては20質量%〜99.9質量%が好ましく、さらに好ましくは50質量%〜99.0質量%である。
本発明においては、発光層と電子輸送層との間にブロック層を設けることができる。ブロック層とは発光層で生成した励起子の拡散抑制する層であり、また正孔が陰極側に突き抜けることを抑制する層である。
本発明においては電子輸送材を含む電子輸送層を設けることができる。
電子輸送材としては電子を輸送する機能、もしくは陽極から注入された正孔を障壁する機能のいずれかを有しているもので有れば制限されることはなく、前記ブロック層の説明時に挙げた電子輸送材を好適に用いることができる。
前記電子輸送層の厚みとしては、10nm〜200nmが好ましく、20nm〜80nmがより好ましい。
本発明おいては、電子輸送層と陰極の間に電子注入層を設けることができる。
電子注入層とは、陰極から電子輸送層に電子を注入しやすくする層であり、具体的にはフッ化リチウム、塩化リチウム、臭化リチウム等のリチウム塩、フッ化ナトリウム、塩化ナトリウム、フッ化セシウム等のアルカリ金属塩、酸化リチウム、酸化アルミニウム、酸化インジウム、又は酸化マグネシウム等の絶縁性金属酸化物等を好適に用いることができる。
電子注入層の膜厚は0.1nm〜5nmが好ましい。
有機EL素子に用いられる基板の材料としては、水分を透過させない材料又は水分透過率の極めて低い材料が好ましく、また、前記有機化合物層から発せられる光を散乱乃至減衰等のさせることのない材料が好ましい。具体的例として、例えばYSZ(ジルコニア安定化イットリウム)、ガラス等の無機材料、ポリエチレンテレフタレ−ト、ポリブチレンテレフタレ−ト、ポリエチレンナフタレ−ト等のポリエステル、ポリスチレン、ポリカ−ボネ−ト、ポリエ−テルスルホン、ポリアリレ−ト、アリルジグリコ−ルカ−ボネ−ト、ポリイミド、ポリシクロオレフィン、ノルボルネン樹脂、およびポリ(クロロトリフルオロエチレン)等の合成樹脂等の有機材料、などが挙げられる。
前記有機材料の場合、耐熱性、寸法安定性、耐溶剤性、電気絶縁性、加工性、低通気性、又は低吸湿性等に優れていることが好ましい。これらの材料は、単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
基板には、さらに必要に応じて、ハ−ドコ−ト層、およびアンダ−コ−ト層などを設けてもよい。
有機EL素子における電極は、いずれが陽極であっても陰極であっても構わないが、好ましくは第1電極が陽極であり、第2電極が陰極である。
有機EL素子に用いられる陽極としては、通常、前記有機化合物層に正孔を供給する陽極としての機能を有していればよく、その形状、構造、大きさ等については特に制限はなく、発光素子の用途、目的に応じて、公知の電極の中から適宜選択することができる。
陽極の抵抗値としては、103Ω/□以下が好ましく、102Ω/□以下がより好ましい。
陽極は、無色透明であっても、有色透明であってもよく、該陽極側から発光を取り出すためには、その透過率としては、60%以上が好ましく、70%以上がより好ましい。この透過率は、分光光度計を用いた公知の方法に従って測定することができる。
有機EL素子に用いることの出来る陰極としては、通常、前記有機化合物層に電子を注入する陰極としての機能を有していればよく、その形状、構造、大きさ等については特に制限はなく、発光素子の用途、目的に応じて、公知の電極の中から適宜選択することができる。
例えば、前記陰極の材料として、金属等を選択する場合には、その1種又は2種以上を同時又は順次にスパッタ法等に従って行うことができる。
また、陰極と有機化合物層との間に前記アルカリ金属又は前記アルカリ土類金属のフッ化物等による誘電体層を0.1nm〜5nmの厚みで挿入してもよい。
陰極は、透明であってもよいし、不透明であってもよい。なお、透明な陰極は、前記陰極の材料を1nm〜10nmの厚みに薄く製膜し、更に前記ITOやIZO等の透明な導電性材料を積層することにより形成することができる。
有機EL素子全体は、保護層によって保護されていてもよい。
保護層に含まれる材料としては、水分や酸素等の素子劣化を促進するものが素子内に入ることを抑止する機能を有しているものであればよい。
その具体例としては、In、Sn、Pb、Au、Cu、Ag、Al、Ti、Ni等の金属、MgO、SiO、SiO2、Al2O3、GeO、NiO、CaO、BaO、Fe2O3、Y2O3、TiO2等の金属酸化物、SiNx、SiNxOy等の金属窒化物、MgF2、LiF、AlF3、CaF2等の金属フッ化物、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルメタクリレート、ポリイミド、ポリウレア、ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリジクロロジフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレンとジクロロジフルオロエチレンとの共重合体、テトラフルオロエチレンと少なくとも1種のコモノマーとを含むモノマー混合物を共重合させて得られる共重合体、共重合主鎖に環状構造を有する含フッ素共重合体、吸水率1%以上の吸水性物質、吸水率0.1%以下の防湿性物質等が挙げられる。
さらに、有機EL素子は、封止容器を用いて素子全体を封止してもよい。
また、封止容器と発光素子の間の空間に水分吸収剤又は不活性液体を封入してもよい。
水分吸収剤としては、特に限定されることはないが、例えば、酸化バリウム、酸化ナトリウム、酸化カリウム、酸化カルシウム、硫酸ナトリウム、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム、五酸化燐、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、塩化銅、フッ化セシウム、フッ化ニオブ、臭化カルシウム、臭化バナジウム、モレキュラーシーブ、ゼオライト、および酸化マグネシウム等を挙げることができる。不活性液体としては、特に限定されることはないが、例えば、パラフィン類、流動パラフィン類、パーフルオロアルカンやパーフルオロアミン、パーフルオロエーテル等のフッ素系溶剤、塩素系溶剤、及びシリコーンオイル類が挙げられる。
有機EL素子を構成する各層は、蒸着法やスパッタ法等の乾式製膜法、ディッピング、スピンコ−ト法、ディップコ−ト法、キャスト法、ダイコ−ト法、ロ−ルコ−ト法、バ−コ−ト法、グラビアコ−ト法等の湿式製膜法いずれによっても好適に製膜することができる。
中でも発光効率、耐久性の点から乾式法が好ましい。湿式製膜法の場合、残存する塗布溶媒が発光層を損傷させるので好ましくない。
特に好ましくは、抵抗加熱式真空蒸着法である。抵抗加熱式真空蒸着法は、真空下で加熱により蒸散させる物質のみを効率的に加熱できるので、素子が高温に曝されないのでダメージが少なく有利である。
従来用いられてきた酸化シリコン等の封止剤は昇華点が高く、抵抗加熱で蒸着することは不可能であった。また、公知例に一般的に記載されているイオンプレーティング式などの真空蒸着法は、蒸着元部が数千℃と超高温となるため、被蒸着材料に熱的な影響を与えて変質させるため、特に熱や紫外線の影響を受けやすい有機EL素子の封止膜の製造方法としては適していない。
有機EL素子は、陽極と陰極との間に直流(必要に応じて交流成分を含んでもよい)電圧(通常2ボルト〜15ボルト)、又は直流電流を印加することにより、発光を得ることができる。
本発明の電界効果型薄膜トランジスタは、液晶やEL素子を用いた画像表示装置、特にFPDのスイッチング素子、駆動素子として用いることができる。特に、フレキシブルFPD装置のスイッチング素子、駆動素子として用いるのが適している。さらに本発明の電界効果型薄膜トランジスタを用いた表示装置は、携帯電話ディスプレイ、パーソナルデジタルアシスタント(PDA)、コンピュータディスプレイ、自動車の情報ディスプレイ、TVモニター、あるいは一般照明を含む広い分野で幅広い分野で応用される。
また、本発明の電界効果型薄膜トランジスタは、表示装置以外にも、有機プラスチックフィルムのような可撓性基板上に本発明の電界効果型薄膜トランジスタを形成し、ICカードやIDタグなどに幅広く応用が可能である。
1.TFT素子の作製
基板としては、無アルカリガラス板(コーニング社、品番NO.1737)を用いて、下記層を順次成膜し、図1又は図2の構成のTFT素子1において素子を作製した。
(1)ゲート電極:Moを厚み40nmに蒸着した。
Moのスパッタリング条件:DCマグネトロンスパッタ装置により、DCパワー380W、スパッタリングガス流量Ar=12sccmであった。
ゲート電極のパターニングには、フォトリソグラフィー法とエッチング法とを用いた。
(2)ゲート絶縁膜:SiO2をRFマグネトロンスパッタ真空蒸着法(条件:ターゲットSiO2、成膜温度54℃、スパッタガスAr/O2=12/2sccm、RFパワー400W、成膜圧力0.4Pa)にて200nm形成した。
ゲート絶縁膜の上に、それぞれ、下記条件のいずれかを用いて成膜した。TFT素子Noと用いた条件及び成膜した厚みを表1に示した。
<条件1>
InGaZnO4の組成を有する多結晶焼結体をターゲットとして、RFマグネトロンスパッタ真空蒸着法により、Ar流量97sccm、O2流量0.8sccm、RFパワー200W、圧力0.38Paの条件で行った。
<条件2>
条件1と同様にして、但し、O2流量2.0sccmの条件で行った。
<条件3>
条件1と同様にして、但し、O2流量1.6sccmの条件で行った。
上記抵抗層又は活性層の上に、下記の条件で、それぞれ異なる組成のソース電極及びドレイン電極を成膜した。
尚、ソース電極およびドレイン電極のパターニングには、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法を用いることにより行った。
・ソース電極及びドレイン電極(A)
DCマグネトロンスパッタ(条件:DCパワー400W,Ar流量13sccm,圧力0.34Pa)にて、Tiを50nmの厚みに蒸着した。
・ソース電極及びドレイン電極(B)
DCマグネトロンスパッタ(条件:DCパワー400W,Ar流量13sccm,圧力0.34Pa)にて、Alを50nmの厚みに蒸着した。
・ソース電極及びドレイン電極(C)
Ti/Al/Tiの3層積層体よりなるソース電極及びドレイン電極である。
第1層:上記ソース電極及びドレイン電極(A)と同様の条件で、Tiを厚み10nmに蒸着した。
第2層:上記第1層の上に、上記ソース電極及びドレイン電極(B)と同様の条件で、Alを厚み30nmに蒸着した。
第3層:上記第2層の上に、上記ソース電極及びドレイン電極(A)と同様の条件で、Tiを厚み10nmに蒸着した。
・ソース電極及びドレイン電極(D)〜(I)
上記ソース電極及びドレイン電極(B)と同様の条件で、それぞれ、酸化インジウム錫(ITOと略記する)、Mo、Ag、Au、Cr、Cuを厚み50nmに蒸着した。
無アルカリガラス基板(コーニング社、品番NO.1737)に、上記TFT素子の製造条件とそれぞれ同一条件で、上記の条件1〜3で酸化物半導体層を成膜して、物性測定用サンプルを作製した。厚みは100nmであった。これらの物性測定用サンプルの電気伝導度を測定した。
−電気伝導度の測定方法−
物性測定用サンプルの電気伝導度は、サンプルの測定されたシート抵抗と膜厚から計算し求めた。ここで、シート抵抗をρ(Ω/□)、膜厚をd(cm)とすると、電気伝導度σ(Scm−1)は、σ=1/(ρ*d)として算出される。
本実施例において、物性測定用サンプルのシート抵抗107Ω/□未満の領域ではロレスタ−GP(三菱化学社製)、シート抵抗107Ω/□以上の領域ではハイテスタ−UP(三菱化学社製)を用いて20℃の環境下で行った。物性測定用サンプルの膜厚測定には触針式表面形状測定器DekTak−6M(ULVAC社製)を用いた。
物性測定用サンプルの組成比のRBS(ラザフォード後方散乱)分析により、組成比を求めた。また、アモルファス膜であることは周知のX線回折法による分析により、確認できた。
1)評価方法
評価に用いたTFTの素子サイズはチャネル長L=40μm、チャネル幅W=200μmのものを用いた、
各TFT素子について、飽和領域ドレイン電圧Vd=10V(ゲート電圧−10V≦Vg≦15V)でのTFT伝達特性の測定を行った。TFT伝達特性の測定は、半導体パラメータ・アナライザー4156C(アジレントテクノロジー社製)を用いて行った。
ON/OFF比はTFT伝達特性からドレイン電流Idにおける最大値Idmaxと最小値Idminとの比Idmax/Idminから求められる。
図3に模式的に示すように、ドレイン−ソース間電流(IDS)をゲート−ソース間電圧(VGS)の関数とし取得し、得られた曲線より閾値電圧(Vth)を求める。この場合ドレイン−ソース間電圧(VDS)は10Vに固定し、VGSは−10Vから+15Vまで変化させた。(IDS)1/2vs.(VGS)カーブから、閾値電圧と電界効果移動度を下記式を使って抽出した。
IDS=μFE・Cdielectric・(W/2L)・(VGS−Vth)2
ここで、μFEは電界効果移動度、Vthは閾値電圧、Wはチャネル巾、Lはチャネル長、そしてCdielectricはゲート絶縁膜誘電容量である。
各TFT素子について、ストレス電流IDS=3μAとなるようにダイオード接続でストレスを10時間印加した。そのストレス前後での閾値の変化量を閾値シフト量(V)と定義し、評価を行った。
一方、抵抗層を有しない比較のTFT素子2,3は、いずれも移動度が低く、ON/OFF比が小さく、また、閾値シフト量も大きい。
比較のTFT素子5は、本発明のTFT素子と同等の移動度を示したが、閾値シフト量が大きく、安定性に劣る性能であった。
また、比較のTFT素子1,4,6〜9は、いずれも本発明のTFT素子より移動度及びON/OFF比が劣り、更に、閾値シフト量が大きく、安定性に劣る性能であった。
1.本発明のTFT素子10の作製
本発明のTFT素子1の作製において、基板にはポリエチレンナフタレートフィルムの両面に下記バリア機能を持つ絶縁層を有するバリア付きフイルムを用いた。その他は本発明のTFT素子1の作製と同様にして、本発明のTFT素子10を作製した。
実施例1と同様に、TFT素子性能を評価した結果、本発明のTFT素子10は、ガラス上に作製した本発明のTFT素子1と同等の電界移動度、ON/OFF比を示した。このことより、本発明のTFT素子は、有機プラスチックフィルムからなる可撓性基板上においても高移動度、高ON/OFF比を示し、閾値変動も少なかった。
図4に示す構成の有機EL表示装置を作製した。
1)基板絶縁膜形成
ポリエチレンナフタレート(PENと略称する)フイルム4−1上に、SiONをスパッタリングにより50nmに蒸着し、基板絶縁膜4−15を形成した。
スパッタリング条件:RFマグネトロンスパッタリング装置を用いて、ターゲットとしてSi3N4を用いて、RFパワー400W、スパッタリングガス流量Ar/O2=12.0/3.0sccm、成膜圧力0.4Paで行った。
上記基板を洗浄後、Moをスパッタリングにより100nmに蒸着した。次にフォトレジストを塗布し、その上にフォトマスクを重ね、それを通して露光し、加熱により未露光部を硬化させ、続くアルカリ現像液による処理により未硬化のレジストを除去した。次にエッチング液を作用させ、硬化フォトレジストで被覆されていない部分の電極部を溶解し除去した。最後にフォトレジストを剥離してパター二ング工程を終了した。パターニングされたゲート電極4−2および走査電線4−3が形成された。
Moのスパッタリング条件:DCマグネトロンスパッタ装置により、DCパワー380W、スパッタリングガス流量Ar=14sccm、成膜圧力0.34Paであった。
フォトレジスト塗布条件:フォトレジストOFPR−800(東京応化(株)製)をスピンコート4000rpm50secにより塗布した。プリべーク条件:80℃、20min。
露光条件:5sec.(超高圧水銀ランプのg線、100mJ/cm2相当)
現像条件:
現像液NMD−3(東京応化(株)製):30sec.(浸漬)+30sec.(攪拌)
リンス:純水超音波洗浄、1min.2回
ポストべーク:120℃、30min.
エッチング条件:エッチング液、混酸(硝酸/りん酸/酢酸)
レジスト剥離条件:剥離液−104(東京応化(株)製)、5min.(浸漬)2回
洗浄:IPA超音波で5min.2回、純水超音波洗浄を5min.
乾燥:N2ブローおよび120℃でべーク1h。
続いて、SiO2をスパッタリングにより200nmに成膜し、ゲート絶縁膜4−4を形成した。
スパッタリング条件:RFマグネトロンスパッタ装置、RFパワー400W、スパッタリングガス流量Ar/O2=12.0/2.0sccm、成膜圧力0.4Pa。
ゲート絶縁膜の上に、IZGO膜10nmからなる活性層4−5とIZGO膜40nmからなる抵抗層4−6を順次スパッタリングにより成膜した。続いて、フォトレジスト法によるパター二ング工程を行うことにより活性層・抵抗層を形成した。
活性層のIZGO膜のスパッタリング条件:RFマグネトロンスパッタリング装置を用いて、InGaZnO4の組成を有する多結晶焼結体をターゲットとして、RFパワー200W、スパッタリングガス流量Ar/O2=97.0/0.8sccm、成膜圧力0.36Paで行った。
抵抗層のIZGO膜スパッタリング条件:RFマグネトロンスパッタリング装置を用いて、InGaZnO4の組成を有する多結晶焼結体をターゲットとして、RFパワー200W、スパッタリングガス流量Ar/O2=97.0/2.0sccm、成膜圧力0.38Paで行った。
続いてゲート電極のパターニング工程と同様にフォトリソ・エッチング法によるパターニング工程を行い、コンタクトホール形成部分以外をフォトレジストで保護した後、エッチング液としてバッファード・フッ酸を用いてゲート絶縁膜に穴を開け、ゲート電極を露出させた。続いてゲート電極のパターニング工程と同様にフォトレジストを除去し、コンタクトホールH1を形成した。
上記コンタクトホールの形成に続いて、リフトオフ用のレジストを形成し、その後Ti(15nm)/Al(50nm)/Ti(15nm)をスパッタリングにより成膜した。剥離液によりレジストを除去し、ソース・ドレイン電極4−7および共通電線・信号電線4−8を形成した。
Alスパッタリング条件:DCマグネトロンスパッタ装置を用いて、DCパワー400W、スパッタリングガス流量Ar=14.0sccm、成膜圧力0.34Paで行った。
続いて、保護絶縁膜4−10として、SiO2を200nmに成膜した。
SiO2のスパッタリング条件:RFマグネトロンスパッタ装置、RFパワー400W、スパッタリングガス流量Ar/O2=12.0/2.0sccm、成膜圧力0.4Pa。
続いてゲート電極のパターニング工程と同様にフォトリソ・エッチング法によるパターニング工程を行い、コンタクトホール形成部分以外をフォトレジストで保護した後、エッチング液としてバッファード・フッ酸を用いて保護絶縁膜に穴を開け、ソース・ドレイン電極を露出させた。続いてゲート電極のパターニング工程と同様にフォトレジストを除去し、コンタクトホールH2を形成した。
保護絶縁膜上に画素電極となるITOを50nmをスパッタにより成膜した。
ITOのスパッタリング条件:RFマグネトロンスパッタ装置、RFパワー200W、スパッタリングガス流量Ar/O2=14.0/0.8sccm、成膜圧力0.36Pa。
フォトリソ・エッチング法によるパター二ング工程は、エッチング液として、シュウ酸を用いて画素電極4−11を形成した。
続いて、感光性ポリイミド膜2μmを塗布し、フォトリソ法によりパターニングして平坦化膜4−12を形成した。
塗布およびパター二ング工程条件は下記の通りである。
塗布条件:スピンコート1000rpm30sec.
露光条件:20sec.(超高圧水銀ランプのg線を用いて、400mJ/cm2相当のエネルギー)
現像条件
現像液:NMD−3(東京応化(株)製)、1min.(浸漬)+1min.(攪拌)
リンス:純水超音波洗浄、1min.2回+5min.1回+N2ブロー
ポストべーク:120℃で1h。
酸素プラズマ処理を行ったTFT基板上に、有機EL層4−13として、順次、正孔注入層、正孔輸送層、発光層、正孔ブロッキング層、電子輸送層、および電子注入層を設け、陰極4−14をシャドウマスクによりパターニングして設けた。各層はいずれも抵抗加熱真空蒸着により設けた。
酸素プラズマ条件、および各層の構成は、下記の通りである。
正孔注入層:4,4’,4’’−トリス(2−ナフチルフェニルアミノ)トリフェニルアミン(2−TNATAと略記する)、厚み140nm。
正孔輸送層:N,N’−ジナフチル−N,N’−ジフェニル−[1,1’−ビフェニル]−4,4’−ジアミン(α−NPDと略記する)、厚み10nm。
発光層:CBPおよびIr(ppy)3をCBPに対して5質量%含有する層、厚み。20nm
正孔ブロック層:bis−(2−methyl−8−quinolinolate)−4−(phenylphenolate) aluminium(BAlqと略記する)、厚み10nm。
電子輸送層:トリス(8−ヒドロキシキノニナート)アルミニウム(Alq3と略記する)、厚み20nm。
電子注入層:LiF、厚み1nm
陰極(上部電極):Al、厚み200nm
有機EL素子を設けたTFT基板上に、図示していないが、封止膜として2μmのSiNX膜をプラズマCVD(PECVD)により成膜した。さらに、封止膜の上に、保護フイルム(PENフィルムにSiONを50nm蒸着したもの)を熱硬化型エポキシ樹脂接着剤により接着(90℃,3h.)した。
1,11:基板
2,12:ゲート電極
3,13:ゲート絶縁膜
4,14:活性層
6,16:抵抗層
5−1,15−1:ソース電極
5−2,15−2:ドレイン電極
8−1,8−2:Ti層
(表示装置)
4−1:フィルム基板
4−2:ゲート電極
4−3:走査電線
4−4:ゲート絶縁膜
4−5:活性層
4−6:抵抗層
4−7:ソース・ドレイン電極
4−8:共通電線・信号電線
4−10:保護絶縁膜
4−11:画素電極
4−12:平坦化膜
4−13:有機EL層
4−14:陰極
4−15:基板絶縁膜
H1,H2:コンタクトホール
(表示装置回路)
81:有機EL素子
82:陰極
83:駆動TFT
84:スイッチングTFT
85:コンデンサー
86:共通電線
87:信号電線
88:走査電線
Claims (10)
- 基板上に、少なくとも、ゲート電極、ゲート絶縁膜、活性層、ソース電極及びドレイン電極を有する薄膜電界効果型トランジスタであって、前記活性層が酸化物半導体層であり、前記活性層と前記ソース電極及びドレイン電極の少なくとも一方との間に前記活性層より電気伝導度の低い酸化物半導体層からなる抵抗層を有し、前記活性層の電気伝導度が10−4Scm−1以上102Scm−1未満であり、且つ、前記抵抗層の電気伝導度に対する前記活性層の電気伝導度の比率(活性層の電気伝導度/抵抗層の電気伝導度)が、101以上1010以下であり、前記ソース電極及びドレイン電極の少なくとも一方の前記抵抗層に面する側がTi又はTi合金層である薄膜電界効果型トランジスタ。
- 前記活性層が前記ゲート絶縁膜と接している請求項1に記載の薄膜電界効果型トランジスタ。
- 前記抵抗層の電気伝導度に対する前記活性層の電気伝導度の比率(活性層の電気伝導度/抵抗層の電気伝導度)が、102以上1010以下である請求項1又は請求項2に記載の薄膜電界効果型トランジスタ。
- 前記抵抗層の電気伝導度に対する前記活性層の電気伝導度の比率(活性層の電気伝導度/抵抗層の電気伝導度)が、102以上108以下である請求項3に記載の薄膜電界効果型トランジスタ。
- 前記ソース電極及びドレイン電極の前記抵抗層に面する側がTi又はTi合金層である請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の薄膜電界効果型トランジスタ。
- 前記活性層の電気伝導度が10−1Scm−1以上102Scm−1未満である請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の薄膜電界効果型トランジスタ。
- 前記活性層及び前記抵抗層の酸化物半導体がアモルファス酸化物である請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の薄膜電界効果型トランジスタ。
- 前記活性層及び抵抗層の酸化物半導体がIn、GaおよびZnからなる群より選ばれる少なくとも1種若しくはこれらの複合酸化物を含む請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の薄膜電界効果型トランジスタ。
- 前記基板が可撓性樹脂基板である請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載の薄膜電界効果型トランジスタ。
- 請求項1〜請求項9のいずれか1項に記載の薄膜電界効果型トランジスタを用いた表示装置。
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