CN101527321B

CN101527321B - 薄膜晶体管及包括该薄膜晶体管的平板显示装置

Info

Publication number: CN101527321B
Application number: CN2009100056966A
Authority: CN
Inventors: 河载兴; 宋英宇; 李锺赫; 金容铎
Original assignee: Samsung Display Co Ltd
Current assignee: Samsung Display Co Ltd
Priority date: 2008-03-03
Filing date: 2009-02-19
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2029-02-19
Also published as: JP5020276B2; US8067770B2; US20090218570A1; CN101527321A; DE602009000232D1; EP2099074B1; EP2099074A1; KR100918404B1; KR20090094626A; JP2009212520A

Abstract

本发明涉及包括含有非晶12CaO·7Al₂O₃(C12A7)的沟道层的薄膜晶体管以及包括该薄膜晶体管的平板显示装置。根据本发明，所述非晶沟道层可用C12A7在低温下形成。包括所述非晶沟道层的薄膜晶体管具有优异的电子迁移率。

Description

薄膜晶体管及包括该薄膜晶体管的平板显示装置

对相关申请的交叉引用

本申请要求2008年3月3日向韩国知识产权局递交的韩国专利申请10-2008-0019692的权益，其公开内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明各方面涉及薄膜晶体管及包括该薄膜晶体管的平板显示装置，更具体地，涉及包括含有非晶12CaO·7Al₂O₃(C12A7)的沟道层的薄膜晶体管，以及包括该薄膜晶体管的平板显示装置。

背景技术

场效应晶体管是包括栅极、源极和漏极的有源器件，并通过对栅极加压以控制流经源极和漏极之间的电流来工作。特别是在陶瓷、玻璃或塑料形成的绝缘基板上将薄膜用作沟道层的场效应晶体管被称为薄膜晶体管(TFT)。

因为TFT利用了薄膜技术，所以它们易于在表面积相对较大的基板上形成，并广泛用作诸如液晶显示器(LCD)等平板显示装置的驱动单元。即，利用在基板上形成的TFT能够开通或关闭图像像素。特别是预计在未来的高性能有机发光装置中，通过TFT能够有效地控制像素电流。此外，驱动和控制完整图像的TFT电路可在图像显示区域周围的基板上形成，从而提供高性能的LCD装置。

TFT的最广泛使用形式是将多晶硅膜或非晶硅膜用作沟道层材料。韩国专利公开1997-0013427公开了这种TFT。但是，在使用非晶硅或多晶硅时，需要高温工艺，且难以在塑料或膜基板上形成此材料的膜。

作为在低温下能够在塑料基板上成膜的材料，正在开发诸如并五苯等有机半导体膜。该有机半导体具有芳环，而且在结晶时，由芳环的堆叠方向得到较高的载流子迁移率。然而，诸如并五苯等有机半导体在较高的温度下通常是不稳定的。由于彼此间的功函不同，在常规薄膜晶体管的源极和漏极形成材料和有机半导体层形成材料之间，几乎不可能实现欧姆接触。此外，源极和漏极通常由无机材料组成，而有机半导体层由有机材料构成，因而源/漏极和有机半导体层之间的粘着力不尽人意。

发明内容

本发明各方面提供一种包括沟道层的薄膜晶体管，所述沟道层包含非晶12CaO·7Al₂O₃(C12A7)。本发明各方面还提供一种包括所述薄膜晶体管的平板显示装置。

根据本发明的一个方面，提供一种薄膜晶体管，包括形成在基板上的栅极、与栅极绝缘的源极和漏极、与栅极绝缘并电连接源极和漏极的沟道层、以及布置在沟道层和栅极之间的绝缘层，其中沟道层包括非晶12CaO·7Al₂O₃(C12A7)，或者提供一种薄膜晶体管，包括形成在基板上的源极和漏极、与源极和漏极绝缘的栅极、电连接源极和漏极并与栅极绝缘的沟道层、以及布置在沟道层和栅极之间的绝缘层，其中沟道层包含非晶12CaO·7Al₂O₃(C12A7)。

根据本发明的各方面，沟道层的厚度可为5～200nm。根据本发明的各方面，所述沟道层可通过在100～600℃的温度下热处理绝缘层上沉积的12CaO·7Al₂O₃膜来形成。根据本发明的各方面，基板可为SUS基板、玻璃基板或塑料基板。根据本发明的各方面，沟道层的带隙值可为3～3.5eV。

根据本发明的各方面，提供一种包括前述薄膜晶体管和显示装置的平板显示装置。根据本发明的各方面，所述显示装置可为有机发光装置(OLED)或液晶显示(LCD)装置。

在以下说明中将部分阐述本发明的其它方面和/或优点，其部分内容在说明书中是显而易见的，或者可通过本发明的实践而理解。

附图说明

从以下结合附图对示例性实施方式的描述中，本发明的这些和/或其它方面和优点会变得显而易见并更易于理解，其中：

图1是示例性说明根据本发明示例性实施方式的薄膜晶体管结构的截面图；

图2是示例性说明根据本发明另一个示例性实施方式的薄膜晶体管结构的截面图；

图3是根据本发明的示例性实施方式，包括本发明薄膜晶体管的平板显示装置的截面图；

图4是说明在根据本发明示例性实施方式的薄膜晶体管内形成的沟道层的XRD分析结果的图谱；

图5是说明将12CaO·7Al₂O₃粉末用作形成沟道层的溅射靶的XRD分析结果的图谱；

图6是说明根据波长测定的、在根据本发明示例性实施方式的薄膜晶体管内形成的沟道层的折射率和吸收系数的曲线图；以及

图7是说明根据本发明示例性实施方式的薄膜晶体管的电流-电压特性的曲线图。

具体实施方式

现将详细描述本发明的示例性实施方式，其实施例将结合附图进行说明，其中相同的附图标记在全文中指代相同元件。为了说明本发明，以下参考附图对示例性实施方式进行描述。应理解的是，当某一元件被描述成“布置在”或“形成在”另一元件之上时，它可以直接布置或形成在另一个元件上，或者可存在插入元件。相反，当某一元件被描述成“直接布置在”或“直接形成在”另一元件之上时，不存在插入元件。其它用于说明元件之间关系的用语应照此方式理解(例如“在...之间”与“直接在...之间”、“与...相邻”与“直接与...相邻”等)。

根据本发明各方面的薄膜晶体管包括由12CaO·7Al₂O₃(C12A7)形成的非晶膜的沟道层。图1是示例性说明根据本发明示例性实施方式的薄膜晶体管(TFT)结构的截面图。

参照图1，根据本发明当前的示例性实施方式的薄膜晶体管(TFT)包括基板11、缓冲层11′、栅极12、绝缘层13、源极14a和漏极14b、以及沟道层15。基板11可以为诸如BaTiO₃、LaAlO₃和MgO等金属氧化物、SUS基板、玻璃基板、塑料基板等，但不限于此。缓冲层11′形成在基板11上且可由SiO_x等形成，但不限于此。但缓冲层11′可省略。栅极12形成在缓冲层11′上，且可包括选自由Au、Ag、Cu、Ni、Pt、Pd、Al、Mo、Nd、W、ITO和IZO构成的组中的至少一种金属或者两种或更多种金属的合金，但不限于此。形成绝缘层13以覆盖栅极12。源极14a和漏极14b各自形成在绝缘层13上。如图1所示，源极14a和漏极14b与栅极12部分重叠，但本发明的各方面不限于此。例如，源极14a和漏极14b可包括选自由Au、Pd、Pt、Ni、Rh、Ru、Ir、Os、ITO、Mo、MoW、IZO、Al和Ti构成的组中选择的至少一种金属或者两种或更多种金属的合金，但不限于此。电连接源极14a和漏极14b的沟道层15形成在源极14a和漏极14b之间。同时，图1示出了形成在源极14a和漏极14b下面的沟道层15，但沟道层15也可形成在源极14a和漏极14b之上。

沟道层15可由非晶12CaO·7Al₂O₃形成。沟道层15可通过热处理在室温下利用诸如溅射等方法沉积的12CaO·7Al₂O₃膜来形成。上述热处理可在100～600℃，优选100～400℃，更优选300～400℃的温度下进行。因为在沟道层形成工艺中无需热处理工艺之后的其它工艺，根据本发明当前的示例性实施方式的薄膜晶体管比常规薄膜晶体管制造更方便。

包括非晶12CaO·7Al₂O₃的沟道层在相对低温下形成，从而由诸如BaTiO₃、LaAlO₃或MgO等金属氧化物形成的基板，以及SUS基板、玻璃基板或塑料基板可用于根据本发明各方面的薄膜晶体管。

此外，由于上述沟道层可在低温下形成，该沟道层可形成200nm或更低，优选5～200nm，更优选5～100nm的厚度。如果沟道层厚度小于5nm，则不能均匀地形成薄膜，而如果沟道层厚度大于200nm，该制造工艺会变难且诸如导电率等电学性可能会降低。

当晶体12CaO·7Al₂O₃的带隙值为6.4～6.7eV时，在根据本发明各方面的薄膜晶体管内形成的非晶沟道层15具有3～4eV，优选3～3.5eV的带隙值。包括具有此低带隙范围的沟道层的薄膜晶体管呈现优异的电学特性。同时，如果带隙值小于3eV，由于不合乎需要的可见光吸收，该薄膜晶体管不能用于可见光显示装置。

图2是根据本发明另一个示例性实施方式的薄膜晶体管的截面图。参照图2，根据本发明当前的示例性实施方式的薄膜晶体管包括基板11、源极14a和漏极14b、沟道层15、绝缘层13和栅极12。基板11可由上述的金属、玻璃或塑料等形成，但不限于此。源极14a和漏极14b形成在基板11上，并电连接沟道层15。形成沟道层15的材料如前文所述。绝缘层13形成在沟道层15上以使沟道层15与栅极12绝缘。

尽管图2说明了沟道层15形成在源极14a和漏极14b上，但可对薄膜晶体管进行各种变更，例如沟道层15形成在基板11上而源极14a和漏极14b形成在沟道层15上。在这种情况下，绝缘层13沉积在源极14a和漏极14b与栅极12之间。此外，本发明的各方面不限于此，使得图2的薄膜晶体管可包括布置在基板11上的缓冲层11′。

以图1的薄膜晶体管为例，制造根据本发明各方面的薄膜晶体管的方法可包括：形成绝缘层来覆盖在基板上形成的栅极以与栅极绝缘；在绝缘层上沉积形成沟道层的C12A7膜；在C12A7膜上形成源极和漏极；以及在100～600℃下热处理所得产品以形成沟道层。

若需要，源极14a和漏极14b可形成在绝缘层13上，然后可沉积形成沟道层的C12A7膜来覆盖源极14a和漏极14b。

诸如LCD或有机发光装置等平板显示装置可包括具有上述结构的薄膜晶体管。图3为根据本发明示例性实施方式，包括根据本发明各方面的薄膜晶体管的诸如平板显示装置等有机发光装置的横截面示意图。图3中所示结构表示有机发光装置的单个子像素。每一个上述子像素是包括有机发光装置(EL装置)和至少一个根据本发明各方面的薄膜晶体管的自发光装置。此外，尽管图3中未示出，但每一个子像素包括分离的电容器。这种有机发光装置根据EL装置(OLED)发射的彩色光可显示各种像素图案，优选包括红、绿和蓝像素。

如图3所示，这种红(R)、绿(G)或蓝(B)子像素可包括至少一个以上的TFT和自发光EL装置(OLED)。另外，各子像素可以是TFT，该TFT可以是前述的根据当前的示例性实施方式的TFT。但是，各子像素不限于此，且上述薄膜晶体管也可具有其它不同结构。

参照图3，根据本发明当前的示例性实施方式的有机发光装置包括形成在基板21上的薄膜晶体管20。基板21可以是绝缘基板。此外，尽管未示出，但在基板21上可形成缓冲层。薄膜晶体管20包括以预定图案形成在基板21上的栅极22，以及形成在栅极22上的绝缘层23。然后，对应于栅极22，源极24a和漏极24b各自形成在绝缘层23上。源极24a和漏极24b布置在沟道层25上。但本发明的各方面不限于此，因而源极24a和漏极24b可形成在绝缘层23上，且沟道层25可布置在上述的源极24a和漏极24b上。在形成沟道层25之后，形成具有单层或多层结构的钝化膜27来覆盖薄膜晶体管20。钝化膜27可包括有机材料、无机材料或有机/无机复合材料。EL装置30的有机发光膜32按照像素界定膜28形成在钝化膜27上。EL装置30是一种根据电流发出红、绿或蓝彩色光来显示预定图像信息的装置，包括连接薄膜晶体管20的源极24a和漏极24b之一的像素电极31、布置用于覆盖整个像素的对电极33，以及布置在像素电极31和对电极33之间的有机发光膜32。本发明的各方面不限于上述结构，但可应用于有机发光装置的各种结构。

像素电极31和对电极33通过有机发光膜32彼此绝缘，对像素电极31和对电极33施加不同极性的电压来促使有机发光膜32发光。有机发光膜32可以是低分子量或高分子量的有机膜。如果有机发光膜32由低分子量有机膜形成，可以以单一或复合结构堆叠空穴注入层(HIL)、空穴传输层(HTL)、发光层(EML)、电子传输层(ETL)和电子注入层(EIL)来形成有机发光膜32，且上述有机材料还可包括各种材料，例如铜酞菁(CuPc)、N，N′-二(萘-1-基)-N，N′-二苯基-联苯胺(NPB)和三-8-羟基喹啉铝(Alq3)。这种低分子有机膜可用真空沉积法形成。上述高分子有机膜可具有包括HTL和EML的结构，其中PEDOT可用于形成HTL，聚对苯乙炔(PPV)类或聚芴类聚合物有机材料可用于形成EML。这种高分子有机膜可用丝网印刷或喷墨印刷法形成。有机发光膜32不限于以上示例性实施方式，且可具有不同结构。

像素电极31可以是正极，且对电极33可以是负极。相比之下，为液晶显示装置时，可在液晶显示装置上形成覆盖像素电极31的底取向膜(bottom-oriented film)(未示出)，从而完成了液晶显示装置底部基板的制作。根据本发明各方面的薄膜晶体管可安装在图3中的各子像素上，或者可安装在不产生图像的驱动电路(未示出)上。

图4是说明在根据本发明示例性实施方式的薄膜晶体管内形成的沟道层的XRD分析结果的图谱。参照图4，可证实根据本发明各方面的薄膜晶体管的沟道层是非晶的，与玻璃基板相似。薄膜1代表图1的沟道层15，薄膜2代表代表图2的沟道层15。

现将参照以下实施例说明本发明的各方面。但是，这些实施例仅用于说明目的，而不限制本发明范围。

实施例

<12CaO·7Al₂O₃薄膜性能的评价>

在室温、25％氧气分压(Ar：40sccm，O₂：13sccm)、6.0×10^-3托的工艺压力、700W功率RF模式下，将12CaO·7Al₂O₃用作溅射靶溅射两块相同的玻璃基板。为了得到29nm的薄膜(薄膜1)和50nm的薄膜(薄膜2)，将所得材料在350℃下加热。

使用XRD分析以上薄膜，其结果与玻璃基板的XRD图谱一起示于图4中。同时，将12CaO·7Al₂O₃粉末用作形成薄膜的溅射靶的XRD分析结果示于图5中。虽然在图5中用作溅射靶的12CaO·7Al₂O₃粉末呈现结晶性，而在玻璃基板上形成的整个薄膜被证实为如图4所示的非晶。

此外，在不同波长下对薄膜1测定折射率(n)和吸收系数(k)，且结果示于图6中。参照图6，证实了得到的非晶膜在波长360.42nm处具有最大吸收系数。代入以下关系式得到非晶膜的带隙值为3.45eV。

E＝hc/λ(h＝4.14×10^-15eV，c＝3×10⁸m/s)

<薄膜晶体管的制作>

实施例1

准备在其上形成硅氧化物(SiO_x)的玻璃基板，并在硅氧化物上形成由MoW组成的200nm厚的栅极。然后在栅极上沉积200nm厚的硅氮化物(SiN_x)形成绝缘层。在室温、25％氧气分压(Ar：40sccm，O₂：13sccm)、6.0×10^-3托的工艺压力、700W功率下，将12CaO·7Al₂O₃用作溅射靶溅射该绝缘层。然后，在所得膜上沉积IZO形成厚度为150nm的源极和漏极，并在350℃的温度下热处理该结构以完成包括厚度为20nm的沟道层的薄膜晶体管的制作。

使用HP4155(惠普公司的探测台)进行电压-电流特性评价。评价所得薄膜晶体管的电压-电流特性，并得到了在V_DS＝0.1V处测定的线性迁移率以及在V_DS＝5.1V和V_DS＝10.1V处测定的饱和迁移率。参照图7，该线性迁移率为9.54cm²/Vs，饱和迁移率为1.68cm²/Vs，阈电压为9.8V，以及开-关率为9.67×10⁶，表明该薄膜晶体管具有优异的电学特性。

对比例1

用PLD方法在MgO基板上沉积多晶12CaO·7Al₂O₃薄膜，并在1000℃的温度下进行热处理。使用H₂ ⁺在600℃的温度下处理所得薄膜以形成厚度为1000nm的沟道层，并在其上形成40nm厚的由Pt形成的漏极和源极。在漏极和源极上沉积350nm厚的Y₂O₃形成绝缘层。然后，在绝缘层上沉积300μm厚的Au形成栅极，从而完成薄膜晶体管的制作。

使用与实施例1相同的方法评价对比例1的薄膜晶体管的电压-电流特性。场效应迁移率保持为0.05cm²/Vs，且开-关率为10。

虽然已示出并说明了本发明的若干示例性实施方式，但本领域技术人员应理解的是，可以在这些示例性实施方式上进行改变而不背离本发明的原则和精神，本发明的范围由权力要求书及其等价物限定。

Claims

1.一种薄膜晶体管，包括：

形成在基板上的栅极；

与所述栅极绝缘的源极和漏极；

与所述栅极绝缘并电连接所述源极和漏极的沟道层；和

布置在所述沟道层和所述栅极之间的绝缘层，

其中所述沟道层包括非晶12CaO·7Al₂O₃。

2.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其中所述沟道层的厚度为5～200nm。

3.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其中所述沟道层通过在100～600℃的温度下热处理沉积在绝缘层上的12CaO·7Al₂O₃膜来形成。

4.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其中所述基板包括SUS基板、玻璃基板和塑料基板之一。

5.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其中所述沟道层的带隙值为3～3.5eV。

6.如权利要求1所述的薄膜晶体管，进一步包括布置在所述基板上、位于所述栅极和所述基板之间的缓冲层。

7.一种薄膜晶体管，包括：

直接形成在基板上的源极和漏极；

与所述源极和漏极绝缘的栅极；

电连接所述源极和漏极并与所述栅极绝缘的沟道层；和

布置在所述沟道层和所述栅极之间的绝缘层，

其中所述沟道层包括非晶12CaO·7Al₂O₃。

8.如权利要求7所述的薄膜晶体管，其中所述沟道层的厚度为5～200nm。

9.如权利要求7所述的薄膜晶体管，其中所述沟道层通过在100～600℃的温度下热处理沉积在绝缘层上的12CaO·7Al₂O₃膜来形成。

10.如权利要求7所述的薄膜晶体管，其中所述基板包括SUS基板、玻璃基板和塑料基板之一。

11.如权利要求7所述的薄膜晶体管，其中所述沟道层的带隙值为3～3.5eV。

12.如权利要求7所述的薄膜晶体管，进一步包括布置在所述基板上、位于所述基板与所述源极和漏极之间的缓冲层。

13.一种平板显示装置，包括：

根据权利要求1～12中任意一项所述的薄膜晶体管；和

显示装置。

14.如权利要求13所述的平板显示装置，其中所述显示装置是有机发光装置和液晶显示装置之一。