JP5305731B2 - 半導体素子の閾値電圧の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体を利用した半導体素子の閾値電圧の制御方法に関する。

ＴＦＴバックプレーンとは、基板上に複数の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）をアレイ状に作製したものである。現在、ＴＦＴバックプレーンを用いたアクティブマトリクス液晶ディスプレイやアクティブマトリクス有機電界発光ディスプレイ（有機ＥＬディスプレイ）が盛んに研究開発されている。ＴＦＴとしては、水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）ＴＦＴや低温多結晶シリコン（ＬＴＰＳ）ＴＦＴなどが用いられている。

このようなＴＦＴバックプレーンにおいては、閾値電圧の安定性の向上と面内均一性の向上が重要な課題である。閾値電圧の安定性に関しては、種々の原因（経時変化・電気的ストレス・熱的ストレス）によるＴＦＴの閾値電圧の変化を抑制することが課題となっている。一方、面内均一性に関しては、製造工程や材料構造の不均一性による閾値電圧の素子間ばらつきを抑制することが課題となっている。

閾値電圧の安定性について、ｎチャネルＴＦＴであるａ−Ｓｉ：Ｈ ＴＦＴを例にとりさらに説明する。ａ−Ｓｉ：Ｈ ＴＦＴに正のゲート−ソース間電圧（Ｖｇｓ）を印加すると、これが電気的ストレスとなり閾値電圧が増加する。また、負のＶｇｓを印加すると閾値電圧が減少する。このように、電気的ストレス等の原因により閾値電圧が変化し、ＴＦＴのＶｇｓの制御電源電圧範囲を越えると、ＴＦＴが動作しなくなる。このときをＴＦＴの１つの寿命と考えることができる。

次に、面内均一性について、ＬＴＰＳ ＴＦＴを例にとり説明する。チャネル層材料は多結晶薄膜であるので、同一基板上に複数のＬＴＰＳ ＴＦＴを作製すると、各ＴＦＴのチャネル層における電気的に活性な欠陥の密度は互いに異なる。その結果、ＴＦＴ間で閾値電圧のばらつきが生じる。また、チャネル層の結晶化工程に面内不均一性がある場合も、素子間ばらつきが生じる。ディスプレイのＴＦＴバックプレーンにこのような閾値電圧のばらつきがあると、ディスプレイの表示均一性や階調性が損なわれる。

これらの課題を解決できる新規なＴＦＴとして、酸化物半導体をチャネル層に用いたＴＦＴが近年注目を集めている。例えば、ＲＦスパッタ法によって形成したアモルファスＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ（ＩＧＺＯ）薄膜をチャネル層に用いたＴＦＴの作製法が、非特許文献１に開示されている。

酸化物ＴＦＴにおいても、電気的ストレスや、電気的ストレスと熱的ストレスの複合による閾値電圧変化が観測されている。それらは非特許文献２及び非特許文献３に開示されている。さらに、酸化物半導体ＴＦＴでは、可視光及び紫外光を照射することで閾値電圧が変化することも、非特許文献４に開示されている。
Ｙａｂｕｔａ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，８９，１１２１２３（２００６）． Ｒｉｅｄｌ ｅｔ ａｌ，Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔ．Ｓｏｌ．，１，１７５（２００７）． Ｋｉｍ ｅｔ ａｌ．，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅ Ｍｅｅｔｉｎｇ ２００６（ＩＥＤＭ’０６），１１−１３，１（２００６） Ｂａｒｑｕｉｎｈａ ｅｔ ａｌ．，Ｊ．Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔ．Ｓｏｌ．，３５２，１７５６（２００６）．

しかしながら、酸化物ＴＦＴに関する上記のいずれの文献においても、前記原因による閾値電圧変化に対して、それを補償又は抑制する方法や、その閾値電圧変化の影響を相対的に小さくする方法は明らかにされていない。

したがって通常では、従来のアモルファスシリコン半導体を用いた素子及び該素子を用いた装置の場合、直接的に半導体チャネル層に対処するのではなく、生じた閾値電圧変化を補正する回路を別途に設けて対処している。この補正回路により、半導体に閾値電圧変化が生じた場合も装置は正常に動作するのであるが、そういった補正回路は半導体素子を含む複雑な回路であり、この補正回路を別途設けることは全体の回路を大規模かつ複雑にし、製造コストを増大させる。また、閾値電圧変化が極端に大きくなった場合、その補正回路だけでは閾値電圧変化を補正することが難しい。

一方、酸化物ＴＦＴに可視光及び紫外光を照射することで閾値電圧を変化させることもできる。しかし、それに伴って電荷移動度やサブスレッショルドスイング（Ｓ値）などの閾値電圧以外の特性が変化する。例えば、非特許文献４では、閾値電圧の低減と同時に移動度が減少することが報告されている。これらの特性も変化以前と同等に保つことが好ましいが、これを可能にする手段は知られていない。

また、バックプレーンに由来する問題ではないが、有機電界発光ディスプレイにおいては有機電界発光素子（有機発光ダイオード、ＯＬＥＤ）の劣化による発光強度の減少が知られており、実用上問題となっている。

以上のように、酸化物ＴＦＴにおいて、その閾値電圧は種々の原因によって変化するものであり、面内均一性についても用途及び前記の回路構成による改善では不十分なのが現状である。

本発明は、以上の課題に鑑みてなされたものであり、酸化物ＴＦＴを含む装置を安定動作させるために、閾値電圧の変化や閾値電圧の素子間ばらつきを補償又は抑制することが可能な半導体素子の閾値電圧の制御方法を提供することを目的とする。

また、本発明の半導体素子の閾値電圧の制御方法は、少なくとも半導体を構成要素として有する半導体素子と、該半導体素子によって駆動される電界発光素子と、を少なくとも含む半導体装置における該半導体素子の閾値電圧の制御方法であって、半導体素子の閾値電圧の指標となる特性値を測定する工程と、前記特性値に基づいて前記半導体に照射する光の照射強度、照射時間又は波長を決定する工程と、前記照射強度、照射時間又は波長が決定された前記光を前記半導体に照射することにより前記半導体素子の閾値電圧を減少させる工程と、を含み、前記特性値は、前記電界発光素子の発光強度であることを特徴とする。

本発明により、製造工程履歴・経時変化・電気的ストレス・熱的ストレス等の原因による閾値電圧変化が生じる半導体素子及び該半導体素子を含む半導体装置において、閾値電圧変化を補償又は抑制することができる。

また、半導体装置に含まれる複数の素子について、素子間での閾値電圧のばらつきを抑えることができる。

また、電界発光素子を含む半導体装置において電界発光素子の劣化による発光強度の低下を抑えることができる。

これより、本発明の半導体素子の閾値電圧の制御方法の実施形態について、図を参照しながら詳細に説明する。

本発明は、少なくとも半導体を構成要素として有する半導体素子の閾値電圧を、以下の３つの工程を含む手順によって制御することを特徴とする。

工程（ａ）：半導体素子の閾値電圧を測定する工程
工程（ｂ）：測定した閾値電圧に基づいて、半導体に照射する光の照射強度、照射時間又は波長を決定する工程
工程（ｃ）：決定した条件にしたがって、光を半導体に照射する工程

ここで、半導体素子とは半導体を少なくとも構成要素として有する素子のことであり、それは閾値電圧を定義することが可能であることを意味する。例えば、半導体をチャネル層に用いて作製したＴＦＴはこれに含まれる。この閾値電圧は、√Ｉｄｓ−Ｖｇｓ法（Ｉｄｓ：ドレイン−ソース電流、Ｖｇｓ：ゲート−ソース電圧）などにより求められる閾値電圧（Ｖｔｈ）等を指す。

本発明を実施するためには、半導体にその吸収端波長よりも長波長の光を照射することにより、前記半導体素子の閾値電圧を変化させることが求められる。吸収端波長とは、半導体における自由キャリアのバンド間遷移に基づく光吸収において、最も低いエネルギの波長のことである。但し、本発明の上記吸収端波長とは、一般にアモルファス半導体で採用されるように、光子エネルギｈνに対し√αｈνをプロットし、ｘ軸に外挿したｘ切片で定義されるものである。ここで、ｈはプランク定数（Ｊ・ｓ）、νは光子の振動数（Ｈｚ）、αは吸収係数（ｃｍ^−１）である。

したがって、吸収端波長より長波長側の光であっても、半導体バルクのギャップ内準位や界面準位等を含む局在準位による吸収は存在し得る。

また、本発明を効果的に実施するためには、上記の光の強度、照射時間、波長を調節することにより、半導体素子の閾値電圧を所望の量だけ変化させることが望ましい。

例えば、アモルファスＩＧＺＯをチャネル層とするＴＦＴ（アモルファスＩＧＺＯ−ＴＦＴ）は、本発明を適用できるｎチャネルＴＦＴの１つであり、それは特定の条件での光照射によって閾値電圧が減少する。閾値電圧の変化量は、照射強度や時間などの光照射条件を選ぶことによって調節することが可能である。

本発明の第１の効果は、製造工程履歴・経時変化・電気的ストレス・熱的ストレス等の種々の原因により閾値電圧が変化する半導体素子について、その変化を補償又は抑制できることである。本発明での補償とは、光照射によって閾値電圧を変化させ、前記種々の原因によって変化する前の値と実質的に等しくすることを意味する。実質的に等しいとは、前記原因によって発生する閾値電圧の変化量と、本発明の光照射による閾値電圧の変化量とを比較した場合に以下の関係を満たす場合をいう。すなわち、前記変化量が同一の場合だけでなく、変化量の値に差があっても、半導体素子を所望の精度で動作をさせる上でその差による問題が生じない場合も実質的に等しいといえる。特に、ＯＬＥＤディスプレイにおけるＯＬＥＤ駆動用のＴＦＴにおいては、上記２つの変化量の差によってＴＦＴの閾値電圧がわずかに変化しても、ＯＬＥＤ発光強度の変化量がディスプレイの階調性能に問題を与えない範囲であればよい。また、本発明での抑制とは、前記原因による閾値電圧変化と逆符号かつ大きさがそれよりも小さい閾値電圧変化を光照射によって発生させ、前記原因による閾値電圧変化を部分的に打ち消すことを意味する。補償・抑制のいずれにおいても、前記原因による閾値電圧の変化方向（プラス又はマイナス）に対して、光照射によって発生する閾値電圧変化が逆符号であることが求められる。

以上のような本発明の第１の効果が最もよく発揮されるのは、光照射の前記条件を調節して、前記原因による閾値電圧変化に対して光照射による補償を行う場合である。これにより、前記原因による閾値電圧変化に影響されずに半導体素子及び装置を使用することができる。

一方、光照射の前記条件を調節して、前記原因による閾値電圧変化に対して光照射による抑制を行う場合も本発明の第１の効果がある。例えば、ある半導体素子の寿命が、素子の閾値電圧が増加又は減少しつづけて一定値に達したときと定義される場合を考える。前記原因による半導体素子の閾値電圧変化が光照射によって完全には補償できなくても、前者を抑制することで半導体素子の寿命を延ばすことができる。

例えば、前述のアモルファスＩＧＺＯ−ＴＦＴの場合は、ゲート電圧の印加（電気的ストレス）によって閾値電圧が増加する。すなわち、光照射による閾値電圧の変化の符号は、電気的ストレスによる変化の符号の逆である。アモルファスＩＧＺＯ−ＴＦＴに本発明を適用することにより、電気的ストレスによる閾値電圧の変化の影響を補償したり抑制したりできる。その結果、このＴＦＴの寿命を延ばすことができる。

本発明の第２の効果は、複数の半導体素子を含む半導体装置において、素子間での閾値電圧のばらつきを少なくすることができることである。

本発明の第３の効果は以下のとおりである。半導体装置は、半導体素子に加えて、半導体素子に光を照射するための光源とは別の電界発光素子を有しており、その電界発光素子が半導体素子によって駆動される系を考える。本発明をこのような系に適用する場合、半導体素子の閾値電圧を積極的に変化させることで電界発光素子の劣化による発光強度の低下を補償又は抑制できるという効果を得ることができる。具体的には、ＯＬＥＤ制御用の半導体素子としてＴＦＴを用いたアクティブマトリクス型ＯＬＥＤディスプレイなどに本発明を好適に適用できる。この効果を得るための実施形態の詳細は後述する。

次に、上記の工程（ａ）、すなわち閾値電圧の測定について詳細に説明する。

本発明における閾値電圧には、√Ｉｄｓ−Ｖｇｓ法により求められる閾値電圧（Ｖｔｈ）に限らず、他の指標を用いてもよい。例えば、ＴＦＴにおいて次のように定義される立ち上がり電圧Ｖｏｎを用いることができる。すなわち、ＴＦＴのＩｄｓ−Ｖｇｓ特性においてＩｄｓが特定の値Ｉｄｓ０を超えるＶｇｓをＶｏｎとする。たとえば、Ｗ／Ｌ比（チャネル幅のチャネル長に対する比）が１程度のＴＦＴについてＩｄｓ０＝１０^−１１Ａとすると、ＶｏｎはＩｄｓ０が１０^−１１Ａとなるときの値である。以下、特に説明がなければ、ＶｏｎはＷ／Ｌ比＝６のＴＦＴにおいてＩｄｓ０＝１０^−１０Ａとして求めたものとする。なお、Ｉｄｓ０は、Ｗ／Ｌ比、及びＶｏｎの測定上の都合に応じて選ぶことができる。

工程（ａ）では、前述のいずれかの指標（Ｖｔｈ、Ｖｏｎ）の代わりに、半導体素子の閾値電圧を反映して決まるほかの特性値を測定してもよい。その場合は、測定された特性値が実効的に閾値電圧を代表していると考えられ、本発明における閾値電圧をその特性値に置き換えて本発明を適用できる。半導体素子がＴＦＴの場合、上記指標として採用し得る例として下記のものがある。

・所定のＶｇｓでのＩｄｓの大きさ
・所定のＶｇｓでの、ＩｄｓのＶｇｓによる微分
・所定のＶｇｓを印加（例えばパルス電圧等を印加）している間の、所定の期間におけるＩｄｓの時間積分（時間積分値）
・所定の範囲でＶｇｓを掃引（例えば三角波等を印加する）したときのＩｄｓの時間積分（時間積分値）

上記の最後の特性値について、適用例を実施例７に示した。

また、工程（ａ）の測定において、閾値電圧を変化させる素子（目的の素子）とは別に、閾値電圧測定用の参照素子を用いてもよい。この場合、参照素子の閾値電圧が、目的の素子の閾値電圧と同様の値となるように参照素子が駆動されていることが望ましい。また、参照素子に対しても目的の素子と同じ光が照射され、目的の素子の閾値電圧変化に合わせて閾値電圧が変化することが望ましい。実際には、参照素子の閾値電圧から目的の素子の閾値電圧が推定できればよいため、上記両素子の駆動状態や光照射状態は完全に同一でなくともよい。

次に、上記の工程（ｃ）、すなわち光を半導体に照射する工程について詳細に説明する。

まず、本発明を適用できる半導体素子には次の２種類がある。〈１〉半導体にその吸収端波長よりも長波長の光を照射している間に、照射前と比べて閾値電圧が変化する半導体素子。〈２〉半導体にその吸収端波長よりも長波長の光を照射した後に、照射前と比べて閾値電圧が変化する半導体素子。

このうち〈１〉は、例えば半導体内部又は半導体の近傍にトラップされたキャリア等の固定電荷が上記の光照射によって解放されるような半導体素子である。〈２〉は、例えば半導体内や半導体近傍にトラップされたキャリアが光励起によって再配置し、光照射前とは異なる平衡状態に達するような半導体素子である。

光照射によって閾値電圧を変化させるとき、半導体素子における閾値電圧以外の電気特性は変化しないことが、半導体素子の駆動の都合上好ましい。半導体素子がＴＦＴである場合、閾値電圧以外の特性とは電界効果移動度やＳ値（サブスレッショルドスロープ）を含む。

また、工程（ｃ）の間において、半導体はその吸収端波長よりも短波長の光から十分に遮蔽されていることが望ましい。なぜなら、短波長の光が照射されると閾値電圧以外の特性も大きく変化してしまうからである。例えば、光によるキャリアのバンド間遷移により価電子帯・伝導帯のキャリア密度やギャップ内準位の占有状態が大きく変化するような半導体においては、吸収端波長よりも短波長の光を照射することで半導体の種々の特性が変化することがある。

また、工程（ｃ）の前においても、半導体はその吸収端波長よりも短波長の光から十分に遮蔽されていることが望ましい。上記の長波長の光と同様に、短波長の光を遮断した後にも半導体にその影響が残ることがあるからである。半導体に光を照射する光源の発光スペクトルが上記短波長の光を含む場合、たとえば半導体素子と光源との間にフィルタを挿入することで上記の遮蔽が可能である。具体的には、吸収型（有機色素分散ハイカットフィルタ）・反射型（誘電体多層膜ミラー）・散乱型などのフィルタが利用できる。また、半導体素子の一部（ＴＦＴのチャネル保護層など）やそれに付随する部材（プラスチック基板上に作製したＴＦＴにおける基板など）が、半導体に向かう特定の光を吸収・反射・散乱するフィルタの機能を備えていてもよい。なお、光源が単色発光するなどしてはじめから短波長の光を発しない場合には特に光源の光のスペクトルを調整する必要はないが、半導体自体は上記光源以外からの光（環境光など）のうち短波長の光から遮蔽されていることが求められる。

所望の効果が得られれば、光の照射は間欠的に繰り返しても、連続的に行ってもよい。

半導体に上記の光を照射する光源は、本発明を実施する半導体装置に組み込まれていてもよい。また、半導体装置と独立であっても、閾値電圧を変化させたい半導体素子と光学的に結合していれば（半導体素子の少なくとも一部に光を照射し、閾値電圧を変化させることができれば）よい。

閾値電圧を変化させたい素子（目的の素子）が複数ある場合、それと同数の光源が半導体素子と光学的に結合しており、かつ光源の発光状態は互いに独立に決められることが望ましい。これにより、個別の半導体素子に応じたきめ細かい制御が可能となる。一方、閾値電圧を変化させたい素子（目的の素子）が互いに近接して複数あり、それらに誘起したい閾値電圧変化量が互いに同程度である場合には、複数個の目的の素子を１つの光源と光学的に結合させてもよい。こうすることで、複数の素子の閾値電圧を同時に変化させることが可能になる。また、これにより光源の数を減らして構成を簡素化することができる。

次に、電界発光素子を駆動する装置に本発明を適用する場合の実施形態を説明する。

本発明の第３の効果が得られる実施形態の１つとして、アクティブマトリクス型ＯＬＥＤディスプレイの画素回路の駆動ＴＦＴに本発明を適用する例を示す。

各画素において、図１のようにスイッチＴＦＴ３０８、駆動ＴＦＴ３０９、ＯＬＥＤ６００が接続されているとする。ＯＬＥＤ６００と駆動ＴＦＴ３０９には電源電圧Ｖｄｄ（Ｖ）が印加されている。Ｖｓｅｌは、水平選択期間においてはスイッチＴＦＴ３０８をＯＮ状態とし、それ以外においてはＯＦＦ状態とする。これにより駆動ＴＦＴ３０９のゲート電圧に電位Ｖｄａｔａが書き込まれ。フレーム期間にわたってＶｄａｔａの大きさに応じた強度でＯＬＥＤが発光する。駆動ＴＦＴ３０９のチャネル層には図示しない光源によって光が照射できるようになっている。

図２を参照して、図１の回路に本発明を適用した場合の動作を説明する。図２において、符号９９１はＯＬＥＤ劣化前のＯＬＥＤ６００の電流電圧特性を示している。また、符号９９２はＯＬＥＤ劣化前の駆動ＴＦＴ３０９の出力特性を示している。ＯＬＥＤ６００が劣化する前の駆動ＴＦＴ３０９の閾値電圧（Ｖｔｈ）をＶｔｈ０とすると、駆動ＴＦＴ３０９の出力特性はオーバードライブ電圧Ｖｇｓ−Ｖｔｈによって決まる。ＯＬＥＤを所望の強度で発光させるために、発光強度に対応する電流（図２におけるＩＯＬＥＤ）に応じてＶｄａｔａが与えられる。このときのオーバードライブ電圧はＶｇｓ−Ｖｔｈ＝Ｖｄａｔａ−Ｖｔｈ０である。また、符号９９３はＯＬＥＤ劣化後のＯＬＥＤ６００の電流電圧特性を示している。また、符号９９４は、ＯＬＥＤ劣化に合わせて駆動ＴＦＴ３０９に本発明を適用し、Ｖｔｈを変化させた後の駆動ＴＦＴ３０９の出力特性を示している。駆動ＴＦＴ３０９のチャネル層である半導体に光を照射することによって駆動ＴＦＴ３０９のＶｔｈを｜ΔＶｔｈ｜だけ減少させる。オーバードライブ電圧はＶｇｓ−Ｖｔｈ＝Ｖｄａｔａ−Ｖｔｈ０＋｜ΔＶｔｈ｜となり、駆動ＴＦＴ３０９の出力特性が図２の符号９９４のように変化する。ＯＬＥＤの劣化に応じてＶｄａｔａを変化させなくても、ＯＬＥＤが劣化前と実質的に等しい強度で発光するように｜ΔＶｔｈ｜を選ぶことができる。

このような制御を行うために駆動ＴＦＴ３０９のＶｔｈを測定してもよいが、その代わりにＯＬＥＤ６００についてその発光強度を直接測定し、駆動ＴＦＴ３０９の閾値電圧制御のための入力量とする方が制御の精度が高くなり好ましい。

また、電流発光効率が時間的に大きく変化しない場合には、電界発光素子の発光強度の代わりに電界発光素子の貫通電流を測定してもよい。この場合、上記のように発光強度を測定する場合よりも装置を簡素化できる。

上記の制御において、光照射後の駆動ＴＦＴ３０９のＶｔｈは初期値Ｖｔｈ０と等しくする必要は特にない。ＯＬＥＤ６００の発光強度を一定に保つためにＶｔｈを積極的に変化させることができる。

上記はＯＬＥＤの発光強度の減少を完全に補償するとして説明したが、光によるＴＦＴ閾値電圧変化量が相対的に小さく、ＯＬＥＤの劣化が完全には補償されない場合も本発明の効果がある。例えばあるＯＬＥＤディスプレイの寿命が、ＯＬＥＤの発光強度の減少量が一定値に達したときと定義される場合を考える。発光強度の減少がＴＦＴへの光照射によって完全には補償できなくても、発光強度の減少を抑制することでＯＬＥＤディスプレイの寿命を延ばすことができる。

なお、この実施形態の半導体装置に含まれる電界発光素子は、半導体素子によって発光強度が制御され、かつ駆動（発光させる操作）により電界発光素子の劣化が進行し、その発光強度が徐々に変化するものであれば、ＯＬＥＤに限定されない。たとえば無機電界発光素子を用いることができる。

次に、本発明を適用することができる半導体素子の半導体について説明する。

半導体の種類は、ギャップ内準位の面密度が１０^１３ｃｍ^−２ｅＶ^−１以下の半導体が好ましい。ギャップ内準位密度がこれよりも大きい半導体では、バンドギャップよりも十分小さな（例えば半分程度の）光子エネルギの照射によっても、ギャップ内準位から伝導帯（価電子帯）への電子（ホール）の励起過程が無視できなくなる。すなわち、吸収端波長よりも十分長波長の光の照射によっても、上述の短波長の光を照射した状態と同様になるため好ましくない。

さらに、半導体のバンドギャップが１．５５ｅＶ以上であることが好ましい。なぜなら、半導体に光を照射するための光源が連続スペクトル光を放つ場合に、実際に半導体に照射する光のスペクトルを調整する手段の選択肢が広がるからである。例えば、吸収端に対応する光子エネルギが可視光の領域（波長８００ｎｍ以下）にあれば、有機色素による吸収を利用した一般的なハイカットフィルタが利用できる。これを光源と半導体との間に置けば、半導体の吸収端波長より長波長の光を半導体に照射する一方で、それよりも短波長の光を半導体に事実上照射しない状態を容易に実現できる。

さらに、半導体がＴＦＴのチャネル層に用いられる場合、半導体のバンドギャップが２ｅＶ以上であることがより好ましい。なぜなら、ＴＦＴがオフ状態のときのチャネルリーク電流は半導体のバンドギャップに依存すると考えられるからである。具体的には、次式によってチャネルリーク電流Ｉｏｆｆ（Ａ）を見積もることができる。

Ｉｏｆｆ＝ｑ（ｎｉ（μｅ＋μｈ））・（Ｗ／Ｌ）・ｄ・Ｖｄｓ

ここで、ｑは素電荷である。ｎｉは真性キャリア密度＝（ＮｃＮｖ）^１／２・ｅｘｐ（−Ｅｇ／２ｋＴ）［Ｎｃ：伝導帯端の状態密度、Ｎｖ：価電子帯端の状態密度、Ｅｇ：バンドギャップ、ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度］である。μｅは電子のドリフト移動度である。μｈはホールのドリフト移動度である。ＷはＴＦＴのチャネル幅である。ＬはＴＦＴのチャネル長である。ｄはチャネル層の厚さである。ＶｄｓはＴＦＴのドレイン−ソース電圧である。

上式によりＩｏｆｆのＥｇに対する依存性を見積もる。ｄ＝２０ｎｍ、Ｗ／Ｌ＝４とし、Ｅｇ以外の材料定数をすべて単結晶シリコンにおけるものを用いると、Ｅｇが２ｅＶ程度よりも大きければＩｏｆｆを１０^−１８Ａ程度以下に抑えることができる。このＴＦＴを通じて保持容量（静電容量１ｐＦ）への電位の書き込み・保持を行う場合、書き込まれた電位のチャネルリーク電流による変動を１０^６ｓ（＝１１．５日）後も１Ｖ以下に抑えることができる。これは、例えばＴＦＴを表示装置のバックプレーン画素駆動回路に用いる場合、表示内容を数日程度保持できると考えられ有効である。

さらに、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｓｎのうち少なくともいずれかを含むワイドギャップ半導体は、上記の条件をすべて満たすため好ましい。具体的には、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ（ＩＧＺＯ）などの酸化物半導体のほかに、例えばＩｎ−Ｇａ−Ａｓ、Ｉｎ−Ｇａ−Ａｌ−Ａｓ、Ｇａ−Ｎ、Ｚｎ−Ｏ、Ｚｎ−Ｓ、Ｚｎ−Ｓｅなどの構成元素を有する半導体を用いて本発明を実施することが可能であると考えられる。

さらに、半導体の少なくとも一部が非晶質であることが好ましい。なぜなら、非晶質を含む半導体は多結晶半導体よりもエッチング等の加工性や電気特性の近距離均一性に優れるからである。

上記の条件をすべて満たす半導体材料としてはアモルファスＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ（ＩＧＺＯ）、アモルファスＩｎ−Ｚｎ−Ｏ（ＩＺＯ）、アモルファスＺｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＺＴＯ）等のアモルファス酸化物半導体が知られている。本発明はこれらを用いた半導体素子を含む半導体装置について本発明を適用できる。

次に、本発明を適用できる半導体装置に用いることができる半導体素子の１つであるアモルファスＩＧＺＯ−ＴＦＴについて、その作製法と典型的なＴＦＴの電気特性を示し、電気的ストレス及び光照射による電気特性の変化を以下に説明する。

〈１〉半導体薄膜の作製と評価
ＴＦＴチャネル層であるアモルファスＩＧＺＯ膜の物性を次のように評価する。

被成膜基板としてはガラス基板（コーニング社製１７３７）を脱脂洗浄したものを用意した。ターゲット材料としては、ＩｎＧａＯ_３（ＺｎＯ）組成を有する多結晶焼結体（サイズ直径９８ｍｍ、厚さ５ｍｍ、電気伝導度０．２５Ｓ・ｃｍ^−１）を用いた。

酸素が５体積％含まれる酸素−アルゴン混合気体により成膜中の堆積室内の全圧を０．５Ｐａとした。また、ターゲットと被成膜基板間の距離は７５ｍｍであった。投入電力をＲＦ２００Ｗ、成膜レートを１．２Åｓ^−１として成膜を行った。基板温度は特に制御しなかった。

６０ｎｍ積層した膜を肉眼で観察したところ透明であった。また６０ｎｍ積層した膜に対し、測定対象面に対して入射角０．５度でＸ線を入射させＸ線回折測定を薄膜法にて行った。明瞭な回折ピークは認められなかったことから、作製したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜はアモルファスであると判断された。蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）分析の結果、薄膜の金属組成比はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：０．９：０．６であった。

また、チタンと金の積層蒸着膜を用いたコプラナー型電極パターンによる電流−電圧測定を行い、同薄膜の電気伝導度を測定したところ、約１×１０^−６Ｓ・ｃｍ^−１であった。電子移動度を約５ｃｍ^２・Ｖ^−１・ｓ^−１と仮定すると、電子キャリア濃度は約１０^１２ｃｍ^−３と推定される。

以上のことから、作製したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系薄膜は、ＩｎとＧａとＺｎを含み、かつ少なくとも一部が非晶質の酸化物半導体アモルファスＩＧＺＯであることを確認した。

〈２〉ＴＦＴの作製
ＴＦＴを以下の手順で作製する。該ＴＦＴの断面図を図３に示す。

まず、シリコン熱酸化膜（膜厚１００ｎｍ）付きｎ^＋−シリコンウェハ（縦２０×横２０×厚さ０．５２５ｍｍ）を洗浄し基板とした。この基板上に半導体であるアモルファスＩＧＺＯをＲＦマグネトロンスパッタにより成膜した（成膜ガスＯ_２（５体積％）＋Ａｒ、成膜圧力０．５Ｐａ、投入電力２００Ｗ、膜厚２０ｎｍ）。スパッタ成膜中には基板温度は特に制御しなかった。続いて、エッチングによりアモルファスＩＧＺＯを所定のサイズにパターニングしチャネル層とした。続いて、全体を大気雰囲気中にて３００℃で２０分間加熱した。この上にフォトレジスト膜を形成しパターニングした後、電子ビーム蒸着法でチタンと金を合計１００ｎｍ成膜し、レジスト膜をリフトオフすることによってソース電極・ドレイン電極を形成した。

以上の手順により、基板の導電部をゲート電極３１２・熱酸化膜をゲート絶縁膜３１１・アモルファスＩＧＺＯをチャネル層３３０とし、ソース電極３２１・ドレイン電極３２２を備えたＴＦＴ３００を得た。チャネル幅Ｗ＝８０μｍ、チャネル長Ｌ＝１０μｍであった。このＴＦＴにおいてドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓ＝＋２０Ｖにて伝達特性を測定したところ明らかなｎチャネル特性を示した。√Ｉｄｓ−Ｖｇｓ特性の線形近似によって求めた閾値電圧（Ｖｔｈ）と飽和移動度（μｓａｔ）はそれぞれ Ｖｔｈ＝４．２Ｖ、μｓａｔ＝１３．１ｃｍ^２・Ｖ^−１・ｓ^−１であった。Ｓ値は０．３８Ｖ・ｄｅｃ^−１であった。

〈３〉電気的ストレスによる閾値電圧変化
このＴＦＴについて電気的ストレスによる閾値電圧変化を評価する。電気的ストレスとしては、このＴＦＴにＶｇｓ＝＋２０Ｖ・ドレイン−ソース電圧Ｖｄｓ＝＋０．１Ｖを１８００秒間印加する。電気的ストレス印加前後の伝達特性を図４に示す。ＴＦＴ特性は下記のとおりであった。

（ストレス前）Ｖｔｈ＝４．２Ｖ、μｓａｔ＝１３．１ｃｍ^２・Ｖ^−１・ｓ^−１、Ｓ＝０．３８Ｖ・ｄｅｃ^−１
（ストレス後）Ｖｔｈ＝４．８Ｖ、μｓａｔ＝１３．１ｃｍ^２・Ｖ^−１・ｓ^−１、Ｓ＝０．３９Ｖ・ｄｅｃ^−１

すなわち、このＴＦＴは正のゲート電圧の印加によりＶｔｈが増加する。一方、このときのμｓａｔ及びＳ値の変化は小さい。

〈４〉光照射強度・照射波長によるＴＦＴ閾値電圧の調節可能性１
前記〈２〉と同様のＴＦＴを４試料作製し、それぞれについて、Ｖｄｓ＝＋２０Ｖにて暗所で伝達特性を測定した。次に、それぞれのＴＦＴに電気的ストレスとしてＶｄｓ＝＋０．１Ｖ、Ｖｇｓ＝＋２０Ｖの電圧を１８００秒間印加した。その間、ＴＦＴによって異なる下記各条件で単色光を１８００秒間照射した。

（Ａ−１）光照射なし
（Ａ−２）４００ｎｍ、０．０２ｍＷ／ｃｍ^２
（Ａ−３）４００ｎｍ、０．２ｍＷ／ｃｍ^２
（Ａ−４）６００ｎｍ、０．２ｍＷ／ｃｍ^２

その後光照射を止め、再びそれぞれのＴＦＴについてＶｄｓ＝＋２０Ｖにて暗所で伝達特性を測定した。

電気的ストレス印加前後において測定した各伝達特性から、Ｖｔｈ・Ｖｏｎ・μｓａｔ・Ｓ値を求めた。このうち、ストレスによるＶｔｈ・Ｖｏｎの各変化ΔＶｔｈ（Ｖ）・ΔＶｏｎ（Ｖ）を図５に示す。いずれの場合においても、電気的ストレス印加前後におけるμｓａｔとＳ値の変化は初期値に対してそれぞれ２％未満、６％未満であった。すなわち、波長４００ｎｍ又は６００ｎｍの光をＴＦＴのチャネル部に照射することで、Ｖｔｈ・Ｖｏｎのみを変化させることができた。したがって、波長４００ｎｍ及び６００ｎｍの光はこのＴＦＴを含む装置において本発明を適用するときに用いることができる。しかも、照射強度や照射波長を選ぶことによりＶｔｈ・Ｖｏｎに誘起する変化量を調節することができる。

同様のＴＦＴを作製し、光照射条件を３２０ｎｍ・０．２ｍＷ・ｃｍ^−２として同様に実験を行った。図示しないが、閾値電圧は波長４００ｎｍ以上の光を用いた場合よりはるかに大きく変化した（ΔＶｔｈ＝−１４．７Ｖ、ΔＶｏｎ＝−１８．０Ｖ）が、μｓａｔとＳ値は初期値に対してそれぞれ２４％、５１％増加した。すなわち、このＴＦＴを含む装置において本発明を適用するときに３２０ｎｍの光を用いると、駆動電圧に対するＴＦＴの応答が変化してしまい、ＴＦＴを駆動するときに好ましくない。

〈５〉光照射強度・照射波長によるＴＦＴ閾値電圧の調節可能性２
以下に示すように、アモルファスＩＧＺＯ−ＴＦＴに光を照射した場合、光照射を止めた後でも光照射前と比べて閾値電圧が変化する。

同様のＴＦＴ１試料について、以下の手順で連続して伝達特性（Ｂ−１）〜（Ｂ−４）を測定した。

イ）暗所でＶｄｓ＝＋２０Ｖにて伝達特性（Ｂ−１）を測定した。
ロ）暗所で電気的ストレスとしてＶｄｓ＝＋２０Ｖ、Ｖｇｓ＝＋２０Ｖの電圧を３６００秒間印加した。
ハ）暗所で同様に伝達特性（Ｂ−２）を測定した。
ニ）（４００ｎｍ、０．０２ｍＷ・ｃｍ^−２、１００ｓ）の条件で単色光を照射した。
ホ）暗所で伝達特性（Ｂ−３）を測定した。
ヘ）（４００ｎｍ、０．２ｍＷ・ｃｍ^−２、１００ｓ）の条件で単色光を照射した。
ト）暗所で伝達特性（Ｂ−４）を測定した。

それぞれの伝達特性から求めた（Ｖｔｈ、Ｖｏｎ、μｓａｔ、Ｓ値）を図６に示す。

Ｖｔｈ、Ｖｏｎとも電気的ストレスにより増加したが、光照射によりこれを減少させることができた。その間、移動度とＳ値の各変化はそれぞれ２％未満、４％未満であった。

〈６〉アモルファスＩＧＺＯのギャップ内準位密度の検討
このＴＦＴにおける閾値電圧変化の波長依存性を、下記の方法でさらに詳細に調査した。キセノンランプからの光を回折格子分光器に導き単色化した光をＴＦＴのチャネル側に照射した。分光器の光学的スリット幅は２４ｎｍであった。照射強度は各波長において０．２ｍＷ・ｃｍ^−２となるように、光路に挿入したニュートラルデンシティ（ＮＤ）フィルタの濃度を調整した。

伝達特性の波長依存性を下記の手順で測定した。まず、ＴＦＴに波長６００ｎｍの単色光を１００秒間照射後、そのまま光を照射しながらＶｄｓ＝＋０．５Ｖとして伝達特性を測定した。次に波長５９０ｎｍの単色光を同様に１００秒間照射後、光を照射しながら同様に伝達特性を測定した。以下同様に波長３００ｎｍまで１０ｎｍごとに波長を走査しながら測定を行った。その結果を図７に示す。見易さのために、照射光波長６００ｎｍ、５５０ｎｍ、５００ｎｍ・・・のように５０ｎｍごとの伝達曲線のみ示した。

伝達曲線は照射光の短波長化に対して単調にＶｇｓの負方向に移動した。照射光波長３６０ｎｍまでは伝達曲線の形状はほとんど変化しておらず、暗状態で測定された伝達特性を平行移動させたものとみなせることが分かった。いずれの照射波長においても線形移動度μｌｉｎやＳ値はそれぞれの暗状態での値とほぼ等しかった。一方これよりも短波長側では、Ｖｇｓの負方向への伝達曲線の移動に加えて、曲線形状の変化がみられた。μｌｉｎ・Ｓ値も暗状態と比べて大きく変化した。

３６０ｎｍよりも長波長側での伝達曲線の平行移動は、半導体又は近傍に分布するギャップ内準位にトラップされた負の固定電荷が解放されたとして説明できる。一方、３６０ｎｍよりも短波長で見られた伝達特性変化の機構は明らかでない。おそらく光による自由キャリアのバンド間遷移により、価電子帯や伝導帯のキャリア密度及びギャップ内準位の占有状態が大きく変化したことが関係していると推察される。

ここで、以下のように、伝達特性の平行移動に関係するギャップ内準位の面密度ΔＮｔ（ｃｍ^−２・ｅＶ^−１）を見積もった。

図７より、照射光波長λを短波長側に１０ｎｍ移動したときのＶｏｎの変化量ΔＶｏｎをλ（３６０ｎｍ≦λ≦６００ｎｍ）の関数として求める。λを１０ｎｍづつ変化させるたびに、それ以下の光子エネルギによる励起では解放されることのなかった固定電荷が新たに解放され、Ｖｏｎが変化したと考えられる。新たに放出された固定電荷の面密度ΔＮｆ（ｃｍ^−２）は、ΔＶｏｎ、ゲート絶縁膜容量Ｃｉ（Ｆ・ｃｍ^−２）、素電荷ｑ（Ｃ）を用いて以下のように表される。

ΔＮｆ＝Ｃｉ・｜ΔＶｏｎ｜／ｑ

λ掃引ステップごとの照射光子エネルギの増分Δ（ｈν）に関する補正を考慮すると、固定電荷放出に関与した局在準位の面密度ΔＮｔ（ｃｍ^−２・ｅＶ^−１）は次のように表される。

ΔＮｔ＝ΔＮｆ／Δ（ｈν）＝ΔＮｆ／Δ（ｈｃ／λ）

ここで、ｈはプランク定数、ｃは真空中の光速である（λの変化による照射光子数変化は無視したが、それによる誤差はλ掃引範囲の両端で高々２倍程度しかない）。

ΔＮｔを照射光子エネルギに対してプロットしたものを図８に示す。これは、半導体における伝導帯上端のエネルギＥＣを基準にした状態密度を表すと考えられる。

以上の解析により、このアモルファスＩＧＺＯにおけるエネルギＥ＝ＥＣ^−２（ｅＶ）からＥＣ^−３．４（ｅＶ）までのΔＮｔ（Ｅ）は、おおむね１０^１３ｃｍ^−２・ｅＶ^−１以下であると見積もられる。

なお上記のギャップ内準位が存在する部位を特定することはまだできないが、ギャップ内準位が半導体バルク中に分布している場合、ギャップ内準位は体積密度ΔＮｔ’（ｃｍ^−３・ｅＶ^−１）で評価する方が好ましい。それは半導体膜厚をｄ（ｃｍ）として以下のように見積もられる。

ΔＮｔ’＝ΔＮｔ／ｄ

すなわち、膜厚１０ｎｍの半導体膜についてはΔＮｔ＝１０^１３ｃｍ^−２・ｅＶ^−１はΔＮｔ’＝１０^１９ｃｍ^−３・ｅＶ^−１に相当する。

これより、本発明の実施例について説明するが、本発明は以下の例に限定されはしない。

（実施例１）
本実施例では、以下の手順により、ガラス基板上に逆スタガ型アモルファスＩＧＺＯ−ＴＦＴを作製した。このＴＦＴの断面図を図９に示す。

まず、ガラス基板（コーニング社製１７３７）を洗浄し基板とした。この基板上に電子線蒸着法によりチタンと金の積層膜を合計５０ｎｍ積層しリフトオフ法でパターニングすることによりゲート電極３１２を得た。この上に、ＳｉＯ_２をターゲットに用いたＲＦマグネトロンスパッタ法（成膜ガスＡｒ、成膜圧力０．１Ｐａ、投入電力４００Ｗ）により、ＳｉＯ_２膜を２００ｎｍ積層した。これをエッチングでパターニングすることによりゲート絶縁膜３１１を得た。この上にＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ焼結体をターゲットに用いたＲＦマグネトロンスパッタ法（成膜ガス：Ｏ_２（５体積％）＋Ａｒ（９５体積％）、成膜圧力０．５Ｐａ、投入電力２００Ｗ）により、アモルファスＩＧＺＯを２０ｎｍ積層した。そして、それをエッチングでパターニングすることによりチャネル層３３０を得た。スパッタ成膜中には基板温度は特に制御しなかった。続いて、全体を大気雰囲気中にて３００℃で２０分間加熱した。この上にフォトレジスト膜を形成しパターニングした後、電子ビーム蒸着法でチタンと金を合計１００ｎｍ成膜した。レジスト膜をリフトオフすることによってソース電極３２１・ドレイン電極３２２を形成し、ＴＦＴ３００を得た。チャネル幅Ｗ＝８０μｍ、チャネル長Ｌ＝１０μｍであった。

さらに、紫色発光ダイオード（活性層ＳｉＣ、中心波長３９５ｎｍ）をこのＴＦＴのチャネル層のソース電極・ドレイン電極間開口部（以下チャネル部と呼ぶ）に対向するように実装した半導体装置を作製した。装置の概念図を図１０に示す。ＴＦＴ３００のチャネル部と、発光ダイオード５００とが対向している。発光ダイオード５００に通電することにより、ＴＦＴ３００のチャネル部に発光ダイオードの発した光２１０が照射される。

この装置において、ＴＦＴ特性（Ｖｔｈ、μｓａｔ、Ｓ値）の設計値は図１１の（１−１）であった。

装置を暗所に置き、発光ダイオードに通電しない状態でＴＦＴの伝達特性を測定しＴＦＴ特性を求めると、ＴＦＴ特性は図１１の（１−２）に示す値に変化した。すなわち、μｓａｔ、Ｓ値は設計値に近かったが、Ｖｔｈは設計値よりも大きかった。Ｖｔｈの差はいずれかの製造工程における不良（製造工程履歴）によるものと考えられる。

これをもとに、発光ダイオードからＴＦＴのチャネル部に照射する光の強度を次のように決定した。まず、上記と同一の作製法で作製した別な装置について、任意の光照射時間についてＶｔｈの初期値に対する変化量ΔＶｔｈをあらかじめ求めておき検量線を作成しておいた。検量線の一例を図１２に示す。この照射条件（波長３９５ｎｍの単色光、強度０．２ｍＷ・ｃｍ^−２）においては、照射時間を長くするほど、照射前に比べてＴＦＴのＶｔｈが減少することがわかる。この検量線を元に、ＴＦＴに光を照射する条件を、強度０．２ｍＷ・ｃｍ^−２、時間６００秒と決定した。ＴＦＴにこの条件で光を照射し、上記時間経過後に光照射を止めた。

最後に、再び暗所でＴＦＴの伝達特性からＴＦＴ特性を求めると図１１の（１−３）に示すとおりになった。

このように、製造工程履歴による閾値電圧変化を生じる半導体素子を含む半導体装置において、閾値電圧を測定する工程、光照射条件（照射強度・照射時間）を調節する工程、光を照射する工程により、閾値電圧変化を補償することができた。

（実施例２）
本実施例では、実施例１の半導体装置に外部回路を追加した系を構築した。接続関係を図１３に概念的に示す。

ＴＦＴ駆動回路はＴＦＴに接続され、ＴＦＴに意図した動作（ＴＦＴに接続された図示しない負荷の駆動など）をさせるための電源などを含む。Ｖｔｈ測定回路はＴＦＴ駆動回路と任意に切り替えてＴＦＴに接続でき、ＴＦＴのＶｔｈを測定して発光ダイオード制御回路に出力する。本実施例では、Ｖｔｈ測定回路に可変電圧源と電流測定装置をもたせ、ＴＦＴの伝達特性を測定しＶｔｈを算出して発光ダイオード制御回路に出力する構成とする。メモリは、ＴＦＴに誘起すべきＶｔｈ変化量に対して発光ダイオードに印加する電流を指定するルックアップテーブルを格納する。発光ダイオード制御回路は発光ダイオードの点灯・消灯を制御する回路と、発光ダイオードを駆動する可変電流電源などを含む。

この系におけるＴＦＴの初期のＶｔｈをＶｔｈ０とする。この系は次のような手順で制御できる。図１４を参照しながら説明する。

（１）まず、ＴＦＴにＴＦＴ駆動回路を接続し、期間ｔ１（秒）にわたって該ＴＦＴ駆動回路によりＴＦＴに所望の動作をさせる。図１４（ｉ）ではこの期間において一定のＶｇｓがゲート−ソース間に印加されているが、任意の駆動波形でもよい。
（２）その後、ＴＦＴ駆動回路をＴＦＴから切断し、Ｖｔｈ測定回路をＴＦＴに接続してＶｔｈを測定する。ＴＦＴ駆動回路によってＴＦＴに印加された電気的ストレスにより、ＶｔｈはＶｔｈ１＝Ｖｔｈ０＋ΔＶ１となっており、ΔＶ１（＞０）だけシフトしている。
（３）発光ダイオード制御回路はこのΔＶ１をもとにメモリを参照して発光ダイオードに印加する電流の大きさを決め、期間ｔ２（秒）にわたって所定の輝度で発光ダイオードを点灯させ、その後消灯する。点灯輝度は図１４（ｉｉ）のようになる。

ここで、メモリへの格納値は適切な値にしておく。すなわち、（１）の操作でいかなる大きさのΔＶ１が生じても、期間ｔ２の光照射によりその変化分を実質的に補償できるような適切な強度で点灯させるようにする。このようにすることで、期間ｔ２後のＴＦＴのＶｔｈは必ずＶｔｈ０とほぼ等しくすることができる。このような動作を可能にするために、メモリはΔＶ１に対して例えば図１５実線のような印加電流値Ｉを格納している。

以後、（１）から（３）の操作を任意の回数繰り返すことができる。このような制御によるＶｔｈの推移を図１４（ｉｉｉ）に示す。（１）の操作によって生じるＶｔｈの変化量はＴＦＴの駆動状況に依存する。具体的には（１）でＴＦＴに印加されるＶｇｓが大きければ大きいほどΔＶ１は増加する。しかし、メモリの格納値を最適化することにより、長期的に見ると図１４（ｉｉｉ）のようにＶｔｈは常に初期の値Ｖｔｈ０とほぼ等しくすることができる。

なお、この系において電気的ストレス以外のほかの原因（熱的ストレス・経時変化など）によってＴＦＴのＶｔｈが変化した場合にも同様の制御が可能であり、Ｖｔｈを初期値Ｖｔｈ０近傍に保つことができる。

すなわち、種々の原因（経時変化・電気的ストレス・熱的ストレス）による閾値電圧変化を生じる半導体素子を含む半導体装置において、閾値電圧変化を補償することができる。

（実施例３）
本実施例では、経時変化による半導体素子の閾値電圧の変化を光照射により抑制した。

実施例２と同様の構成において、同様にＴＦＴを駆動して実施例２と同程度の電気的ストレスを与える。ただしメモリの格納値は図１５の点線のようになっており、発光ダイオードの保護のために実施例２よりも点灯輝度が小さくしてある。実施例２がＶｔｈを初期値Ｖｔｈ０の近くに安定させることができる系である場合、本実施例ではＴＦＴのＶｔｈは徐々に増加していく。しかし、発光ダイオードを全く点灯させない場合と比較すると、電気的ストレスによるＴＦＴのＶｔｈの増加を遅らせることができる。

このように、種々の原因による閾値電圧変化を生じる半導体素子を含む半導体装置において、閾値電圧変化を抑制することができる。

（実施例４）
本実施例では、半導体素子に照射する光の波長によって閾値電圧の変化量を調節した。

図１６に半導体装置の概念図を示す。まず、実施例１と同様の作製法によりアモルファスＩＧＺＯ−ＴＦＴを作製する。さらに、発光ダイオード１・５０１（活性層ＳｉＣ、中心波長３９５ｎｍ）と発光ダイオード２・５０２（活性層ＡｌＧａＩｎＰ、中心波長６００ｎｍ）をともにＴＦＴ３００のチャネル部に対向するように実装し半導体装置とする。他は実施例１と同様である。

この半導体装置に下記の外部回路を追加して駆動する。接続関係を図１７に概念的に示す。実施例２と同様、ＴＦＴ駆動回路、Ｖｔｈ測定回路、メモリ、発光ダイオード制御回路を有する。ただし、発光ダイオード制御回路は２つの発光ダイオードを制御する。また、メモリはＴＦＴ３００に誘起すべきＶｔｈ変化量に対して発光ダイオード１及び２にそれぞれ印加する電流を指定するルックアップテーブルを格納する。具体的には、ＴＦＴ３００に誘起すべきＶｔｈ変化量が小さいときには発光ダイオード２を主に点灯させ、変化量が大きいときには発光ダイオード１を主に点灯させるようにする。この系は実施例２と同様に駆動でき、実施例２と等しい効果が得られる。

（実施例５）
本実施例では、閾値電圧を変化させたい素子とは別に、閾値電圧測定用の参照素子を備える装置の例を作製した。

図１８のような半導体装置を作製する。ここでは、ＴＦＴ３００と、それと同様の参照用ＴＦＴ３０１とが並置されている。参照用ＴＦＴ３０１はＴＦＴ３００と同一のサイズに設計されている。ＴＦＴ３００と参照用ＴＦＴ３０１は共通の発光ダイオード５００と対向し、発光ダイオードの光２１０が両者に入射する光量は等しい。それ以外は実施例１の半導体装置と同様である。

この装置に外部回路を追加する。接続関係を図１９に概念的に示す。

ＴＦＴ駆動回路はＴＦＴ３００に接続され、ＴＦＴ３００に意図した動作をさせる（ＴＦＴ３００に接続された図示しない負荷を駆動させるなど）ための電源などを含む。Ｖｔｈ測定回路は参照用ＴＦＴ３０１のＶｔｈを測定して発光ダイオード制御回路に出力することができる。またＶｔｈ測定回路は、ＴＦＴ駆動回路の動作中、該ＴＦＴ駆動回路がＴＦＴ３００に印加している電圧又は電流と等しい電圧又は電流を参照用ＴＦＴ３０１に印加することもできる。メモリは、ＴＦＴに単位時間あたりに誘起すべきＶｔｈ変化量に対して発光ダイオードに印加する電流を指定するルックアップテーブルを格納する。発光ダイオード制御回路は実施例２と同様である。

この系におけるＴＦＴ３００と参照用ＴＦＴ３０１との初期のＶｔｈが等しいとし、これらをＶｔｈ０とする。発光ダイオード５００は発光ダイオード制御回路によって制御され、一定の輝度で点灯又は消灯している。

この系は次のような手順で制御できる。

（１）期間ｔ１（秒）にわたってＴＦＴ駆動回路によりＴＦＴ３００に所望の動作をさせる。ＴＦＴ３００のＶｔｈは、ＴＦＴ駆動回路による電気的ストレスと、発光ダイオードの光２１０によって初期値Ｖｔｈ０から変動する。一方、Ｖｔｈ測定回路はＴＦＴ駆動回路と常に等しい信号を出力し、参照用ＴＦＴ３０１を同様に動作させる。期間ｔ１後の参照用ＴＦＴ３０１のＶｔｈは、ＴＦＴ３００のＶｔｈと等しいと考えられる。
（２）期間ｔ２（秒）にわたってＶｔｈ測定回路により参照用ＴＦＴ３０１のＶｔｈを測定する。発光ダイオード制御回路は参照用ＴＦＴのＶｔｈの時間変化率をもとにメモリを参照し、発光ダイオード５００の点灯状態を変化させる。一方この間、ＴＦＴ駆動回路は任意の動作をしていてよい。例えば、手順（１）と同様の所望の動作を続けていてもよい。ｔ１＞＞ｔ２とすることにより、参照用ＴＦＴ３０１のＶｔｈはＴＦＴ３００のＶｔｈと実質的に常に等しい。

以後、（１）から（２）の操作を任意の回数繰り返すことができる。このような制御における、ＴＦＴ３００に印加されるゲート−ソース電圧Ｖｇｓ、発光ダイオードの輝度及びＴＦＴ３００のＶｔｈの推移を図２０に示す。期間ｔ１の後に発生しているＴＦＴ３００のＶｔｈの変化量は、期間ｔ１の前に照射された発光ダイオードの光２１０の輝度と、期間ｔ１内のＴＦＴに印加された電気的ストレスの量の差に依存するが、長期的に見るとＶｔｈは常に初期の値Ｖｔｈ０とほぼ等しい。

すなわち、電気的ストレスによる閾値電圧変化を生じる半導体素子を含む半導体装置において、閾値電圧変化を補償することができる。

本実施例を実施例２と比較すると、本実施例ではＴＦＴ３００に行わせている所望の動作を中断させることなくそのＶｔｈを求めることができる。

（実施例６）
本実施例では、実施例２で示した半導体装置を並列に多数配列した半導体装置を、実施例２と同様に駆動した。

実施例２と同様の作製法により、アモルファスＩＧＺＯ−ＴＦＴをアレイ状に配したｍ行ｎ列ＴＦＴアレイを作製する。これにＴＦＴと同数の紫色発光ダイオード（活性層ＳｉＣ、中心波長３９５ｎｍ）を各ＴＦＴに対向するようにアレイ状実装して発光ダイオードアレイを形成し、半導体装置とする。アレイを構成する各ＴＦＴと、それに対応する発光ダイオードとの関係は、実施例１で示した図１０と同様である。

この装置に下記の外部回路を追加して駆動する。接続関係を図２１に示す。

ここで、メモリは実施例２と同様である。

ｍ段ゲートドライバ、ｎ段ソースドライバはｍ行ｎ列のＴＦＴアレイを駆動するためのものである。これらは実施例２におけるＴＦＴ駆動回路、Ｖｔｈ測定回路の機能を有しており、アレイにおける任意のＴＦＴを選択してＴＦＴ駆動回路又はＶｔｈ測定回路いずれかとして動作する。

ｍ段カソードドライバ、ｎ段アノードドライバはｍ行ｎ列の発光ダイオードアレイを駆動するためのものである。これらは実施例２における発光ダイオード制御回路の機能を有している。ｍ段ゲートドライバ、ｎ段ソースドライバによって測定された各ＴＦＴのＶｔｈをもとに、アレイにおける対応する発光ダイオードを選択して、メモリを参照して点灯状態を制御することができる。

この装置のＴＦＴアレイにおいて、ＴＦＴアレイの製造工程のうちいずれかの工程の面内不均一性により、図２２（ａ）のようにアレイを構成するＴＦＴのＶｔｈが平均値Ｖｔｈ０（Ｖ）の周りに±ΔＶｔｈ０（Ｖ）の幅を持って分布しているとする。

この系を実施例２と同様に駆動する。駆動中において、アレイを構成するＴＦＴのＶｔｈは、図２２（ｂ）のように平均値Ｖｔｈ０’（Ｖ）を中心に±ΔＶｔｈ０’（Ｖ）の分布を持っているとする。Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ０’であるような平均的なＴＦＴに対しても、そのＴＦＴに対応する発光ダイオードから光が照射されており、Ｖｔｈ０’＜Ｖｔｈ０である。Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ１’＞Ｖｔｈ０’である別なＴＦＴには、平均的なＴＦＴに照射されるよりも多くの光が照射されており、初期状態と比べてこのＴＦＴのＶｔｈはより平均値（Ｖｔｈ０’）に近づいている。同様に、Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ２’＜Ｖｔｈ０’である別なＴＦＴには、平均的なＴＦＴに照射されるよりも少ない光が照射されており、このＴＦＴのＶｔｈもＶｔｈ０’に近づいている。よって定常状態においては、｜ΔＶｔｈ０’｜＜｜ΔＶｔｈ０｜であると考えられる。すなわち、この系の駆動中においては、製造工程履歴によるＶｔｈのばらつきの影響は小さくなる。

このように、半導体装置に含まれる複数の素子について、素子間での閾値電圧のばらつきを抑えることができる。

（実施例７）
上記の実施例２から６のＶｔｈ測定回路は、ＴＦＴのＶｔｈそのものの代わりに、Ｖｔｈに準ずる情報を出力できる簡易な回路で代用できる。回路の一例と、その駆動タイミングチャートをそれぞれ図２３、図２４に示す。

ＴＦＴ３００のＶｔｈを求めるために、これを定電圧電源９１０及び負荷容量９３０と接続する。負荷容量９３０はリセットＴＦＴ３０７を通じてシャントされており、リセットＴＦＴ３０７のゲート電極へのリセット信号ＲＳＴの入力によりＶｏｕｔの電位はリセットされる。ＴＦＴ３００をオフ状態とし、ＲＳＴを入力後、ＴＦＴ３００のゲート電圧を一定の電圧範囲で等速掃引し、ふたたびＴＦＴ３００をオフ状態とする。

ＴＦＴ３００のＶｔｈの大きさに応じて、ＴＦＴ３００がオン状態となる期間の長さが変化し、それに応じてＶｏｕｔの電位が上昇する。Ｖｏｕｔの大きさは、上記の操作の間にＴＦＴ３００に流れたドレイン−ソース電流を時間積分したものにほぼ比例すると考えられる。具体的には、ＴＦＴ３００のＶｔｈが小さい場合はＴＦＴ３００がオン状態となる期間が長いため、ＴＦＴ３００をオフ状態とした後のＶｏｕｔが大きい（図２４実線）。逆に、ＴＦＴ３００のＶｔｈが大きい場合はＶｏｕｔが小さい（図２４破線）。したがって、Ｖｏｕｔの電位を出力する回路によってＴＦＴ３００のＶｔｈ測定回路を代用できる。上記各実施例におけるメモリには、Ｖｏｕｔの電位にしたがって発光ダイオードに印加する電流を指定するルックアップテーブルを格納しておけばよい。

このようにすることで、より簡便な回路で閾値電圧に準じる信号の測定が可能となる。それにより半導体素子を含む半導体装置において、閾値電圧変化を補償又は抑制することができる。また、半導体装置に含まれる複数の素子について、素子間での閾値電圧のばらつきを抑えることができる。

（実施例８）
本実施例では、実施例２から６のいずれかと実施例７とを組み合わせた実施例において、発光ダイオード制御回路を特定の構成とすることでメモリを省略した。

実施例７と同様の回路により、図２５（ｉ）の白矢印の各時刻においてＴＦＴ３００におけるＶｏｕｔを測定する。ＴＦＴ３００のＶｔｈが図２５（ｉ）の実線で示したとおりに推移する場合、Ｖｏｕｔ出力回路の出力は図２５（ｉｉ）の黒点のようになる。

実施例２から６における（Ｄ）の入力段を、Ｖｏｕｔと外部から供給する参照電位Ｖｒｅｆとを比較するコンパレータと、コンパレータ出力を保持するサンプル・ホールド回路によって構成する。コンパレータは、Ｖｏｕｔ＜ＶｒｅｆであればＨｉｇｈ電位を、Ｖｏｕｔ＞ＶｒｅｆであればＬｏｗ電位を出力する。サンプル・ホールド回路はコンパレータの出力電位を次のＶｏｕｔ信号の入力まで保持する。図２５（ｉｉ）のＶｏｕｔ・Ｖｒｅｆに対して、サンプル・ホールド回路の出力は図２５（ｉｉｉ）のようになる。

実施例２から６における発光ダイオード駆動部を、発光ダイオードを駆動する定電圧電源と、それと直列に接続されたスイッチとで構成する。スイッチは、上記サンプル・ホールド回路によって制御され、発光ダイオードは次のＶｏｕｔ信号の入力まで点灯・消灯の２値のどちらかに保持されている。すなわち、Ｖｏｕｔ＜Ｖｒｅｆであれば点灯状態が維持されており、Ｖｏｕｔ＞Ｖｒｅｆであれば消灯状態が維持されている。点灯時の輝度は電源電圧によって決まる一定値である。図２５（ｉｉｉ）のＶｏｕｔ・Ｖｒｅｆに対して、発光ダイオードの点灯状態は図２５（ｉｖ）のようになる。

上記構成により、ＴＦＴ３００のＶｔｈとＶｒｅｆとの大小関係に応じて発光ダイオードの実効的な点灯時間が制御され、ＴＦＴ３００のＶｔｈが所望の電圧近傍で安定する。すなわち、ＴＦＴ３００のＶｔｈが増加してＶｏｕｔ＜Ｖｒｅｆとなった場合、発光ダイオードが点灯する。ＴＦＴ３００のチャネル部に光が照射されＶｔｈが減少すると、Ｖｏｕｔは増加する。Ｖｏｕｔ＞Ｖｒｅｆとなると発光ダイオードは消灯する。このように、ＴＦＴ３００のＶｔｈは、Ｖｏｕｔ＝ＶｒｅｆとなるようなＶｔｈの近傍で安定する。

上記操作におけるＶｒｅｆの値を、ＴＦＴ３００のＶｔｈがＶｔｈ＝Ｖｔａｒｇｅｔ（ＴＦＴ３００のＶｔｈの制御目標値：図２５（ｉ）に示す）であるときのＶｏｕｔの値とすることができる。この結果、ＴＦＴ３００のＶｔｈはＶｔａｒｇｅｔの近傍で安定する。

（実施例９）
本実施例では、電界発光素子を駆動する装置に本発明を適用する場合、半導体素子の閾値電圧ではなく電界発光素子の発光強度を半導体素子の閾値電圧制御のための入力量とした。

アクティブマトリクス型ＯＬＥＤディスプレイの画素回路９９９と、画素回路９９９のＯＬＥＤ発光強度読み出し回路９９８が互いに近接して配置された半導体装置を図２６に示す。画素回路９９９はスイッチＴＦＴ３０８・駆動ＴＦＴ３０９・ＯＬＥＤ６００を有する。読み出し回路９９８は画素回路９９９に近接して配置されており、フォトダイオード８００・読み出し容量９３１を有する。読み出し回路９９８は読み出し容量９３１の出力電位ＶｏｕｔをリセットするリセットＴＦＴ３０７を備えていてもよい。駆動ＴＦＴ３０９のチャネル部に光を照射するための発光ダイオードなどは省略してある。

ＯＬＥＤ６００の発光をフォトダイオード８００で受け、読み出し容量９３１上の電位Ｖｏｕｔとして出力する。

この半導体装置において、実施形態の項に記したように駆動ＴＦＴ３０９のＶｔｈを変化させることで、ＯＬＥＤの劣化による発光強度の低下を補償又は抑制できる。具体的には、電圧差（Ｖｏｕｔ−Ｖｄａｔａ）を常に特定の値に保つように発光ダイオードの光照射条件を制御し、駆動ＴＦＴ３０９のＶｔｈを調節する。

このように、電界発光素子を含む半導体装置において電界発光素子の劣化による発光強度の低下を抑えることができる。

本発明の第３の効果が得られる実施形態の一例を説明する図である。 図１の回路に本発明を適用した場合の動作を説明する図である。 本発明を適用できる半導体素子の一例の断面図である。 本発明を適用できる半導体素子の一例の伝達特性を説明する図である。 本発明を適用できる半導体素子の一例の閾値電圧の変化を説明する図である。 本発明を適用できる半導体素子の一例における半導体素子特性の変化を説明する図である。 本発明を適用できる半導体素子の一例の伝達特性の変化を説明する図である。 本発明を適用できる半導体素子の一例のギャップ内準位の面密度を説明する図である。 実施例１における半導体素子の断面図である。 実施例１における半導体装置の概念図である。 実施例１における半導体素子の特性を説明する図である。 実施例１における検量線を説明する図である。 実施例２における半導体装置を含む系の概念図である。 実施例２における系の制御法を説明する図である。 実施例２及び３における系の制御法を説明する図である。 実施例４における半導体装置の概念図である。 実施例４における半導体装置を含む系の概念図である。 実施例５における半導体装置の概念図である。 実施例５における半導体装置を含む系の概念図である。 実施例５における系の制御法を説明する図である。 実施例６における半導体装置を含む系の概念図である。 実施例６における半導体素子の閾値電圧の分布を説明する図である。 実施例７における系の一部における回路図である。 実施例７における系の一部の駆動法を説明する図である。 実施例８における系の制御法を説明する図である。 実施例９における半導体装置の概念図である。

符号の説明

１００ 半導体
２００ 光源
２１０ 光
３００ ＴＦＴ
３０１ 参照用ＴＦＴ
３０７ リセットＴＦＴ
３０８ スイッチＴＦＴ
３０９ 駆動ＴＦＴ
３１１ ゲート絶縁膜
３１２ ゲート電極
３２１ ソース電極
３２２ ドレイン電極
３３０ チャネル層
４００ 基板
５００ 発光ダイオード
５０１ 発光ダイオード１
５０２ 発光ダイオード２
６００ 有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）
８００ フォトダイオード
９１０ 定電圧電源
９３０ 負荷容量
９３１ 読み出し容量
９９１ ＯＬＥＤ劣化前のＯＬＥＤ６００の電流電圧特性
９９２ ＯＬＥＤ劣化前の駆動ＴＦＴ３０９の出力特性
９９３ ＯＬＥＤ劣化後のＯＬＥＤ６００の電流電圧特
９９４ 光照射後の駆動ＴＦＴ３０９の出力特性
９９８ ＯＬＥＤ発光強度読み出し回路
９９９ 画素回路

Claims (4)

1. 少なくとも半導体を構成要素として有する半導体素子と、該半導体素子によって駆動される電界発光素子と、を少なくとも含む半導体装置における該半導体素子の閾値電圧の制御方法であって、
   半導体素子の閾値電圧の指標となる特性値を測定する工程と、前記特性値に基づいて前記半導体に照射する光の照射強度、照射時間又は波長を決定する工程と、
   前記照射強度、照射時間又は波長が決定された前記光を前記半導体に照射することにより前記半導体素子の閾値電圧を減少させる工程と、
   を含み、前記特性値は、前記電界発光素子の発光強度であることを特徴とする半導体素子の閾値電圧の制御方法。
2. 前記半導体装置は、複数の半導体素子を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の閾値電圧の制御方法。
3. 前記半導体素子は、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極、チャネル層、ゲート絶縁膜から少なくともなり、前記半導体は該チャネル層であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体素子の閾値電圧の制御方法。
4. 前記半導体装置が有する前記電界発光素子は、有機ＥＬであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体素子の閾値電圧の制御方法。