(57)【要約】【課題】本発明は、薄膜トランジスタのオフ電流を低減させることを目的とするものである。【解決手段】そしてこの目的を達成するために本発明は、ソース電極とドレイン電極と、前記ソース電極および前記ドレイン電極に接している酸化物半導体からなるチャネル層と、前記チャネル層を介して前記ソース電極と前記ドレイン電極間に流れる電流を制御するゲート電極と、前記ゲート電極を、前記ソース電極と前記ドレイン電極と前記チャネル層とから隔てる第１の絶縁膜と、前記チャネル層を基準にして前記ゲート電極とは反対側に設けられており、該ゲート電極とは独立して電圧が印加されるバックゲート電極と、前記バックゲート電極を、前記ソース電極と前記ドレイン電極と前記チャネル層とから隔てる第２の絶縁膜と、を備え、前記バックゲート電極に印加する電圧は、プラスの電圧値とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソース電極とドレイン電極と、
前記ソース電極および前記ドレイン電極に接している酸化物半導体からなるチャネル層と、
前記チャネル層を介して前記ソース電極と前記ドレイン電極間に流れる電流を制御するゲート電極と、
前記ゲート電極を、前記ソース電極と前記ドレイン電極と前記チャネル層とから隔てる第１の絶縁膜と、
前記チャネル層を基準にして前記ゲート電極とは反対側に設けられており、該ゲート電極とは独立して電圧が印加されるバックゲート電極と、
前記バックゲート電極を、前記ソース電極と前記ドレイン電極と前記チャネル層とから隔てる第２の絶縁膜と、
を備え、
前記バックゲート電極に印加する電圧は、プラスの電圧値とする薄膜トランジスタ。
【請求項２】
前記チャネル層の酸化物半導体が、少なくともインジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）を含む酸化物半導体である請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項３】
前記薄膜トランジスタのバックゲート電極に印加する電圧は、ソース電極とドレイン電極間に印加する電圧値以上である請求項１または２に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項４】
支持基板上に請求項１から３のいずれか一項に記載の前記薄膜トランジスタが配列されている薄膜トランジスタアレイ。
【請求項５】
前記支持基板上に配列されている前記複数の薄膜トランジスタの前記バックゲート電極が、電気的に接続されている請求項４に記載の薄膜トランジスタアレイ。
【請求項６】
入射したＸ線を、電気信号に変換するＸ線センサであって、
入射したＸ線を電荷に変換する半導体層と、この半導体層で変換された電荷を蓄積する蓄積容量部と、この蓄積容量部に蓄積された電荷を読み出す薄膜トランジスタと、を備え、
前記薄膜トランジスタは、請求項１から３のいずれか一つに記載のもので構成したＸ線センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜トランジスタ、薄膜トランジスタアレイ、およびこれらを用いたＸ線センサなどの撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、薄膜トランジスタのチャネル層の材料として、主成分がインジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）、酸素（Ｏ）からなる酸化物半導体（以下ＩＧＺＯと表記） が、比較的簡単に１０ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ以上の高移動度が出せ、バンドギャップが３ｅＶ 程度と広いため高耐圧の素子を小さなサイズで実現できるため注目を集めている。
【０００３】
このＩＧＺＯを用いた薄膜トランジスタ（以下ＴＦＴと表記）は、液晶や有機ＥＬ表示装置の駆動制御に用いられ既に商品化もされているが、医療分野においてもＸ線等の電磁波を照射して撮像を行う撮像装置の駆動制御用に用いることが提案されている（特許文献１）。
【０００４】
このＴＦＴは、ゲート、ソース、ドレイン電極に加えて、活性層に対してゲート電極とは反対側にバイアス電極を設け、このバイアス電極に概ねグランド電位（０Ｖ）を印加している。これは、Ｘ線等により発生した電荷が薄膜トランジスタ近傍に帯電した場合に、活性層の電位が変動して薄膜トランジスタの閾値が変動するのを抑制し、安定したノーマリオフ動作を実現しようとするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−７４１３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＩＧＺＯを用いたＴＦＴは、アモルファスシリコン等の他の材料を用いたＴＦＴに比べて、オフ電流は少ないが、特に医療分野においてＸ線等の電磁波を照射して撮像を行う撮像装置の駆動制御用に用いる場合は、オフ電流は検出信号のノイズとなるため、撮像画像の高画質化、また撮像画像のＳ／Ｎを向上させて、照射するＸ線の線量低減による患者（被爆者）の低被爆化のためには更なるオフ電流の低減が必要である。
【０００７】
そのため本発明は、ＴＦＴのオフ電流を低減させることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そしてこの目的を達成するために本発明は、ソース電極とドレイン電極と、前記ソース電極および前記ドレイン電極に接している酸化物半導体からなるチャネル層と、前記チャネル層を介して前記ソース電極と前記ドレイン電極間に流れる電流を制御するゲート電極と、前記ゲート電極を、前記ソース電極と前記ドレイン電極と前記チャネル層とから隔てる第１の絶縁膜と、前記チャネル層を基準にして前記ゲート電極とは反対側に設けられており、該ゲート電極とは独立して電圧が印加されるバックゲート電極と、前記バックゲート電極を、前記ソース電極と前記ドレイン電極と前記チャネル層とから隔てる第２の絶縁膜と、を備え、前記バックゲート電極に印加する電圧は、プラスの電圧値とする構成とし、これにより所期の目的を達成するものである。
【発明の効果】
【０００９】
以上のように本発明は、ソース電極とドレイン電極と、前記ソース電極および前記ドレイン電極に接している酸化物半導体からなるチャネル層と、前記チャネル層を介して前記ソース電極と前記ドレイン電極間に流れる電流を制御するゲート電極と、前記ゲート電極を、前記ソース電極と前記ドレイン電極と前記チャネル層とから隔てる第１の絶縁膜と、前記チャネル層を基準にして前記ゲート電極とは反対側に設けられており、該ゲート電極とは独立して電圧が印加されるバックゲート電極と、前記バックゲート電極を、前記ソース電極と前記ドレイン電極と前記チャネル層とから隔てる第２の絶縁膜と、を備え、前記バックゲート電極に印加する電圧は、プラスの電圧値としたものであり、薄膜トランジスタのオフ電流を低減させることができる。
【００１０】
本発明によりオフ電流が低減する理由は、以下のように推測している。
ＩＧＺＯをチャネル層に用いたＴＦＴでは、ＴＦＴがオフ時でもチャネル層中の酸素欠損等から発生する少量のキャリア（電子）がソース・ドレイン電極間の電圧により移動し、オフ電流（リーク電流）となる。
【００１１】
また、ＩＧＺＯをチャネル層に用いたＴＦＴのパッシベーション層としてＳｉＯｘや、ＳｉＮｘ、Ａｌ２Ｏｘなどが検討されているが、いずれの材料を用いても、チャネル層のパッシベーション層近傍に界面準位が多く存在する。
【００１２】
バックゲート電極にプラス電圧を印加することで、ＴＦＴがオフ時にチャネル層に存在する少数のキャリアがパッシベーション層近傍へ移動し、パッシベーション層近傍に存在する界面準位に捕獲される確率が高くなる。このためＴＦＴがオフ時のチャネル層中のキャリアが減少し、オフ電流が低減するものと考えられる。
【００１３】
このようなことは、全く予想していなかったことであったが、本発明者の実験の結果、
バックゲート電極にプラス電圧を印加することで、グランド電位を印加した場合よりもオフ電流が低下することを見出した。なお、バックデート電極に印加するプラス電圧は、ソース・ドレイン電極間に印加する電圧以上とすると、オフ電流低減効果は大きいという結果であった。これは、バックゲート電極に印加する電圧を、ソース・ドレイン電極間に印加する電圧以上とすると、チャネル層中のキャリアがソース電極からドレイン電極（あるいはドレイン電極からソース電極）へ到達する前に、パッシベーション近傍へ移動しやすいため、界面準位に捕獲される確率が高くなり、オフ電流の低減効果が大きくなるものと考えている。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明のＴＦＴの構成図
【図２】Ｉｄ−Ｖｇ特性のバックゲート電極の電圧依存性の特性図
【図３】本発明のＸ線センサの１画素の構成図
【図４】本発明のＸ線センサの動作を説明するための概略断面図
【図５】本発明のＸ線センサの駆動を説明するための概略図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（実施の形態１）
以下、本発明の一実施形態にかかる薄膜トランジスタ（以下ＴＦＴとして記載）を、図面を用いて説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態にかかるＴＦＴの構成を示すものである。このＴＦＴはＸ線センサなどの撮像装置や有機ＥＬ表示装置等の駆動制御用に使用されるものであり、１つの画素が形成される領域ごとに一つずつ設けられている。
【００１７】
ＴＦＴは、ガラス基板１上に作製されており、対向して配置したソース電極２およびドレイン電極３と、このソース電極２、ドレイン電極３に接し、酸化物半導体からなるチャネル層４と、チャネル層４を介してソース電極２とドレイン電極３間に流れる電流を制御するゲート電極５を有しており、このゲート電極５は第１の絶縁層６でソース電極２、ドレイン電極３およびチャネル層４から隔てられている。更に、チャネル層４を基準にしてゲート電極５とは反対側にバックゲート電極７を有しており、このバックゲート電極７は第２の絶縁層８によって、ソース電極２、ドレイン電極３およびチャネル層４から隔てられている。
【００１８】
前述の酸化物からなるチャネル層４は、少なくともインジウム、ガリウム、亜鉛を含む酸化物半導体（ＩＧＺＯ）であり、この材料を用いることで比較的簡単に１０ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ以上の高移動度が出せ、バンドギャップが３ｅＶ 程度と広いため高耐圧の素子を小さなサイズで実現できる。
【００１９】
また前述の第１の絶縁層６および第２の絶縁層８は、共に酸化珪素（ＳｉＯ２）を用いており、第１の絶縁層の厚さは１００ｎｍ、第２の絶縁層の厚さは６００ｎｍとした。
【００２０】
このＴＦＴにおいて、ソース電極の電位を０Ｖ（ＧＮＤ）とし、ドレイン電極に７Ｖの電圧を印加し、ゲート電極の電圧を−２０Ｖから２０Ｖまで変化させて、ドレイン電流（Ｉｄ）−ゲート電圧（Ｖｇ）特性を測定した。この際に、パラメータとしてバックゲート電極７に印加する電圧を０Ｖ（ＧＮＤ）、７Ｖ、１４Ｖとして測定を行った。その結果を図２に示す。バックゲート電極７に印加する電圧が０Ｖの場合に比べて、バックゲート電極７にプラス電圧を印加するとオフ電流が低下した。そして、このバックゲート電極７に印加する電圧の値が大きいほどオフ電流の低下量は大きいという結果であった。
【００２１】
このメカニズムについては、以下のように推測している。
【００２２】
ＩＧＺＯをチャネル層４に用いたＴＦＴでは、ＴＦＴがオフ時でもチャネル層４中の酸素欠損等から発生する少量のキャリア（電子）がソース電極２とドレイン電極３間の電位差により移動し、これがオフ電流となる。
【００２３】
また、チャネル層４とバックゲート電極７の間にＳｉＯ２からなる第２の絶縁層８があり、チャネル層４の第２の絶縁層８近傍には界面準位が多く存在する。そして、バックゲート電極７にプラス電圧を印加することで、ＴＦＴがオフ時にチャネル層４に存在する少量のキャリアが第２の絶縁層８近傍へ移動し、第２の絶縁層８近傍に存在する界面準位に捕獲される確率が高くなる。このためバックゲート電極７にプラス電圧を印加すると、ＴＦＴがオフ時のチャネル層４中のキャリアが減少してオフ電流が低下する。
【００２４】
なお、バックゲート電極７に印加する電圧は、ソース電極２とドレイン電極３間に印加する電圧以上であるのが好ましい。その理由は、バックゲート電極７に印加する電圧が、ソース電極２とドレイン電極３間に印加する電圧以上であれば、チャネル層４中のキャリアがソース電極２からドレイン電極３へ到達する前に、第２の絶縁層８近傍へ移動しやすいため、界面準位に捕獲される確率が高くなりオフ電流低減効果が大きくなるためである。
【００２５】
（実施の形態２）
以下、本発明の一実施形態にかかるＴＦＴを用いたＸ線センサについて、図面を用いて説明する。
【００２６】
図３は、本発明の一実施形態にかかるＸ線センサの１画素の構成を示すものであり、１画素の中に１つのＴＦＴ９と１つの蓄積容量部１０を備え、このＴＦＴ９と蓄積容量部１０の上部にＸ線変換膜１１、およびバイアス電極１２を設けた構成となっている。
【００２７】
ＴＦＴ９は第１の実施形態で説明したバックゲート電極７を備えたＴＦＴであり、対向して配置したソース電極２およびドレイン電極３と、このソース電極２、ドレイン電極３に接したチャネル層４と、このソース電極２、ドレイン電極３およびチャネル層４とから第１の絶縁層６で隔てられたゲート電極５と、前記チャネル層４を基準にしてゲート電極５とは反対側にバックゲート電極７を有し、このバックゲート電極７は第２の絶縁層８によりソース電極２、ドレイン電極３およびチャネル層４とから隔てられている。
【００２８】
前記チャネル層４は、インジウム、ガリウム、亜鉛を含む酸化物半導体（ＩＧＺＯ）、また第１の絶縁層６と第２の絶縁層８は、共にＳｉＯ２であり、第１の絶縁層６の厚さは１００ｎｍ、第２の絶縁層８の厚さは６００ｎｍとした。
【００２９】
一方、蓄積容量部１０は下部電極１３と、第１の絶縁層６と、上部電極１４から構成されており、ＴＦＴ９のドレイン電極３と蓄積容量部１０の上部電極１４は電気的に接続されている。
【００３０】
そして、ＴＦＴ９および蓄積容量部１０の上部には、第３の絶縁層１５層が設けられている。この第３の絶縁層はＳｉＯ２で形成され、その膜厚は６００nmとした。
【００３１】
この第３の絶縁層１５のうち、蓄積容量部１０の上部分にコンタクトホール１６が形成されている。そして第３の絶縁層１５およびコンタクトホール１６上に電荷収集電極１７が作製されているが、この電荷収集電極１７は、コンタクトホール１６を介して蓄積容量部１０の上部電極１４と電気的に接続されている。
【００３２】
更に、第３の絶縁層１５および電荷収集電極１７上にＸ線変換膜１１が形成されている。このＸ線変換膜１１の材質は非晶質セレン（アモルファスセレン）であり、本実施の形態では、その厚さを５００μｍとした。
【００３３】
そして、このＸ線センサ変換膜上にバイアス電極１２が設けられている。
【００３４】
次に、Ｘ線センサの動作について説明する。図４は、本発明のＸ線センサの動作を説明するための図であり、３画素分の概略断面図を示してある。この図に示したように、バイアス電極１２に高電圧を印加することで、X線変換膜中には高電界が形成される。この状態でＸ線変換膜１１にＸ線が照射されると、X線の線量に応じて生成された電子・正孔のうち、正孔が電荷収集電極１７へ移動し、蓄積容量部１０に蓄積される。そして、ＴＦＴ９がオンになった際に、蓄積容量部１０に蓄積された正孔と同じ電荷量の電子がＴＦＴ９を経由して蓄積容量部１０へ流れ、このときの電流が信号として読み出される。本実施の形態では、高電圧源によりバイアス電極１２に５ｋＶの電圧を印加した。
【００３５】
また、バックゲート電極７は電圧源に接続され、固定電圧が印加される。本実施の形態では、全てのＴＦＴ９のバックゲート電極７が電気的に接続されて共通化されており、電圧源から１４Ｖの電圧を印加した。
【００３６】
図５は、画素がマトリクス状に配置されたＸ線センサの駆動を説明するための概略図である。
【００３７】
本実施の形態では、２５６×２５６画素アレイを作製した。このアレイの中には、ゲート電極に制御電圧を印加するゲートライン１８が横方向に、およびＴＦＴのソース電極からの信号を読み出すデータライン１９が縦方向に、各画素を結ぶように設けられている。
【００３８】
前記ゲートライン１８は、ゲートドライバ２０に接続されて、ゲートライン１８ごとに順次選択的に駆動され、駆動されたゲートライン１８に属するセンサ画素からの信号は、データライン１９を通じてＡＤコンバータ２１へ出力され、映像回路（図示せず）を介して画像化される。
【００３９】
ここで、1本のデータライン１９を考えた場合、同じデータライン１９に接続されているＴＦＴのうち、ＯＮになっているのは１つのＴＦＴのみで、その他のＴＦＴはオフである。しかし、ＴＦＴはオフ時にもオフ電流が流れるため、読み出そうとしている同じデータライン１９に接続されているオフのＴＦＴの数だけオフ電流が積算され、ＴＦＴがＯＮになっている1つの画素から読み出す信号にノイズとして加算される。本実施の形態のＸ線センサでは、１つのデータラインに２５５個の画素が接続されているため、２５４個分のＴＦＴのオフ電流がノイズとして加算されることになる。
【００４０】
実際に市販されている医療用Ｘ線センサでは、例えばアンギオグラフィ（血管造影）用であれば２８８０×２８８０画素程度のアレイであるため、１つのデータラインのノイズを考えた場合、1つのＴＦＴのオフ電流が少し異なると、１つのデータラインのノイズは大きく異なってくる。
【００４１】
本実施の形態で用いているＴＦＴはバックゲート電極が設けられ、このバックゲート電極にプラス１４Ｖの電圧が印加されているため、実施の形態１で説明したように、バックゲート電極がない場合（あるいはバックゲート電極に０Ｖを印加した場合）と比べて、ＴＦＴのオフ電流を低減することができ、Ｘ線センサの低ノイズ化が可能となる。
【００４２】
このような低ノイズのＸ線センサを医療用Ｘ線診断装置に用いると、下記のような利点がある。
【００４３】
１．バックゲート電極がないＴＦＴを用いたＸ線センサと同じＸ線の線量を照射した場合（同じ信号量を得られる場合）、ノイズが少ないのでＳ／Ｎが大きくなり、高画質なＸ線画像が得られる。
【００４４】
２．バックゲート電極がないＴＦＴを用いたＸ線センサと同じ画質のＸ線画像を得ようとした場合（同じＳ／Ｎを得ようとした場合）、ノイズが少ないので、照射するＸ線の線量を小さくして信号量を少なくすることができる。従って、患者の被爆量低減が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
以上のように本発明は、ソース電極とドレイン電極と、前記ソース電極および前記ドレイン電極に接している酸化物半導体からなるチャネル層と、前記チャネル層を介して前記ソース電極と前記ドレイン電極間に流れる電流を制御するゲート電極と、前記ゲート電極を、前記ソース電極と前記ドレイン電極と前記チャネル層とから隔てる第１の絶縁膜と、前記チャネル層を基準にして前記ゲート電極とは反対側に設けられており、該ゲート電極とは独立して電圧が印加されるバックゲート電極と、前記バックゲート電極を、前記ソース電極と前記ドレイン電極と前記チャネル層とから隔てる第２の絶縁膜と、を備え、前記バックゲート電極に印加する電圧は、プラスの電圧値としたものであり、薄膜トランジスタのオフ電流を低減させることができるので、医療用Ｘ線撮像装置のＸ線センサに用いた場合には、高画質化あるいは患者の被爆量を低減することが可能となる。
【００４６】
したがって、Ｘ線センサとそれを用いたＸ線診断装置への適用が大いに期待されるものである。
【符号の説明】
【００４７】
１  ガラス基板
２  ソース電極
３  ドレイン電極
４  チャネル層
５  ゲート電極
６  第１の絶縁層
７  バックゲート電極
８  第２の絶縁層
９  ＴＦＴ
１０  蓄積容量部
１１  Ｘ線変換膜
１２  バイアス電極
１３  下部電極
１４  上部電極
１５  第３の絶縁層
１６  コンタクトホール
１７  電荷収集電極
１８  ゲートライン
１９  データライン
２０  ゲートドライバ
２１  ＡＤコンバータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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