CN101057333A

CN101057333A - 发光器件

Info

Publication number: CN101057333A
Application number: CNA2005800383031A
Authority: CN
Inventors: 田透; 岩崎达哉; 细野秀雄; 神谷利夫; 野村研二
Original assignee: Canon Inc; Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Canon Inc; Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2004-11-10
Filing date: 2005-11-09
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2025-11-09
Also published as: AU2005302963A1; RU2007121701A; CA2585063A1; EP1810335B1; RU2358354C2; EP1810335A2; AU2005302963B2; US20060113549A1; JP2006186319A; WO2006051994A3; CN101057333B; KR20070085879A; US8212252B2; US20110017996A1; US7872259B2; JP5118811B2; WO2006051994A2; CA2585063C; BRPI0517562A; KR100953596B1

Abstract

本发明的目的在于提供一种使用非晶氧化物的新的发光器件。该发光器件具有位于第1电极(77)和第2电极(79)之间的发光层(78)，和有源层(72)为非晶氧化物的场效应晶体管。

Description

发光器件

技术领域

本发明涉及一种使用氧化物的发光器件，尤其涉及使用有机EL元件和无机EL元件的发光器件。本发明还涉及顶部发射型或底部发射型的发光器件。

背景技术

近年来，平板显示器(FPD)作为液晶和电致发光(EL)技术发展的结果而被应用。FPD由利用设置在玻璃衬底上的非晶硅薄膜或多晶硅薄膜作为有源层的场效应薄膜晶体管(TFT)所构成的有源矩阵电路驱动。

另一方面为了追求FPD在薄型、轻量、以及抗破坏性方面的进一步发展，已经尝试了使用重量轻、柔软的树脂衬底来代替玻璃衬底。然而，由于为了制造使用上述硅薄膜的晶体管，需要在相当高的温度下的热处理，因此难于在低耐热性的树脂衬底上直接形成硅薄膜。

由于这个原因，使用例如主要包含可以在低温下形成薄膜的ZnO氧化物的半导体薄膜的TFT被积极地开发了(日本专利申请公开No.2003-298062号公报)。

然而，大致因为无法获得如使用硅的TFT那样的充分的特性，使用现有的氧化物半导体薄膜的TFT并未达到应用技术发展的技术水平。

发明内容

本发明的一个目的在于：提供使用以氧化物作为有源层的晶体管的新的发光器件、电子照相器件(electronograph)和显示单元。

根据本发明的一个方面，提供一种具有包含第1和第2电极、以及位于第1和第2电极间的发光层的发光元件、和用于驱动该发光元件的场效应晶体管的发光器件，其特征在于：

该场效应晶体管的有源层由电子载流子浓度小于10¹⁸/cm³的非晶氧化物构成。

该非晶氧化物优选至少包括In、Zn、Sn之一。

可选地，该非晶氧化物优选从由包含In、Zn和Sn的氧化物、包含InZn的氧化物、包含In和Sn的氧化物以及包含In的氧化物所构成的组中选出的任何一种。

可选地，该非晶氧化物优选包括In、Zn和Ga。

优选将发光元件和场效应晶体管设置在光学透明衬底上，并且从发光层发射的光通过该衬底输出。场效应晶体管优选设置在衬底和发光层之间。

可选地，发光元件和场效应晶体管优选设置在光学透明衬底上，而且从发光层发射的光通过该衬底和非晶氧化物输出。该场效应晶体管优选设置在该衬底和发光层之间。

在发光器件中，场效应晶体管的漏电极和第二电极中的至少一个优选由光学透明的导电氧化物构成。

发光元件优选地是电致发光元件。

在发光器件中，优选地，将多个发光元件设置在至少单一行中。优选地，设置发光元件使其与场效应晶体管相邻。

根据本发明的另一个方面，提供一种电子照相器件，包含：

感光器，

为该感光器供电的供电器，

曝光光源，用于曝光该感光器以在感光器上形成潜像，

用于显影该潜像的显影单元；

其中，

所述曝光光源具有所述发光器件。

根据本发明的又一个方面，提供一种具有包含第一和第二电极、以及位于第一和第二电极间的发光层的发光元件、和用于驱动该发光元件的场效应晶体管的发光器件，其中：

场效应晶体管有源层的电子迁移率随电子载流子浓度的增加而增加。

根据本发明的另一个方面，提供一种具有包含第一和第二电极以及位于第一和第二电极间的发光层的发光元件、和用于驱动该发光元件的场效应晶体管的发光器件，其中：

场效应晶体管的有源层包含使其能够实现正常截止状态的透明非晶氧化物半导体。该透明非晶氧化物半导体优选具有对实现正常截止状态足够少的、小于10¹⁸/cm³的电子载流子浓度。

根据本发明的另一个方面，提供一种有源矩阵显示器，具有包含第一和第二电极、以及位于第一和第二电极之间的发光层的发光元件；用于驱动发光元件的场效应晶体管；和配置为2维矩阵形式的图像元件电路，其中：

该场效应晶体管的有源层包含其能够实现正常截止状态的透明非晶氧化物半导体。该透明非晶氧化物半导体优选具有对于实现正常截止状态为足够少的、小于10¹⁸/cm³的电子载流子浓度。

根据本发明的另一个方面，提供一种显示产品，包含：

包含第一和第二电极以及位于第一和第二电极之间的发光层的发光元件、和用于驱动该发光元件的晶体管，其特征在于：

该场效应晶体管的有源层包含非晶氧化物半导体。

优选的，该非晶氧化物是从由包含In、Zn和Sn的氧化物、包含In和Zn的氧化物、包含In和Sn的氧化物、以及包含In的氧化物所构成的组中选出的任何一种。

可选的，该晶体管为正常截止型晶体管。

本发明能够提供一种新的发光器件、电子照相器件和有源矩阵显示单元。

作为研究ZnO氧化物半导体的结果，本发明发现通常的工艺不能形成稳定的非晶相。另外，发现大部分通常制造的ZnO显示多晶相，在多晶晶粒间的界面上散射载流子，因此不能提高电子迁移率。此外，ZnO倾向于形成氧缺陷，因此，产生很多载流子电子，难于减小电导率。因此，使用ZnO半导体的TFT，在源极端子和漏极端子之间流过大的电流，即使当不施加晶体管的栅电压时也如此，不能实现正常截止操作。另外也发现，使用ZnO半导体的TFT难于增加ON/OFF比。

另外，本发明人对在日本专利申请No.2000-044236号公报中公开的非晶氧化物薄膜Zn_xM_yIn_zO_{(x+3y/2+3z/2)}(其中，M为Al和Ga中的至少一种)进行了研究。该材料具有大于等于1×10¹⁸/cm³的电子载流子浓度，并因此适合简单地用作透明电极。然而，发现该材料不适合用于正常截止型TFT，原因在于：当TFT使用电子载流子浓度大于等于1×10¹⁸/cm³的氧化物作为其沟道层时，TFT不能提供足够的ON/OFF比。

换句话说，现有的非晶氧化物薄膜不能获得小于1×10¹⁸/cm³的电子载流子浓度。

本发明人积极地研究了作为材料的InGaO₃(ZnO)_m的特性和成膜条件，结果发现：通过控制在成膜过程中的氧气氛条件，能够将电子载流子浓度减小到小于1×10¹⁸/cm³。

因此，本发明人发现：通过使用包含电子载流子浓度小于1×10¹⁸/cm³的非晶氧化物作为场效应晶体管的有源层而制备的TFT，能够显示期望的特性，并可以将其应用到如发光器件等的平板显示器上。

作为设置有多个使用根据本发明的发光器件的线性排列的光源和感光器的电子照相器件，有复印机、打印机和一体化鼓盒。

附图说明

图1示出以脉冲激光汽相淀积法形成的基于In-Ga-Zn-O的非晶薄膜中的电子载流子浓度与成膜时的氧分压之间的关系的示意图。

图2示出以溅射法利用氩气形成的基于In-Ga-Zn-O的非晶薄膜中的电导率与成膜时的氧分压之间的关系的示意图。

图3示出以脉冲激光汽相淀积法形成的基于In-Ga-Zn-O的非晶薄膜中的电子载流子数量与电子迁移率之间的关系的示意图。

图4A、4B、4C示出相对于以脉冲激光汽相淀积法在具有0.8Pa的氧分压的气氛下形成的InGaO₃(Zn_1-xMg_xO)薄膜中的x值，电导率、载流子浓度和电子迁移率的改变。

图5示出实施方式1中制备的顶部栅极型MISFET元件的结构框图。

图6示出实施方式1中制备的顶部栅极型MISFET元件的电流-电压特性的示意图。

图7示出本发明的发光器件的剖面的示意图。

图8示出当本发明的发光器件用作显示器时的电路图。

图9示出本发明的发光器件剖面示意图。

图10示出本发明的线性排列的光源的电连接示意图。

图11示出本发明的线性排列光源的配置例的剖面图。

图12示出本发明线性排列的光源的配置例的剖面图(右上结构)。

图13示出复印机、页式打印机、在一体化鼓盒内的光导鼓和线性排列的光源的配置例的示意图。

图14示出脉冲激光汽相淀积设备的示意图。

图15示出溅射成膜设备的示意图。

具体实施方式

参照示出第1实施方式的图7，对根据本发明的基本结构进行说明。

在这些附图中，符号70表示漏极、符号71表示衬底、符号72表示有源层、符号73表示栅绝缘膜、符号74表示栅极、符号75表示源极、符号77表示第二电极、符号78表示发光层、符号79表示第一电极。在第1实施方式中，将第二电极(以后称为“底部电极”)配置在比发光层更靠近衬底的位置上，发光层是有机EL层。将第一电极(以后，称为“对置电极”)配置在比发光层更远离衬底的位置上。上述部件之间的间隙用层间绝缘层76填充。

首先，详细叙述每个部件。

(1.衬底)

在发光器件中，通常使用玻璃作为衬底的材料。然而，由于在本发明中所使用的TFT能够在低温下形成，因此难于用于有源矩阵中的塑料衬底能够在本发明中使用。因而，能够提供重量轻、难以损坏、并在一定范围内可弯曲的发光器件。当然，也可以使用如Si的半导体衬底和陶瓷衬底。只要该衬底是平坦的，也可以使用具有设置在金属基板上的绝缘层的衬底。

(2.晶体管)

晶体管的有源层可以是任何一种材料，只要它具有期望的特性，具体地，电子载流子浓度小于1×10¹⁸/cm³以及电子迁移率大于1cm²/(V-秒)。该材料包括：例如，基于In-Ga-Zn-O的非晶氧化物半导体。该非晶氧化物是透明的膜。这里，透明一词不仅表示对可见光充分地透明的情况，而且还包括在可见光范围内的至少一部分光线是光学透明的情况。关于光学透明性，基于In-Ga-Zn-O的非晶氧化物半导体优选具有大于等于50％的透射率；更优选地，具有大于等于80％的透射率。上述合成物可以包括替代的或添加的Mg。当发光器件包含使用基于In-Ga-Zn-O的有源层的TFT时，由于TFT对有机EL元件提供足够的电压和电流的驱动强度，因而显示了有用的性能。

将单独地对该非晶氧化物进行详细的描述。

溅射技术和脉冲激光汽相淀积方法适用于形成上述有源层，但是可以使用在产量上有优势的各种溅射技术。也可以适当地在有源层与衬底之间插入缓冲层。

作为栅绝缘膜，优选地，是Al₂O₃、Y₂O₃、HfO₂中的任何一种，或是至少包含它们中的2种或更多的混合结晶化合物；但也可以是其他的化合物。

可使用的源极和漏极，包括以ITO为代表的导电氧化物和如Au等的金属。然而，优选地，电极可以与有源层欧姆地或近似欧姆地连接。漏极也可以直接与发光层相连而不用经过第二电极。

(3.发光层)

只要能够由TFT驱动，对发光层就没有限制，但是有机EL是尤其有利的。用于本发明的有机EL层78极少作为单层使用，而经常用作如下所述的多层结构。以下，“电子传输层”意味着具有电子传输功能的发光层。

空穴传输层/发光层+电子传输层；

空穴传输层/发光层/电子传输层；

空穴注入层/空穴传输层/发光层/电子传输层；

空穴注入层/空穴传输层/发光层/电子传输层/电子注入层。

有时在多层之间插入电子屏蔽层和粘合促进层。

通常，在发光层的发光原理中，有荧光和磷光的两种原理，但从发光功效的观点出发磷光是有效的。铱络合物作为磷光材料是有用的。低分子聚合体和高分子聚合体都能够作为用于发光层的基础金属的聚合体。当使用低分子聚合体时，发光层通常能够以汽相淀积法形成；当使用高分子聚合体时，发光层能够以喷墨法或印刷工艺形成。例如，低MW(分子量)材料包括胺络合物，蒽，稀土络合物和贵金属络合物；高MW材料包括π共轭聚合体和含色素的聚合体。

电子注入层包括碱金属、碱土金属、它们的化合物、和以碱金属掺杂的有机层。此外，电子传输层包括Al络合物、噁二唑、三唑，和邻二氮杂菲。

空穴注入层包括芳基胺(arylamines)、酞菁染料和以路易斯(Lewis)酸掺杂的有机层；空穴传输层包括芳基胺(arylamines)。

图7示出有机EL元件的结构例，但是相同的结构可以用于无机EL元件。

(4.第一电极)

将描述第一电极作为对置电极的情况。对对置电极优选的材料根据是用于作顶部发射型还是用于底部发射型，以及是用作阴极还是阳极而不同。

当对置电极用于顶部发射型时，需要透明度；当用作阳极时，可用的材料包括ITO、导电氧化锡、导电ZnO和电子载流子浓度大于等于1×10¹⁸/cm³的基于In-Zn-O和基于In-Ga-Zn-O的氧化物，它们全部是透明的导电氧化物。当用作阴极时，对置电极可以通过将碱金属或碱土金属掺杂到几十纳米或更薄的薄膜中以形成合金，并在上部形成透明导电氧化物而构成。

当将其用于底部发射类型时，不需要透明度，因此，当将其用作阳极时，可以使用Au合金和Pt合金；当将其用作阴极时，可以使用添加了Ag的Mg、添加了Li的Al、硅化物、硼化物、以及氮化物。

(5.第二电极)

将第二电极连接到漏极上。第二电极可以具有与漏极相同或不同的化合物。

第二电极可以是底部电极。底部电极可以形成为沿衬底或发光层形成的层。

当发光层是以有机EL元件为代表的电流注入型时，根据结构优选地具有底部电极。

当与底部电极相连的发光层是阴极时，优选地，该底部电极是功函数小的金属。该底部电极包括，例如，添加了Ag的Mg、添加了Li的Al、硅化物、硼化物和氮化物。此时，与直接与TFT的漏极部分相连比起来，更有利的是通过布线与TFT的漏极部分相连。

当与底部电极相连的发光层是阳极时，优选地，该底部电极是功函数大的金属。该底部电极包括，例如，ITO、导电氧化锡、导电ZnO、In-Zn-O、Pt合金和Au合金。此外，可以使用具有电子载流子浓度大于等于1×10¹⁸/cm³的基于In-Ga-Zn-O的氧化物。与用于TFT的情况不同，在此情况下，由于底部电极是氧化物，所以载流子浓度越高越优选。例如，更优选载流子浓度大于等于1×10¹⁹/cm³。当底部电极是由ITO或基于In-Ga-Zn-O的氧化物(具有高载流子浓度)制成时，由于它是透明的，因此即使在底部发射类型中使用，也能够提供高的开口面积比。当底部电极直接与漏极、尤其是ITO相连时，上述的基于In-Ga-Zn-O的氧化物(高载流子浓度)和Au合金是更加优选的。

当底部电极直接与漏极相连时，底部电极优选是空穴注入型。尤其，底部电极的材料优选是ITO、掺杂了Al或Ga的ZnO、以及具有载流子浓度大于等于1×10¹⁸/cm³的基于In-Ga-Zn-O的氧化物。尤其，当基于In-Ga-Zn-O的氧化物用作电极和有源层时，有源层In-Ga-Zn-O的一部分的载流子浓度可以通过在其中引入氧缺陷等技术来提高；发光器件被简单而有效地配置。此时，一看便知，空穴传输层和空穴注入层在有源层上形成。这种结构在本发明的范围内。具体地，该结构是底部电极和漏极集成在有源层的一部分上的结构。

(6.层间绝缘层)

具体地说，当第二电极是底部电极时，作为底部电极77的下层的层间绝缘层76可以使用与栅绝缘膜相同的材料。当然，为了获得平坦层，也可以使用其他材料的绝缘层。例如，聚酰亚胺薄膜可以被旋转涂布，氧化硅可以以等离子体CVD法、PECVD法和LPCVD法形成或通过涂布并焙烧硅醇盐形成。层间绝缘层适当地具有形成在其中的、用于与源极或漏极相连的接触孔。

(7.电极布线及其他)

如作为栅电极布线的扫描电极布线和信号电极布线的电极布线，可以使用如Al、Cr和W等金属，和如WSi等硅化物作为材料。

下面，将详细叙述各组成部分之间的关系。

首先，将参照图7说明第1实施方式，其中，优选底部电极通过布线部分地与漏极相连。

第1实施方式

源极75和漏极70被直接连接到有源层72上，并且流过有源层72的电流由栅极74隔着栅绝缘层73而进行控制。

发光层的有机EL层78通过底部电极77和接触孔中的布线被连接到漏极70上。层间绝缘层76位于底部电极77与TFT部分之间，以将它们电绝缘。层间绝缘层76不必为单层，而通常是由配置在栅绝缘膜和栅电极上部的各绝缘层构成的，并且通常层间绝缘层用作平坦化的目的。

对置电极79位于有机EL层78的上部，并将电压施加到有机EL层78上，以使得当TFT导通时，使该有机EL层78发光。

这里，漏极70与第二电极电连接，或者其自身就是第二电极。

图7示出有机EL层78也位于TFT的顶部的高开口面积比的例子，然而有机EL层78可以在除TFT部分以外的其他部分上形成，只要不引起应用上的问题即可。然而，当有机EL层78使用于图7所示的结构中时，优选地，有机EL层的下部尽可能平坦。

虽然图7中漏极70与底部电极77相连，但也可以根据用法将源极75与底部电极77相连。即、本发明的特征在于：将包含非晶氧化物的晶体管的源极和漏极中的任何一个，连接到夹着发光层的电极上。当在发光层78下的底部电极77为阳极时，将TFT的源极连接到阳极上的结构也是优选的。

(发光器件的制备)

这里，参照漏极通过布线与底部电极相连的结构，并且把有机EL用作发光元件的例子，对根据本发明的发光器件的制造过程进行阐述。

(晶体管的制备)

通过以下步骤制备晶体管：

使用具有InGaO₃(ZnO)₄成分的多晶烧结块作为靶，在电子载流子浓度为1×10¹⁸/cm³的条件下，利用脉冲激光汽相淀积法在玻璃衬底上、将基于In-Ga-Zn-O的非晶氧化物半导体淀积为120nm厚的薄膜；该步骤将在后详述；

然后，在氧分压被控制为小于1Pa的室内，利用脉冲激光淀积法成层30nm厚的具有高电导率的InGaO₃(ZnO)₄的膜，并利用电子束汽相淀积法在其上面形成50nm厚的Au膜作为源极和漏极；

然后，利用电子束汽相淀积法分别形成90nm厚的作为栅绝缘膜的Y₂O₃膜，和50nm厚的作为栅电极的Au膜。在上述一系列工序中，每层都利用光刻法和剥离技术形成期望的尺寸。另外，利用相似的方法在它们的上面形成绝缘层。然后，还在其中形成用于漏极的接触孔。

(底部电极层的制备)

然后，利用溅射工艺，通过形成厚度为300nm的ITO薄膜而形成底部电极；之后，利用在接触孔中的布线与漏极和底部电极相连。

(有机EL发光层的制备)

在下面的步骤中，利用热电阻汽相淀积法通过形成下述薄膜而形成有机EL发光层：作为空穴注入层的、60nm厚的4，4’-二[N，N-二胺]-4”-苯基-三苯基胺膜；作为其上的空穴传输层的、20nm厚的4，4’-二[N-(1-萘基)-N-苯胺基]联苯膜；作为发光层的、40nm厚的4，4’-二(2，2-联苯)乙烯基膜；和作为电子传输层的、20nm厚的三(8-羟基喹啉)铝膜。

(对置电极的制备)

最后，通过利用双汽相淀积法形成50nm厚的Al和Ag合金膜，和形成50nm厚的Al膜，而制备对置电极。

当通过与其上的探针相接触而驱动上述元件时，从衬底的背面发出蓝光；即得到底部发射型元件。

本实施方式的重要之处在于：通过控制氧缺陷的数量，基于In-Ga-Zn-O的非晶氧化物半导体得到期望的电子载流子浓度。

如上所述，在透明氧化物膜中的氧的数量(氧缺陷的数量)由在包含预定氧浓度的气氛下成膜而被控制，但是也优选地，通过对在上述含氧的气氛下在上述步骤中形成的氧化物薄膜进行后处理来控制(减少或增加)氧缺陷的数量。

为了有效控制氧缺陷的数量，将含氧气氛的温度控制为大于等于0℃、并小于等于300℃；优选地，大于等于25℃、并小于等于250℃；更优选地，大于等于100℃、并小于等于200℃。

当然，也可以在含氧的气氛中成膜，然后在含氧的气氛中进行后处理。此外，如果该方法提供了预定的电子载流子浓度(小于1×10¹⁸/cm³)，也能够在不控制氧分压的气氛中成膜，并在含氧的气氛中进行后处理。

这里，本发明的电子载流子浓度的下限与应用所得到的氧化物薄膜的元件、电路和器件的种类有关，但是例如大于等于1×10¹⁴/cm³。

其次，将参照图9，阐述底部电极直接与漏极相连而不在其间插入布线的第2实施方式。

第2实施方式

在图9中，符号91表示衬底，符号92表示由本发明的半导体材料制造的有源层，符号93表示栅绝缘膜，符号94表示栅电极，符号95表示源极，符号96表示绝缘层，符号97表示底部电极。底部电极97形成于漏极上，或与漏极相同，换句话说即是漏极本身。符号98表示有机EL层，符号99表示对置电极。

本实施方式具有基本上与第1实施方式相同的结构类型，即、底部电极的一部分通过布线与漏极相连；但不同的结构是，当从衬底91上方位置观察时，漏极和发光层布层于相同的重叠区域上，并且底部电极位于它们之间。

漏极可以是与底部电极相同的部件。此时，漏极需要具有将电子或空穴有效地注入有机EL层的能力。

优选地，通过增加氧缺陷，将与漏极的底部相对应的有源层的一部分的电子载流子浓度控制为大于等于1×10¹⁸/cm³。于是，它能够同时作为漏极和底部电极使用。此时，优选地，该有源层由In-Ga-Zn-O膜构成，其功能为空穴注入层，并与发光层的阳极部分相连。

图9表示发光层设置在TFT层上部的例子，可选的结构是：如果不引起功能上的问题，可以将第一电极的对置电极和第二电极的底部电极颠倒，而将第一电极直接层叠在漏极上。此时，作为底部电极的第二电极表面上位于上部，但是只要与漏极相连、其功能就相同。尤其，当使用无机EL层时，由于比有机EL层更难加工，因此可以采用相反的情况。

在本发明的发光器件的优选结构中，第一和第二电极为对置电极和底部电极，场效应晶体管为TFT，TFT的有源层包含In、Ga和Zn，至少一部分有源层为非晶氧化物，并且发光层的一部分与TFT的漏极电连接。

在根据本发明的发光器件中，发光层的一部分直接与漏极相连，或发光层的一部分可以通过布线与漏极相连。优选地，如此连接的发光层的一部分是发光层的阳极侧或阴极侧。

优选地，漏极和上述的底部电极中至少一个为透明导电氧化物。

其次，参照图8，对第3实施方式的应用于显示器的结构例子进行说明。

虽然在图9中，将漏极97用作底部电极，但根据发光层的层结构的构造，源极95也可以用作底部电极。即、本发明的特征在于：将包含非晶氧化物的晶体管的源极和漏极中任意一个连接到夹着发光层的电极上。

第3实施方式

在图8中，符号81表示用于驱动有机EL层84的晶体管，该晶体管将电流传输给具有有机EL层84和夹着该有机EL层84的一对电极的发光元件。符号82是用于选择图像元件的晶体管2，用于将用来决定传送给发光元件的电流的图像信号提供给晶体管81的栅极。

此外，为了保持所选择的条件而设置电容器83，存储公共电极布线87与晶体管2的源极部分之间的电荷，并保持晶体管1的栅极信号。图像元件通过扫描电极线85和信号电极线86而被选择并决定。

该结构将被更详细的描述。

当行选择信号以脉冲信号的形式通过扫描电极85从驱动器电路(未图示)施加到栅电极上的同时，图像信号通过信号电极86从另一个驱动器电路(未图示)施加到晶体管82上，以选择图像元件。

此时，晶体管82导通，电荷存储于设置在信号电极布线86和晶体管82的源极之间的电容器83中。因此，晶体管81的栅电压被保持在对应于图像信号的期望的电压，晶体管81在源极和漏极之间流过对应于图像信号的电流。该状态被保持直到该晶体管接收到下一个信号。当晶体管81流过电流时，电流也被连续地施加到有机EL层84上，发光被保持。

图8示出对一个图像元件使用两个晶体管和一个电容器的结构例子，但是为了增强性能，该结构可以包含更多的晶体管。

关键是根据本发明，通过使用具有以透明的并可以在低温下形成的基于In-Ga-Zn-O的氧化物为代表的非晶氧化物的有源层的TFT，发光器件可以在晶体管部分实现正常截止型的TFT，因此抑制不需要的发光。上述TFT也可以提供具有高对比度的电子照相器和显示器单元。

第4实施方式

如图11和图12所示，本发明的第4实施方式是底部发射型的发光器件。

具体地，发光器件具有设置在光学透明衬底上的上述的发光层和上述的场效应晶体管，并经由上述衬底从上述发光层发光。在图11中，由非晶氧化物构成的有源层(沟道层2101)也设置在发光元件2106的正下方，但并不需要设置在其正下方。当然，在图11的结构中，从发光层2108发射的光线穿过由上述非晶氧化物构成的有源层和衬底2100。

顺便说明，光源可以通过在一维上设置本发明的发光器件来制造，并且可以通过将其自身与如图13所示的感光器的光导鼓2350组合而制造设备。具体地，电子照相装置可以包括感光器2350，为感光器供电的供电器(未图示)，用光2301照射感光器以在感光器上形成潜像的曝光光源2300，和用于显影上述潜像的显影单元(未图示)。

在上述第1和第2实施方式中阐述的非晶氧化物，将在下面进行详细说明。

(非晶氧化物)

在上述本发明的第1～第3实施方式中使用的有源层在下面进行说明。

在本发明中的非晶氧化物的电子载流子浓度是在室温下的测量值。室温为0℃～约40℃范围内的温度，例如，25℃。本发明的非晶氧化物的电子载流子浓度不必在整个0℃～40℃的范围内都小于10¹⁸/cm³。例如，在25℃的温度下，小于10¹⁸/cm³的电子载流子浓度是可接受的。在较低的电子载流子浓度下，不高于1×10¹⁷/cm³，或不高于1×10¹⁶/cm³，能够高产出率地制造正常截止型TFT。

在本说明书中，小于“10¹⁸/cm³”是指“优选地小于10¹⁸/cm³，和更优选地少于1.0×10¹⁸/cm³”。电子载流子浓度可以利用霍耳效应法来测量。

本发明的非晶氧化物是在X-射线衍射光谱测定法中呈现光晕图案并且无特征衍射线的氧化物。

在本发明的非晶氧化物中，电子载流子浓度的下限是例如1×10¹²/cm³；但由于可将其作为TFT的沟道层使用，故并不限于这一范围。

因此，本发明中，通过控制如后述的例子中所述的非晶氧化物的材料、组分比、制造条件等来将电子载流子浓度调整在范围内，例如从1×10¹²/cm³到1×10¹⁸/cm³的范围内，优选地，从1×10¹³/cm³到1×10¹⁷/cm³的范围内，更优选地，从1×10¹⁵/cm³到1×10¹⁶/cm³的范围内。

除了InZnGa氧化物外，非晶氧化物也可以适当地从In氧化物，In_xZn_1-x氧化物(0.2≤x≤1)，In_xSn_1-x氧化物(0.8≤x≤1)，In_x(Zn，Sn)_1-x氧化物(0.15≤x≤1)中选择。该In_x(Zn，Sn)_1-x氧化物也可以用In_x(Zn_ySn_1-y)_1-x(0≤y≤1)表示。

当In氧化物既不包含Zn也不包含Sn时，In可以部分地替换为Ga:In_xGa_1-x氧化物(0≤x≤1)。

以下将详细叙述由本发明的发明者制备的电子载流子浓度为1×10¹⁸/cm³的非晶氧化物。

上述的一组氧化物典型地包括In-Ga-Zn-O，以结晶状态的InGaO₃(ZnO)_m(m：小于6的自然数)为代表，并包含小于1×10¹⁸/cm³浓度的电子载流子。

上述的另一组氧化物典型地包括In-Ga-Zn-Mg-O，以结晶状态的InGaO₃(Zn_1-xMg_xO)_m(m：小于6的自然数，而且0≤x≤1)为代表，并包含小于1×10¹⁸/cm³浓度的电子载流子。

包括这种氧化物的膜，优选地被设计为呈现出电子迁移率大于1cm²/V·sec。

通过使用上述的膜作为沟道层，能够制造在晶体管截止状态下栅电流小于0.1微安、具有大于1×10³的on-off率、对可见光透明且柔软的正常截止型TFT。

在上述膜中，电子迁移率随导电电子的增加而增加。形成透明膜的衬底包括玻璃板、塑料板和塑料膜。

在使用上述非晶氧化物薄膜作为沟道层时，由包括Al₂O₃、Y₂O₃或HfO₂，或它们的混合结晶化合物的层中的至少一个作为栅绝缘体。

在上述实施方式中，所述膜在含氧气的气氛中形成，不需为了增大电阻而对非晶氧化物有意识地添加杂质。

本发明的发明人发现，半绝缘氧化物的非晶薄膜的特征在于：其电子迁移率随导电电子数量的增加而增加；进一步发现通过使用该薄膜而制备的TFT，在例如on-off率、夹断状态下的饱和电流、开关速率等晶体管特性上得到提升。因此，正常截止型TFT能够通过使用非晶氧化物而制造。

通过使用非晶氧化物薄膜作为薄膜晶体管的沟道层，电子迁移率能够变为大于1cm²/V·sec，优选地，大于5cm²/V·sec。截止状态(不施加栅电压)下，在载流子浓度小于1×10¹⁸/cm³、优选地小于1×10¹⁶/cm³时，能够将漏极端子与源极端子之间的电流控制到小于10微安；优选地小于0.1微安。另外，通过使用该薄膜，夹断后的饱和电流能够升高到大于等于10微安，对于电子迁移率大于等于1cm²/V·sec、优选地大于等于5cm²/V·sec，能够将on-off率提高到大于1×10³。

在TFT的夹断状态下，高电压被施加到栅极端子上，而在沟道内存在高密度的电子。因此，根据本发明，饱和电流能够随电子迁移率的增加而增加。由此，晶体管特性能够提升，如on-off率的增加、饱和电流的增大、开关速率的增加。相反地，在通常的化合物中，由于电子间碰撞，电子的增加减小了电子迁移率。

上述的TFT的结构可以是交错(顶部栅极)结构，其中栅绝缘体和栅极端子在半导体沟道层上连续形成；或反交错(底部栅极)结构，其中栅绝缘体和半导体沟道层在栅极端子上连续形成。

(形成薄膜的第1工艺：PLD工艺)

具有结晶状态的化合物InGaO₃(ZnO)_m(m为小于6的自然数)的非晶氧化物薄膜，当m小于6时，直到大于等于800℃的高温都是稳定的；然而随着m的增加，即ZnO对InGaO₃的比例的增加近似于ZnO化合物，该氧化物趋向于结晶化。因此，对于用作非晶TFT的沟道层，该氧化物的m值优选小于6。

优选利用气相成膜工艺，通过使用具有InGaO₃(ZnO)_m成分的多晶烧结块的靶来进行成膜。对于气相成膜工艺，溅射和脉冲激光汽相淀积法是适合的。溅射尤其适合于批量生产。

然而，在通常条件下的非晶膜的成膜过程中，会发生氧缺陷，因此无法获得小于1×10¹⁸/cm³的电子载流子浓度和小于10S/cm的电导率。使用这种膜，不能构成正常截止型晶体管。

本发明的发明人以脉冲激光汽相淀积法、利用图14中的设备，制造In-Ga-Zn-O薄膜。

通过使用如图14所示的这种PLD成膜设备来成膜。

在图14中，符号表示如下：701为RP(旋转式泵)，702为TMP(涡轮分子泵)，703为预备室，704为RHEED用电子枪、705为用于旋转和垂直移动衬底的衬底支架，706为激光射入窗，707为衬底，708为靶，709为基源，710为进气口，711为用于旋转和垂直移动靶的靶支架，712为旁路线，713为干线，714为TMP(涡轮分子泵)，715为RP(旋转式泵)，716为钛吸气泵，717为遮光器，718为IG(离子压力计)，719为PG(皮拉尼计量器)，720为BG(Baratron计量器)，721为生长室。

使用KrF受激准分子激光器脉冲激光汽相淀积法，在SiO₂玻璃衬底(Corning Co.：1737)上淀积In-Ga-Zn-O型非晶氧化物半导体薄膜。作为淀积前的预处理，使用丙酮、乙醇、超纯水，分别将衬底进行超声波清洗5分钟来脱脂，并在100℃的空气下进行干燥。

多晶靶是InGaO₃(ZnO)₄烧结块(尺寸：直径20mm，厚度5mm)，该烧结块是通过湿混合作为原材料的In₂O₃、Ga₂O₃、ZnO(每个为4N试剂)(溶剂：乙醇)，焙烧该混合物(1000℃，2小时)，干粉碎该混合物并烧结(1550℃，2小时)而制。该靶具有90S/cm的电导率。

将生长室中的最终真空度控制为2×10^-6Pa，并且将在生长过程中的氧分压控制为6.5Pa来进行成膜。在生长室721中的氧分压为6.5Pa，而衬底温度为25℃。靶708与膜支撑衬底707之间的距离为30nm，通过导入窗口716导入的功率在1.5～3mJ/cm²/脉冲的范围内。脉冲宽度为20nsec，重复频率为10Hz，照射斑尺寸为1×1mm²。在上述条件下，在7nm/min的速率下成膜。

所得到的薄膜利用小角度X-射线散射法(SAXS)(薄膜法，入射角：0.5°)测试：没有观测到明显的衍射峰值。这样，所得到的In-Ga-Zn-O型薄膜被判定为非晶型。根据X-射线反射率及其图样分析，均方粗糙度(Rrms)约为0.5nm，膜厚约为120nm。根据荧光X-射线光谱测定分析(XRF)，该薄膜的金属成分为In∶Ga∶Zn＝0.98∶1.02∶4。电导率约小于1×10^-2S/cm。电子载流子浓度估计不超过1×10^-16cm³。电子迁移率估计约为5cm²/V·sec。根据吸收光谱分析，所得到的非晶薄膜的光学带隙能量宽度估计约为3eV。

上述结果显示所得到的In-Ga-Zn-O型薄膜是具有成分接近结晶InGaO₃(ZnO)₄的、氧缺陷少、并具有低电导率的非晶相的透明平坦薄膜。

将参照图1对上述薄膜形成进行更详细的说明。图1示出了对于在与上述例子相同成膜条件下形成的、假设为结晶态下的InGaO₃(ZnO)_m(m：小于6的自然数)成分的膜，所形成的透明非晶氧化物薄膜中的电子载流子浓度关于氧分压的相关性。

通过在与上述例子相同的条件下、在具有高于4.5Pa的氧分压的气氛中成膜，如图1所示，电子载流子浓度能够降低到小于1×10¹⁸/cm³。在成膜过程中，将衬底保持在接近室温，而不需特意进行加热。对于使用柔软的塑料膜作为衬底，衬底温度优选地保持在低于100℃的温度下。

更高的氧分压能够减小电子载流子浓度。例如，如图1所示，在衬底温度为25℃、氧分压为5Pa时形成的InGaO₃(ZnO)₄薄膜有1×10¹⁶/cm³的较低电子载流子浓度。

如图2所示，在所得到的薄膜中，电子迁移率高于1/cm²/V·sec。然而，在本例中的高于6.5Pa的氧分压下、利用脉冲激光汽相淀积法淀积的膜具有粗糙的表面，不适合作为TFT的沟道层。

因此，能够通过使用在高于4.5Pa的氧分压、优选地在高于5Pa而低于6.5Pa下，以在上述例子中的脉冲激光汽相淀积法形成的以结晶态InGaO₃(ZnO)_m(m：小于6的数)为代表的透明薄非晶氧化物来制备正常截止型的晶体管。

上述所得到的薄膜呈现出电子迁移率高于1cm²/V，能够使on-off率高于1×10³。

如上所述，在以本例中的条件下、以PLD方法形成InGaZn氧化物薄膜的过程中，优选地将氧分压控制在4.5Pa～6.5Pa范围内。

为了得到1×10¹⁸/cm³的电子载流子浓度，应该控制氧分压条件、成膜设备的结构、成膜材料的种类和成分。

接下来，通过在氧分压为6.5Pa时使用上述的设备形成非晶氧化物来形成图5中示出的顶部栅极型MISFET元件。具体地，在玻璃衬底1上，通过上述形成非晶薄Ga-Ga-Zn-O膜的方法，形成用于沟道层2的120nm厚的半绝缘非晶InGaO₃(ZnO)₄膜。在氧分压低于1Pa的室内，利用脉冲激光淀积，将厚度分别为30nm的更高电导率的InGaO₃(ZnO)₄薄膜和金膜层叠在非晶InGaO₃(ZnO)₄膜上。然后，利用光刻法和剥离法，形成漏极端子5和源极端子6。最后，通过电子束汽相淀积法，形成用于栅绝缘层3的Y₂O₃膜(厚度：90nm，相对介电常数：约15，漏电流密度：在0.5MV/cm下为1×10^-3A/cm³)。在其上形成金膜，并利用光刻法和剥离法形成栅极端子4。

(MISFET元件的特性的评价)

图6示出在室温下测试的MISFET元件的电流-电压特性。根据漏极电流I_DS随漏极电压V_DS的增加而增加，可知该沟道为n型半导体。这与非晶In-Ga-Zn-O型半导体是n型半导体的事实相符。I_DS在V_DS＝6V时变为饱和(夹断)，这是半导体晶体管的典型特性。根据增益特性的测试可知，在V_DS＝4V时，栅电压V_GS的阈值约为-0.5V。当V_G＝10V时，产生I_DS＝1.0×10^-5A的电流。这与在In-Ga-Zn-O型非晶半导体薄膜中，利用栅极偏置而感应的载流子相对应。

晶体管的on-off率高于1×10³。根据输出特性，场效应迁移率计算出大约为7cm²(Vs)^-1。根据相同测试，可见光的照射不改变所制造元件的晶体管特性。

根据本发明，能够制造具有含较低浓度的电子载流子的沟道层，以获得更高的电阻和更高的电子迁移率的薄膜晶体管。

上述非晶氧化物具有电子迁移率随电子载流子浓度的增大而增大，并具有简并传导性的优秀特性。在本例中，该薄膜形成于玻璃衬底上。然而，由于薄膜可以在室温下形成，因此塑料板或薄膜可以用作衬底。另外，在本例中所获得的非晶氧化物只吸收可见光的一小部分，故可以提供透明柔软的TFT。

(成薄的第二工艺：溅射工艺(SP工艺))

下面，将对利用高频SP工艺、使用氩气作为气氛形成薄膜的过程进行叙述。

SP工艺通过使用图15中的设备而进行。在图15中，符号表示如下：807表示用于形成薄膜的衬底，808表示靶，805表示装备了冷却设备的衬底支架，814表示涡轮分子泵，815表示旋转式泵，817表示遮光器，818表示离子压力计，819表示皮拉尼计量器，821表示生长室，830表示闸门阀。

用于形成薄膜的衬底807为SiO₂玻璃衬底(Corning Co.：1737)，使用丙酮、乙醇、超纯水，对该衬底进行超声波清洗各5分钟以脱脂，并在100℃的空气下进行干燥。

该靶为具有InGaO₃(ZnO)₄(尺寸：直径20mm，厚度5mm)成分的多晶烧结块，其通过湿混合作为原材料的In₂O₃、Ga₂O₃、ZnO(每个为4N试剂)(溶剂：乙醇)、焙烧该混合物(1000℃，2小时)、干粉碎该混合物、并烧结(1550℃，2小时)而制成。靶808具有90S/cm的电导率，是半绝缘的。

生长室821的最终真空度为1×10^-4Torr。在生长过程中，氧和氩气的总压力是保持为4～0.1×10^-1Pa范围内的常数。在氧分压1×10^-3～2×10^-1Pa的范围内，氩气与氧气分压比改变。

该衬底温度为室温。靶808与用于成膜的衬底807之间的距离为30mm。

输入电功率为RF 180W，成膜速率为10nm/min。

所得到的薄膜，利用小角度X-射线散射法(SAXS)(薄膜法，入射角：0.5°)测试：没有观测到明显的衍射峰值。这样，所得到的In-Ga-Zn-O型薄膜被判定为非晶型。根据X-射线反射率及其图样分析，均方粗糙度(Rrms)约为0.5nm，膜厚约为120nm。根据荧光X-射线光谱测定分析(XRF)，该薄膜的金属成分为In∶Ga∶Zn＝0.98∶1.02∶4。

在气氛的各种氧分压下形成膜，并且对所得到的非晶氧化物薄膜进行电导率测试。图3示出其结果。

如图3所示，通过在具有高于3×10^-2Pa的氧分压的气氛中进行成膜，电导率可以降低到小于10S/cm。电子载流子数量能够随着氧分压的增加而减小。

如图3所示，例如，在25℃的衬底温度、1×10^-1Pa的氧分压下所形成的InGaO₃(ZnO)₄薄膜，具有约为1×10^-10S/cm的较低的电导率。另外，在1×10^-1Pa的氧分压下形成的InGaO₃(ZnO)₄薄膜具有特别高的电阻，具有不可测量的电导率。对于这样的薄膜，虽然电子迁移率是不可测量的，但通过高电子载流子浓度的薄膜的数值外推，电子迁移率估计大约为1×cm²/V·sec。

因此，具有高于1×10³的on-off率的正常截止型晶体管，可以通过使用在氧分压高于3×10^-2Pa、优选地高于5×10^-1Pa的含氧氩气气氛中，以溅射汽相淀积法所制备的、由以结晶态InGaO₃(ZnO)_m(m：小于6的自然数)为代表的In-Ga-Zn-O构成的透明非晶氧化物薄膜而获得。

在用于本例的设备和材料的使用中，利用溅射法成膜的过程是氧分压为3×10^-2Pa～5×10^-1Pa的范围内进行的。另外，如图2所示，在利用脉冲激光汽相淀积法或溅射法制造的薄膜中，电子迁移率随导电电子数量的增加而增加。

如上所述，通过控制氧分压，可以减小氧缺陷，从而减小电子载流子浓度。在非晶薄膜中，由于与多晶状态不同，在非晶状态下没有实质的晶粒界面存在，因此电子迁移率高。

另外，作为玻璃衬底的替代，200μm厚的聚乙烯对苯二酸脂(PET)膜不会改变在它上面所形成的InGaO₃(ZnO)₄非晶氧化物膜的特性。

高电阻的非晶膜InGaO₃(Zn_1-xMg_xO)_m(m：为小于6的自然数，0≤x≤1)可以通过使用多晶InGaO₃(Zn_1-xMg_xO)_m作为靶而得到；即使在氧分压小于1Pa时。例如，使用由Mg代替80原子％的Zn的靶，利用脉冲激光淀积法，在氧分压0.8Pa的含氧的气氛中，能够得到低于1×10¹⁶/cm(电阻：约为1×10^-2S/cm)的电子载流子浓度。在如此的薄膜中，电子迁移率低于无Mg的膜，但是这种减少是微量的：电子迁移率在室温下约为5cm²/V·sec，比非晶硅化物的电子迁移率高一个数量级。当薄膜在相同的条件下形成时，Mg含量的增加会使电导率和电子迁移率都减小。因此，优选地，Mg的含量在20％～85％的范围内(0.2＜x＜0.85)。

在使用了上述非晶氧化物膜的薄膜晶体管中，栅绝缘体优选包含Al₂O₃、Y₂O₃、HfO₂、以及它们的混合物中的两种或更多的混合结晶化合物。

在栅绝缘薄膜与沟道层薄膜之间的界面上出现的缺陷降低了电子迁移率，并导致晶体管特性的滞后现象。另外，电流泄漏与栅绝缘层的种类有很大的关系。因此，栅绝缘体要选择适合于沟道层。电流泄漏可以通过使用Al₂O₃膜而减小，滞后现象可以通过使用Y₂O₃膜而减小，而电子迁移率可以通过使用具有高介电常数的HfO₂膜而增加。通过使用上述化合物的混合结晶，能够形成电流泄漏小、滞后现象小且电子迁移率高的TFT。由于栅绝缘体形成工艺和沟道层形成工艺能够在室温下进行，因此TFT能够形成为交错结构或反交错结构。

因此这样形成的TFT是具有栅极端子、源极端子、漏极端子的三端器件。该TFT通过在陶瓷、玻璃或塑料绝缘衬底上形成作为为了传输电子或空穴的沟道层的半导体薄膜而构成；并作为具有通过在栅极端子上施加电压而控制流过沟道层的电流、并开关源极端子与漏极端子之间的电流的功能的有源元件。

本发明的重要之处在于：能够通过控制氧缺陷的数量而获得期望的电子载流子浓度。

如上所述，在非晶氧化物薄膜中的氧含量，通过控制在形成薄膜的气氛中的氧浓度而得到控制。另外，作为优选实施方式，氧缺陷量能够通过在含氧气氛中对氧化物膜的后处理而得到控制(减少或增加)。

为了有效控制氧缺陷量，将含氧气氛的温度控制在0℃～300℃的范围内，优选地控制在25℃～250℃范围内，更优选地控制在100℃～200℃范围内。

当然，薄膜能够在含氧气氛中形成并进一步在含氧气氛中被后处理。另外，可以不控制氧分压，并在含氧气氛中进行后处理而形成薄膜，只要能够获得期望的电子载流子浓度(小于1×10¹⁸/cm³)即可。

本发明中电子载流子浓度的下限，例如为1×10¹⁴/cm³，与使用所制造的氧化物薄膜的元件、电路或器件的种类有关。

(材料的广泛范围)

在研究了用于该系统的其它的材料之后，发现：包括Zn、In、和Sn元素中的至少一个的氧化物的非晶氧化物，对低载流子浓度和高电子迁移率的非晶氧化物薄膜是有用的。发现该非晶氧化物薄膜具有电子迁移率随其中的导电电子数量增加而增加的特殊特性。使用该薄膜，能够制造在如on-off率、在夹断状态下的饱和电流、切换速率等的晶体管特性上卓越的正常截止型TFT。

在本发明中，具有下述(a)～(h)中的任何一个特征的氧化物是可用的：

(a)具有小于1×10¹⁸/cm³的电子载流子浓度的非晶氧化物；

(b)电子迁移率随电子载流子浓度的增加而增加的非晶氧化物；

(室温是指0℃～40℃范围内的温度。术语“非晶化合物”是指在X-射线衍射光谱中仅显示光晕图案而不显示特征衍射图案的化合物。电子迁移率是指通过霍尔效应测量的测量值。)

(c)在上述(a)或(b)项目中提及的非晶氧化物、其电子迁移率在室温下高于0.1cm²/V·sec；

(d)在上述(b)～(c)任何一个项目中提及的非晶氧化物，其显示了简并传导性；(术语“简并传导性”是指在关于电阻的温度相关性下的热激活能量小于等于30meV的状态。)

(e)在上述(a)～(d)任何一个项目中提及的非晶氧化物，包含了Zn、In、Sn元素中的至少一个来作为构成元素；

(f)包括上述(e)项目中提及的非晶氧化物，和附加地下述元素中的至少一种的非晶氧化物薄膜：

具有原子数小于Zn(Mg和Ca)的2族元素M2，

具有原子数小于In(B、Al、Ga和Y)的3族元素M3，

具有原子数小于Sn(Si、Ge和Zr)的4族元素M4，

5族元素M5(V、Nb和Ta)以及Lu和W以减小电子载流子浓度；

(g)在上述(a)～(f)任何一个项目中提及的非晶氧化物薄膜，包括具有结晶态In_1-xM3_xO₃(Zn_1-yM2_yO)_m(0≤x≤1，0≤y≤1，m：0或小于6的自然数)成分的单一化合物，或不同m数的化合物的混合物，例如M3为Ga，M2为Mg；

(h)形成于塑料衬底或塑料薄膜上的在上述(a)～(g)任何一个项目中提及的非晶氧化物薄膜。

本发明还提供了一种使用上述非晶氧化物或非晶氧化物膜作为沟道层的场效应晶体管。

制备场效应晶体管，该场效应晶体管使用具有电子载流子浓度小于1×10¹⁸/cm³但大于1×10¹⁵/cm³的非晶氧化物薄膜作为沟道层，并具有源极端子和漏极端子，和插入了栅绝缘体的栅极端子。当在源极端子和漏极端子间施加大约5V的电压、而不施加栅电压时，源极端子和漏极端子之间的电流约为1×10^-7安培。

在氧化物晶体中的电子迁移率，随金属离子的s轨道的重叠的增大而变大。在具有高原子数的Zn、In或Sn的氧化物晶体中，电子迁移率在0.1～200cm²/V·sec范围内。

在氧化物中，氧和金属离子通过离子键成键而没有化学键取向，并具有随机的结构。因此，在非晶状态下的氧化物中，电子迁移率与结晶状态下的电子迁移率相当。

另一方面，代替Zn、In、或Sn的较低的原子数的元素会使电子迁移率减小。由此，在本发明的非晶氧化物中的电子迁移率在0.01～20cm²/V·sec范围内。

在具有包括上述氧化物的沟道层的晶体管中，栅绝缘体优选地由Al₂O₃、Y₂O₃、HfO₂、或包含它们中的两个或更多的混合结晶化合物构成。

在栅绝缘薄膜和沟道层薄膜间的界面上存在的缺陷降低了电子迁移率、并引起了晶体管特性的滞后现象。另外，电流泄漏与栅绝缘体的种类有很大的关系。因此，栅绝缘体应该选择与沟道层相适应。电流泄漏可以通过使用Al₂O₃膜而减小，滞后现象通过使用Y₂O₃膜而减小，电子迁移率通过使用具有高介电常数的HfO₂膜而增加。通过使用上述化合物的混合结晶，能够形成电流泄漏小、滞后现象小、且电子迁移率高的TFT。由于栅绝缘体形成工艺和沟道层形成工艺能够在室温下进行，因此TFT能够形成为交错结构或反交错结构。

In₂O₃氧化物薄膜可以通过气相工艺形成，并且在对形成薄膜的气氛加入大约0.1Pa分压下的湿度使得所形成的薄膜非晶化。

ZnO和SnO₂分别不易形成为非晶薄膜状态。为了在非晶状态下形成ZnO薄膜，加入20原子％量的In₂O₃。为了在非晶状态下形成SnO₂薄膜，加入90原子％量的In₂O₃。在Sn-In-O型非晶薄膜的形成中，将大约0.1Pa分压的气态氮加入到形成薄膜的气氛中。

对上述非晶薄膜而言，可以加入能够形成复合氧化物的元素，该元素从具有低于Zn(Mg和Ca)的原子量的2族元素M2，具有低于In(B、Al、Ga和Y)的原子量的3族元素M3，具有低于Sn(Si、Ge和Zr)的原子量的4族元素M4，5族元素M5(V、Nb和Ta)以及Lu、W中选择。上述元件的加入，使室温下非晶薄膜变得稳定，并扩展了形成非晶薄膜的组成范围。

尤其，倾向于形成共价键的B、Si或Ge的加入，对非晶相稳定性是有效的。包括离子半径差异较大的离子的复合氧化物的加入，对非晶相稳定性是有效的。例如，在In-Zn-O系统中，为了在室温下稳定地形成薄膜，需要包含大于约20原子％的In。然而，与In等量的Mg的加入，在In大于等于约15原子％的组分范围内，能够形成稳定的非晶薄膜。

在气相成膜过程中，通过控制形成薄膜的气氛，能够得到电子载流子浓度在1×10¹⁵/cm³～1×10¹⁸/cm³范围内的非晶氧化物膜。

非晶氧化物膜可以通过气相工艺，如脉冲激光气相淀积工艺(PLD工艺)、溅射工艺(SP工艺)、电子束气相淀积工艺适当地形成。关于气相工艺，PLD工艺由于易于控制材料组成而适合使用，而SP工艺由于易于批量生产而适用。然而，薄膜形成工艺并不限于此。

(通过PLD工艺的In-Zn-Ga-O型非晶氧化物薄膜的形成)

通过PLD工艺、利用KrF受激准分子激光器，使用具有InGaO₃(ZnO)或InGaO₃(ZnO)₄成分的多晶烧结块作为靶，将In-Zn-Ga-O型非晶氧化物淀积在玻璃衬底(Corning Co.：1737)上。

使用图14所示的前述设备，而且对该设备的薄膜形成条件与上述的相同。

衬底温度为25℃。

得到的两个薄膜利用小角度X-射线散射法(SAXS)(薄膜法，入射角：0.5°)测试：没有观测到明显的衍射峰值，这显示了用两种不同的靶所得到的In-Ga-Zn-O型薄膜均是非晶的。

根据玻璃衬底的In-Zn-Ga-O型非晶氧化物薄膜的X-射线反射率及其图像分析，该薄膜的均方粗糙度(Rrms)约为0.5nm，该薄膜的厚度约为120nm。根据荧光X-射线光谱测定分析(XRF)，使用InGaO₃(ZnO)多晶烧结块的靶所得到的薄膜，包含组成比为In∶Ga∶Zn＝1.1∶1.1∶0.9的金属；而由InGaO₃(ZnO)₄多晶烧结块的靶所得到的薄膜，包含组成比为In∶Ga∶Zn＝0.98∶1.02∶4的金属。

使用InGaO₃(ZnO)₄成分的靶，在形成薄膜气氛的各种氧分压下形成非晶氧化物薄膜。对所形成的非晶氧化物薄膜的电子载流子浓度进行测量。图1示出其结果。如图1所示，通过在具有高于4.2Pa的氧分压的气氛中形成薄膜，电子载流子浓度能够小于1×10¹⁸/cm³。在该薄膜的形成中，将衬底保持在接近室温，而不需有意进行加热。在低于6.5Pa的氧分压下，所获得的非晶氧化物薄膜的表面是平坦的。

在5Pa的氧分压下，在使用InGaO₃(ZnO)₄的靶形成的非晶膜中，电子载流子浓度为1×10¹⁶/cm³，电导率为1×10^-2S/cm，电子迁移率估计约为5cm²/V·sec。根据吸收光谱的分析，所形成的非晶氧化物薄膜的光学带隙能量宽度估计约为3eV。

更高的氧分压进一步减小了电子载流子浓度。如图1所示，在25℃的衬底温度、6Pa的氧分压下，形成的In-Zn-Ga-O型非晶氧化物薄膜的电子载流子浓度被减小为8×10¹⁵/cm³(电导率约为8×10^-3S/cm)。薄膜中的电子迁移率估计约为大于等于1cm²/V·sec。然而，在大于等于6.5Pa的氧分压下，利用PLD工艺所淀积的薄膜具有粗糙的表面，不适合作为TFT的沟道层使用。

在形成薄膜的气氛的各种氧分压下、使用由具有InGaO₃(ZnO)₄成分的多晶烧结块构成的靶而形成该In-Zn-Ga-O型非晶氧化物薄膜。对所得到的薄膜的电子载流子浓度与电子迁移率之间的关系进行测试。图2示出其结果。对应于电子载流子浓度从1×10¹⁶/cm³增加到1×10²⁰/cm³，电子迁移率从大约3cm²/V·sec增加到大约11cm²/V·sec。对使用多晶烧结的InGaO₃(ZnO)作为靶而得到的非晶氧化物薄膜，能观察到同样的趋势。

在代替玻璃衬底的200μm厚的聚乙烯对苯二酸酯(PET)膜上形成的In-Zn-Ga-O型非晶氧化物薄膜，具有相似的特性。

(利用PLD工艺的In-Zn-Ga-Mg-O型非晶氧化物薄膜的形成)

利用PLD工艺、使用InGaO₃(Zn_1-xMg_xO)₄(0≤x≤1)靶、在玻璃衬底上形成InGaO₃(Zn_1-xMg_xO)₄(0≤x≤1)薄膜。所使用的设备如图14所示。

SiO₂玻璃衬底(Coring Co.：1737)被用作衬底。作为预处理，对衬底分别使用丙酮、乙醇和超纯水进行各5分钟的超声波清洗以脱脂，并在100℃的空气中干燥。靶是InGaO₃(Zn_1-xMg_xO)₄(x＝1～0)的烧结块(尺寸：直径20mm、厚度5mm)。

靶通过湿混合原材料In₂O₃、Ga₂O₃和ZnO(每个为4N试剂)(溶剂：乙醇)、焙烧该混合物(1000℃，2小时)、然后干粉碎、最后烧结(1550℃，2小时)而制备。在生长室内的最终压力为2×10^-6Pa。在生长中将氧分压控制为0.8Pa。衬底温度为室温(25℃)。靶与为了形成薄膜的衬底之间的距离为30nm。KrF受激准分子激光器照射功率为1.5mJ/cm²/脉冲，以20nsec的脉冲宽度、10Hz的重复频率、1×1mm²的照射斑尺寸进行照射。薄膜形成速率为7nm/min。在薄膜形成的气氛中的氧分压为0.8Pa。衬底温度为25℃。

所得到的薄膜用小角度X-射线散射法(SAXS)(薄膜法，入射角：0.5°)进行测试：没有发现明显的衍射峰值。因此，所得到的In-Ga-Zn-Mg-O型薄膜是非晶的。所得到的薄膜具有平坦的表面。

通过使用不同x值的靶(Mg含量不同)，在薄膜形成气氛中的0.8Pa的氧分压下形成In-Zn-Ga-Mg-O型非晶氧化物薄膜，用来研究电导率、电子载流子浓度和电子迁移率与x值的相关性。

图4A、4B、4C示出其结果。在x值高于0.4时，在利用PLD工艺在0.8Pa氧分压的气氛中形成的非晶氧化物薄膜中，电子载流子浓度减小为小于1×10¹⁸/cm³。在x值高于0.4的非晶氧化物薄膜中，电子迁移率高于1cm²/V。

如图4A、4B和4C所示，在利用脉冲激光淀积工艺使用以Mg代替80原子％的Zn的靶、并且氧分压为0.8Pa(电阻：约为1×10^-2S·cm)下所制备的薄膜中，能够获得小于1×10¹⁶/cm³的电子载流子浓度。在该薄膜中，与无Mg薄膜相比，电子迁移率减小，但是这种减小是微量的。在该薄膜中的电子迁移率约为5cm²/V·sec，这比非晶硅的电子迁移率高一个数量级。在相同的薄膜形成条件下，薄膜的电导率和电子迁移率随Mg含量的增加而减小。因此，薄膜中的Mg含量优选地大于20原子％并小于85原子％(0.2＜x＜0.85)，更优选地，为0.5＜x＜0.85。

在代替玻璃衬底的200μm厚的聚乙烯对苯二酸酯(PET)膜上形成的InGaO₃(Zn_1-xMg_xO)₄(0≤x≤1)非晶薄膜具有相似的特性。

(利用PLD工艺的In₂O₃非晶氧化物薄膜的形成)

在200μm厚的PET薄膜上、通过使用由In₂O₃多晶烧结块构成的靶；以使用KrF受激准分子激光器的PLD工艺形成In₂O₃膜。

所使用的设备在图14中所示。用于薄膜形成的衬底为SiO₂玻璃衬底(Corning Co.：1737)。

作为淀积前的预处理，将衬底分别用丙醇、乙醇、超纯水、进行各5分钟的超声波清洗以脱脂，并在100℃空气下进行干燥。

靶是通过焙烧原材料In₂O₃(4N试剂)(1000℃，2小时)、然后干粉碎、并烧结(1550℃，2小时)而制备的In₂O₃烧结块(尺寸：直径20mm，厚度5mm)。

生长室的最终的真空度为2×10^-6Pa，生长中的氧分压为5Pa，并且衬底温度为25℃。

水蒸气分压为0.1Pa，氧基通过在200W下使用氧基发生组件而产生。

靶与薄膜支持衬底之间的距离为40mm，KrF受激准分子激光器的功率为0.5mJ/cm²/脉冲，脉冲宽度为20nsec，重复频率为10Hz，照射斑尺寸为1×1mm²。

薄膜形成速率为3nm/min。

得到的薄膜使用小角度X-射线散射法(SAXS)(薄膜法，入射角：0.5°)测试：没有发现明显的衍射峰值，这表示所得到的In-O型氧化物薄膜为非晶的。该薄膜的厚度为80nm。

在所得到的In-O型非晶氧化物薄膜中，电子载流子浓度为5×10¹⁷/cm³，电子迁移率约为7cm²/V·sec。

(利用PLD工艺的In-Sn-O型非晶氧化物薄膜的形成)

在200μm厚的PEF薄膜上、通过使用由(In_0.9Sn_0.1)O_3.1的多晶烧结块构成的靶，以使用KrF受激准分子激光器的PLD工艺而形成In-Sn-O型氧化物膜。所使用的设备如图14所示。

用于薄膜形成的衬底为SiO₂玻璃衬底(Corning Co.：1737)。

作为淀积前的预处理，将衬底分别用丙醇、乙醇、超纯水进行各5分钟的超声波清洗以脱脂，并在100℃的空气中进行干燥。

靶是由湿混合原材料In₂O₃-SnO₂(4N试剂)(溶剂：乙醇)、焙烧该混合物(1000℃，2小时)、然后干粉碎、烧结(1550℃，2小时)而制备的In₂O₃-SnO₂烧结块(尺寸：直径20mm，厚度5mm)。

衬底保持在室温。氧分压为5Pa。氮分压为0.1Pa。氧基通过在200W下、利用氧基发生组件而产生。

靶与薄膜支持衬底之间的距离为30mm，KrF受激准分子激光器的功率为1.5mJ/cm²/脉冲，脉冲宽度为20nsec，重复频率为10Hz，照射斑尺寸为1×1mm²。

薄膜形成速率为6nm/min。

得到的薄膜用小角度X-射线散射法(SAXS)(薄膜法，入射角：0.5°)测试：没有发现明显的衍射峰值，这表示所得到的In-Sn-O型氧化物薄膜为非晶型。

在所得到的In-Sn-O型非晶薄膜中，电子载流子浓度为8×10¹⁷/cm³，电子迁移率约为5cm²/V·sec。膜厚为100nm。

(利用PLD工艺的In-Ga-O型非晶氧化物薄膜的形成)

该薄膜的衬底为SiO₂玻璃衬底(Corning Co.：1737)。

靶是(In₂O₃)_1-x-(Ga₂O₃)_x(x＝0～1)(尺寸：直径20mm，厚度5mm)的烧结块。例如，x＝0.1时，靶是(In_0.9Ga_0.1)₂O₃的多晶烧结块。

靶是由湿混合原材料In₂O₃-Ga₂O₃(4N试剂)(溶剂：乙醇)、焙烧该混合物(1000℃，2小时)、然后干粉碎、并烧结(1550℃，2小时)而制备的。

生长室的最终的真空度为2×10^-6Pa。培养中的氧分压为1Pa。

衬底为室温。靶与薄膜支持衬底之间的距离为30mm。KrF受激准分子激光器的功率为1.5mJ/cm²/脉冲，脉冲宽度为20nsec，重复频率为10Hz，照射斑尺寸为1×1mm²。薄膜形成速率为6nm/min。

衬底温度为25℃。氧分压为1Pa。得到的薄膜用小角度X-射线散射法(SAXS)(薄膜法，入射角：0.5°)测试：没有发现明显的衍射峰值，这表示得到的In-Ga-O型氧化物薄膜为非晶型。该膜厚为120nm。

在所得到的In-Ga-O型的非晶氧化物薄膜中，电子载流子浓度为8×10¹⁶/cm³，电子迁移率约为1cm²/V·sec。

(具有In-Zn-Ga-O型非晶氧化物薄膜(玻璃衬底)的TFT元件的制备)

制备如图5所示的顶部栅极型TFT元件。

首先，在玻璃衬底1上，利用上述的PLS设备，使用由具有InGaO₃(ZnO)₄成分的多晶烧结块靶，在5Pa的氧分压下制备In-Ga-Zn-O型非晶氧化物膜。所形成的In-Ga-Zn-O型薄膜具有120nm的膜厚，并作为沟道层2。

然后在它的上面，通过利用PLD法，在室内低于1Pa的氧分压下，分别层叠厚度为30nm的另一个具有更高的电导率In-Ga-Zn-O型非晶薄膜和金层。然后利用光刻法和剥离法形成漏极端子5和源极端子6。

最后，利用电子束气相淀积法形成Y₂O₃薄膜作为栅绝缘体3(厚度：90nm，相对介电常数：约为15，漏电流密度：在0.5MV/cm下为1×10^-3A/cm²)。另外，在其上形成金膜并利用光刻法和剥离法从中形成栅极端子4。沟道长度为50μm，沟道宽度为200μm。

(TFT元件特性的评价)

图6示出室温下的TFT元件的电流-电压特性。漏极电流I_DS随漏极电压V_DS的增加而增加，这表示该沟道为n型导电。

这与非晶In-Ga-Zn-O型半导体是n型的事实相符。I_DS在V_DS＝6V时变为饱和(夹断)，这是半导体晶体管的典型特性。根据增益特性的测试，栅电压V_GS的阈值在V_DS＝4V时约为-0.5V。电流I_DS在V_G＝10V时为1.0×10^-5A。这与由栅极偏置在作为绝缘体的In-Ga-Zn-O型非晶半导体薄膜中感应的载流子相对应。

晶体管的on-off率高于1×10³。根据输出特性，场效应迁移率在饱和区计算出约为7cm²(Vs)^-1。根据相同测试，可见光的照射不改变所制造的元件的晶体管特性。

电子载流子浓度小于1×10¹⁸/cm³的非晶氧化物可用作TFT的沟道层。优选地，电子载流子浓度小于1×10¹⁷/cm³，更优选地，小于1×10¹⁶/cm³。

(具有In-Zn-Ga-O型非晶氧化物薄膜(非晶衬底)的TFT元件的制备)

制备图5所示的顶部栅极型TFT元件。

首先，在聚乙烯对苯二酸酯(PET)薄膜1上、利用上述的PLS设备、使用由具有InGaO₃(ZnO)成分的多晶烧结块构成的靶、在5Pa的氧分压气氛下制备In-Ga-Zn-O型非晶氧化物膜。所形成的薄膜具有120nm的膜厚，并作为沟道层2。

然后在它的上面，通过利用PLD法，在室内低于1Pa的氧分压下，分别层叠膜厚为30nm的另一个具有更高的电导率的In-Ga-Zn-O型非晶膜和金层。利用光刻法和剥离法形成漏极端子5和源极端子6。

最后，利用电子束气相淀积法形成栅绝缘膜3。然后在其上，形成金膜并利用光刻法和剥离法从中形成栅极端子4。沟道长度为50μm，沟道宽度为200μm。三个上述结构的TFT，通过分别使用三种类型的栅绝缘层：Y₂O₃(140nm厚)、Al₂O₃(130μm厚)、HfO₂(140μm厚)中的一种而制备。

(TFT元件特性的评价)

在PET薄膜上形成的TFT元件，在室温下，具有与图6所示的相似的电流-电压特性。漏极电流I_DS随漏电压V_DS的增加而增加，这表示该沟道为n型导电。这与非晶In-Ga-Zn-O型半导体为n型的事实相符。I_DS在V_DS＝6V时变为饱和(夹断)，这是半导体晶体管的典型特性。电流I_DS在V_G＝0V时为1.0×10^-8A，电流I_DS在V_G＝10V时为2.0×10^-5A。这与由栅极偏置而在作为绝缘体的In-Ga-Zn-O型非晶氧化物薄膜中感应出的载流子相对应。

晶体管的on-off率高于1×10³。根据输出特性，场效应迁移率在饱和区计算出约为7cm²(Vs)^-1。

将在PET薄膜上形成的元件在30mm的曲率半径下弯曲，并在该状态下，测试晶体管特性。然而，在晶体管特性上没有观察到变化。可见光的照射不改变晶体管的特性。

使用Al₂O₃薄膜作为栅绝缘体的TFT具有与图6相似的晶体管特性。电流I_DS在V_G＝0V时为1.0×10^-8A，电流I_DS在V_G＝10V时为5.0×10^-6A。晶体管的on-off率高于1×10²。根据输出特性，场效应迁移率在饱和区计算出约为2cm²(Vs)^-1。

使用HfO₂薄膜作为栅绝缘体的TFT，也具有与图6所示的相似的晶体管特性。电流I_DS在V_G＝0V时为1.0×10^-8A，电流I_DS在V_G＝10V时为1.0×10^-6A。晶体管的on-off率高于1×10²。根据输出特性，场效应迁移率在饱和区计算出约为10cm²(Vs)^-1。

(利用PLD工艺的使用In₂O₃非晶氧化物薄膜的TFT元件的制备)

制备如图5所示的顶部栅极型TFT。

首先，在聚乙烯对苯二酸酯(PET)薄膜1上，利用PLD法制备In₂O₃型非晶氧化物膜作为沟道层2，其厚度为80nm。

然后，在它的上面，通过利用PLD法、在氧分压低于1Pa的室内、并在氧基产生组件上施加0V电压的状态下，分别层叠膜厚为30nm的另一个具有更高的电导率的In₂O₃非晶膜和金层。利用光刻法和剥离法从中形成漏极端子5和源极端子6。

最后，利用电子束气相淀积法，形成作为栅绝缘体3的Y₂O₃膜。然后在其上形成金膜并利用光刻法和剥离法从中形成栅极端子4。

(TFT元件特性的评价)

在室温下对在PET薄膜上形成的TFT元件的电流-电压特性进行测试。漏极电流I_DS随漏极电压V_DS的增加而增加，这表示示沟道为n型导体。这与In-O型非晶氧化物薄膜为n型导体的事实相符。I_DS在V_DS＝6V时饱和(夹断)，这是晶体管的典型特性。电流I_DS在V_G＝0V时为2.0×10^-8A，电流I_DS在V_G＝10V时为2.0×10^-6A。这与由栅极偏置而在作为绝缘体的In-O型非晶氧化物膜中感应的电子载流子相对应。

晶体管的on-off率大约为1×10²。根据输出特性，场效应迁移率在饱和区计算出约为1.0×10cm²(Vs)^-1。在玻璃衬底上形成的TFT元件具有相似的特性。

在PET薄膜上形成的元件在30mm的曲率半径下被弯曲，并在此状态下，对晶体管特性进行测试。没有观察到晶体管特性的改变。

(利用PLD工艺的使用In-Sn-O型非晶氧化物薄膜的TFT元件的制备)

制备如图5所示的顶部栅极型TFT。

首先，利用PLD法、在聚乙烯对苯二酸酯(PET)膜1上形成厚度为100nm、作为沟道层2的In-Sn-O型的非晶氧化物膜。

然后，在它的上面，通过利用PLD法、在氧分压小于1Pa的室内、并在氧基产生组件上施加0V电压的状态下，分别层叠膜厚为30nm的另一个具有更高的电导率的In-Sn-O非晶薄膜和金层。利用光刻法和剥离法，从中形成漏极端子5和源极端子6。

最后，利用电子束汽相淀积法，形成作为栅绝缘体3的Y₂O₃膜。并在其上形成金膜并利用光刻法和剥离法从中形成栅极端子4。

(TFT元件特性的评价)

在室温下测试在PET薄膜上形成的TFT元件的电流-电压特性。漏极电流I_DS随漏极电压V_DS的增加而增加，这表示该沟道为n型导体。这与非晶In-Sn-O型氧化物薄膜为n型的事实相符。I_DS在V_DS＝6V时变为饱和(夹断)，这是半导体晶体管的典型特性。电流I_DS在V_G＝0V时为5.0×10^-5A，电流I_DS在V_G＝10V时为5.0×10^-5A。这与通过栅极偏置而在作为绝缘体的In-Sn-O型非晶氧化物薄膜中感应的电子载流子相对应。

晶体管的on-off率约为1×10³。根据输出特性，场效应迁移率在饱和区计算出约为5cm²(Vs)^-1。在玻璃衬底上形成的TFT元件具有相似的特性。

在PET薄膜上形成的元件在30mm的曲率半径下弯曲，并在该状态下测试晶体管特性。在该晶体管特性中没有引起改变。

(利用PLD工艺的使用In-Ga-O型非晶氧化物膜的TFT元件的制备)

制备图5所示的顶部栅极型TFT元件。

首先，在聚乙烯对苯二酸酯(PET)薄膜1上、利用例6所示的PLD法制备In-Ga-O型非晶氧化物薄膜作为沟道层2，其厚度为120nm。

然后，在它的上面，通过利用PLD法、在氧分压低于1Pa的室内、并在氧基产生组件上施加0V电压的状态下，分别层叠膜厚为30nm的另一个具有更高的电导率的In-Ga-O非晶薄膜和金层。利用光刻法和剥离法，从中形成漏极端子5和源极端子6。

最后，利用电子束汽相淀积法，形成作为栅绝缘体3的Y₂O₃薄膜。并在其上形成金膜，并利用光刻法和剥离法从中形成栅极端子4。

(TFT元件特性的评价)

在室温下测试在PET薄膜上形成的TFT元件的电流-电压特性。漏极电流I_DS随漏电压V_DS的增加而增加，这表示该沟道为n型导体。这与非晶In-Ga-O型非晶氧化物薄膜为n型的事实相符。I_DS在V_DS＝6V时变为饱和(夹断)，这是晶体管的典型特性。电流I_DS在V_G＝0V时为1.0×10^-8A，电流I_DS在V_G＝10V时为1.0×10^-6A。这与通过栅极偏置而在作为绝缘体的In-Ga-O型非晶氧化物膜中感应的电子载流子相对应。

晶体管的on-off率约为1×10²。根据输出特性，场效应迁移率在饱和区计算出约为0.8cm²(Vs)^-1。在玻璃衬底上形成的TFT元件具有相似的特性。

在PET薄膜上形成的元件在30mm的曲率半径下弯曲，并在该状态下测试晶体管特性。在晶体管特性中没有引起改变。

电子载流子浓度低于1×10¹⁸/cm³的非晶氧化物用于TFT的沟道层。电子载流子浓度优选小于等于1×10¹⁷/cm³，更优选小于等于1×10¹⁶/cm³。

根据本发明的发光器件的实施方式将如下所示。

(例1)

将参照一个实施方式对发光器件的一个例子进行说明。

利用已叙述的PLD法、在衬底上形成非晶In-Ga-Zn-O薄膜，以得到In∶Ga∶Zn＝0.98∶1.02∶4的成分。

通过以下步骤，制备图5所示的顶部栅极型MISFET元件：

首先，利用制备上述非晶In-Ga-Zn-O型薄膜的方法，在玻璃衬底(1)上，形成厚度为120nm的半绝缘非晶InGaO₃(ZnO)₄薄膜，作为沟道层(2)；然后，在它的上面，用脉冲激光淀积法、在一个具有小于1Pa的氧分压的室内，分别将高电导率的InGaO₃(ZnO)₄薄膜和金膜形成为30nm的层，并用光刻法和剥离法形成漏极端子(5)和源极端子(6)；最后，利用电子束真空淀积法，形成作为栅绝缘膜(3)的Y₂O₃膜(厚度：90nm，相对介电常数：约为15，漏电流密度：当施加0.5MV/cm时为1×10^-3A/cm²)，在上面形成金膜，并利用光刻法和剥离技术形成栅极端子(4)。

(MISFET元件的特性的评价)

图6示出了在室温下测试的MISFET元件的电流/电压特性。当漏极电压V_DS增加时，漏极电流I_DS也增加，这表明该沟道是n型半导体。这个结果与非晶的基于In-Ga-Zn-O的半导体为n型的事实并不矛盾。MISFET元件显示了在大约6V的V_DS时I_DS饱和(夹断)的典型的半导体晶体管特性。作为增益特性的测试的结果，栅电压V_GS的阈值在V_DS施加4V时约为-0.5V。此外，当V_G施加10V时，电流I_DS为1.0×10^-5安培。该结果意味着在绝缘材料的基于In-Ga-Zn-O的非晶氧化物薄膜中通过栅极偏置感应出了载流子。

晶体管的on/off率超过1×10³。此外，根据输出特性计算的电子场效应迁移率的结果，在饱和范围下约为7cm²(Vs)^-1。当以可见光照射所制备的元件并在该元件上进行相似的测量时，该元件并未显示任何的晶体管的特性的改变。由此可知：所制备的元件在底部发射型中也可用作开口，而不需要将晶体管区域与光中断。

MISFET元件利用与上述方法相似的方法形成。但在MISFET元件制备之后，在它的上面利用脉冲激光淀积法、形成厚度为300nm的绝缘膜。同时，形成用于将漏极或源极端子与底部电极相连的接触孔。

接下来，利用电阻加热真空淀积法、形成厚度为300nm的Al膜；然后在它的上面，为底部电极形成厚度为50nm的Al和Ag的合金膜。底部电极通过接触孔与漏极端子或源极端子相连。

接下来，通过利用电阻汽相淀积法、形成下述薄膜来制备有机EL发光层：厚度为20nm的三(8-羟基喹啉)铝膜作为电子传输层；在其上的厚度为40nm的4，4’-二(2，2-联苯)乙烯基膜作为发光层；厚度为20nm的4，4’-二[1-萘基)-N-苯基苯胺]联苯膜作为空穴传输层；和厚度为60nm的4，4’-二[N，N-二胺]4”-苯基-三苯基胺]膜作为空穴注入层。

最后，利用对置靶溅射技术，形成厚度为200nm的ITO薄膜用于对置电极。

当上述元件通过接触其上的探针而被驱动时，从衬底的顶部表面发射蓝光，换句话说，得到顶部发射型的元件。

(例2：底部发射型)

接下来，参照图9，对漏极和底部电极直接连接的底部发射型的发光器件制备过程的例子进行说明。

以与上述实施方式1基本相同的方法形成MISFET元件。但是没有形成漏极，而且有源层92具有与发光层相同的面积。接下来，在它的上面，利用脉冲激光淀积法、在具有小于1Pa氧分压的室内，形成厚度为200nm的、具有高电导率的InGaO₃(ZnO)₄薄膜，以作为充当漏极(或源极)和底部电极的电极97。

接下来，通过以实施方式1相反的顺序，利用电阻蒸汽法、形成有机层来形成有机EL发光层；将整个集成的层称为有机EL发光层。

最后，形成厚度为50nm的、掺杂Li的Al膜，并利用电阻加热法形成作为对置电极99的、厚度为200nm的Al膜。

当通过接触其上的探针来驱动上述元件时，从衬底的背面发射蓝光，即、得到底部发射型元件。

(例3：线性排列的光源)

参照图10，对根据本发明的线性排列的光源进行说明。

将多个发光元件101和薄膜晶体管(TFT)102，以线性方式排列于衬底上，并进行如图10所示的电连接。通过将用于控制发光的控制电路103与发光元件和TFT相连接而制备线性排列的光源。TFT的一个输出(源极或漏极)通过发光元件与电源V_d相连，另一个输出与公共电位COM相连。此外，控制电路与TFT的栅极相连。

当TFT利用从控制电路的输出信号而导通时，发光元件发射光。具体地，当适当地控制从控制电路发出的信号时，线性排列的光源能够发射期望的线性发光图案。

这里，发光元件可以使用任意的发光元件，如有机电致发光元件(有机EL)、无机电致发光元件(无机EL)和LED。此外，电路结构不仅限于此，但是为一个发光元件可以配置多个TFT。

因此，能够非常容易地制造利用非晶氧化物TFT驱动发光元件的结构，并廉价地提供线性排列的光源。

图11示出了具有根据本发明的线性排列的光源的结构的例子的剖面图。

如图11所示，通过在衬底上配置TFT部分和发光元件部分而制备线性排列的光源，并且每一元件在每一部分上。图11示出使用有机EL元件作为发光元件，并且在TFT部分中使用上述非晶氧化物TFT的情况。

在图中，符号2100表示衬底，符号2101表示沟道层，符号2102表示源极，符号2103表示栅绝缘膜，符号2104表示栅极，符号2105表示漏极，符号2106表示上部电极(第一电极)，符号2107表示电子传输层，符号2108表示发光层，符号2109表示空穴传输层，符号2110表示透明电极层，符号2111表示绝缘层，符号2150表示TFT部分，符号2160表示发光元件部分。

图11示出漏极2105与发光元件部分的透明电极层2110相连的例子。然而，根据发光层的层结构，也有将源极2102与透明电极层2110相连的情况。

对于制备方法，线性排列的光源通过以下步骤制备：利用上述技术、在衬底的预定位置上形成非晶氧化物TFT，然后在其他位置上形成有机EL元件，并将它们布线连接起来。

此时，当已经形成非晶氧化物TFT的栅氧化物膜时，在将要配置有机EL元件的部分上形成相同绝缘层。通过在衬底上放置掩模，然后形成透明电极层，再形成空穴传输层、发光层、电子传输层和上部电极层而制备有机EL元件。在上述步骤中，透明电极层与漏极层相连。最后，利用Al膜等形成各种布线。

这里，能够将如In₂O₃:Sn等的任意的透明导电薄膜用作透明电极层。通常的有机EL元件所用的材料能够用于空穴传输层、发光层、电子传输层和上部电极层。例如，α-NPD能够用作空穴传输层，以6％Ir(ppy)₃掺杂的CBP能够用作发光层，Alq₃能够作为电子传输层，AgMg能够作为上部电极。

上述中，Alq₃指Al-羟基喹啉络合物；

α-NPD；和

Ir(ppy)₃指铱-苯基嘧啶络合物。

在上面的结构中，从发光元件发射的光，如图中箭头2170所示，穿过透明电极，并从衬底侧发射。

因此，所得到的线性排列的光源是小的、轻量的和便宜的。

作为线性排列光源的另一个构型，如图12所示，可以是将有机EL元件配置在设置于衬底的TFT的上部的结构。通过使用以如In₂O₃:Sn的透明电极来制备电极将非晶氧化物TFT制成透明器件，上述线性排列的光源可以让从发光元件发射的光穿过TFT部分并从衬底侧发出。

在图12中，符号2200表示衬底，符号2201表示沟道层，符号2202表示源极，符号2203表示栅绝缘膜，符号2204表示栅极，符号2205表示漏极，符号2206表示上部电极(第一电极)，符号2207表示电子传输层，符号2208表示发光层，符号2209表示空穴传输层，符号2210表示透明电极层，符号2211表示绝缘层，符号2250表示TFT部分，符号2260表示发光元件部分。

图12示出将漏极2205连接到发光元件部件的透明电极层2210的例子。然而，根据发光层的层结构，还可以有将源极2202与透明电极层2210相连的情况。

如此所形成的结构使发光如箭头2270所示，使得衬底表面有效地利用，并且能够使线性排列的光源在它的上面高密度地配置有机EL元件，和/或获得大的发光区域(开口面积比)。所获得的线性排列光源是小的，轻量的、且便宜的。

(例4：对于复印机和页式打印机的应用)

下面，对将线性排列的光源应用于复印机或页式打印机的例子进行说明。

大多数通常的复印机或页式打印机，具有用于在制图媒介上印刷数据、通过使用透镜和多棱镜在光导鼓(photoconductor drum)上扫描激光束以印刷在其上面的数据、在光导鼓上记录数据的系统。

另一方面，如果使用根据本发明的线性排列的光源，由于如图13所示，从发光元件发射的光能够直接照射到光导鼓上，而不需要通过透镜系统传送光；因此上述设备能够是小的和便宜的。作为其结果，上述设备不需要大型的光学系统，因此能够小型化并降低制造成本。如果需要，上述设备可以在发光元件与鼓之间配置一个简单的光学系统，如SELFOC透镜。

在图13中，符号2300表示线性排列的光源，符号2350表示光导鼓。

当制备上述复印机或页式打印机时，优选利用光导鼓盒(photoconductor drum cartridge)使上述线性排列的光源一体化，。

该线性排列的光源是便宜的、一次性的，其结果是：在利用上述特性的同时，通过制备与光导电体鼓组合而成的单件结构，能够制造免维护的复印机或页式打印机。如本发明实施方式所示，上述光源能够配置于光导体(光导鼓)的外部；或也可以配置于其内部。

当电子照相装置使用本发明的线性排列的光源时，该电子照相装置，通过使用为感光器(光导鼓)供电的供电器，用于照射感光器以在感光器上形成潜像的曝光光源，和用于显影上述潜像的显影器而形成图像；并对曝光光源使用根据本发明的线性排列的光源。

(工业可用性)

根据本发明的发光器件，在包括塑料膜等的柔软材料上形成半导体薄膜；并且能够应用于包括柔性显示单元、IC卡和ID标签等的广泛的应用领域。

该发光器件也能够应用于线性排列的光源、复印机、页式打印机和一体化鼓盒(integrated drum cartridge)。

本申请要求申请日为2004年11月10日的日本专利申请第2004-326684号的优先权并在此引用其内容。

Claims

1.一种发光器件，具有包括第1和第2电极和位于所述第1和第2电极之间的发光层的发光元件、以及用于驱动所述发光元件的场效应晶体管，其特征在于：

所述场效应晶体管的有源层包括具有电子载流子浓度小于10¹⁸/cm³的非晶氧化物。

2.根据权利要求1所述的发光器件，其特征在于：所述非晶氧化物至少包括In、Zn、Sn中的一种。

3.根据权利要求1所述的发光器件，其特征在于：所述非晶氧化物是从由包含In、Zn、Sn的氧化物，包含In、Zn的氧化物，包含In、Sn的氧化物，和包含In的氧化物所构成的组中选出的任意一种。

4.根据权利要求1所述的发光器件，其特征在于：所述非晶氧化物包括In、Zn、和Ga。

5.根据权利要求1所述的发光器件，其特征在于：所述发光元件和场效应晶体管被设置于光学透明衬底上，从所述发光层发射的光通过所述衬底输出。

6.根据权利要求5所述的发光器件，其特征在于：所述场效应晶体管设置在所述衬底与所述发光层之间。

7.根据权利要求1所述的发光器件，其特征在于：所述发光元件和所述场效应晶体管设置在光学透明衬底上，从所述发光层发射的光通过所述衬底和所述非晶氧化物输出。

8.根据权利要求7所述的发光器件，其特征在于：所述场效应晶体管设置在所述衬底和所述发光层之间。

9.根据权利要求1所述的发光器件，其特征在于：所述场效应晶体管的漏极和第二电极中的至少一个由光学透明导电氧化物构成。

10.根据权利要求1所述的发光器件，其特征在于：所述发光元件是电致发光元件。

11.根据权利要求1所述的发光器件，其特征在于：多个所述发光元件至少被配置在一行上。

12.根据权利要求11所述的发光器件，其特征在于：配置所述发光元件，使其与所述场效应晶体管相邻。

13.一种电子照相装置，具有

感光器，

为该感光器供电的供电器，

曝光光源，用于曝光该感光器以在该感光器上形成潜像，

用于显影该潜像的显影单元；

其特征在于：

所述曝光光源具有如权利要求11所述的发光器件。

14.一种发光器件，具有包括第一和第二电极和位于第一和第二电极之间的发光层的发光元件、和用于驱动该发光元件的场效应晶体管，其特征在于：

所述场效应晶体管的有源层的电子迁移率随电子载流子浓度的增加而增加。

15.一种发光器件，具有包括第一和第二电极和位于第一和第二电极之间的发光层的发光元件、和用于驱动该发光元件的场效应晶体管，其特征在于：

所述场效应晶体管的有源层包括使得该场效应晶体管能够实现正常截止状态的透明非晶氧化物半导体。

16.根据权利要求15所述的发光器件，其特征在于：所述透明非晶氧化物半导体具有对于实现正常截止状态是充分小的、小于10¹⁸/cm³的电子载流子浓度。

17.一种有源矩阵显示装置，具有包括第一和第二电极和位于第一和第二电极之间的发光层的发光元件、用于驱动该发光元件的场效应晶体管、以及配置为2维矩阵形式的图像元件电路，其特征在于：

18.根据权利要求17所述的有源矩阵显示装置，其特征在于：

所述透明非晶氧化物半导体具有对于实现正常截止状态是充分小的、小于10¹⁸/cm³的电子载流子浓度。

19.一种显示产品，包含：

包括第1和第2电极和位于第1和第2电极之间的发光层的发光元件，和用于驱动该发光元件的场效应晶体管，其特征在于：

所述场效应晶体管的有源层包含非晶氧化物半导体。

20.根据权利要求19所述的显示产品，其特征在于：

所述非晶氧化物是从由包含In、Zn、Sn的氧化物，包含In、Zn的氧化物，包含In、Sn的氧化物，包含In的氧化物构成的组中选出的任意一种。

21.根据权利要求19所述的显示产品，其特征在于：

所述晶体管是正常截止型晶体管。