(57)【要約】【課題】材料費、工程数を低減しその結果歩留まりを向上させ、コストを低減する。【解決手段】薄膜トランジスタと、薄膜トランジスタと電気的に接続される電極１０４を有する光制御素子と、を備えた光制御装置であって、薄膜トランジスタの半導体領域１０２と画素電極１０４とが同一の半導体層からなり、同一の半導体層はＩｎ，Ｇａ，Ｚｎから選択される元素の少なくとも一つを含む酸化物からなる非晶質層である。半導体層の画素電極となる部分は、半導体領域よりも抵抗率が低い。また、保持電荷蓄積容量部にも抵抗率の低い領域を用いることができる。加えて、電極を延設し配線として用いることもできる。光制御素子はエレクトロルミネッセンス素子、液晶セル、電気泳動型粒子セル等を用いることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜トランジスタと、該薄膜トランジスタと電気的に接続される電極を有する光制御素子と、を備えた光制御装置であって、
前記薄膜トランジスタの半導体領域と前記電極とが同一層の半導体層からなり、前記半導体層はＩｎ，Ｇａ，Ｚｎから選択される元素の少なくとも一つを含む酸化物からなる非晶質層であることを特徴とする光制御装置。
【請求項２】
前記半導体層の前記電極となる部分は、前記半導体領域よりも抵抗率が低いことを特徴とする請求項１に記載の光制御装置。
【請求項３】
前記半導体層の前記電極となる部分には水素又は重水素が導入されていることを特徴とする請求項２に記載の光制御装置。
【請求項４】
前記半導体層の前記電極となる部分はＸ線又は電子線が照射されることで抵抗率が低減されている請求項２に記載の光制御装置。
【請求項５】
前記半導体領域と前記電極とが接していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光制御装置。
【請求項６】
前記電極は、電荷保持のための蓄積容量電極を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光制御装置。
【請求項７】
前記半導体層の前記電極となる部分の水素又は重水素の濃度が５×１０１９以上であることを特徴とする請求項３に記載の光制御装置。
【請求項８】
前記半導体領域の電子キャリア濃度が１０１８／ｃｍ３未満であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の光制御装置。
【請求項９】
前記光制御素子がエレクトロルミネッセンス素子である、請求項１から８のいずれか１項に記載の光制御装置。
【請求項１０】
前記光制御素子が液晶セルである、請求項１から８のいずれか１項に記載の光制御装置。
【請求項１１】
前記光制御素子が電気泳動型粒子セルである、請求項１から８のいずれか１項に記載の光制御装置。
【請求項１２】
前記電気泳動型粒子セルが、流体と粒子を封止したカプセルを対向電極間に挟んだセルである、請求項１１に記載の光制御装置。
【請求項１３】
前記光制御素子及び前記薄膜トランジスタが、可撓性樹脂基体上に設けられている請求項１から１２のいずれか１項に記載の光制御装置。
【請求項１４】
前記光制御素子及び前記薄膜トランジスタが、光透過性基体上に設けられている請求項１から１２のいずれか１項に記載の光制御装置。
【請求項１５】
前記薄膜トランジスタの半導体領域の前記電極の接続部とは異なる部分で、該半導体領域が配線と電気的に接続されており、
前記配線は前記半導体層から構成されてなる請求項１から１４のいずれか１項に記載の光制御装置。
【請求項１６】
前記半導体層の前記配線となる部分は、前記半導体領域よりも抵抗率が低いことを特徴とする請求項１５に記載の光制御装置。
【請求項１７】
前記半導体領域と前記配線とが接していることを特徴とする請求項１５又は１６に記載の光制御装置。
【請求項１８】
請求項１から１７のいずれか１項に記載の光制御装置が二次元的に複数配されている画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタと、薄膜トランジスタと電気的に接続される電極を有する光制御素子とを備えた光制御装置及び光制御装置を備えた画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、液晶やエレクトロルミネッセンス（ElectroLuminescence:EL）技術等の進歩により、平面薄型画像表示装置（Flat Panel Display:FPD）が実用化されている。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（Thin Film Transistor:TFT）のアクティブマトリクス回路により駆動されている。一方、これらＦＰＤのより一層の薄型化、軽量化、耐破損性の向上を求めて、ガラス基板の替わりに軽量で可撓性のある樹脂基板を用いる試みも行われている。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。
【０００３】
この困難を解決するひとつのアプローチとして、低温での成膜が可能な、たとえばＺｎＯを主成分とした酸化物半導体薄膜を用いるＴＦＴの開発が活発に行われている（特許文献１）。また、一般的に画像表示を行う表示素子は、半導体層と画素電極層は異なる材料で形成されていた（特許文献２）。
【０００４】
また、画素電極層への書き込み電荷保持性を確保するために、画素と電気的に並列に蓄積容量を形成することが一般的であるが、この蓄積容量の電極層（蓄積容量電極層）を形成する材料も、半導体層、画素材料とは異なる材料で形成される。
【０００５】
この蓄積容量電極層は、ゲート配線や上層のメタル配線等を用いて作成されることが一般的であり、形成のために工程、構成が複雑になることが考えられる。
【０００６】
この工程の簡素化のために、半導体層を蓄積容量部に延設し、高濃度不純物ドープを行い低抵抗化し、この上にゲート絶縁層、ゲート電極をこの順位形成することによって蓄積容量部を形成する技術が提案されている（特許文献３）。
【特許文献１】特開２００２−７６３５６号公報
【特許文献２】特公平１−４２１４６号公報
【特許文献３】特許第３７６９３８９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、ＺｎＯを主成分とした伝導性透明酸化物では、酸素欠陥が入りやすく、キャリア電子が多数発生し、電気伝導度を小さくすることが難しい。このために、ゲート電圧無印加時でも、ソース端子とドレイン端子間に大きな電流が流れてしまい、ＴＦＴのノーマリーオフ動作を実現できない。また、トランジスタのオン・オフ比を大きくすることも難しい。
【０００８】
また、一般的に画像表示を行う表示素子は、半導体層と画素電極層、蓄積容量電極層は異なる材料で形成されていた為、半導体層と画素電極層、蓄積容量電極層を個別に形成しなければならなかった。
【０００９】
半導体層と画素電極層、蓄積容量電極層を個別形成する場合、工程、構造が複雑になる。また、一般的にゲート配線や上層のメタル配線等の光学的不透明な材料を用いることにより開口率が低下し、バックライトの透過性を損ない、表示輝度が落ちる可能性があった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の光制御装置は、薄膜トランジスタと、該薄膜トランジスタと電気的に接続される電極を有する光制御素子と、を備えた光制御装置であって、
前記薄膜トランジスタの半導体領域と前記電極とが同一層の半導体層からなり、前記半導体層はＩｎ，Ｇａ，Ｚｎから選択される元素の少なくとも一つを含む酸化物からなる非晶質層であることを特徴とする光制御装置である。前記電極は電荷保持のための蓄積容量電極を含む場合もある。また薄膜トランジスタの半導体領域の前記電極の接続部とは異なる部分で、該半導体領域が配線と電気的に接続されており、前記配線は前記半導体層から構成されている構成をとる場合もある。
【００１１】
また本発明の画像表示装置は、上記本発明の光制御装置を用いたものである。
【００１２】
なお、光制御素子とは、電流もしくは電圧により光が制御される素子であり、発光が制御される発光素子、光の透過率が制御される光透過率制御素子、もしくは光の反射率が制御される光反射率制御素子を含むものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、薄膜トランジスタの半導体領域と光制御素子の電極とを同一工程で作製することができるので、工程数を低減しその結果歩留まりを向上させ、コストを低減することができる。また電極となる金属原料の使用量を低減し装置のコスト低減も実現できる。
【００１４】
加えて、電極（電極に蓄積容量電極を含む場合もある）を構成する材料を可視光域透過性の高い材料にすることにより表示輝度を改善する、もしくはバックライトの消費電力を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（１）  まず、本発明者らが作製することに成功した電子キャリア濃度が１０１８／ｃｍ３未満の酸化物膜について詳述する（その後、本発明自体の具体的な構成について、（２）として後述する。）。
【００１６】
予備実験として、In-Ga-Zn-Oの非晶質膜にＨイオンを打ち込んで、その時の導電率を調べた。図４は、その結果を示したものである。Ｈイオン濃度が１０19（１．００Ｅ＋１９）／ｃｍ３以上になると導電率が十分に下がることが分かる。
【００１７】
上記酸化物膜とは具体的には、In-Ga-Zn-Oを含み構成され、結晶状態における組成がInGaｎO3(ZnO)m(m、ｎは６未満の整数)で表され、電子キャリア濃度が１０１８／ｃｍ３未満である非晶質酸化物膜である。
【００１８】
または、In-Ga-Zn-Ｍｇ-Oを含み構成され、結晶状態の組成がInGaｎO3(Zn1-xMｇxO)m  (m、ｎは６未満の整数、0＜x≦1)で表され、電子キャリア濃度が１０１８／ｃｍ３未満である非晶質酸化物膜である。
【００１９】
なお、これらの膜において、電子移動度が１ｃｍ２／（Ｖ・秒）超にすることも好ましい形態である。
【００２０】
上記膜をチャネル層に用いれば、トランジスターオフ時のゲート電流が０．１マイクロアンペヤ未満のノーマリーオフで、オン・オフ比が１０３超のトランジスタ特性を持ち、かつ可視光に透明で、フレキシブルなＴＦＴを作成することができることを見出した。
【００２１】
なお、上記膜は、伝導電子数の増加と共に、電子移動度が大きくなる。透明膜を形成する基板としては、ガラス基板、樹脂製プラスチック基板又はプラスチックフィルムなどを用いることができる。
【００２２】
上記非晶質酸化物膜をチャネル層に利用する際には、ＳｉＯｘ，ＳｉＮｘ，Ａｌ２Ｏ３，Ｙ２Ｏ３、又はＨｆＯ２の1種、又はそれらの化合物を少なくとも二種以上含む混晶化合物をゲート絶縁膜を用いトランジスタを形成することも好ましい形態である。
【００２３】
また、電気抵抗を高めるための不純物イオンを意図的に添加せず、酸素ガスを含む雰囲気中で、成膜することも好ましい形態である。
【００２４】
本発明者らは、この半絶縁性酸化物アモルファス薄膜は、伝導電子数の増加と共に、電子移動度が大きくなるという特異な特性を見出した。そして、その膜を用いてＴＦＴを作成し、オン・オフ比、ピンチオフ状態での飽和電流、スイッチ速度などのトランジスタ特性が更に向上することを見出した。
【００２５】
非晶質酸化物薄膜を膜トランジスタのチャネル層として用いると、電子移動度が１ｃｍ２／（Ｖ・秒）超、好ましくは５ｃｍ２／（Ｖ・秒）超、かつ電子キャリア濃度が１０１８／ｃｍ３未満、好ましくは、１０１６／ｃｍ３未満のときは、オフ時（ゲート電圧無印加時）のドレイン・ソース端子間の電流を、１０マイクロアンペヤ未満、好ましくは０．１マイクロアンペア未満にすることができる。また、該膜を用いれば、電子移動度が１ｃｍ２／（Ｖ・秒）超、好ましくは５ｃｍ２／（Ｖ・秒）超の時は、ピンチオフ後の飽和電流を１０マイクロアンペア超にでき、オン・オフ比を１０３超とすることができる。
【００２６】
ＴＦＴでは、ピンチオフ状態では、ゲート端子に高電圧が印加され、チャネル中には高密度の電子が存在している。したがって、本発明によれば、電子移動度が増加した分だけ、より飽和電流値を大きくすることができる。この結果、オン・オフ比の増大、飽和電流の増大、スイッチング速度の増大など、ほとんど全てのトランジスタ特性が向上する。なお、通常の化合物中では、電子数が増大すると、電子間の衝突により、電子移動度は減少する。
【００２７】
なお、上記ＴＦＴの構造としては、半導体チャネル層の上にゲート絶縁膜とゲート端子とを順に形成するスタガ（トップゲート）構造や、ゲート端子の上にゲート絶縁膜と半導体チャネル層を順に形成する逆スタガ（ボトムゲート）構造などを用いることができる。
【００２８】
一方、一体で形成される透明電極部分は、抵抗は１００〜１０−３Ωcm程度が好ましい。
【００２９】
（膜組成について）
結晶状態における組成がInGaｎO3(ZnO)m(m、ｎは６未満の整数)で表される非晶質酸化物薄膜は、ｍの値が６未満の場合は、８００℃以上の高温まで、非晶質状態が安定に保たれる。しかし、ｍの値が大きくなるにつれ、すなわち、InGaO3に対するZnOの比が増大して、ＺｎＯ組成に近づくにつれ、結晶化しやすくなる。
【００３０】
したがって、非晶質ＴＦＴのチャネル層としては、ｍの値が６未満であることが好ましい。
【００３１】
成膜方法は、InGaｎO3(ZnO)m組成を有する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、スパッタ法、パルスレーザー蒸着法が適している。さらに、量産性の観点から、スパッタ法が最も適している。
【００３２】
しかしながら、通常の条件で該非晶質膜を作成すると、主として酸素欠損が生じ、これまで、電子キャリア濃度を１０１８／ｃｍ３未満、電気伝導度にして、１０Ｓ／ｃｍ以下にすることができなかった。そうした膜を用いた場合、ノーマリーオフのトランジスタを構成することができない。本発明者らは、パルスレーザー蒸着法で作成したIn-Ga-Zn-Oから構成され、結晶状態における組成がInGaｎO3(ZnO)m(m、ｎは６未満の整数)で表される非晶質酸化物膜を、酸素分圧を４．５Ｐａ超の高い雰囲気中で、成膜した。そうすることにより、電子キャリア濃度を１０１８／ｃｍ３未満に低下させることができた。この場合、基板の温度は意図的に加温しない状態で、ほぼ室温に維持されている。低耐熱性の樹脂製プラスチックフィルムを基板として使用できるために、基板温度は100℃未満に保つことが好ましい。
【００３３】
酸素分圧をさらに大きくすると、電子キャリア数をさらに低下させることができる。例えば、図５に示す様に、基板温度２５℃、酸素分圧６Ｐａで成膜したInGaO3(ZnO)４膜では、さらに、電子キャリア数を１０１６／ｃｍ３（電気伝導：約１０-４Ｓ／ｃｍ）に低下させることができた。得られた膜は、図６に示す様に、電子移動度が１ｃｍ２／（Ｖ・秒）超であった。しかし、パルスレーザー蒸着法では、酸素分圧を６．５Ｐａ以上にすると、堆積した膜の表面が凸凹となり、ＴＦＴのチャネル層として用いることができない。
【００３４】
すなわち、酸素分圧４．５Ｐａ超、望ましくは5Ｐａ超、６．５Ｐａ未満の雰囲気で、パルスレーザー蒸着法で作製したIn-Ga-Zn-Oから構成され、結晶状態における組成InGaｎO3(ZnO)m(m、ｎは６未満の整数)で表される非晶質酸化物膜を用いれば、ノーマリーオフのトランジスタを構成することができる。
【００３５】
即ち、パルスレーザー蒸着法で膜を作製する場合の酸素分圧としては、４．５Pa以上６．５Pa未満、より好適には５Pa以上６．５Pa未満である。
【００３６】
また、該膜の電子移動度は、１ｃｍ２／Ｖ・秒超が得られ、オン・オフ比を１０３超に大きくすることができた。
【００３７】
また、アルゴンガスも用いたスパッタ蒸着法で作成したIn-Ga-Zn-Oから構成され、結晶状態における組成がInGaｎO3(ZnO)m(m、ｎは６未満の整数)で表される非晶質酸化物膜を、酸素分圧を３×１０-２Ｐａ超の高い雰囲気中で、成膜する。そうすることにより、図７に示すように、電気伝導度を１０Ｓ／ｃｍ未満に低下させることができた。この場合、基板の温度は意図的に加温しない状態で、ほぼ室温に維持されている。低耐熱性の樹脂製プラスチックフィルムを基板として使用できるために、基板温度は100℃未満に保つことが好ましい。酸素分圧をさらに大きくすることにより、電子キャリア数を低下させることができた。例えば、図７に示す様に、基板温度２５℃、酸素分圧１０-１Ｐａで成膜したInGaO3(ZnO)４膜では、さらに、電気伝導を約１０-１０Ｓ／ｃｍに低下させることができた。また、酸素分圧１０-１Ｐａ超で成膜したInGaO3(ZnO)４膜は、電気抵抗が高すぎて測定できなかった。
【００３８】
電気抵抗が１０-２Ｓ／ｃｍ超の膜では、電子移動度が１ｃｍ２／（Ｖ・秒）超であった。電気抵抗が１０-２Ｓ／ｃｍ以下の薄膜では、電気抵抗が高すぎて、電子移動度は測定できなかったが、その値は、測定できた電気抵抗と電子移動度の関係を外挿して１ｃｍ２／（Ｖ・秒）超と推定される。
【００３９】
すなわち、スパッタ蒸着法で作製したIn-Ga-Zn-Oから構成され、結晶状態における組成InGaｎO3(ZnO)m(m、ｎは６未満の整数)で表される非晶質酸化物膜を用い、ノーマリーオフで、かつオン・オフ比が１０３超のトランジスタを構成することができた。ここで、スパッタ蒸着は、酸素分圧３×１０−１Ｐａ超、望ましくは５×１０−１Ｐａ超のアルゴンガス雰囲気で行った。
【００４０】
パルスレーザー蒸着法およびスパッタ法で作成された膜では、伝導電子数の増加と共に、電子移動度が増加する。
【００４１】
同様に、ターゲットとして、多結晶InGaｎO3(Zn1-xＭｇｘO)m(m、ｎは６未満の整数、0＜x≦1)を用いれば、１Ｐａ未満の酸素分圧下でも、高抵抗非晶質InGaｎO3(Zn1-xＭｇｘO)m膜を得ることができた。例えば、Ｚｎを８０at％のＭｇで置換したターゲットを使用した場合、酸素分圧０．８Ｐａの雰囲気で、パルスレーザー堆積法で得られた膜の電子キャリア濃度を１０１６／ｃｍ３未満とすることができる（電気抵抗値は、約１０-２Ｓ／ｃｍである。）。こうした膜の電子移動度は、Ｍｇ無添加膜に比べて低下するが、その程度は少なく、室温での電子移動度は約５ｃｍ２／（Ｖ・秒）で、アモルファスシリコンに比べて、１桁程度大きな値を示す。同じ条件で成膜した場合、Ｍｇ含有量の増加に対して、電気伝導度と電子移動度は、共に低下するので、Ｍｇの含有量は、好ましくは、２０％超、８５％未満（ｘにして、０．２＜ｘ＜０．８５）である。
【００４２】
上記のとおり、酸素分圧を制御することにより、酸素欠陥を低減でき、その結果、特定の不純物イオンを添加することなしに、電子キャリア濃度を減少できる。また、非晶質状態では、多結晶状態とは異なり、本質的に粒子界面が存在しないために、高電子移動度の非晶質膜を得ることができる。さらに、特定の不純物を添加せずに伝導電子数を減少できるので、不純物による散乱がなく、電子移動度を高く保つことができる。
【００４３】
上記した非晶質膜を用いた薄膜トランジスタにおいて、ＳｉＯｘ，ＳｉＮｘ，Ａｌ２Ｏ３，Ｙ２Ｏ３，ＨｆＯ２、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をゲート絶縁膜とすることが好ましい。ゲート絶縁薄膜とチャネル層薄膜との界面に欠陥が存在すると、電子移動度の低下及びトランジスタ特性にヒステリシスが生じる。また、ゲート絶縁膜の種類により、リーク電流が大きく異なる。このために、チャネル層に適合したゲート絶縁膜を選定する必要がある。ＳｉＯｘ，ＳｉＮｘ，Ａｌ２Ｏ３膜を用いれば、リーク電流を低減できる。また、Ｙ２Ｏ３膜を用いればヒステリシスを小さくできる。さらに、高誘電率のＨｆＯ２膜を用いれば、電子移動度を大きくすることができる。また、これらの膜の混晶を用いて、リーク電流、ヒステリシスが小さく、電子移動度の大きなＴＦＴを形成できる。また、ゲート絶縁膜形成プロセス及びチャネル層形成プロセスは、室温で行うことができるので、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。
【００４４】
このように形成したＴＦＴは、ゲート端子、ソース端子、及び、ドレイン端子を備えた３端子素子である。また、かかるＴＦＴは、絶縁基板上に成膜した半導体薄膜を、電子又はホールが移動するチャネル層として用い、ゲート端子に電圧を印加して、チャンネル層に流れる電流を制御し、ソース端子とドレイン端子間の電流を制御する機能を有するアクティブ素子である。ここで、絶縁基板としては、セラミックス、ガラス、又はプラスチックなどを用いることができる。
【００４５】
なお、酸素欠損量を制御して所望の電子キャリア濃度を達成できていることが本実施形態においては重要である。
【００４６】
上記記載においては、非晶質酸化物膜の酸素量（酸素欠損量）の制御を、成膜時に酸素を所定濃度含む雰囲気中で行うことで制御している。しかし、成膜後、当該酸化物膜を酸素を含む雰囲気中で後処理して酸素欠損量を制御（低減あるいは増加）することも好ましいものである。
【００４７】
効果的に酸素欠損量を制御するには、酸素を含む雰囲気中の温度を０℃以上３００℃以下、好ましくは、２５℃以上、２５０℃以下、更に好ましくは１００℃以上２００℃以下で行うのがよい。
【００４８】
勿論、成膜時にも酸素を含む雰囲気中で行い、且つ成膜後の後処理でも酸素を含む雰囲気中で後処理してもよい。また、所定の電子キャリア濃度（１０１８／ｃｍ３未満）を得られるのであれば、成膜時には、酸素分圧制御は行わないで、成膜後の後処理を酸素を含む雰囲気中で行ってもよい。
【００４９】
なお、本実施形態における電子キャリア濃度の下限としては、得られる酸化物膜をどのような素子や回路あるいは装置に用いるかにもよるが、例えば１０１４／ｃｍ３以上である。
【００５０】
また、画素電極部分は半導体部分に比較して低抵抗とすることが求められ、図４を用いて説明したように、水素濃度が高くすることで抵抗率を低減することができる。水素の代わりに重水素を導入してもよい。画素電極部分においては、Ｉｎ，Ｇａ，Ｚｎから選択される元素の少なくとも一つを含む酸化物からなる非晶質膜中の水素又は重水素の濃度が５×１０１９以上であることが好ましい。非晶質膜中の水素又は重水素の濃度を高くする手法としては、イオンインプランテーション法や水素プラズマなどが利用できる。これらの処理をする際は、レジストで画素電極部が開口したパターンを形成し、半導体部分に水素が侵入することを防止する。水素又は重水素の濃度の上限は特に規定されないが、製造時間等の製造工程上の制約に基づいて決められる。
【００５１】
蓄積容量電極の片側電極においても同様に、Ｉｎ，Ｇａ，Ｚｎから選択される元素の少なくとも一つを含む酸化物からなる非晶質膜中の水素又は重水素の濃度が５×１０19以上であることが好ましい。
【００５２】
また、Ｉｎ，Ｇａ，Ｚｎから選択される元素の少なくとも一つを含む酸化物からなる非晶質膜の水素又は重水素の高濃度添加による低抵抗膜の、配線への応用を考えた場合にも、水素又は重水素の濃度は５×１０19以上であることが好ましい。本発明者等はこれまでに水素の高濃度ドープされたＩｎ，Ｇａ，Ｚｎから選択される元素の少なくとも一つを含む酸化物からなる非晶質膜において、１０−２  Ω・ｃｍ  程度の抵抗率を確認している。この抵抗率は、半導体プロセスに用いられるＡｌＳｉ等からなる配線材料の１０−３  Ω・ｃｍ程度の抵抗率に対して１桁高いオーダーの抵抗率である。
【００５３】
本材料系では、その光学的透過性の高さから、配線として応用した場合にもその光学的遮蔽についての制約を受けないため、設計に自由度が生じる。よって、抵抗率が従来の金属配線に対して高いという影響を設計上の配線幅の増大で緩和できる可能性を有する。
（２）  次に、本発明の実施形態の構成について具体的に説明する。
【００５４】
本発明は、上記非晶質膜を活性層とする電界効果型ＴＦＴと、この電界効果型ＴＦＴを用いる光制御素子とを有する光制御装置、該光制御装置を配列させた画像表示装置に関する。かかる画像表示装置は、さらに画像表示装置を具える機器、建築構造物、移動体の構成物に用いられる。
【００５５】
具体的には、本実施形態は、第一に、上記電界効果型ＴＦＴの出力端子であるドレインに、光制御素子の電極が接続された光制御装置である。光制御素子は例えば、エレクトロルミネッセンス素子などの発光素子、液晶セルや電気泳動型粒子セルの光透過率制御素子もしくは光反射率制御素子である。以下に光制御装置の断面図を用いて具体的な装置構成の例を説明する。
【００５６】
図１に示すように、ＴＦＴは、基体１０１上に堆積しパターニングした、非晶質酸化物半導体部（薄膜トランジスタの半導体領域）１０２、ソース電極１０３、ドレイン電極部（画素電極）１０４、ゲート絶縁膜１０５と、ゲート電極１０６から構成される。非晶質酸化物半導体部１０２とドレイン電極部（画素電極）１０４とは同一層の半導体層から構成される。そして、ＴＦＴのドレイン電極１０４が画素電極を兼ねた構造になっている。光制御素子において、画素電極部１０４は発光層１０７と接し、さらに発光層１０７が上部電極１０８と接する構成となっている。かかる構成をとれば、発光層１０７に注入する電流を、ソース電極１０３からドレイン電極兼画素電極１０４に非晶質酸化物半導体部１０２に形成されるチャネルを介して流れる電流値によって制御することが可能となる。したがってこれをＴＦＴのゲート電極１０６の電圧によって制御することができる。ここで、発光層１０７は無機もしくは有機のエレクトロルミネッセンス素子であることが好ましい形態のひとつである。
【００５７】
あるいは、図２に示すように、画素電極１０４と別基板に対向基板１０９上の画素電極１１０に液晶層や電気泳動粒子層を挟んで、光制御素子を液晶セルや電気泳動型粒子セルからなる光透過率制御素子もしくは光反射率制御素子とする構成を取ることができる。この構成により、これら光透過率制御素子もしくは光反射率制御素子に印加する電圧を、ソース電極１０３からドレイン電極１０４に非晶質酸化物半導体１０２に形成されるチャネルを介して流れる電流値によって制御することが可能となる。したがってこれをＴＦＴのゲート電極１０６の電圧によって制御することができる。
【００５８】
上述の２例においてＴＦＴとしては、トップゲートのコプレナー型の構成で代表させたが、本実施形態は必ずしも本構成に限定されるものではない。例えば、ＴＦＴの出力端子であるドレイン電極と発光素子の接続が位相幾何的に同一であれば、スタッガ型等他の構成も可能である。
【００５９】
さらに、上述の２例においては、発光素子、光透過率制御素子もしくは光反射率制御素子に接続されるＴＦＴをひとつだけ図示したが、本実施形態は必ずしも本構成に限定されるものではない。図中に示したＴＦＴがさらに本発明による別のＴＦＴに接続されていてもよく、図中のＴＦＴはそれらＴＦＴによる回路の最終段であればよい。
【００６０】
ここで、発光素子、光透過率制御素子もしくは光反射率制御素子を駆動する一対の電極が、基体と平行に設けられた場合、発光素子もしくは光反射率制御素子ならば、いずれかの電極が発光波長もしくは反射光の波長に対して透明である必要がある。あるいは光透過率制御素子ならば、両電極とも透過光に対して透明である必要がある。
【００６１】
さらに本実施形態のＴＦＴでは、全ての構成体を透明にすることも可能であり、これにより、透明な光制御素子を形成することもできる。また、軽量可撓で透明な樹脂製プラスチック基板など低耐熱性基体の上にも、かかる光制御素子を設けることができる。そして、光制御素子及びＴＦＴを可撓性樹脂基体上や光透過性基体上に設けることができる。
【００６２】
以上説明した実施形態においては、薄膜トランジスタの半導体領域と光制御素子の画素電極とが接した構成となっているが、半導体領域と画素電極とが分離して形成されてもよい。図９はかかる構成例を示す断面図である。図９において、３０１は基板、３０２は薄膜トランジスタの半導体層、３０３はソース電極、３０４はドレイン電極、３０５は画素電極３０５、３０６はゲート絶縁膜、３０７はゲート電極である。半導体層３０２と画素電極３０５とは同一層の半導体層から構成され、画素電極部分には水素又は重水素が導入され、低抵抗化される。半導体層（半導体領域）３０２はドレイン電極３０４を介して画素電極３０５と電気的に接続されている。
【００６３】
なお、以上の説明の形態では、蓄積容量電極に言及していないが、例えば図１０に示すように、水素又は重水素が導入された低抵抗層３０５、ゲート絶縁膜３０６、及びゲート電極３０７の積層構造を電荷保持のための蓄積容量電極として用いることも可能である。低抵抗層３０５の端部は薄膜トランジスタの半導体領域と接して電気的に接続されており、ドレイン電極として機能する。低抵抗層３０５は画素電極としても機能する。
【００６４】
更に、図１１に示すように、上記蓄積容量電極のゲート電極３０７の替わりに、例えばＩＴＯ等の材料からなる透明導電膜３０８で蓄積容量電極を形成することも可能である。この場合、工程の簡素化に加えて、光学的開口率の改善を図ることが可能である。
【００６５】
また図１２及び図１３に示すように、データ線配線（ソース配線）３０９を低抵抗層３０５と同一プロセスで形成することができる。データ線配線３０９とソース電極とは別に設けることもできるが、ここでは、データ線配線３０９の一部は薄膜トランジスタの半導体領域と接しており、ソース電極として機能している。データ線配線３０９は、半導体層３０２の画素電極３０５の接続側と反対側において、半導体層３０２と接し、電気的に接続されている。しかし、データ線配線３０９は必ずしも半導体層３０２を挟んで反対側に設けなくてもよい。即ち、半導体層３０２の画素電極３０５の接続部とは異なる半導体層３０２の部分（領域）とデータ線配線３０９が接し、電気的に接続されていればよい。またデータ線配線３０９とソース電極とが別に設けられる場合には、データ線配線３０９は半導体層３０２と直接接しないので半導体層３０２に対して任意に配置することができる。
【００６６】
本実施形態の第二は、上述の光制御素子を、アクティブマトリクス型に配線された複数の上記ＴＦＴとともに二次元的に複数配列させた画像表示装置である。例えば、光制御素子を駆動するひとつのＴＦＴのゲート電極１０６が、アクティブマトリクスのゲート線に接続され、同ＴＦＴのソース電極が信号先に配線されたアクティブマトリクス回路を構成すれば、各光制御素子を画素とした画像表示装置を提供できる。さらに、光制御素子を構成する発光素子、光透過率制御素子もしくは光反射率制御素子の、発光波長、透過光波長もしくは反射光波長の異なる隣接する複数の光制御素子で一画素を構成すれば、カラー画像表示装置を提供することも可能である。
【００６７】
本実施形態の画像表示装置は、以下のように種々の機器、構造物に応用することができる。
【００６８】
例えば、一つの応用例は、上記画像表示装置を具えたテレビ受像機等の放送動画表示機器である。本実施形態の画像表示装置は、とくに携帯型の放送動画表示機器に軽量化と可撓性と破損時の安全性を与える効果を有する。
【００６９】
また二つ目の応用例は、上記画像表示装置を具えたコンピュータ等のデジタル情報処理機器である。本実施形態の画像表示装置は、軽量可撓ゆえに据え置き型コンピュータディスプレイの設置の自由度と可搬性を与えることができる。また、たとえばノート型コンピュータや個人用デジタル支援機器など携帯型のデジタル情報処理機器に軽量化と可撓性と破損時の安全性を与える効果を有する。
【００７０】
また三つ目の応用例は、上記画像表示装置を具えた携帯電話、携帯型音楽再生機、携帯型動画再生機、ヘッドマウントディスプレイ等の携帯型情報機器である。本実施形態の画像表示装置は、これら携帯型情報機器に軽量化と可撓性と破損時の安全性を与える効果を有する。とくに透明化された本発明の画像表示装置をヘッドマウントディスプレイに用いる場合、シースルーの機器を提供することができる。
【００７１】
また四つ目の応用例は、上記画像表示装置を具えたスチルカメラやムービーカメラ等の撮像機器である。それら撮像機器のビューファインダー用、撮影済画像の確認用、あるいは撮影情報の表示用等に、上記画像表示装置を具えることができる。本実施形態の画像表示装置は、これら撮像機器に軽量化と可撓性と破損時の安全性を与える効果を有する。
【００７２】
また五つ目の応用例は、上記画像表示装置を具えた、窓、扉、天井、床、内壁、外壁、仕切り等の建築構造物である。本実施形態の画像表示装置は軽量可撓で透明化も可能であるゆえに、それら建築構造物に容易に付加することが可能であるばかりでなく、画像を表示しないときには建築構造物としての外観を損なうことがない効果を有する。
【００７３】
また六つ目の応用例は、上記画像表示装置を具えた、車両、航空機、船舶等の移動体の、窓、扉、天井、床、内壁、外壁、仕切り等の構成物である。本実施形態の画像表示装置は軽量可撓で透明化も可能であるゆえに、それら建築構造物に容易に付加することが可能であるばかりでなく、画像を表示しないときには建築構造物としての外観を損なうことがない効果を有する。とくに移動体の外界を監視、観察するための透明な窓に本発明の透明化した画像表示装置を用いる場合、必要なときのみに情報画像を表示し、不要なときには外界の監視、観察を損なわない効果を有する。
【００７４】
また七つ目の応用例は、上記画像表示装置を具えた、公共交通機関車両内の広告手段や街中の広告板、広告塔等の広告機器である。本実施形態の画像表示装置は、従来主として印刷物など可変性のない媒体によって担われて来たそれらに広告機器に、随時変更可能であるばかりか動画による表現の可能性さえ与える効果を有する。
【００７５】
以下、ＥＬ素子（ここでは有機ＥＬ素子）と薄膜トランジスタを含む画素を二次元状に配置した画像表示装置について図８を用いて説明する。
【００７６】
図８において、３１は有機EL層３４を駆動するトランジスタであり、３２は画素を選択するトランジスタである。また、コンデンサ３３は選択された状態を保持するためのものであり、共通電極線３７とトランジスタ３２のソース部分との間に電荷を蓄え、トランジスタ３１のゲートの信号を保持している。画素選択は走査電極線３５と信号電極線３６により決定される。図１に示すように、有機EL層３４の画素電極はトランジスタ３１のドレイン電極を兼ねており、トランジスタ３１の半導体層は画素電極と接している。
【００７７】
より具体的に説明すると、画像信号がドライバ回路（不図示）から走査電極３５を通してゲート電極へパルス信号で印加される。それと同時に、別のドライバ回路（不図示）から信号電極３６を通してやはりパスル信号でトランジスタ３２へと印加されて画素が選択される。そのときトランジスタ３２がONとなり信号電極線３６とトランジスタ３２のソースの間にあるコンデンサ３３に電荷が蓄積される。これによりトランジスタ３１のゲート電圧が所望の電圧に保持されトランジスタ３１はONになる。この状態は次の信号を受け取るまで保持される。トランジスタ３１がONである状態の間、有機EL層３４には電圧、電流が供給され続け発光が維持されることになる。
【００７８】
この図８の例では１画素にトランジスタ２個、コンデンサ１個の構成であるが、性能を向上させるために更に多くのトランジスタ等を組み込んでも構わない。本質的なのはトランジスタ部分に低温で形成でき透明のTFTであるIn-Ga-Zn-O系のTFTを用いることにより、有効なＥＬ素子が得られる。
【００７９】
次に本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００８０】
まず、本実施例に適用できる薄膜トランジスタと画素電極の形成方法について説明する。
【００８１】
図３を用いて、本実施形態による薄膜トランジスタと光制御素子の製造工程を説明する。
【００８２】
まず図３（ａ）に示すように、スパッタ法により、光透過性基体となる無アルカリガラス基板上２０１にTi/Auを10nm/40nm堆積し、フォトリソグラフィーでパターニングしてソース電極２０２を形成する。スパッタ法により、InGaO3(ZnO)４組成を有する多結晶焼結体をターゲットとして、無アルカリガラス基板上に50 nmの膜厚のIn-Ga-Zn-O系非晶質酸化物半導体膜２０３を堆積しパターニングする。チャンバー内酸素分圧は５×１０-２Ｐａ、基板温度は１２０℃である。次に、図３（ｂ）に示すように、フォトレジスト２０４で画素部以外を保護して、イオンインプランテーション法で、水素を2×10２０/cm3打ち込んだ。
【００８３】
画素電極部２０５では、膜抵抗が0.1Ωcmと低抵抗になった。
【００８４】
図３（ｃ）に示すように、更にスパッタ法でY2O3膜を140nm堆積してパターニングし、ゲート絶縁膜２０６とした。最後に図３（ｄ）に示すように、スパッタ法によりTi/Auを10nm/40nm堆積しパターニングしてゲート電極２０７を形成した。このＴＦＴのL/W=10/20μｍとした。以上のようにして、電界効果型のｎ−チャネルＴＦＴを構成している。
【００８５】
このようなＴＦＴは電界効果移動度で5 cm2V-1s-1、閾値電圧が1 V、オン／オフ比でも３桁以上程度の特性を示す。
【００８６】
In-Ga-Zn-O系非晶質酸化物半導体膜の部分的に導電率を向上させる方法としては、半導体素子部をマスキングした後に、Ｘ線や電子線などのエネルギー照射を行い、膜中に酸素欠陥を生じさせ、キャリアを生じさせることも実現することが出来る。Ｘ線は波長が１．５ｎｍ以下の成分を主成分とするＸ線が好ましい。また電子線は波長が１．５ｎｍ以下の成分を主成分とする電子線が好ましい。
【００８７】
上記ＴＦＴにおいて、ドレイン電極と画素電極となる低抵抗化された半導体層の島の短辺を100μmまで延長し、延長された90μmの部分を残し、ソース電極およびゲート電極への配線を確保した上で、ＴＦＴを絶縁層で被覆する。この上にポリイミド膜を塗布し、ラビング工程を施す。一方で、同じくプラスチック基板上にITO膜とポリイミド膜を形成し、ラビング工程を施したものを用意し、上記ＴＦＴと画素電極を形成した基板と5μmの空隙を空けて対向させ、ここにネマチック液晶を注入する。さらにこの構造体の両側に一対の偏光板を設ける。ここで、ＴＦＴのソース電極に電圧を印加し、ゲート電極の印加電圧を変化させると、低抵抗の画素電極領域のみ、光透過率が変化する。またその透過率は、ＴＦＴがオン状態となるゲート電圧の下ではソース−ドレイン間電圧によっても連続的に変化させることができる。かようにして、図２に対応した、液晶セルを光透過率制御素子とする光制御装置を作成する。
【００８８】
本実施例において、ＴＦＴを形成する基板として白色のプラスチック基板を用い、ＴＦＴのソース電極を金に置き換え、ポリイミド膜と偏光板を廃して、白色と透明のプラスチック基板の空隙に粒子と流体を絶縁性皮膜にて被覆したカプセルを充填させる。この場合、本ＴＦＴによって延長されたドレイン電極を兼ねる画素電極と上部のITO膜間の電圧が制御される。よってカプセル内の粒子が上下に移動することによって、透明基板側から見た延長されたドレイン電極を兼ねる画素電極領域の反射率を制御する、光反射率制御素子を用いる光制御素子を構成することができる。なお、プラスチック基板は可撓性樹脂基体とすることができる。粒子と流体を絶縁性皮膜にて被覆したカプセルを対向電極間に挟んだセルは、流体と粒子を封止したカプセルを対向電極間に挟んだセルとなる。
【００８９】
また、本実施例において、ＴＦＴを複数隣接して形成して、たとえば、通常の４トランジスタ１キャパシタ構成の電流制御回路を構成し、その最終段トランジスタのひとつを図１のＴＦＴとして、発光素子を駆動することもできる。たとえば、上述の低抵抗In-Ga-Zn-O膜を電極とするＴＦＴを用い、画素電極の領域上に電荷注入層と発光層からなる有機エレクトロルミネッセンス素子を形成すれば、発光素子を用いる光制御装置を形成することができる。
【実施例２】
【００９０】
図3（ａ）に示すように、実施例１と同様の方法で、In2O3/ZnO(90:10wt%)のターゲットを用いてスパッターしたガラス基板上の膜に、イオンインプランテーション法で水素を3×1020/cm3打ち込んだ。画素部２０５では、膜抵抗が0.15Ωcmと低抵抗になった。
【００９１】
図３（ｃ）に示すように、更にスパッタ法でSiO2膜を100nm堆積してパターニングし、ゲート絶縁膜２０６とした。最後に図３（ｄ）に示すように、スパッタ法によりTi/Auを10nm/40nm堆積しパターニングしてゲート電極２０７を形成した。このＴＦＴのL/W=10/20μｍとした。以上のようにして、電界効果型のｎ−チャネルＴＦＴを構成している。
【００９２】
このＴＦＴは電界効果移動度で10 cm2V-1s-1、閾値電圧が1 V、オン／オフ比でも４桁以上程度の特性を示す。
【実施例３】
【００９３】
上述の光制御素子と薄膜トランジスタを二次元に配列させる。たとえば、実施例１の光透過率制御素子もしくは光反射率制御素子を用いる、ＴＦＴを含めて約30μm×115μmの面積を占める光制御素子を、短辺方向に40μmピッチ、長辺方向に120μmピッチでそれぞれ7425×1790個方形配列する。また、長辺方向に7425個のＴＦＴのゲート電極を貫くゲート配線を1790本、1790個のＴＦＴのソース電極が非晶質酸化物半導体膜の島から5μmはみ出した部分を短辺方向に貫く信号配線を7425本設け、それぞれをゲートドライバ回路、ソースドライバ回路に接続する。さらに各光制御素子と同サイズで位置を合わせRGBが長辺方向に反復するカラーフィルタを表面に設ければ、約211 ppiでA4サイズのアクティブマトリクス型カラー画像表示装置を構成することができる。
【００９４】
また、実施例１の発光素子を用いる光制御装置においても、ひとつの光制御装置に含まれる４ＴＦＴのうち第一ＴＦＴのゲート電極をゲート線に配線し、第二ＴＦＴのソース電極を信号線に配線する。そして、さらに、発光素子の発光波長を長辺方向にRGBで反復させれば、同じ解像度の発光型カラー画像表示装置を構成することができる。
【００９５】
ここで、アクティブマトリクスを駆動するドライバ回路は、画素のＴＦＴと同じ本実施例のＴＦＴを用いて構成しても良いし、既存のICチップを用いても良い。
【００９６】
（応用例）
上述の画像表示装置に放送受信装置、音声画像処理装置など放送動画表示機器置に必須の装置を付加し、電源やインタフェイスとともに薄型の筐体に収める。これにより軽量薄型で落下や衝撃に対して安全性の高い放送動画表示機器を提供する。
【００９７】
また、上述の画像表示装置に中央プロセッサ、記憶装置、ネットワーク装置などデジタル情報処理機器に必須の装置を接続し、電源やインタフェイスとともに薄型の筐体に収める。これにより軽量薄型で可搬性の高い一体型デジタル情報処理機器を提供する。
【００９８】
また、上述の画像表示装置の面積と光制御素子数を減じて、対角で２−５インチ程度に制限し、これにプロセッサ、記憶装置、ネットワーク装置など携帯型情報機器に必須の装置を接続し、電源やインタフェイスとともに小型で薄型の筐体に収める。これにより軽量小型薄型で落下や衝撃に対して安全性の高い携帯型情報機器を提供する。
【００９９】
また、同様の小型画像表示装置に撮像装置、記憶装置、信号処理装置など撮像機器に必須の装置を接続し、電源やインタフェイスとともに小型で軽量の筐体に収める。これにより軽量小型で落下や衝撃に対して安全性の高い撮像機器を提供する。
【０１００】
また、逆にひとつの光制御素子のサイズを拡大すると共に、表示面積を拡大した画像表示装置を、上述の建築構造物に添付するか、組み込むことにより、任意の画像を表示することが可能なそれら建築構造物を提供する。
【０１０１】
また、上述の画像表示装置を移動体の構成物として組み込むことにより、任意の画像を表示することが可能なそれら移動体の構成物を提供する。
【０１０２】
また、上述の画像表示装置を広告機器の一部として組み込むことにより、任意の画像を表示することが可能なそれら広告機器を提供する。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明に係る光制御装置および画像表示装置は、軽量薄型で破損に対する安全性の高い放送動画表示機器、デジタル情報処理機器、携帯情報機器、撮像機器、建築構造物、移動体の構成物、広告機器等に広く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明の実施形態に係わる光制御装置の一形態の断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係わる光制御装置のもうひとつの形態の断面図である。
【図３】本実施形態の光制御装置の製造工程を示す断面図である。
【図４】In-Ga-Zn-Oの非晶質膜にＨイオンを打ち込んだときの導電率を示す特性図である。
【図５】酸素分圧と電子キャリア濃度との関係を示す特性図である。
【図６】電子キャリア濃度と電子移動度との関係を示す特性図である。
【図７】酸素分圧と電気伝導率との関係を示す特性図である。
【図８】有機ＥＬ素子と薄膜トランジスタを含む画素を二次元状に配置した画像表示装置の構成を示す図である。
【図９】本発明の実施形態に係わる光制御装置の他の形態の断面図である。
【図１０】本発明の実施形態に係わる光制御装置の、蓄積容量の構成を追加した形態の断面図である。
【図１１】本発明の実施形態に係わる光制御装置の、蓄積容量の構成を追加した他の形態の断面図である。
【図１２】本発明の実施形態に係わる光制御装置の、蓄積容量の構成を追加し、さらに配線に応用した形態の断面図である。
【図１３】本発明の実施形態に係わる光制御装置の、蓄積容量の構成を追加し、さらに配線に応用した形態の斜視図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１０１ 基板
１０２ 半導体層
１０３ ソース電極
１０４ 画素電極
１０５ ゲート絶縁膜
１０６ ゲート電極
１０７ 有機ＥＬ発光層
１０８ 上電極
１０９ 対向基板
１１０ 対向電極
１１１ 液晶または電気泳動粒子層
２０１ 基板
２０２ ソース電極
２０３ 半導体層
２０４ レジスト
２０５ ドレイン電極／画素電極（水素イオン打ち込み領域）
２０６ ゲート絶縁膜
２０７ ゲート電極
３０１ 基板
３０２ 半導体層
３０３ ソース電極
３０４ ドレイン電極
３０５ 画素電極
３０６ ゲート絶縁膜
３０７ ゲート電極
３０８  蓄積対向透明電極
３０９  ソース電極を兼ねるデータ線配線
【図１】
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【図２】
2008176262.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2008176262.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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