專利名稱：驅(qū)動(dòng)晶體管的方法和包含由該方法驅(qū)動(dòng)的晶體管的器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及驅(qū)動(dòng)晶體管的方法和包含由該方法驅(qū)動(dòng)的晶體管的器件。根據(jù)本發(fā)明的所述驅(qū)動(dòng)方法和包含由該方法驅(qū)動(dòng)的晶體管的器件特別適用于一種發(fā)光顯示器和驅(qū)動(dòng)該顯示器的方法，該發(fā)光顯示器包含以矩陣布置的像素，各像素包含發(fā)光元件和用于將電流供給到發(fā)光元件的驅(qū)動(dòng)電路。作為發(fā)光元件，例如，適于使用有機(jī)電致發(fā)光(以下，簡(jiǎn)稱為“EL”)元件。
背景技術(shù)：
包括有機(jī)EL元件作為發(fā)光元件的有機(jī)EL顯示器的研究和開發(fā)在近些年有所進(jìn)展。為了延長(zhǎng)有機(jī)EL元件的壽命并且獲得高的圖像質(zhì)量，典型的有機(jī)EL顯示器是其中各像素包括驅(qū)動(dòng)電路的有源矩陣(此后稱為“AM”)型的有機(jī)EL顯示器。該驅(qū)動(dòng)電路包括薄膜晶體管(此后，也簡(jiǎn)稱為“TFT”)，所述薄膜晶體管例如被形成在玻璃或塑料基板上。在有機(jī)EL顯示器中，包括基板和驅(qū)動(dòng)電路的部分被稱作“背板(backplane) ”。對(duì)于用于有機(jī)EL顯示背板的TFT的溝道材料，例如已研究了非晶硅(此后，簡(jiǎn)稱為“a-Si”) 和多晶硅(此后，簡(jiǎn)稱為“P-Si”)。此外，已新提出了非晶氧化物半導(dǎo)體(此后，簡(jiǎn)稱為 “AOS”)。AOS材料例如包括銦(In)鎵(Ga)鋅(Zn)氧化物(非晶In-Ga-Zn-O ；此后，簡(jiǎn)稱為 “a-IGZO”)以及鋅(Zn)銦(In)氧化物(非晶Si-In-O ；此后，簡(jiǎn)稱為“a-ZIO”)。因?yàn)锳OS TFT具有高于a-Si TFT的遷移率的十倍的遷移率，并且由于其非晶特性而表現(xiàn)出高的均一性，因此，AOS TFT作為用于顯示背板的TFT具有很大的潛力。包含AOS的溝道層的TFT例如在 Nomura 等人，"Nature", Vol. 432，pp. 488-492，2004 和 Yabuta 等人，APL, 89，112123， 2006中公開。在AM有機(jī)EL顯示器中實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量顯示的挑戰(zhàn)包括例如(1)有機(jī)EL元件的電壓-亮度特性隨時(shí)間變化，(2)各自用作驅(qū)動(dòng)電路的部件的TFT的特性的差異，和(3)由電應(yīng)力引起的TFT的特性的變化。由于AOS TFT的均一性高，并且，使用用于控制從AOS TFT向有機(jī)EL元件供給的電流的驅(qū)動(dòng)電路，因此，當(dāng)在各驅(qū)動(dòng)電路中包括AOS TFT時(shí)，可以解決上述挑戰(zhàn)(1)和O)。然而，由于存在由電應(yīng)力引起的AOS TFT的特性變化，主要是閾值電壓的變化，因此，上述的挑戰(zhàn)(3)仍未解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種在降低由電應(yīng)力引起的閾值電壓的變化的同時(shí)驅(qū)動(dòng)薄膜晶體管的方法，以及包含由該方法驅(qū)動(dòng)的晶體管的器件。本發(fā)明提供一種驅(qū)動(dòng)晶體管的方法，所述晶體管包含半導(dǎo)體層，所述半導(dǎo)體層連接到所述晶體管的源電極和漏電極；第一絕緣層；第二絕緣層；第一導(dǎo)電層；和第二導(dǎo)電層，使得所述半導(dǎo)體層被布置在第一絕緣層和第二絕緣層之間，所述第一絕緣層的一個(gè)表面與第一導(dǎo)電層接觸，與所述第一絕緣層的所述一個(gè)表面相反的另一表面與半導(dǎo)體層接觸，所述第二絕緣層的一個(gè)表面與第二導(dǎo)電層接觸，與所述第二絕緣層的所述一個(gè)表面相反的另一表面與半導(dǎo)體層接觸，以及，第一導(dǎo)電層用作晶體管的柵電極，所述方法包括將電壓VBG施加到第二導(dǎo)電層，所述電壓VBG滿足VBG彡VONl X Cl / (C1+C2)的關(guān)系，其中，Cl 表示第一絕緣層的每單位面積的電容，C2表示第二絕緣層的每單位面積的電容，VONl表示當(dāng)源極電壓被設(shè)為基準(zhǔn)電壓并且施加到第二導(dǎo)電層的電壓被設(shè)為OV時(shí)在晶體管的傳送特性中漏極電流上升時(shí)的導(dǎo)通電壓。本發(fā)明還提供一種驅(qū)動(dòng)晶體管的方法，所述晶體管包含半導(dǎo)體層，所述半導(dǎo)體層連接到所述晶體管的源電極和漏電極；第一絕緣層；第二絕緣層；第一導(dǎo)電層；和第二導(dǎo)電層，使得所述半導(dǎo)體層被布置在第一絕緣層和第二絕緣層之間，所述第一絕緣層的一個(gè)表面與第一導(dǎo)電層接觸，與所述第一絕緣層的所述一個(gè)表面相反的另一表面與半導(dǎo)體層接觸，所述第二絕緣層的一個(gè)表面與第二導(dǎo)電層接觸，與所述第二絕緣層的所述一個(gè)表面相反的另一表面與半導(dǎo)體層接觸，以及，第一導(dǎo)電層用作晶體管的柵電極，所述方法包括將電壓VBG施加到第二導(dǎo)電層，所述電壓VBG滿足VBG彡VTl XCl/(C1+C2)的關(guān)系，其中，Cl 表示第一絕緣層的每單位面積的電容，C2表示第二絕緣層的每單位面積的電容，VTl表示所述晶體管的平帶電壓(flat band voltage)。根據(jù)本發(fā)明，由電應(yīng)力引起的TFT的閾值電壓的變化可減小。減小由電應(yīng)力引起的TFT的閾值電壓的變化可允許包含該TFT的器件長(zhǎng)時(shí)間地維持其性能。此外，用于補(bǔ)償 TFT的閾值電壓的變化的附加手段可被省略。因而，能夠以較低成本提供該器件。從參照附圖的示例性實(shí)施例的以下描述，本發(fā)明的其他特征將變得清晰。


圖1是包含根據(jù)本發(fā)明的薄膜晶體管的顯示器件的截面圖。圖2是本發(fā)明中的TFT的截面圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的TFT的截面圖。圖4示出現(xiàn)有技術(shù)TFT的截面圖和根據(jù)實(shí)施例的TFT的截面圖。圖5A和5B各自示出背柵電壓和漏極-源極電壓的變化量之間的關(guān)系。圖6示出背柵電壓和閾值電壓之間的關(guān)系。圖7A和7B各自示出本發(fā)明的示例1中的用于測(cè)量的等效電路。圖8A和8B分別示出現(xiàn)有技術(shù)TFT的傳送特性和根據(jù)示例1的TFT的傳送特性。圖9示出根據(jù)示例1的有機(jī)EL顯示器的每個(gè)像素的等效電路。圖IOA和IOB分別示出現(xiàn)有技術(shù)TFT的傳送特性和根據(jù)本發(fā)明的示例1的TFT的傳送特性。圖11示出根據(jù)示例2的有機(jī)EL顯示器的每個(gè)像素的等效電路。
具體實(shí)施例方式通過詳細(xì)評(píng)估AOS TFT的特性，發(fā)明人已獲得了以下的發(fā)現(xiàn)。典型的AOS TFT的電特性在操作期間隨著時(shí)間而變化。具體地，AOS TFT具有由于在操作期間被施加的電應(yīng)力而改變閾值電壓的性質(zhì)。對(duì)于AOS TFT的實(shí)際應(yīng)用，這是要解決的重大挑戰(zhàn)之一。
關(guān)于這個(gè)挑戰(zhàn)，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在包括三個(gè)端子即源電極、漏電極和柵電極并且還包括作為第四端子的背柵電極的AOS TFT中，當(dāng)將某個(gè)范圍內(nèi)的電壓施加到背柵電極時(shí)，由電應(yīng)力引起的閾值電壓的變化可減小。根據(jù)本發(fā)明，AOS TFT包含半導(dǎo)體層，所述半導(dǎo)體層連接到所述AOS TFT的源電極和漏電極；第一絕緣層；第二絕緣層；第一導(dǎo)電層；和第二導(dǎo)電層。所述半導(dǎo)體層被布置在第一絕緣層和第二絕緣層之間。所述第一絕緣層的一個(gè)表面與第一導(dǎo)電層接觸，與該一個(gè)表面相反的另一表面與半導(dǎo)體層接觸。所述第二絕緣層的一個(gè)表面與第二導(dǎo)電層接觸，與該一個(gè)表面相反的另一表面與半導(dǎo)體層接觸。第一導(dǎo)電層用作柵電極。此外，第二導(dǎo)電層用作背柵電極。將在后面描述的范圍內(nèi)的電壓被施加到第二導(dǎo)電層，由此減小由電應(yīng)力引起的閾值電壓的變化。背柵電極被配置為控制背溝道。如上所述，背柵電極被設(shè)置在半導(dǎo)體層的與柵電極相反的側(cè)。背溝道是半導(dǎo)體層中的在與柵電極相反的側(cè)的區(qū)域。閾值電壓變化的因素考慮由電應(yīng)力引起的TFT的閾值電壓變化的以下因素。半導(dǎo)體層(溝道層)包含諸如a-Si或AOS之類的非晶材料的TFT的閾值電壓變化可被大體上歸因于在陷阱能級(jí)(trap level)捕獲載流子。在陷阱能級(jí)當(dāng)中，特別地，被捕獲的載流子難以被釋放的深能級(jí)能夠引起TFT的閾值電壓的變化。為了將載流子捕獲到陷阱能級(jí)中，陷阱能級(jí)必須存在，并且，載流子必須出現(xiàn)在陷阱能級(jí)附近。因此，在陷阱能級(jí)捕獲的載流子的量與陷阱能級(jí)密度和載流子密度的乘積相關(guān)。因此，可通過減小陷阱能級(jí)密度或載流子密度來減小捕獲的載流子的量。發(fā)明人已注意到半導(dǎo)體層的背柵電極側(cè)的陷阱能級(jí)密度高于半導(dǎo)體層的柵電極側(cè)的陷阱能級(jí)密度的事實(shí)，并且，提出了應(yīng)通過減小半導(dǎo)體層的背柵電極側(cè)的載流子密度而減小TFT的閾值電壓的變化量。引起閾值電壓的變化的載流子密度的減小上述的陷阱能級(jí)可在TFT的制造過程中被引起，并且可在制造完成時(shí)出現(xiàn)。作為替代，可在TFT的驅(qū)動(dòng)過程中由熱、電場(chǎng)或電流引起所述陷阱能級(jí)。因此，陷阱能級(jí)密度還取決于半導(dǎo)體層的配置、器件的配置或制造工藝。例如，當(dāng)半導(dǎo)體層包含許多雜質(zhì)時(shí)，陷阱能級(jí)密度在TFT的制造完成時(shí)會(huì)是高的，作為替代，可在TFT的驅(qū)動(dòng)過程中形成新的陷阱。 如果在半導(dǎo)體層上形成另一層時(shí)或者在蝕刻時(shí)半導(dǎo)體層被損壞，則在TFT的制造完成時(shí)陷阱能級(jí)密度會(huì)是高的，或者會(huì)在TFT的驅(qū)動(dòng)過程中形成新的陷阱。當(dāng)?shù)谝粚?dǎo)電層、第一絕緣層、半導(dǎo)體層、第二絕緣層和第二導(dǎo)電層從底部開始被依次層疊在基板上時(shí)，如圖3所示，半導(dǎo)體層中的與第二導(dǎo)電層相鄰的區(qū)域的陷阱能級(jí)密度可以高于與第一導(dǎo)電層相鄰的區(qū)域的陷阱能級(jí)密度，這是因?yàn)?，在形成第二絕緣層時(shí)半導(dǎo)體層已被損壞。在這種情況下，減小具有高陷阱能級(jí)密度的區(qū)域、即半導(dǎo)體層的背柵電極側(cè) (與第二導(dǎo)電層相鄰，當(dāng)?shù)谝粚?dǎo)電層用作柵電極時(shí)，所述第二導(dǎo)電層用作背柵電極)的區(qū)域的載流子密度對(duì)于減小TFT的閾值電壓的變化是有效的。平帶電壓對(duì)于減小半導(dǎo)體層的背柵電極側(cè)的區(qū)域的載流子密度有效的方式之一是使用施加到背柵電極的電壓(背柵電壓)來控制載流子密度。為了討論有效背柵電壓，引入TFT 的平帶電壓的概念。
圖4示出第一晶體管的配置和第二晶體管的配置。第一晶體管是現(xiàn)有技術(shù)的三端 TFT，其不包括第二導(dǎo)電層但包括用作柵電極的第一導(dǎo)電層。第二晶體管是四端TFT，其包括用作柵電極的第一導(dǎo)電層和用作背柵電極的第二導(dǎo)電層。各晶體管的源電極和漏電極未在圖4中示出。在第一晶體管中，當(dāng)σ表示半導(dǎo)體層特有的電導(dǎo)率，W表示TFT的溝道寬度，L表示其溝道長(zhǎng)度，ts表示半導(dǎo)體層的厚度，VD表示漏極電壓時(shí)，將如下式表示的電流定義為平帶電流。IFB = tsXWX σ XVD/L ......(1)在這種情況下，平帶電壓VFBO可被如下定義。VFBO =(供給平帶電流IFB所需的柵極電壓)......(2)在第一晶體管中，通過施加到第一導(dǎo)電層的電壓與半導(dǎo)體層中的電壓之間的差而在半導(dǎo)體層中感生的載流子的密度確定在半導(dǎo)體層中的漏極和源極之間流動(dòng)的漏極電流。 當(dāng)平帶電壓VFBO被施加到用作第一晶體管的柵電極的第一導(dǎo)電層時(shí)，除了半導(dǎo)體層的本征載流子以外不感生任何新的載流子，并且，與平帶電流IFB相同的漏極電流流動(dòng)。在第二晶體管中，通過施加到第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層中的每一個(gè)的電壓與半導(dǎo)體層中的電壓之間的差而在半導(dǎo)體層中感生的載流子的密度確定在半導(dǎo)體層中的漏極和源極之間流動(dòng)的漏極電流。當(dāng)平帶電壓VFBO被施加到用作第二晶體管的背柵電極的第二導(dǎo)電層時(shí)，不由背柵電極向半導(dǎo)體層中感生載流子，并且，載流子密度是半導(dǎo)體層的本征載流子密度。此時(shí)，由施加到第一導(dǎo)電層的電壓與半導(dǎo)體層中的電壓之間的差而感生的載流子的數(shù)量確定漏極電流。因此，在向背柵電極施加平帶電壓VFBO時(shí)的第二晶體管的傳送特性(IDS-VGS特性)與第一晶體管的該傳送特性相同。符號(hào)“IDS”表示漏極-源極電流，符號(hào)“VGS”表示柵極-源極電壓。此外，由于第一晶體管中的半導(dǎo)體層的載流子密度與第二晶體管中的相同，第一晶體管中的由電應(yīng)力導(dǎo)致的閾值電壓的變化量也可與第二晶體管中的相同。電應(yīng)力關(guān)于電應(yīng)力的施加，將在下面分別描述持續(xù)地允許恒定電流在TFT的漏極和源極之間流動(dòng)(恒定電流應(yīng)力)和持續(xù)向TFT的各電極端子施加恒定電壓(恒定電壓應(yīng)力)。恒定電流應(yīng)力的施加圖5A示出在圖4中的第二晶體管中測(cè)量的背柵電壓VBG和與電應(yīng)力導(dǎo)致的閾值電壓的變化對(duì)應(yīng)的漏極-源極電壓的變化量AVDS之間的關(guān)系。在圖5A中，空心圓圈表示圖4中的不具有背柵電極的第一晶體管中的柵極電壓和其漏極-源極電壓的變化量AVDS 之間的關(guān)系。假設(shè)源極電壓是基準(zhǔn)電壓，VG表示柵極電壓，VD表示漏極電壓。圖5A示出基于當(dāng)VG = VD = 0V時(shí)4 μ A的漏極-源極電流IDS作為恒定電流流動(dòng)以引起電應(yīng)力的條件、即施加恒定電流應(yīng)力3162秒的數(shù)據(jù)。參照?qǐng)D5A，發(fā)現(xiàn)可通過向第二晶體管的背柵電極施加比由上述式( 定義的平帶電壓VFBO低的電壓，與第一晶體管的閾值電壓的變化量相比減小第二晶體管的閾值電壓的變化量。原因可以是，當(dāng)?shù)陀谄綆щ妷篤FBO的電壓被施加到第二晶體管的背柵電極時(shí)，半導(dǎo)體層的背柵電極(第二絕緣層)側(cè)的區(qū)域的載流子密度低于第一晶體管中的半導(dǎo)體層的第二絕緣層側(cè)的載流子密度。換言之，從圖5A所示的測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在將由下式表示的背柵電壓VBG施加到該TFT的同時(shí)驅(qū)動(dòng)第二晶體管時(shí)，第二晶體管中的由電應(yīng)力引起的閾值電壓的變化量可低于第一晶體管中的由電應(yīng)力引起的閾值電壓的變化量。VBG ^ VFBO......(3)然而，必須進(jìn)一步研究當(dāng)電流大時(shí)施加的恒定電流應(yīng)力。原因是，當(dāng)電流大時(shí)，半導(dǎo)體層的柵電極側(cè)的區(qū)域的載流子密度的作用變得不可被忽略。假設(shè)在當(dāng)VG = VD = OV時(shí)供給作為上述條件中的漏極-源極電流的十倍高的 40μ A的漏極-源極電流IDS的條件下引起電應(yīng)力。在這種情況下，令VG_1表示在第一晶體管中獲得此電流所需的柵極電壓，令VG_2表示在第二晶體管中獲得此電流所需的柵極電壓。由于滿足式(3)的背柵電壓VBG被施加到第二晶體管，因此，供給與第一晶體管中的 IDS相同的IDS所需的柵極電壓增大，使得VG_2 > VG_1。因此，當(dāng)比較第一和第二晶體管的半導(dǎo)體層的柵電極側(cè)的區(qū)域的載流子密度時(shí)，第二晶體管中的載流子密度高于第一晶體管中的載流子密度。第二晶體管中的由電應(yīng)力引起的閾值電壓的變化增大。具體地，關(guān)于由恒定電流的施加引起的電應(yīng)力，用于控制背溝道而施加背柵電壓 VBG引起減小半導(dǎo)體層的背柵電極側(cè)的區(qū)域中的閾值電壓的變化的效果和增大半導(dǎo)體層的柵電極側(cè)的閾值電壓的變化的效果之間的對(duì)立。在某個(gè)電壓處，一個(gè)效果勝過另一個(gè)效果。 換言之，在某個(gè)背柵電壓VBG處，閾值電壓的變化量具有最小值。圖5B示出當(dāng)通過允許40 μ A的恒定電流在漏極和源極之間流動(dòng)而施加電應(yīng)力時(shí)獲得的測(cè)量結(jié)果。圖5Β示出相對(duì)于背柵電壓VBG繪制的與閾值電壓的變化相對(duì)應(yīng)的漏極-源極電壓的變化量AVDS。在圖5B中，空心矩形表示圖4中的不具有背柵電極的第一晶體管中的柵極電壓與其漏極-源極電壓的變化量AVDS之間的關(guān)系。從圖5B中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)背柵電壓VBG減小時(shí)，變化量AVDS也減小到某個(gè)值，并且，當(dāng)背柵電壓VBG進(jìn)一步減小時(shí)， 變化量AVDS相反地增大。換言之，為了減小在具有大電流的恒定電流應(yīng)力施加時(shí)的閾值電壓的變化，可以將滿足式C3)并且在適當(dāng)范圍內(nèi)的電壓選擇作為背柵電壓VBG。所述適當(dāng)范圍內(nèi)的電壓取決于恒定電流應(yīng)力的電流。如上所述，將背柵電極放置在半導(dǎo)體層的高陷阱能級(jí)密度側(cè)以及向背柵電極施加用于減小載流子密度的電壓對(duì)于減小由電應(yīng)力引起的閾值電壓的變化是有效的。恒定電壓應(yīng)力的施加對(duì)于通過向源電極、漏電極和柵電極施加恒定電壓引起的“恒定電壓應(yīng)力”，隨著漏極電壓更高，反向偏壓被施加在半導(dǎo)體層的背柵電極側(cè)的區(qū)域中的背柵極和漏極之間。 因而，可減小載流子密度。因此，在比由式⑶表示的范圍寬的范圍上的背柵電極VBG對(duì)于減小閾值電壓的變化是有效的。圖6示出當(dāng)VD = VG = 20V被持續(xù)施加3162秒時(shí)的背柵電壓VBG和閾值電壓的變化量之間的關(guān)系。參照?qǐng)D6，對(duì)于減小閾值電壓的變化有效的背柵電壓VBG的值處于比由式(3)表示的范圍寬的范圍中，并且由下式表示。VBG < VFB0+V α......(4)在這種情況下，式中的值Va被如下確定。當(dāng)L表示四端子TFT的溝道長(zhǎng)度，VT表示閾值電壓時(shí)，在TFT的飽和區(qū)域中分析的電壓分布被表達(dá)為V(X) = (VG-VT) [1-{1-(x/L)}iAy+2)]，其中γ是“0”或更大的參數(shù)并且表示從TFT的理想特性的偏離。理想特性為Y =0。在該式中，χ表示在電流方向上的溝道中的位置。在源極端，X = 0。在漏極端，χ = L。當(dāng)從x = 0到χ = L執(zhí)行積分，并且將獲得的值除以L時(shí)，得出被表達(dá)為Vave = / (V(x)/L)dx= (VG-VT) / (3+y )的平均電壓。在圖6中的測(cè)量結(jié)果中，VG = (VD = )20V并且VT = 0。假設(shè)Y為0，Vave = 6V。當(dāng)假設(shè)平帶電壓VFBO由于漏極電壓的作用而偏移6V時(shí)，該假設(shè)與圖6中所示的恒定電壓應(yīng)力的測(cè)量結(jié)果相符。換言之，漏極-源極電壓分布V(X)的平均值Vave對(duì)應(yīng)于式中的值Va。對(duì)于恒定電壓應(yīng)力，對(duì)于減小閾值電壓的變化有效的背柵電壓VBG的范圍被表達(dá)為 VBG < VFBO+Vave。現(xiàn)在將描述獲得平帶電壓VFBO的具體方法。獲得三端子TFT中的平帶電壓的方法將描述獲得與不具有背柵電極的三端子TFT中的平帶電壓VFBO對(duì)應(yīng)的、四端子 TFT中的電壓的方法。假設(shè)施加到四端子TFT的柵電極的平帶電壓VFBO與施加到背柵電極的平帶電壓相同。該假設(shè)對(duì)于沒有例如固定電荷的作用的理想情況是有效的。在這種情況下，用于使得與在柵極電壓Vg’施加到三端子TFT時(shí)的漏極和源極之間流動(dòng)的漏極電流相同的電流能夠在四端子TFT的漏極和源極之間流動(dòng)的背柵電壓VBG和柵極電壓Vg之間的關(guān)系由下式表示。Vg = Vi7BO+Φ s-Qsc/Cl-032/Cl) X (VBG-VFBO) = Vg1-(C2/Cl) X (VBG-VFBO) t......(5)其中Qsc 半導(dǎo)體層的每單位面積的載流子密度；<PS:柵絕緣層和半導(dǎo)體層之間的界面處的電勢(shì)；Cl 第一絕緣層的每單位面積的電容；以及C2 第二絕緣層的每單位面積的電容。在實(shí)際測(cè)量中已確認(rèn)了柵極電壓Vg以(C2/C1) XVBG的方式依賴于背柵電壓VBG 的事實(shí)。此外，由于傳送特性相對(duì)于背柵電壓VBG并行偏移，因此平帶電壓VFBO也可類似地滿足上述的依賴性。由于在平帶電壓VFBO處，Qsc = 0且(ps=0，因此獲得以下的表達(dá)式。Vg = VFBO-(C2/C1) X (VBG-VFBO)......(6)為了使用式(6)獲得平帶電壓VFB0，背柵電壓VBG為OV時(shí)的平帶電壓被定義為 VTlo注意，需要將當(dāng)半導(dǎo)體層的比電導(dǎo)率(specific electrical conductivity)高時(shí)的平帶電壓VTl和當(dāng)半導(dǎo)體層的比電導(dǎo)率低時(shí)的平帶電壓VTl彼此區(qū)別地進(jìn)行考慮。原因如下當(dāng)半導(dǎo)體層的比電導(dǎo)率低時(shí)，在一些情況下，不從關(guān)于TFT的傳送特性的測(cè)量中獲得與由式(1)定義的平帶電流IFB對(duì)應(yīng)的電流。例如，這種情況對(duì)應(yīng)于截止(OFF)電流大并且最小漏極電流等于或大于平帶電流IFB的情況或者平帶電流IFB相對(duì)于測(cè)量設(shè)備的測(cè)量精度為小的情況。在這種情況下，利用了漏極電流在傳送特性中急劇上升時(shí)的柵極-源極電壓(導(dǎo)通電壓)VONl基本上對(duì)應(yīng)于平帶電壓VTl的事實(shí)。具體地，當(dāng)像a-Si那樣，半導(dǎo)體層的比電導(dǎo)率低時(shí)(IFB < 10_12A，VD = 0. IV)，由漏極電流在VBG = OV時(shí)的傳送特性中上升時(shí)的導(dǎo)通電壓vom給出從式(6)得出的平帶電壓VFBO。當(dāng)像AOS那樣，比電導(dǎo)率高時(shí)(IFB > IO-12A, VD = 0. IV)，可由VBG = OV時(shí)的平帶電壓VTl給出平帶電壓VFB0。半導(dǎo)體層的低比電導(dǎo)率(IFB < IQ-12A, VD = 0. IV)
從式(6)中如下導(dǎo)出漏極電流在VBG = OV時(shí)的傳送特性中上升時(shí)的導(dǎo)通電壓。VONl = VFBO-(C2/C1) X (O-VFBO)因而，獲得下式。VFBO = VONl X Cl/(C1+C2)......(7)半導(dǎo)體層的高比電導(dǎo)率(IFB > 10_12A，VD = 0. IV)從式(6)中如下導(dǎo)出VBG = OV時(shí)的平帶電壓VT1。VTl = VFBO-(C2/C1) X (O-VFBO)因而，獲得下式。VFBO = VTl X Cl/(C1+C2)......(8)用于減小由電應(yīng)力引起的閾值電壓的變化的驅(qū)動(dòng)條件根據(jù)上述的考慮和測(cè)量，只要以下范圍中的任何一個(gè)范圍內(nèi)的背柵電壓VBG被施加到四端子TFT的背柵電極，就可獲得對(duì)于減小由電應(yīng)力引起的TFT的閾值電壓的變化量有效的本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)半導(dǎo)體層的比電導(dǎo)率低時(shí)(IFB < ΙΟ-、，VD = 0. IV)，可以施加基于式(3)、式 (7)以及漏極電流在VBG = OV時(shí)的傳送特性中上升時(shí)的導(dǎo)通電壓VONl的以下范圍內(nèi)的背柵電壓VBG。VBG ^ V0N1XC1/(C1+C2)......(9)當(dāng)半導(dǎo)體層的比電導(dǎo)率高時(shí)(IFB > ΙΟ—Α，VD = 0. IV)，可以施加基于式(3)、式 ⑶以及在VGB = OV時(shí)的平帶電壓VTl的以下范圍內(nèi)的背柵電壓VBG。VBG ^ VT1XC1/(C1+C2).....(10)現(xiàn)在將描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的發(fā)光顯示器件即有機(jī)EL顯示器，所述發(fā)光顯示器件包括驅(qū)動(dòng)電路并且包括有機(jī)EL元件作為發(fā)光元件，每個(gè)所述驅(qū)動(dòng)電路包含AOS TFT，所述AOS TFT包含由a-IGZO (包含^ufei和Si的非晶氧化物半導(dǎo)體)制成的溝道層。 在本申請(qǐng)文件中，術(shù)語“非晶”是指其中在X射線衍射中觀察不到任何明顯的晶體衍射峰的狀態(tài)。根據(jù)本發(fā)明的本實(shí)施例的有機(jī)EL顯示器包括多個(gè)像素，各像素包括有機(jī)EL元件和驅(qū)動(dòng)所述有機(jī)EL元件的驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路至少包括供給數(shù)據(jù)信號(hào)的開關(guān)a-IGZO TFT 和控制供給到有機(jī)EL元件的電流的驅(qū)動(dòng)a-IGZO TFT。至少這些a-IGZO TFT中的電流控制驅(qū)動(dòng)晶體管是除了柵電極、漏電極和源電極以外還包括背柵電極的四端子TFT。滿足上述的式(10)的電壓被施加到背柵電極。此外，各像素中的其他晶體管，例如開關(guān)晶體管可具有四端子配置。電壓可被施加到晶體管的背溝道控制電極。在一些情況下，背溝道控制電極還具有用于晶體管的遮光功能。已作為示例描述了包括a-IGZO TFT的有機(jī)EL顯示器。本發(fā)明可應(yīng)用于包括 a-IGZ0以外的AOS作為半導(dǎo)體的發(fā)光顯示器件以及包括有機(jī)EL元件以外的發(fā)光元件(例如，無機(jī)EL元件)的發(fā)光顯示器件。本發(fā)明還可應(yīng)用于例如液晶顯示器的控制光透射率或反射率的顯示器件。此外，本發(fā)明可被廣泛應(yīng)用于各自包含TFT的電路。具體地，本發(fā)明可被應(yīng)用于顯示器件以外的矩陣驅(qū)動(dòng)器件，例如包括壓敏元件的壓力傳感器、包含感光元件的光學(xué)傳感器以及存儲(chǔ)器陣列?？色@得與上述的優(yōu)點(diǎn)相同的優(yōu)點(diǎn)。
示例以下將描述本發(fā)明的示例。示例 1將參照?qǐng)D2描述在前述實(shí)施例中使用的包含由a-IGZO制成的溝道層的TFT的制
造方法。圖2示出包含單個(gè)溝道保護(hù)層14的底柵共面型氧化物半導(dǎo)體TFT。首先，通過RF濺射，在玻璃基板10 (由Corning Inc.生產(chǎn)的1737)上形成用于柵電極11的電極層(第一導(dǎo)電層)。使用鉬(Mo)作為用于電極的材料，并且，該電極層的厚度被設(shè)為lOOnm。此后，通過光刻法對(duì)電極層進(jìn)行圖案化，由此形成柵電極11。接著，通過等離子CVD形成厚度為200nm的硅氧化物膜作為柵絕緣層12 (第一絕緣層)。利用等離子CVD設(shè)備以340°C的基板溫度形成硅氧化物膜。使用SiH4氣體和N2O 氣體作為源氣體，使得氣流比被設(shè)為1 25并且輸入RF功率被設(shè)為0. 9W。在硅氧化物膜形成氣氛(atmosphere)中，總壓力被設(shè)為173Pa。隨后，形成厚度為30nm的非晶IGZO膜作為氧化物半導(dǎo)體層13。以室溫(25°C )的基板溫度利用DC濺射設(shè)備形成該氧化物半導(dǎo)體層。使用直徑為4英寸并且組分為^(的多晶陶瓷作為濺射靶，并且，輸入DC功率被設(shè)為150W。在膜形成氣氛中，總壓力被設(shè)為 0.5Pa，并且，此時(shí)的Ar與O2的氣流比被設(shè)為80 20。此后，通過光刻法將該膜圖案化，由此形成氧化物半導(dǎo)體層13。通過濺射，在氧化物半導(dǎo)體層13上形成厚度為IOOnm的硅氧化物膜作為溝道保護(hù)層14。以室溫的基板溫度利用RF濺射設(shè)備形成硅氧化物膜。使用直徑為4英寸的SiO2靶， 并且，輸入RF功率被設(shè)為500W。在硅氧化物膜形成氣氛中，總壓力被設(shè)為0.5Pa，并且，Ar 與O2的氣流比被設(shè)為90 10。此外，通過等離子CVD形成厚度為300nm的硅氮化物膜作為層間絕緣層15。通過等離子CVD形成硅氮化物膜時(shí)的基板溫度被設(shè)為250°C。對(duì)于處理氣體，使用SiH4、NH3和N2。 SiH4、NH3和N2的氣流比被設(shè)為1 2.5 25。輸RF功率被設(shè)為0. 9W，壓力被設(shè)為150Pa。 與形成層間絕緣層15同時(shí)地，氧化物半導(dǎo)體層13的不被覆蓋有溝道保護(hù)層14的部分用作漏極13a和源極13b。此后，通過光刻法和蝕刻在層間絕緣層15中形成接觸孔。在此示例中，溝道保護(hù)層14和層間絕緣層15對(duì)應(yīng)于第二絕緣層。隨后，通過RF濺射形成用于形成漏極配線(interconnect) 16、源極配線17和遮光層18(第二導(dǎo)電層2)的電極層。使用Mo作為用于電極層的材料，并且，該層的厚度被設(shè)為 lOOnm。此后，通過光刻法對(duì)電極層進(jìn)行圖案化，由此形成漏極配線16和源極配線17。最后，在200°C的氣氛中在爐中執(zhí)行退火0. 5小時(shí)，以去除由例如干法蝕刻引起的損壞。以這種方式，可以制造具有圖2所示的截面的a-IGZO TFT。與制造圖2的TFT同時(shí)地，制造不包含遮光層18的現(xiàn)有技術(shù)TFT。圖7A和7B示出在電應(yīng)力的施加下的上述制造的a-IGZ0 TFT的等效電路。圖8A 和8B示出在施加電應(yīng)力之前和之后的TFT的傳送特性(IDS-VGS特性)。圖7A和8A關(guān)于不包括遮光層18的現(xiàn)有技術(shù)三端子TFT。圖7B和8B關(guān)于包括遮光層18的四端子TFT。
關(guān)于電應(yīng)力的施加，源極電壓被設(shè)為基準(zhǔn)電壓，并且，20V的電壓被施加到漏電極和柵電極的端子被短路的節(jié)點(diǎn)。在包括遮光層的TFT中，被施加到與背柵電極對(duì)應(yīng)的遮光層18的電壓被固定為IV。當(dāng)上述的值被應(yīng)用于上述式(8)時(shí)，由于Cl = C2，在上述處理中，VFBO = 1/2 · VTl。在此示例中，使用滿足VBG彡1/2 · VTl的IV的電壓作為施加到遮光層18的背柵電壓VBG。當(dāng)比較圖8A和8B時(shí)，AVth_l > AVth_2。關(guān)于施加電應(yīng)力之前和之后的傳送特性中的柵極-源極電壓的變化量，發(fā)現(xiàn)，將IV施加到遮光層18的TFT中的變化量小于不包含遮光層18的現(xiàn)有技術(shù)TFT中的變化量?，F(xiàn)在將參照?qǐng)D1描述包含有機(jī)EL元件作為發(fā)光元件的顯示器件的制造。首先，通過等離子CVD在圖2的氧化物半導(dǎo)體TFT上形成硅氮化物膜作為絕緣層 128。之后，通過光刻在絕緣層1 中形成接觸孔。然后，形成電極130，并且，將電極130通過絕緣層128中的接觸孔連接到源極配線17。關(guān)于電極130，使用通過濺射制成的銦錫氧化物(ΙΤ0)。接著，通過蒸鍍而在電極130上形成空穴傳輸層131a和發(fā)光層131b。關(guān)于這些層的材料，對(duì)于空穴傳輸層131a使用^-呢0，對(duì)于發(fā)光層13113使用41(13。此外，通過蒸鍍而在發(fā)光層131b上形成電極132。作為用于電極132的材料，使用MgAg。以這種方式， 制造包含有機(jī)EL元件作為發(fā)光元件的顯示器件(圖1)。圖9示出所制造的有機(jī)EL顯示器的每個(gè)像素的等效電路。用作三個(gè)TFT中的每一個(gè)TFT的背柵電極的遮光層18連接到背柵電壓VBG。對(duì)于背柵電壓VBG，施加滿足上述的式(9)或(10)的電壓。在根據(jù)此示例的包括具有上述連接的這種像素電路的有機(jī)EL顯示器中，a-IGZO TFT可以操作為使得由電應(yīng)力引起的TFT的閾值電壓的變化量處于或低于預(yù)定值。因此，可以防止由電應(yīng)力引起的圖像質(zhì)量的下降。示例 2除了在制造a-IGZO TFT的方法中形成氧化物半導(dǎo)體層13時(shí)的Ar與化的氣流比被設(shè)為98 2以外，示例2中的TFT與示例1中的TFT相同。此外，同時(shí)制造不包含遮光層18的TFT。圖IOA和IOB示出在施加電應(yīng)力之前和之后的上述a-IGZO TFT的傳送特性 (IDS-VGS 特性)。圖IOA關(guān)于不包含遮光層18的現(xiàn)有技術(shù)三端子TFT。圖IOB關(guān)于包含遮光層18 的四端子TFT。關(guān)于電應(yīng)力的施加，源極電壓被設(shè)為基準(zhǔn)電壓，并且，20V的電壓被施加到漏電極和柵電極的端子被短路的節(jié)點(diǎn)。在包括遮光層的TFT中，被施加到與背柵電極對(duì)應(yīng)的遮光層18的電壓被固定為0V。當(dāng)比較圖IOA和IOB時(shí)，AVth_3 > AVth_4。關(guān)于施加電應(yīng)力之前和之后的傳送特性中的柵極-源極電壓的變化量，發(fā)現(xiàn)，將OV施加到遮光層18的TFT中的變化量小于不包含遮光層的現(xiàn)有技術(shù)TFT中的變化量。此外，與示例1類似地制造有機(jī)EL顯示器。圖11示出所制造的有機(jī)EL顯示器的每個(gè)像素的等效電路。用作三個(gè)TFT中的每一個(gè)TFT中的背柵電極的遮光層18連接到OV(GND)。因此，配線的數(shù)量小于示例1中的配線的數(shù)量，因而增大開口率。在根據(jù)此示例的包括具有上述連接的這種像素電路的有機(jī)EL顯示器中，a-IGZO TFT可以操作為使得由電應(yīng)力引起的TFT的閾值電壓的變化量處于或低于預(yù)定值。因此，在示例2中也可以防止由電應(yīng)力引起的圖像質(zhì)量的下降。本發(fā)明被應(yīng)用于包含AOS TFT的發(fā)光顯示器件，在所述AOSTFT中，用于發(fā)光元件的驅(qū)動(dòng)電路包括由AOS制成的溝道層。此外，本發(fā)明還可應(yīng)用于發(fā)光顯示器件之外的矩陣驅(qū)動(dòng)器件，例如，包括壓敏元件的壓力傳感器陣列、包含感光元件的光學(xué)傳感器陣列以及存儲(chǔ)器陣列。雖然已參照示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)該理解，本發(fā)明不限于所公開的示例性實(shí)施例。以下的權(quán)利要求的范圍應(yīng)被給予最寬的解釋，以便包含所有這樣的變更方式以及等同的結(jié)構(gòu)和功能。
權(quán)利要求
1.一種驅(qū)動(dòng)晶體管的方法，所述晶體管包含半導(dǎo)體層，所述半導(dǎo)體層連接到所述晶體管的源電極和漏電極；第一絕緣層；第二絕緣層；第一導(dǎo)電層；和第二導(dǎo)電層，使得所述半導(dǎo)體層被布置在第一絕緣層和第二絕緣層之間，所述第一絕緣層的一個(gè)表面與第一導(dǎo)電層接觸，與所述第一絕緣層的所述一個(gè)表面相反的另一表面與半導(dǎo)體層接觸，所述第二絕緣層的一個(gè)表面與第二導(dǎo)電層接觸，與所述第二絕緣層的所述一個(gè)表面相反的另一表面與半導(dǎo)體層接觸，以及，第一導(dǎo)電層用作所述晶體管的柵電極，所述方法包括將電壓VBG施加到第二導(dǎo)電層，所述電壓VBG滿足VBG ( VONl X Cl/(C1+C2)的關(guān)系， 其中，Cl表示第一絕緣層的每單位面積的電容，C2表示第二絕緣層的每單位面積的電容， VONl表示當(dāng)源極電壓被設(shè)為基準(zhǔn)電壓并且施加到第二導(dǎo)電層的電壓被設(shè)為OV時(shí)在晶體管的傳送特性中漏極電流上升時(shí)的導(dǎo)通電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述晶體管包括溝道層，所述溝道層包含非晶氧化物半導(dǎo)體。
3.一種矩陣驅(qū)動(dòng)的器件，包含由根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法驅(qū)動(dòng)的晶體管。
4.一種矩陣驅(qū)動(dòng)的器件，包含由根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法驅(qū)動(dòng)的晶體管。
5.一種驅(qū)動(dòng)晶體管的方法，所述晶體管包含半導(dǎo)體層，所述半導(dǎo)體層連接到所述晶體管的源電極和漏電極；第一絕緣層；第二絕緣層；第一導(dǎo)電層；和第二導(dǎo)電層，使得所述半導(dǎo)體層被布置在第一絕緣層和第二絕緣層之間，所述第一絕緣層的一個(gè)表面與第一導(dǎo)電層接觸，與所述第一絕緣層的所述一個(gè)表面相反的另一表面與半導(dǎo)體層接觸，所述第二絕緣層的一個(gè)表面與第二導(dǎo)電層接觸，與所述第二絕緣層的所述一個(gè)表面相反的另一表面與半導(dǎo)體層接觸，以及，第一導(dǎo)電層用作所述晶體管的柵電極，所述方法包括將電壓VBG施加到第二導(dǎo)電層，所述電壓VBG滿足VBG ( VTl X Cl/(C1+C2)的關(guān)系，其中，Cl表示第一絕緣層的每單位面積的電容，C2表示第二絕緣層的每單位面積的電容，VTl 表示所述晶體管的平帶電壓。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述晶體管包括溝道層，所述溝道層包含非晶氧化物半導(dǎo)體。
7.一種矩陣驅(qū)動(dòng)的器件，包含由根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法驅(qū)動(dòng)的晶體管。
8.一種矩陣驅(qū)動(dòng)的器件，包含由根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法驅(qū)動(dòng)的晶體管。
全文摘要
本發(fā)明涉及驅(qū)動(dòng)晶體管的方法和包含由該方法驅(qū)動(dòng)的晶體管的器件，所述晶體管包括半導(dǎo)體層、第一絕緣層、第二絕緣層、第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層，使得所述半導(dǎo)體層被布置在第一和第二絕緣層之間，所述第一絕緣層的一個(gè)表面與第一導(dǎo)電層接觸，與所述第一絕緣層的所述一個(gè)表面相反的另一表面與半導(dǎo)體層接觸，所述第二絕緣層的一個(gè)表面與第二導(dǎo)電層接觸，與所述第二絕緣層的所述一個(gè)表面相反的另一表面與半導(dǎo)體層接觸。所述方法包括將電壓VBG施加到第二導(dǎo)電層，所述電壓VBG滿足VBG≤VON1×C1/(C1+C2)的關(guān)系。
文檔編號(hào)H01L29/786GK102184965SQ20111000738
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月15日
發(fā)明者安部勝美, 林享, 清水久恵 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社