(57)【要約】【課題】酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタの動作に影響を与えずに、透明な酸化物半導体の利点である開口率を高く保つことができる薄膜トランジスタを提供すること。【解決手段】透明な基材上に、酸化物からなる半導体活性層、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極及び前記ゲート電極と前記半導体活性層の間に配置されたゲート絶縁膜を有することを薄膜トランジスタにおいて、少なくとも前記基材の、半導体活性層のバンドギャップエネルギー波長よりも波長が短い光に対する透過率を１０％以下とすることにより解決した。【選択図】図１
2007150157.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明な基材上に、酸化物からなる半導体活性層、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極及び前記ゲート電極と前記半導体活性層の間に配置されたゲート絶縁膜を有することを薄膜トランジスタにおいて、少なくとも前記基材の、半導体活性層のバンドギャップエネルギー波長よりも波長が短い光に対する透過率が１０％以下であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項２】
前記バンドギャップエネルギー波長よりも波長が短い光が、紫外線であることを特徴とする請求項１記載の薄膜トランジスタ。
【請求項３】
前記半導体活性層は、バンドギャップが3.1eV以上4.2eV以下の範囲であることを特徴とする請求項１または２記載の薄膜トランジスタ。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載のトランジスタが、可視光領域（４１０ｎｍ〜７００ｎｍ）において実質的に透明であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の薄膜トランジスタを用いたことを特徴とする透過型電子ディスプレー。
【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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電子デバイスの駆動用トランジスタとして、アモルファスシリコンや多結晶シリコン等を用いた薄膜トランジスタが用いられてきた。しかしながら、高品質なアモルファスシリコンや多結晶シリコンは、成膜に２００℃以上の温度を必要とするため、フレキシブルなポリマーフィルムを基材として用いて、フレキシブルデバイスを実現することは困難であった。
また近年、有機半導体材料を用いた薄膜トランジスタが盛んに研究されている。有機半導体材料は、真空プロセスを用いず、例えば、印刷プロセスで作成できるため、低温でトランジスタの製造の可能性があり、可撓性のプラスチック基材上に設けられる等の利点を有する。
しかしながら、有機半導体材料は、移動度が極めて低く、また経時劣化にも弱いという難点があり、未だ広範な使用、実用に至っていない。
【０００３】
以上のような状況を踏まえて、透明酸化物半導体を用いたデバイスの開発が行われている。透明酸化物は、低温で作成可能で、しかも高い移動度を示す特性を有しているので、例えば、基材、電極、絶縁膜等に透明材料を用いれば透明なデバイスを実現できる等、従来の材料になかった特性を持つ。前記透明酸化物半導体として、例えば、非晶質In-Ga-Zn-O材料を用いた電界効果型トランジスタが提案されている（非特許文献１参照）。
上記非特許文献１に記載の材料を用いたアモルファス酸化物半導体を半導体活性層として用いることで、室温でPET基板上に移動度が１０cm2/Vs前後の優れた特性を持つ透明電界効果型トランジスタの作成に成功している。
【非特許文献１】K. Nomura et al. Nature,432, 488（2004）
【０００４】
ここで、アモルファスシリコン膜やポリシリコン膜は可視光領域において高い吸収係数を持つため、半導体活性層に光が入射すると、光によって光生成キャリアが発生し、薄膜トランジスタが異常な動作を起こすことがある。
そこで、ゲート電極に金属皮膜等の光の遮断層を用いて、半導体活性層への光の進入を防ぎ、光による異常動作を防止している。
しかしながら、このような光の遮断層が形成されると、画素の面積の割合（開口率）が減少する。そのため、輝度の明るい表示素子の開発には、バックライトの高輝度化が必要となるが、これはエネルギー消費電力の増大につながるという欠点があった。
【０００５】
一方、酸化物半導体は透明であるため、前記アモルファスシリコン膜やポリシリコン膜のように可視光領域において光を吸収しない。そのため酸化物半導体を用いたデバイスは、アモルファスシリコン膜やポリシリコン膜を用いたデバイスのように、半導体活性層への光の進入を防ぐための遮光膜を必要としないので、開口率を大きく取れるというメリットもあると考えられてきた。
【０００６】
しかしながら、一般的に用いられている酸化物半導体は、バンドギャップが3〜3.5eV程度であるのに対して、例えば、太陽光のフォトンエネルギーは、最大で4.2eV程度のエネルギーを持っている。
そのため、酸化物半導体に使用されるような非縮退の材料は、光の照射下において比較的高い光感度（光導電度／暗導電度）を有している。
例えば、暗状態の導電率（暗導電度）と擬似太陽光（AM1.5）照射下の導電率（光導電度）を比較してみると、価電子制御のための不純物を含まないZnO薄膜においては、暗導電度が1.1×10-8 S/cm、光導電度が9.5×10-6 S/cmという結果が得られた。
このように、明らかに前記酸化物半導体薄膜は、光照射状態と暗状態では導電率に大きな差が出ている。
また、実際にZnOを活性層として用いた電界効果トランジスタを作製し、暗状態と光照射状態下でトランジスタ特性を測定すると、光照射によって酸化物半導体トランジスタの特性は大きな影響を受けてしまい、正常に動作しないことを我々は見いだした。
つまり、従来遮光膜が必要ないとされている透明酸化物半導体においても、遮光膜以外の手段で、実用上光の影響を排除する必要があることを見出した。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、以上の点に鑑み、酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタの動作に影響を与えずに、透明な酸化物半導体の利点である開口率を高く保つことができる薄膜トランジスタを提供透過型ディスプレーに用いることができる、可視光領域（４１０ｎｍ〜７００ｎｍ）において実質的に透明な薄膜トランジスタを提供することである。
すなわち、本発明は、非晶質シリコンや多結晶シリコンのように遮光膜を用いずに、可視光領域においてほぼ透明である酸化物半導体を用い、光照射時においても正常な動作を行う薄膜トランジスタを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、透明な基材上に、酸化物からなる半導体活性層、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極及び前記ゲート電極と前記半導体活性層の間に配置されたゲート絶縁膜を有することを薄膜トランジスタにおいて、少なくとも前記基材の、半導体活性層のバンドギャップエネルギー波長よりも波長が短い光に対する透過率が１０％以下であることを特徴とする薄膜トランジスタである。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、前記バンドギャップエネルギー波長よりも波長が短い光が、紫外線であることを特徴とする請求項１記載の薄膜トランジスタである。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、前記半導体活性層は、バンドギャップが3.1eV以上4.2eV以下の範囲であることを特徴とする請求項１または２記載の薄膜トランジスタである。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載のトランジスタが、可視光領域（４１０ｎｍ〜７００ｎｍ）において実質的に透明であることを特徴とする薄膜トランジスタである。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の薄膜トランジスタを用いたことを特徴とする透過型電子ディスプレーである。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１記載の発明のように、基材が、半導体活性層のバンドギャップエネルギー波長よりも波長が短い光に対する透過率を１０％以下としたので、つまり半導体活性層のバンドギャップよりも高いエネルギーをもつ光が半導体に照射されるとキャリアが励起され、導電率が上昇することが防止でき、入射光による誤作動を防止することが可能となった。
【００１４】
請求項２記載の発明のように、透明基材が紫外線吸収機能をもつことで、基材面から進入する紫外線を吸収することができ、紫外線による半導体活性層の誤作動を防ぐことが可能となった。
【００１５】
請求項３記載の発明のように、半導体活性層のバンドギャップを、3.1eV以上4.2eV以下範囲とした、可視光に対して該半導体活性層は実質的に透明となり、透明な薄膜トランジスタとすることが可能となった。
【００１６】
請求項４に記載の発明のように、薄膜トランジスタが、可視光領域（４１０ｎｍ〜７００ｎｍ）において実質的に透明であるので、透過型電子ディスプレーへの使用が可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施形態を図示して説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明の薄膜トランジスタの一例として、図１にトップゲート型の例を、図２にボトムゲート型の例を示す。
【００１８】
図１に示したトップゲート型薄膜トランジスタは、半導体活性層のバンドギャップエネルギー波長よりも波長が短い光に対する透過率が１０％以下、特に、紫外線透過率が１０％以下である紫外線吸収機能を有する透明な基材１上に、酸化物からなる半導体活性層５が設けられ、該半導体活性層５上に、ソース電極８とドレイン電極７が、離間した状態で配置され、さらに、前記ソース電極８とドレイン電極７上にゲート絶縁膜４が設けられている。
そして、前記ゲート絶縁膜４上にゲート電極２および補助コンデンサー電極３が形成されている。ここで、前記ゲート電極２は、前記半導体活性層５の上方に位置するように、また、補助コンデンサー電極３は、ドレイン電極７の上方に位置するように設けられている。
【００１９】
また、図２に示したボトムゲート型薄膜トランジスタは、半導体活性層のバンドギャップエネルギー波長よりも波長が短い光に対する透過率が１０％以下、特に、紫外線透過率が１０％以下である紫外線吸収機能を有する透明な基材１上に、ゲート電極２および補助コンデンサー電極３を離間した状態で配置、形成し、このゲート電極２および補助コンデンサー電極３上にゲート絶縁膜４を設ける。
そして、該ゲート絶縁膜４上に酸化物からなる半導体活性層５および画素電極６を設ける。ここで、前記半導体活性層５は、ゲート電極２の上方に位置するように、また、画素電極６は、補助コンデンサー電極３の上方に位置するように設ける。
さらに、前記半導体活性層５上にドレイン電極７とソース電極８をそれぞれ離間した状態で形成する。ここで、ドレイン電極７は、前記半導体活性層５と画素電極６とを跨ぐように形成する。
【００２０】
なお、前記構成に限定されるものではなく、ゲート絶縁膜４上に画素電極６、ドレイン電極７、ソース電極８を先ず形成し、その後、半導体活性層５を、前記ドレイン電極７、ソース電極８上に形成した構成でも構わない。
【００２１】
ボトムゲート型の薄膜トランジスタ素子においては、基材１側から入射する光は、ゲート電極２や絶縁膜４で遮光することも可能であるが、本発明の透明な基材を使用すれば、ゲート電極や絶縁膜に透明な材料を用いることができるため、透明な薄膜トランジスタを実現することができる上、材料の選択も大いに広がり、効果的である。
なお、本発明において、透明とは可視光領域（４１０ｎｍ〜７００ｎｍ）において実質的に透明なことである。具体的には、波長４１０ｎｍ〜７００ｎｍの透過率が３０％以上、好ましくは、５０％以上有することである。
【００２２】
本発明に用いる半導体活性層のバンドギャップエネルギー波長よりも波長が短い光に対する透過率が１０％以下、特に、紫外線透過率が１０％以下である紫外線吸収機能をもつ基材１は、紫外線透過率が１０％以下である紫外線吸収機能をもつガラス、プラスチックなどの基材で、特に、可視光領域（４１０ｎｍ〜７００ｎｍ）において実質的に透明な基材であればよい。さらに、フレキシブル基材を用いることでフレキシブルな薄膜トランジスタとすることができる。
【００２３】
基材に紫外線透過率が１０％以下である紫外線吸収機能を発現させる手段はどのようなものであっても構わない。例えば、基材がガラスの場合は、ガラス中にTiO2、CeO2、SO3、V2O5、CoOなどを０．１wt%〜３%wt程度分散させることで、可視光領域において透明性を保持しつつ、紫外線を吸収させることもできる。
また、基材が、プラスチックの場合は、透明なプラスチック基材に酸化亜鉛超微粒子、酸化チタン超微粒子、蛍光増白剤などを塗布することで、透明性を保持しつつ、紫外線を吸収させることもできる。これらは単独の基材として使用してもよいが、二種以上を積層した複合基材を使用することもできる。また、ガラス基材上に粘着剤等を用いてプラスチック基材を貼り付けた積層構成としてもよい。
【００２４】
本発明で用いる基材１は、酸化物からなる半導体活性層のバンドギャップエネルギー波長よりも波長が短い光に対して、該透明基材の半導体活性層のバンドギャップエネルギー波長よりも波長が短い光に対する透過率が１０％以下、紫外線透過率が１０％以下である紫外線透過率が１０％以下、好ましくは５％以下であるのが好ましい。このような基材を用いることで、薄膜トランジスタに光が照射されても、光電流の誘起が抑えられ、トランジスタは誤作動を起こさなくなる。
【００２５】
本発明の酸化物からなる半導体活性層５は、亜鉛、インジウム、スズ、タングステン、マグネシウム、ガリウムのうち一種類以上の元素を含む酸化物である、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化スズ、酸化タングステン、酸化亜鉛ガリウムインジウム等の酸化物半導体材料を用いることができるが、これらに限定されるものではない。
前記半導体活性層５は、前記酸化物半導体で、バンドギャップが、3.1eV以上、4.2eV以下の範囲、好ましくは3.1eV以上、3.5eV以下範囲の材料を用いる。
【００２６】
前記半導体活性層５は、酸化物半導体のバンドギャップが、3.1eVよりも小さければ、酸化物からなる半導体活性層は実質的に透明ではなくなる。また、バンドギャップが、4.2eVよりも大きければ、実質的に外光やバックライト等の入射によるトランジスタの誤作動が防止できるので、紫外線の遮光は必要ではなくなる。
これらの材料の構造は単結晶、多結晶、微結晶、結晶/アモルファスの混晶、ナノ結晶散在アモルファス、アモルファスのいずれであってもかまわない。
半導体活性層５は、膜厚は少なくとも２０ｎｍ以上が望ましい。また、半導体活性層５は、スパッタリング法、パルスレーザー堆積法、真空蒸着法、CVD（Chemical Vapor Deposition)法、MBE （Molecular Beam Epitaxy)法、ゾルゲル法などのいずれの方法を用いて形成してもよいが、スパッタリング法、パルスレーザー堆積法、真空蒸着法、CVD（Chemical Vapor Deposition)法を用いて形成するのが好ましい。
なお、前記スパッタリング法は、具体的にRFマグネトロンスパッタリング法、DCスパッタリング法挙げられ、真空蒸着法は、具体的に抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、イオンプレーティング法が挙げられ、CVD法は、具体的にホットワイヤーCVD法、プラズマCVD法などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００２７】
次に、本発明の絶縁層４は、絶縁材料であれば特に限定されないが、無機酸化物および無機窒化物もしくは無機酸化-窒化物（オキシナイトライド）を用いるのが好ましい。
具体的には、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、ハフニウムアルミネート、酸化ジルコニアなどのいずれかの単独、もしくは二種以上の混合系、または二層以上積層して使用できるが、これらに限定されるものではない。
特に、金属電極間のリーク電流を抑えるために、絶縁膜４に用いる絶縁材料は、抵抗率が1012 Ω・ｍ以上であることが好ましい。
そして、絶縁層４は、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、レーザーアブレーション法、プラズマCVD（Chemical Vapor Deposition）、光CVD法、ホットワイヤーCVD法、ゾルゲル法などの方法を用いて形成される。
絶縁層４は、厚さが４０ｎｍnm〜１μｍの範囲であることが望ましいが、これらに限定されるものではない。
【００２８】
本発明のゲート電極２、ソース電極８、ドレイン電極７は、インジウム（In）、アルミニウム（Al）、金（Au）、銀（Ag）等の金属薄膜であってもよいし、酸化インジウム（In2O3）、酸化スズ（SnO2）、酸化亜鉛（ZnO）、酸化カドミウム（CdO）、酸化インジウムカドミウム（CdIn2O4）、酸化カドミウムスズ（Cd2SnO4）、酸化亜鉛スズ（Zn2SnO4）等の酸化物材料でもよい。
また、前記酸化物材料に不純物をドープしたものも好適に用いられる。例えば、In2O3にスズ（Sn）やモリブデン（Mo）、チタン（Ti）をドープしたもの、SnO2にアンチモン（Sb）やフッ素（F）をドープしたもの、ZnOにインジウム、アルミニウム、ガリウム（Ga）をドープしたものなどである。
ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極の材料は、全て同じ材料、または異なる材料を用いてもよい。また、前記電極は、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、レーザーアブレーション法、プラズマCVD法、光CVD法、ホットワイヤーCVD法、または、導電性ペーストを用いてスクリーン印刷等の方法を用いて形成される。そして、それぞれの電極は、膜厚が１５ｎｍ以上とすること好ましい。
【００２９】
本発明の薄膜トランジスタは、液晶ディスプレー、有機ELディスプレー、光書き込み型コレステリック液晶型ディスプレー、TwistingBall 方式ディスプレー、トナーディスプレー方式ディスプレー、可動フィルム方式ディスプレー、センサーなどのデバイスに使用することができる。
【実施例】
【００３０】
本発明の実施例について図面を用いて説明する。
本発明は、これら実施例により限定されるものではない。
図３に示すように、紫外線の透過率が異なる４種類のガラス基材を用い、それぞれの基材上に以下に示す工程を経て、４種類の薄膜トランジスタを作製した。
まず、基材上に、ターゲットとしてZnOの焼結体を用いRFマグネトロンスパッタリング法（スパッタリングガスはAr 19.7SCCM、酸素0.3SCCM（酸素流量比１．５％）によって、４０ｎｍの膜厚のZnO層を形成し、エッチング法によりパターニングし、半導体活性層を形成した。
次に、スズドープ酸化インジウム（ITO）からなるソース電極およびドレイン電極を前記半導体活性層上に、RFマグネトロンスパッタリング法で、膜厚１００ｎｍの電極層を形成し、この電極層を、リフトオフ法を用い、離間した状態でそれぞれの電極を形成した。ここで、それぞれの電極は、チャネル長が５０μｍ、チャネル幅が５０μｍとした。
次に、ターゲットとしてSiNの焼結体を用い、RFマグネトロンスパッタリング法（Ar 40SCCM、酸素2SCCM）により、絶縁膜としてSiONを２８０ｎｍの厚みで積層した。
最後に、マスクを用いてスズドープ酸化インジウム（ITO）からなるゲート電極をRFマグネトロンスパッタリング法で膜厚１００ｎｍとなるように形成した。
ここで作製した半導体活性層ZnOのバンドギャップは、3.2eVであった。
なお、半導体活性層を形成するためのZnO層、絶縁膜、および電極を形成するための電極層の作製条件について、表１に示す。
【表１】
2007150157.tif 000003
【００３１】
ここで、図３に示した光の透過率を有する基材１（バンドギャップエネルギー波長透過率７６．７％）、基材２（バンドギャップエネルギー波長透過率２２．１％）、基材３（バンドギャップエネルギー波長透過率２．６％）、および基材４（バンドギャップエネルギー波長透過率０％）、それぞれ用いて作製した薄膜トランジスタを、それぞれ試料１〜４とし、この試料１〜４について、ｏｎ／ｏｆｆ比、移動度を測定した。
上記の４種類（試料１〜４）の薄膜トランジスタの、それぞれ基材側から標準太陽光（AM1.5）の光を入射させながら、トランスファー特性を測定した。この測定したトランスファー特性基づき、ｏｎ／ｏｆｆ比と移動度を計算した。その結果を表１に示す。
また、試料１のトランスファー特性を図４、試料３のトランスファー特性を図５に示す。
【表２】
2007150157.tif 000004
【００３２】
表２から明らかなように、試料３は、バンドギャップエネルギー波長よりも短い波長光が半導体活性層に入射し、光電流が流れてしまうため、試料１、２と比較してｏｎ／ｏｆｆ比が大幅に悪化した。
また、試料４は、ｏｎ／ｏｆｆ比および移動度は優れた値を示しているが、波長４００ｎｍ〜４５０ｎｍの透過率が５０％以下であり、透過型ディスプレーの基材としては適さないものであった。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】薄膜トランジスタの一例を示す説明図。
【図２】薄膜トランジスタの他の例を示す説明図。
【図３】実施例で用いた基材の光の透過率を示すグラフ。
【図４】試料１のトランスファー特性を示すグラフ。
【図５】試料３のトランスファー特性を示すグラフ。
【符号の説明】
【００３４】
１・・・基材
２・・・ゲート電極
３・・・補助コンデンサー電極
４・・・絶縁膜
５・・・半導体活性層
６・・・画素電極
７・・・ドレイン電極
８・・・ソース電極
【図１】
2007150157.tif 000005
【図２】
2007150157.tif 000006
【図４】
2007150157.tif 000007
【図５】
2007150157.tif 000008
【図３】
2007150157.tif 000009