薄膜晶体管及使用其的有机发光显示装置 本申请要求于 2009 年 11 月 11 日提交到韩国知识产权局的第 10-2009-0108569 号韩国专利申请的优先权和权益， 该申请的全部内容通过引用包含于此。技术领域
本实施例涉及一种薄膜晶体管， 更具体地讲， 涉及一种具有氧化物层的薄膜晶体 管及具有该薄膜晶体管的有机发光显示装置。 背景技术 诸如液晶显示装置或有机发光显示装置的有源矩阵平板显示装置在每个像素中 包括至少一个薄膜晶体管 (TFT)。
薄膜晶体管包括有源层和栅电极， 有源层设置有沟道区、 源区和漏区， 栅电极形成 在沟道区的上侧中并通过栅绝缘层与有源层电绝缘。
TFT 的有源层通常形成为诸如无定形硅或多晶硅的半导体层。
当有源层由无定形硅形成时， 迁移率低， 因此难以实现以高速运行的驱动电路。
当有源层由多晶硅形成时， 迁移率高， 但其多晶性导致阈值电压不均匀。
同时， 当将低温多晶硅 (LTPS) 用作有源层时， 有源层表现高迁移率和稳定的 DC 稳 定性。然而， 难以实现大规模的 TFT， 并且需要另外的昂贵的结晶器， 导致制造成本增加。
为了解决上述问题， 近来， 已经展开了将诸如 ZnO 和 InGaZnO 的氧化物半导体用作 有源层的研究。 然而， 这些氧化物半导体具有比无定形硅的迁移率更高的迁移率， 且具有比 低温多晶硅的均匀性更好的均匀性， 但在批量生产方面存在缺陷。
一些氧化物半导体具有不稳定的 DC 稳定性 ( 与 TFT 装置的可靠性有关 )， 从而在 运行过程中阈值电压持续地移动， 难以实现期望的装置特性。
发明内容
本实施例提供了一种薄膜晶体管以及具有该薄膜晶体管的有机发光显示装置， 该 薄膜晶体管通过将像 Hf 一样电负性与氧的电负性有巨大差值并且原子半径与 Zn 或 Sn 的 原子半径相似的材料添加到由 ZnSnO 形成的氧化物半导体来形成有源层， 以调整载流子浓 度并提高氧化物半导体的可靠性， 从而表现稳定的可靠性和电学特性。
为了获得本实施例的前述和 / 或其他方面， 根据本实施例的方面提供一种薄膜晶 体管， 该薄膜晶体管包括 ： 作为有源层的氧化物半导体层， 包括源区、 漏区和沟道区 ； 栅电 极， 形成在与沟道区叠置的区域中 ； 栅绝缘层， 形成在氧化物半导体层和栅电极之间 ； 源电 极和漏电极， 电连接到氧化物半导体层的源区和漏区， 其中， 通过将电负性与氧的电负性相 差至少 2 且原子半径与 Zn 或 Sn 的原子半径相似的材料 X 添加到由 ZnSnO 形成的氧化物半 导体中来制成氧化物半导体层。
当将形成氧化物半导体层的正离子 X、 Zn 和 Sn 的含量转换为摩尔百分比时， X的 摩尔含量为从大约 2％至大约 20％。材料 X 的电负性小于大约 1.6， 材料 X 的离子半径从大约 0.007nm 至大约 0.008nm， 材料 X 为 Hf、 Zr、 Al 和 Mg 中的一种。
薄膜晶体管还包括形成在氧化物半导体层与源电极和漏电极之间的保护层， 薄膜 晶体管具有倒置的交错的底部栅结构或顶部栅结构。
另外， 提供了一种有机发光显示装置， 该有机发光显示装置包括像素、 扫描驱动单 元、 数据驱动单元， 像素位于数据线和扫描线的基本每个交叉处并且分别包括多个薄膜晶 体管， 扫描驱动单元包括多个薄膜晶体管并将扫描信号提供给扫描线， 数据驱动单元包括 多个薄膜晶体管并将数据信号提供给数据线， 每个薄膜晶体管设置给像素、 扫描驱动单元 和数据驱动单元中的至少一个， 薄膜晶体管包括 ： 作为有源层的氧化物半导体层， 包括源 区、 漏区和沟道区 ； 栅电极， 形成在与沟道区叠置的区域中 ； 栅绝缘层， 形成在氧化物半导 体层和栅电极之间 ； 源电极和漏电极， 电连接到氧化物半导体层的源区和漏区， 其中， 氧化 物半导体层通过将电负性比氧的电负性高 2 且原子半径与 Zn 或 Sn 的原子半径相似的材料 X 添加到 ZnSnO 的氧化物半导体而形成。
根据本实施例， 有源层通过将像 Hf 一样电负性与氧的电负性有高差值且原子半 径与 Zn 或 Sn 的原子半径相似的材料形成来调整载流子浓度并提高氧化物半导体的稳定 性， 从而可以实现薄膜晶体管的稳定的可靠性以及电学特性。 附图说明
附图与说明书一起示出了示例性实施例， 并与描述一起用于解释本实施例的原理。 图 1A 和图 1B 为示出根据实施例的薄膜晶体管的剖视图 ；
图 2A 为示出在栅 DC 应力下的 TFT 的阈值电压随着时间变化的曲线图 ；
图 2B 为示出根据实施例的 [X]ZnSnO 半导体的 X 的摩尔含量与 TFT 的阈值电压 (-Vth) 的变化之间关系的曲线图 ；
图 2C 为示出根据实施例的 [X]ZnSnO 半导体的 X 的摩尔含量与 S 值和迁移率的变 化之间关系的曲线图 ；
图 3A 和图 3B 为分别示出根据实施例的有机发光显示装置的平面图和剖视图。
具体实施方式
在下面的详细描述中， 只通过简单示出的方式示出和描述了特定的示例性实施 例。 如本领域的技术人员可以认识到的， 在不脱离本实施例的精神或范围的情况下， 可以以 各种不同方式对描述的实施例进行修改。因此， 附图和描述将被认为本质上是示出性的而 非限制性的。另外， 当元件被称作 “在” 另一个元件 “上” 时， 它可以直接地在另一个元件上， 或可以在它们之间设置一个或多个中间元件而间接地在另一个元件上。另外， 当元件被称 作 “连接到” 另一个元件时， 它可以直接地连接到另一个元件， 或可以在它们之间设置一个 或多个中间元件而间接地连接到另一个元件。在下文中， 相同的标号代表相同的元件。
在下文中， 将描述本实施例， 从而本领域的技术人员通过参照附图可以容易地实 践本实施例的细节。
图 1A 和图 1B 为示出根据实施例的薄膜晶体管的剖视图。这里， 如图 1A 中所示出的薄膜晶体管具有倒置的交错的底部栅结构， 如图 1B 中所 示出的薄膜晶体管具有顶部栅结构， 然而， 实施例不局限于此。
参照图 1A， 缓冲层 12 形成在基底 10 上， 栅电极 14 形成在缓冲层 12 上。
绝缘层 16 形成在包括栅电极 14 的上侧上， 作为有源层的设置有沟道区 18a、 源区 18b 和漏区 18c 的氧化物半导体层 18 形成在绝缘层 16 上。
此外， 如所示出的， 保护层 22 形成在氧化物半导体层 18 上， 通孔形成在保护层 22 的预定区域 ( 与源区和漏区对应的区域 ) 中， 形成在保护层 22 上的源电极 20a 和漏电极 20b 通过通孔分别与氧化物半导体层 18 的源区和漏区接触， 从而完成底部栅极薄膜晶体管。
参照图 1B， 缓冲层 12 形成在基底 10 上， 作为有源层的设置有沟道区、 源区和漏区 的氧化物半导体层 18 形成在缓冲层 12 上。
绝缘层 16 形成在氧化物半导体层 18 上， 栅电极形成在绝缘层的与氧化物半导体 层 18 的沟道区叠置的位置上。
如附图中所示， 保护层 22 形成在栅电极上， 通孔形成在保护层 22 和绝缘层 16 的 预定区域 ( 与源区和漏区对应的区域 ) 中， 形成在保护层 22 上的源电极 20a 和漏电极 20b 通过通孔分别与氧化物半导体层 18 的源区和漏区接触， 从而完成顶部栅极薄膜晶体管。 根据现有技术， 用作薄膜晶体管的有源层的氧化物半导体通常由 ZnO 或 InGaZnO 形成。在该现有的氧化物半导体中， 由于因不稳定的 DC 稳定性 ( 与 TFT 装置的可靠性有 关 ) 导致运行过程中阈值电压持续地移动， 所以难以实现期望的装置特性。
因此， 在根据实施例的氧化物半导体中， 为了克服上述的缺点， 通过将电负性与氧 的电负性有巨大差值且原子半径与 Zn 或 Sn 的原子半径相似的材料添加到由 ZnSnO 形成 的氧化物半导体来形成有源层， 从而可以调整载流子浓度并可以提高氧化物半导体的可靠 性。
根据如图 1A 和图 1B 中所示的实施例的氧化物半导体为 [X]ZnSnO 氧化物半导体， [X]ZnSnO 氧化物半导体通过掺杂具有与 Zn 或 Sn 的原子半径相似的原子半径且具有与氧的 电负性有巨大差值的电负性的过渡金属 X 来形成， 以调整 ZnSnO 氧化物半导体的载流子浓 度并提高氧化物半导体的可靠性。
当将 X、 Zn 和 Sn 的正离子的量转换为摩尔百分比时， 例如， 当假设 (X+Zn+Sn) 为 100％时， X 为从大约 2％至大约 20％。这是由于当 X 大于 20％时， 表示迁移率和亚阈值的 S 值劣化。
当 X 的量增加时， 根据实施例的 [X]ZnSnO 半导体的载流子浓度降低。这是由于 X 与氧的巨大差值的电负性在氧化物半导体的矩阵中加强了与氧的结合力， 因此减少了通过 氧空位产生的载流子浓度。然而， 这种现象提高了半导体的可靠性， 特别提高了 DC 稳定性 和处理温度 ( 至大约 400 摄氏度 )。
因此， 在该实施例中， 当将形成氧化物半导体层的 X、 Zn 和 Sn 的正离子的量转换为 摩尔百分比时， X 为从大约 2％至大约 20％， 从而， 根据实施例的氧化物半导体层的载流子 18 3 浓度维持在 10 /cm 以下， 并且可以表现有源层的特性。
这里， 如所描述的， X 由电负性与氧的电负性有巨大差值且离子半径与 Zn 或 Sn 的 离子半径相似的材料形成， 诸如例如 Hf、 Zr、 Al 或 Mg。
考虑到离子结合， X 可以实施为电负性与氧的电负性相差至少大约 2 的元素， 由于
该特性可以保持氧， 所以可以提高氧化物半导体的可靠性。
X 的电负性满足 “氧的电负性 (ENo)-X 的电负性 (ENx) ≥ 2” 的式子。在这种情况 下， 由于氧的电负性为 3.5， 所以 X 可以选自具有小于 1.6 的电负性的材料。
在材料 X 的离子半径大的情况下， 因在结合处晶体半径的差异而产生晶格畸变， 增加了内部应变能且增加了氧空位。这是由于因增加的应变能而导致晶体不稳定， 从而降 低了可靠性。因此， 材料 X 的离子半径与 Zn 或 Sn 的离子半径相似或比 Zn 或 Sn 的离子半 径小。
也就是说， 由于 Zn 和 Sn 的离子半径为大约 0.007nm 至 0.008nm， 所以材料 X 可以 选自 Zn 和 Sn 或相似的材料。
Hf、 Zr、 Al 和 Mg 为具有上述条件 ( 小于 1.6 的电负性和大约 0.007nm 至 0.008nm 的离子半径 ) 的典型的材料， 因此， X 可以例如为 Hf、 Zr、 Al 或 Mg。在一些实施例中， X具 有从大约 0.002nm 至 0.013nm 的离子半径。在其他实施例中， X 具有从大约 0.005nm 至大 约 0.010nm 的离子半径。在其他实施例中， X 具有从大约 0.006nm 至大约 0.009nm 的离子 半径。在一些实施例中， X 具有从大约 0.007nm 至大约 0.008nm 的离子半径。
根据实施例的具有上述的氧化物半导体层的 TFT 的特性可以在图 2A 至图 2C 中示 出。 图 2A 为示出在 15V 的栅 DC 应力下的 TFT 的阈值电压随着时间变化的曲线图， 并 且图 2A 示出了与现有的氧化物 (ZnSnO 和 InGaZnO) 薄膜晶体管相比， 根据实施例的将 [X] ZnSnO 半导体 ([X]ZnSnO 氧化物半导体 ) 用作有源层的 TFT 表现出良好的 DC 稳定性 ( 与 TFT 装置的可靠性有关 )。
接下来， 图 2B 为示出根据实施例的 TFT 的阈值电压 (-Vth) 的变化与 [X]ZnSnO 半 导体的 X 的摩尔含量关系的曲线图， 图 2C 为示出根据实施例的迁移率和 S 值的变化与 [X] ZnSnO 半导体的 X 的摩尔含量关系的曲线图。这里， X 为 Hf。
参照图 2B 和图 2C， 当 X 的摩尔含量增加时， 阈值电压的变化减小且可靠性提高， 但 迁移率和 S 值劣化。
在一些实施例中， X 的摩尔含量为从 2％至大约 20％。 当 X 的摩尔含量在该范围内 时， 可以提高 TFT 的稳定性并可以改善 TFT 的运行特性 (operativecharacteristics)( 迁 移率和 S 值 )。
如图 2B 中所示， 当将 X 摩尔含量为 2％处的 12.21V 的 -Vth 与不具有 X 的 16.16V 的 -Vth 对比时， 可以得到极大提高的可靠性， 在 X 的摩尔含量为 20％的情况下， 由于 -Vth 为 1.60V， 所以可以将可靠性的提高最大化。
参照图 2C， 当 X 的摩尔含量为 20％时， 迁移率为 0.28cm2/Vs， S 值为 2.11dec/V。 当 X 的摩尔含量高于 20％时， 则不能保证 TFT 的特性。
图 3A 和图 3B 为分别示出根据实施例的有机发光显示装置的平面图和剖视图。
在下文中， 将描述作为平板显示装置实施例的具有参照图 1 所描述的薄膜晶体管 的有机发光显示装置。
参照图 3A， 基底 210 由像素区域 220 和围绕像素区域 220 的非像素区域 230 限定。 以矩阵形式连接在扫描线 224 和数据线 226 之间的多个像素 300 形成在像素区域 220 的基 底 210 上。在非像素区域 230 的基底 210 上形成有从像素区域 220 的扫描线 224 延伸出的
扫描线 224、 从像素区域 220 的数据线 226 延伸出的数据线 226、 用来操作各个像素 300 的 供电线 ( 未示出 ) 以及用来处理从外部通过焊盘 228 提供的信号以将处理过的信号提供给 扫描线 224 和数据线 226 的扫描驱动单元 234 和数据驱动单元 236。
各个像素 300 中的每一个包括具有多个薄膜晶体管的像素电路和连接到像素电 路的有机发光二极管， 扫描驱动单元 234 和数据驱动单元 236 包括具有多个薄膜晶体管的 电路。
另外， 参照图 3B， 用于包装像素区域 220 的包装基底 400 设置在形成有像素 300 的 基底 210 上， 并且包装基底 400 利用密封材料 410 与基底 210 结合， 从而完成显示面板 200。
形成在基底 210 上的多个像素 300、 扫描驱动单元 234 和数据驱动单元 236 包括多 个薄膜晶体管。 在实施例中， ， 设置在像素 300、 扫描驱动单元 234 和数据驱动单元 236 的至 少一个中的薄膜晶体管为根据如参照图 1 和图 2 所描述的实施例的氧化物薄膜晶体管。
根据实施例的有机发光显示装置使用了具有由 XZnSnO 制成的氧化物半导体的薄 膜晶体管作为设置在像素 300、 扫描驱动单元 234 和 / 或数据驱动单元 236 中的薄膜晶体 管， 从而可以实现执行更加稳定运行的有机发光显示装置。
虽然已经结合具体示例性实施例描述了本实施例， 但应该理解， 本实施例不局限 于公开的实施例， 但是相反， 意图覆盖包括在权利要求及其等同物的精神和范围内各种修 改和等同布置。