薄膜トランジスタ、及びそれを用いた最大印加電圧検出センサ及び照射光履歴センサ
【課題】酸化物の半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタであって、各種センサに利用して新しいセンサを作製できる薄膜トランジスタを提供する。
【解決手段】この薄膜トランジスタ１は、非晶質酸化物の半導体薄膜２とドレイン電極３とソース電極４とゲート電極５を備え、ゲート電極５に印加されるゲート電圧に応じて半導体薄膜２にチャネル層が形成されて、ドレイン電極３とソース電極４の間にドレイン・ソース間電流が流れ得るものであって、非晶質酸化物は、弱く結合してバンドギャップ内に欠陥準位を生成する過剰酸素が含まれている。
【解決手段】この薄膜トランジスタ１は、非晶質酸化物の半導体薄膜２とドレイン電極３とソース電極４とゲート電極５を備え、ゲート電極５に印加されるゲート電圧に応じて半導体薄膜２にチャネル層が形成されて、ドレイン電極３とソース電極４の間にドレイン・ソース間電流が流れ得るものであって、非晶質酸化物は、弱く結合してバンドギャップ内に欠陥準位を生成する過剰酸素が含まれている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化物半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタに関し、また、その薄膜トランジスタを用いた最大印加電圧検出センサ及び照射光履歴センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、フラットパネルディスプレイの制御のための回路などを構成する素子として、ガラス基板の上に形成した非晶質シリコン（アモルファスシリコン）又は多結晶シリコンの半導体薄膜を用いた電界効果型の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が広く使用されている。非晶質シリコン又は多結晶シリコンの成膜のためには、比較的高温の工程を必要とする。これに対して、ガラス基板の代わりに、軽さや物理的強度などの面で有利な樹脂基板を用い、その樹脂基板上で半導体薄膜を適切に形成できるように、非晶質シリコン又は多結晶シリコンよりも低温で成膜できる半導体薄膜が研究されている。
【０００３】
この低温で成膜できる半導体薄膜として、酸化物でありながら半導体の性質を有する非晶質酸化物（アモルファス酸化物）を用いた薄膜トランジスタが提案されている。例えば、特許文献１には、ノーマリーオフ動作を実現するために、酸素欠陥を低減して通常状態の電子キャリア濃度を１０１８／ｃｍ３未満に減少させることができる非晶質酸化物の半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタが記載されている。非晶質酸化物の例としては、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍをターゲットとしてパルスレーザ堆積法やスパッタリング法で作成したａ−ＩＧＺＯ薄膜が記載されている。また、酸素欠陥を低減して電子キャリア濃度を１０１８／ｃｍ３未満に減少させるために、半導体薄膜の成膜時又は成膜後の処理において、雰囲気の酸素濃度や温度などを制御している。
【０００４】
今日、このような酸化物の半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタの特性の詳細は、種々の実験を含めて研究されているところである。
【０００５】
その一方、薄膜トランジスタを用いてフラットパネルディスプレイの制御以外の特別な機能を実現するような応用回路は、各種のものが提案されている。例えば、特許文献２には、サンプルホールド回路などに従来の薄膜トランジスタを用いて最大印加電圧を保持するセンサが記載されている。サンプルホールド回路は、長時間にわたって最大印加電圧を保持することは困難であるので、最大印加電圧を検出しようとすると、適当な時間ごとにその時間内で最大の電圧値を、前に記憶した電圧値と比較しながらメモリ装置に記憶させるという動作も必要である。
【０００６】
また、例えば、特許文献３には、照射された光の強度を検出するセンサに従来の薄膜トランジスタを用い、照射された光がその薄膜トランジスタのなかで電子とホールのキャリアペアを生成し、それによって光の強度に応じた電流を取り出すものが記載されている。この薄膜トランジスタは、タッチパネルや指紋センサなどの応用回路に適用できるものである。この薄膜トランジスタを用いて照射された光の履歴、すなわち積算量を求めようとすると、瞬間毎の光の強度を検出し、それをメモリ装置に記憶させ、積算量を計算するという動作が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１６５５２７号公報
【特許文献２】特開２０１０−１０１６９０号公報
【特許文献３】特開２００８−２４４０１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本願発明者は、酸化物の半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタに関して、酸化物に含まれる酸素の影響を詳細に研究している。その研究の中で、ある所定の条件で作製した薄膜トランジスタについては、電気的特性が電圧印加と光照射によって可逆的に変化するという現象を呈することを見出し、その現象に着目した。そして、上述した最大印加電圧検出センサや照射光履歴センサを含む各種センサに利用して新しいセンサを作製できる薄膜トランジスタを案出した。
【０００９】
本発明は係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、酸化物の半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタであって、各種センサに利用して新しいセンサを作製できる薄膜トランジスタを提供すること、及びその薄膜トランジスタを用いた最大印加電圧検出センサ及び照射光履歴センサを簡易な構成でもって提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の薄膜トランジスタは、非晶質酸化物の半導体薄膜とドレイン電極とソース電極とゲート電極を備え、該ゲート電極に印加されるゲート電圧に応じて前記半導体薄膜にチャネル層が形成されて、前記ドレイン電極と前記ソース電極の間にドレイン・ソース間電流が流れ得る薄膜トランジスタであって、前記非晶質酸化物は、弱く結合してバンドギャップ内に欠陥準位を生成する過剰酸素が含まれていることを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載の薄膜トランジスタは、請求項１に記載の薄膜トランジスタにおいて、所定のドレイン・ソース間電流となるときのゲート電圧は、電圧の印加によって増加し、かつ、光照射によって減少することを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の薄膜トランジスタは、請求項１又は２に記載の薄膜トランジスタにおいて、前記非晶質酸化物は、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ及び酸素の元素から構成されており、結晶化したときにＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍは６未満の自然数あるいは１／２）の結晶相が現れる組成であることを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の薄膜トランジスタは、請求項１〜３のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタにおいて、前記非晶質酸化物の半導体薄膜は、成膜した前記非晶質酸化物を高温オゾンにさらすことによって過剰酸素を含ませることを特徴とする。
【００１４】
請求項５に記載の薄膜トランジスタは、請求項１〜３のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタにおいて、前記非晶質酸化物の半導体薄膜は、所定の高酸素分圧あるいは高温酸素雰囲気中で成膜させることにより、過剰酸素を含ませることを特徴とする。
【００１５】
請求項６に記載の最大印加電圧検出センサは、請求項１〜５のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタを備え、該薄膜トランジスタへ光照射を行って初期状態にし、その後の印加電圧の入力期間の経過後に電気的特性の測定を行うことにより、最大印加電圧を検出することを特徴とする。
【００１６】
請求項７に記載の最大印加電圧検出センサは、請求項６に記載の最大印加電圧検出センサにおいて、前記電気的特性の測定は、所定のドレイン・ソース間電流となるときのゲート電圧の測定又は所定のゲート電圧のときのドレイン・ソース間電流の測定であることを特徴とする。
【００１７】
請求項８に記載の最大印加電圧検出センサは、請求項６又は７に記載の最大印加電圧検出センサにおいて、前記光照射は、エネルギー２．３ｅＶ以上の光子を含む光照射であることを特徴とする。
【００１８】
請求項９に記載の照射光履歴センサは、請求項１〜５のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタを備え、該薄膜トランジスタに所定の電圧印加を行って初期状態にし、その後の照射光の入射期間の経過後に電気的特性の測定を行うことにより、照射された光の積算量を検出することを特徴とする。
【００１９】
請求項１０に記載の照射光履歴センサは、請求項９に記載の照射光履歴センサにおいて、前記電気的特性の測定は、所定のドレイン・ソース間電流となるときのゲート電圧の測定又は所定のゲート電圧のときのドレイン・ソース間電流の測定であることを特徴とする。
【００２０】
請求項１１に記載の照射光履歴センサは、前記薄膜トランジスタの前記ゲート電極への所定の電圧印加により該薄膜トランジスタを初期状態にすることを特徴とする
【００２１】
請求項１２に記載の照射光履歴センサは、前記ゲート電極に印加する所定の電圧の値によって初期状態の電気的特性を変えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の薄膜トランジスタによれば、チャネル層が形成され得る半導体薄膜の非晶質酸化物には、弱く結合してバンドギャップ内に欠陥準位を生成する過剰酸素が含まれているために、特性変動印加電圧の印加と光照射により互いに反対方向にシフトするＩｄｓ−Ｖｇｓ特性となるので、最大印加電圧検出センサや照射光履歴センサを含む各種センサに利用して新しいセンサを作製することができる。また、その薄膜トランジスタを用いることで、最大印加電圧検出センサ及び照射光履歴センサは、簡易な構成でもって実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態に係る薄膜トランジスタの構造を例示する模式的な断面図である。
【図２】同上の薄膜トランジスタの各状態のＩｄｓ−Ｖｇｓ特性を示す特性図である。
【図３】同上の薄膜トランジスタにおける特性変動印加電圧による所定のＩｄｓとなるときのＶｇｓの変動を示す特性図である。
【図４】同上の薄膜トランジスタの別の各状態のＩｄｓ−Ｖｇｓ特性を示す特性図である。
【図５】同上の薄膜トランジスタにおける光照射時間による所定のＩｄｓとなるときのＶｇｓの変動を示す特性図である。
【図６】同上の薄膜トランジスタを用いた最大印加電圧検出センサを説明するための模式図である。
【図７】同上の薄膜トランジスタを用いた照射光履歴センサを説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明を実施するための好ましい形態について図面を参照しながら説明する。本発明の実施形態に係る薄膜トランジスタ１は、樹脂基板やガラス基板などの基板の上に、図１に示すように、半導体薄膜２を設け、それとともにドレイン電極３とソース電極４とゲート電極５を設けた構造のものである。この薄膜トランジスタ１は、ゲート電極５にかかるゲート電圧に応じて半導体薄膜２にチャネル層が形成されて、ドレイン電極３とソース電極４の間にドレイン・ソース間電流が流れ得る。本発明は、このような構造の薄膜トランジスタ１においてのものである。
【００２５】
この薄膜トランジスタ１の具体的な構造は、図１に示すような構造とすることができる。すなわち、ドレイン電極３とソース電極４とは互いに離隔して半導体薄膜２に接触しており、ゲート電極５はゲート絶縁膜６を介して半導体薄膜２に接している。ゲート電極５及びゲート絶縁膜６は、図１に示すように半導体薄膜２の下方に設けても、或いは上方に設けてもよい。
【００２６】
本発明において重要な点は、半導体薄膜２に半導体の性質を有する非晶質酸化物（アモルファス酸化物）を用い、過剰酸素が含まれるようにしたことである。過剰酸素は、弱く結合してバンドギャップ内に欠陥準位を生成する酸素である。この過剰酸素は、３００℃以下の温度で加熱されても半導体薄膜２から放出される（脱離する）ものである。
【００２７】
（薄膜トランジスタの実施例）
以下、実施例として、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ及び酸素の元素から構成され、結晶化したときにＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍは６未満の自然数あるいは１／２）の結晶相が現れる非晶質酸化物（以下、ａ−ＩＧＺＯと称す。）を用いた薄膜トランジスタ１について説明する。ａ−ＩＧＺＯは、半導体の性質を有する非晶質酸化物の代表的なものである、
【００２８】
このような過剰酸素に含む非晶質酸化物の半導体薄膜２は、以下のようにして作製することができる。まず、ａ−ＩＧＺＯを、成膜工程において、常温で、ａ−ＩＧＺＯの多結晶化したものをターゲットとして、ＲＦマグネトロンスパッタリングなどで成膜する。その後、オゾンアニール工程において、ａ−ＩＧＺＯに過剰酸素を含ませるように、成膜したａ−ＩＧＺＯを高濃度で高温のオゾンにさらす。詳細には、例えば濃度が３．７４ｇ／ｍ３で３００℃のオゾンに１５分さらせばよい。３００℃以上のオゾンならば、十分な過剰酸素（例えば、５×１０１６ｃｍ−３以上）を含ませることができる。なお、成膜工程において、所定の高酸素分圧あるいは高温酸素雰囲気中で成膜させることにより、過剰酸素を含ませることも可能である。また、ドレイン電極３、ソース電極４、ゲート電極５、及びゲート絶縁膜６はいかなる方法で作製しても構わない。
【００２９】
ａ−ＩＧＺＯの半導体薄膜２を用いた薄膜トランジスタ１の電気的特性は以下のとおりである。
【００３０】
図２〜図５に示すのは、薄膜トランジスタ１の電気的特性を示すものである。これらの図に示すものは、ａ−ＩＧＺＯがＩｎＧａＺｎＯ４（すなわちｍが１の場合のＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ）のスパッタリングターゲットを用いて製膜した組成であって上述のようにして作製した薄膜トランジスタ１を測定した実験を基にしている。なお、下記の第１の実験と第２の実験では異なる実験サンプルを用いた。また、ゲート電極５に特性変動印加電圧を印加し、ドレイン電極３及びソース電極４を接地して実験を行った。なお、特性変動印加電圧とは、薄膜トランジスタ１の電気的特性を変動させるために印加されるゲート電圧をいう。
【００３１】
図２は、第１の実験で行った各状態におけるドレイン・ソース間電流（Ｉｄｓ）の対ゲート電圧（Ｖｇｓ）の電気的特性、すなわちＩｄｓ−Ｖｇｓ特性を示すものである。特性測定時のドレイン・ソース間電圧（Ｖｄｓ）は、０．１Ｖとした。図２の中で、曲線ａは、ＬＥＤランプによる１０秒の光照射後の状態の特性を示している。曲線ｂ〜曲線ｊは、曲線ａの状態からそれぞれ、２０Ｖ、２５Ｖ、３０Ｖ、３５Ｖ、４０Ｖ、５０Ｖ、６０Ｖ、７０Ｖ、８０Ｖの特性変動印加電圧を１秒間印加した後の状態の特性を示している。曲線ａは、詳細には、薄膜トランジスタ１の作製直後の状態又は曲線ｂ〜曲線ｊのそれぞれの状態からＬＥＤランプによる１０秒の光照射を行うことで、ほとんど一致して示されるものである。なお、薄膜トランジスタ１の作製直後の状態の特性及び曲線ａの状態から１０Ｖの特性変動印加電圧を１秒間印加した後の状態の特性については、後述する図３では関連するものが示されているが、その図で示されるように曲線ａとほとんど一致しているので図２では省略している。
【００３２】
図２より、薄膜トランジスタ１のＩｄｓ−Ｖｇｓ特性は、特性変動印加電圧の印加によって右シフトして急峻になり、かつ、光照射によって左シフトして緩やかになることがわかる。更に詳しくは、Ｉｄｓ−Ｖｇｓ特性は、特性変動印加電圧の値が増えるにつれて、段々と右シフトし急峻になることがわかる。
【００３３】
図３は、図２で示した各曲線が示す状態のＩｄｓ−Ｖｇｓ特性を別の形で示したものである。図３は、横軸を特性変動印加電圧の値、縦軸をゲート電圧（Ｖｇｓ）の値としている。曲線Ａ〜曲線Ｇはそれぞれ、Ｉｄｓ＝１０−１２Ａ、１０−１１Ａ、１０−１０Ａ、１０−９Ａ、１０−８Ａ、１０−７Ａ、１０−６Ａ、となるときのＶｇｓを示している。各ＩｄｓとなるときのＶｇｓは、特性変動印加電圧の増加とともに段々と増加していることがわかる。Ｉｄｓが少ないほど、その増加が顕著である。なお、図３では、理解し易いように、薄膜トランジスタ１の作製直後の状態をＬＥＤランプによる１０秒の光照射後の状態（すなわち、特性変動印加電圧が０Ｖの状態）の左側に示している。
【００３４】
次に、図４は、第２の実験で行った各状態におけるＩｄｓ−Ｖｇｓ特性を示すものである。特性測定時のＶｄｓは、０．１Ｖとした。図４の中で、曲線ｋは、８０Ｖの特性変動印加電圧を１分間印加した後の状態の特性を示している。曲線ｌ〜曲線ｒはそれぞれ、曲線ｋの状態からそれぞれ、２３２０ルクスのハロゲンランプによる光照射を１分、３分、１０分、３０分、１００分、３００分、１０００分間行った後の状態の特性を示している。曲線ｋは、詳細には、薄膜トランジスタ１の作製直後の状態又は曲線ｌ〜曲線ｒのそれぞれの状態から８０Ｖの特性変動印加電圧を１分間印加することで、ほとんど一致して示されるものである。なお、２３２０ルクスのハロゲンランプからの光は、上述したＬＥＤランプに比べエネルギーが非常に小さいものにしている。
【００３５】
図４より、薄膜トランジスタ１のＩｄｓ−Ｖｇｓ特性は、図２を用いて述べたのと同様に、特性変動印加電圧の印加によって右シフトして急峻になり、かつ、光照射によって左シフトして緩やかになることがわかる。更に詳しくは、Ｉｄｓ−Ｖｇｓ特性は、光照射時間が増えるにつれて、段々と左シフトし緩やかになることが分かる。
【００３６】
図５は、図４で示した各曲線が示す状態のＩｄｓ−Ｖｇｓ特性を別の形で示したものである。図５は、横軸を光照射時間、縦軸をＶｇｓの値とし、Ｉｄｓ＝１０−９Ａ（１ｎＡ）となるときのＶｇｓを曲線Ｈとして示している。所定のＩｄｓとなるときのＶｇｓは、光照射時間の増加とともに段々と減少していることがわかる。なお、図５においては、光照射時間が０分の状態は、８０Ｖの特性変動印加電圧を１分間印加した後の状態を示している。
【００３７】
このように、薄膜トランジスタ１のＩｄｓ−Ｖｇｓ特性は、特性変動印加電圧の印加によって右シフトし、かつ、光照射によって左シフトする（図２及び図４参照）。これを言い換えれば、薄膜トランジスタ１において所定のＩｄｓとなるときのＶｇｓは、特性変動印加電圧の印加によって増加し、かつ、光照射によって減少する（図３及び図５参照）。この現象は可逆的であり、特性変動印加電圧の印加と光照射を繰り返しても、同じ条件で電圧印加又は光照射を行えばほぼ同じ特性が得られる。なお、特性変動印加電圧を印加するときのドレイン電極とソース電極は、片方だけ接地しもう片方は浮かせていても、或いはそれらの間に電位差を有するような電圧にすることも可能である。
【００３８】
この現象については、以下のように考察される。薄膜トランジスタ１の作製直後には、非晶質酸化物の半導体薄膜２に含まれる過剰酸素がバンドギャップの中のフェルミ準位近傍に深い欠陥準位を生成しており、Ｉｄｓ−Ｖｇｓ特性は緩やかである。これらの深い欠陥準位は、特性変動印加電圧の印加によって電子を捕獲すると、構造緩和効果により、価電子帯端に近いより深い準位となるため、チャネル層に発生する電子キャリアが減少し、Ｉｄｓ−Ｖｇｓ特性は右シフトし急峻となる。この際、印加電圧に応じて価電子帯端近くにまで緩和する準位密度が変わるため、印加電圧に応じて右シフトの変化量が定まる。また、光照射により電子が放出されると、照射された光の履歴（すなわち光の積算量）に応じて再び深い準位に戻るので、Ｉｄｓ−Ｖｇｓ特性は左シフトし緩やかになる。
【００３９】
以上、薄膜トランジスタ１について説明した。図２及び図３で示した電気的特性は、検出対象の印加電圧により電気的特性を変動させ、光照射により初期状態にリセットするような各種センサに利用できることを示している。リセットは、エネルギー２．３ｅＶ以上（光波長５４０ｎｍ以下）の光子を含む光を照射することによって可能である。また、図４及び図５で示した電気的特性は、検出対象の光照射により電気的特性を変動させ、所定のゲート電圧（特性変動印加電圧）を印加することで初期状態にリセットするような各種センサに利用できることを示している。この初期状態の電気的特性は、ゲート電圧の値によって制御可能である。以下、薄膜トランジスタ１を利用したセンサとして、最大印加電圧検出センサと照射光履歴センサを説明する。
【００４０】
（最大印加電圧検出センサ）
薄膜トランジスタ１は、図２及び図３で示した電気的特性を利用することにより、最大印加電圧検出センサ７を作製することができる。最大印加電圧検出センサ７は、薄膜トランジスタ１の半導体薄膜２に外部からの電圧が印加可能であり、かつ、光照射が可能ならば、いろいろな構成が可能であるが、例えば、図６に示すように、薄膜トランジスタ１のドレイン電極３、ソース電極４、ゲート電極５にそれぞれ外部端子７ａ、７ｂ、７ｃが接続されるような構成にすることができる。このような構成により、最大印加電圧の入力期間には、ドレイン電極３及び／又はソース電極４を接地し、ゲート電極５に外部端子７ｃから検出する印加電圧が入力されるようにでき、また、入力期間後に薄膜トランジスタ１の電気的特性を測定する際には、ドレイン電極３、ソース電極４、ゲート電極５に所要の電圧をかけることができる。
【００４１】
最大印加電圧の検出は、以下の手順で行えばよい。まず、ＬＥＤランプ或いは他のランプを用いて薄膜トランジスタ１に２．３ｅＶ以上のエネルギーの光子を含む光照射を行って初期状態にリセットする。このとき、図２中の曲線ａのように、薄膜トランジスタ１のＩｄｓ−Ｖｇｓ特性は緩やかであり、所定のＩｄｓとなるときのＶｇｓは減少している。その後、薄膜トランジスタ１に光が入射されないようにし、外部端子７ｃに最大印加電圧を検出する対象の印加電圧を入力させる。電圧印加がなければ、薄膜トランジスタ１のＩｄｓ−Ｖｇｓ特性は変動しない。これに対し、電圧印加されると、図２中の曲線ｂ〜曲線ｊのように、印加電圧（特性変動印加電圧）の増加とともにＩｄｓ−Ｖｇｓ特性は右シフトし急峻となり、また、所定のＩｄｓ（例えば、１ｎＡ）となるときのＶｇｓは増加して行く。そして、印加電圧の入力期間の経過後に、薄膜トランジスタ１の電気的特性、例えば、所定のＩｄｓとなるときのＶｇｓ、を測定する。そして、図３で示したようなＶｇｓと特性変動印加電圧の対応関係などを用いて、入力期間内に外部端子７ｃに入力された最大の印加電圧（最大印加電圧）を導く（検出する）ことができる。その後、再び光照射を行って初期状態にリセットすれば、同様に最大印加電圧の検出を繰り返すことができる。なお、所定のＩｄｓとなるときのＶｇｓを測定する代わりに、所定のＶｇｓのときのＩｄｓを測定してもよい。
【００４２】
最大印加電圧検出センサ７は、薄膜トランジスタ１は長時間にわたって最大印加電圧に対応する状態を保持することができるため、簡易な構成で最大印加電圧を検出できるものとなり、適当な時間ごとに印加電圧の電圧値をメモリ装置に記憶させ、順次比較するという動作も必要ではない。
【００４３】
このような最大印加電圧検出センサ７は、例えば、電子部品の定格最大電圧を決定するための最大印加電圧モニタ装置などに用いることが可能である。また、光電素子を搭載し、それで照射光量を電圧に変換するようにすれば、最大照射光量検出装置に用いることが可能である。また、放射線を電圧に変換する素子を搭載すれば、最大放射線量検出装置に用いることが可能である。最大印加電圧検出センサ７は、その他、さまざまな装置に適用可能である。
【００４４】
（照射光履歴センサ）
薄膜トランジスタ１は、図４及び図５で示した電気的特性を利用することにより、照射光履歴センサ８を作製することができる。照射光履歴センサ８は、薄膜トランジスタ１の半導体薄膜２に外部からの電圧が印加可能であり、かつ、光照射が可能ならば、いろいろな構成が可能であるが、例えば、図６に示したのと同様な図７に示す構成、すなわち薄膜トランジスタ１のドレイン電極３、ソース電極４、ゲート電極５にそれぞれ外部端子８ａ、８ｂ、８ｃが接続されるような構成にすることができる。そして、照射光の入射期間後に薄膜トランジスタ１の電気的特性を測定する際には、ドレイン電極３、ソース電極４、ゲート電極５に所要の電圧をかけるようにすることができる。
【００４５】
照射光履歴センサ８によって照射光の履歴、すなわち積算量を検出するには、以下の手順で行えばよい。まず、薄膜トランジスタ１のゲート電極５に所定の電圧（特性変動印加電圧）の印加を行って初期状態にする。このとき、図４中の曲線ｋのように、薄膜トランジスタ１のＩｄｓ−Ｖｇｓ特性は急峻であり、所定のＩｄｓとなるときのＶｇｓは増加している。その後、薄膜トランジスタ１に検出する照射光が入射されるようにする。照射光がなければ、薄膜トランジスタ１のＩｄｓ−Ｖｇｓ特性は変動しない。これに対し、照射光があれば、曲線ｌ〜曲線ｒのように、照射光の積算量の増加とともにＩｄｓ−Ｖｇｓ特性は左シフトし緩やかになり、また、所定のＩｄｓとなるときのＶｇｓは減少して行く。そして、照射光の入射期間の経過後に、薄膜トランジスタ１の電気的特性、例えば、所定のＩｄｓとなるときのＶｇｓ、を測定する。そして、図５で示したようなＶｇｓと光照射時間の対応関係などを用いて、入射期間内に入射された照射光の積算量を導くことができる。その後、再び所定の電圧印加を行って初期状態にリセットすれば、同様に照射光の積算量の検出を繰り返すことができる。なお、所定のＩｄｓとなるときのＶｇｓを測定する代わりに、所定のＶｇｓのときのＩｄｓを測定してもよい。また、初期状態の電気的特性は、ゲート電極５に印加する所定の電圧の値によって制御してもよい。
【００４６】
照射光履歴センサ８は、薄膜トランジスタ１の半導体薄膜２自体が照射光の積算量に対応する状態を保持することができるため、簡易な構成で照射光の積算量を検出できるものとなり、瞬間毎の光の強度を検出し、それをメモリ装置に記憶させ、積算量を計算するという動作も必要ではない。
【００４７】
このような照射光履歴センサ８は、例えば、長時間露光対応イメージセンサ、照明やバックライトなどの発光部品の寿命検出装置、光波長変換材料や太陽電池などの光照射劣化のある光学部品の寿命検出装置などに用いることが可能である。照射光履歴センサ８は、その他、さまざまな装置に適用可能である。
【００４８】
以上、本発明の実施形態に係る薄膜トランジスタ、及びそれを用いた最大印加電圧検出センサ及び照射光履歴センサについて説明したが、本発明は、実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内でのさまざまな設計変更が可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１ 薄膜トランジスタ
２ 半導体薄膜
３ ドレイン電極
４ ソース電極
５ ゲート電極
７ 最大印加電圧検出センサ
８ 照射光履歴センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化物半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタに関し、また、その薄膜トランジスタを用いた最大印加電圧検出センサ及び照射光履歴センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、フラットパネルディスプレイの制御のための回路などを構成する素子として、ガラス基板の上に形成した非晶質シリコン（アモルファスシリコン）又は多結晶シリコンの半導体薄膜を用いた電界効果型の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が広く使用されている。非晶質シリコン又は多結晶シリコンの成膜のためには、比較的高温の工程を必要とする。これに対して、ガラス基板の代わりに、軽さや物理的強度などの面で有利な樹脂基板を用い、その樹脂基板上で半導体薄膜を適切に形成できるように、非晶質シリコン又は多結晶シリコンよりも低温で成膜できる半導体薄膜が研究されている。
【０００３】
この低温で成膜できる半導体薄膜として、酸化物でありながら半導体の性質を有する非晶質酸化物（アモルファス酸化物）を用いた薄膜トランジスタが提案されている。例えば、特許文献１には、ノーマリーオフ動作を実現するために、酸素欠陥を低減して通常状態の電子キャリア濃度を１０１８／ｃｍ３未満に減少させることができる非晶質酸化物の半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタが記載されている。非晶質酸化物の例としては、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍをターゲットとしてパルスレーザ堆積法やスパッタリング法で作成したａ−ＩＧＺＯ薄膜が記載されている。また、酸素欠陥を低減して電子キャリア濃度を１０１８／ｃｍ３未満に減少させるために、半導体薄膜の成膜時又は成膜後の処理において、雰囲気の酸素濃度や温度などを制御している。
【０００４】
今日、このような酸化物の半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタの特性の詳細は、種々の実験を含めて研究されているところである。
【０００５】
その一方、薄膜トランジスタを用いてフラットパネルディスプレイの制御以外の特別な機能を実現するような応用回路は、各種のものが提案されている。例えば、特許文献２には、サンプルホールド回路などに従来の薄膜トランジスタを用いて最大印加電圧を保持するセンサが記載されている。サンプルホールド回路は、長時間にわたって最大印加電圧を保持することは困難であるので、最大印加電圧を検出しようとすると、適当な時間ごとにその時間内で最大の電圧値を、前に記憶した電圧値と比較しながらメモリ装置に記憶させるという動作も必要である。
【０００６】
また、例えば、特許文献３には、照射された光の強度を検出するセンサに従来の薄膜トランジスタを用い、照射された光がその薄膜トランジスタのなかで電子とホールのキャリアペアを生成し、それによって光の強度に応じた電流を取り出すものが記載されている。この薄膜トランジスタは、タッチパネルや指紋センサなどの応用回路に適用できるものである。この薄膜トランジスタを用いて照射された光の履歴、すなわち積算量を求めようとすると、瞬間毎の光の強度を検出し、それをメモリ装置に記憶させ、積算量を計算するという動作が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１６５５２７号公報
【特許文献２】特開２０１０−１０１６９０号公報
【特許文献３】特開２００８−２４４０１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本願発明者は、酸化物の半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタに関して、酸化物に含まれる酸素の影響を詳細に研究している。その研究の中で、ある所定の条件で作製した薄膜トランジスタについては、電気的特性が電圧印加と光照射によって可逆的に変化するという現象を呈することを見出し、その現象に着目した。そして、上述した最大印加電圧検出センサや照射光履歴センサを含む各種センサに利用して新しいセンサを作製できる薄膜トランジスタを案出した。
【０００９】
本発明は係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、酸化物の半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタであって、各種センサに利用して新しいセンサを作製できる薄膜トランジスタを提供すること、及びその薄膜トランジスタを用いた最大印加電圧検出センサ及び照射光履歴センサを簡易な構成でもって提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の薄膜トランジスタは、非晶質酸化物の半導体薄膜とドレイン電極とソース電極とゲート電極を備え、該ゲート電極に印加されるゲート電圧に応じて前記半導体薄膜にチャネル層が形成されて、前記ドレイン電極と前記ソース電極の間にドレイン・ソース間電流が流れ得る薄膜トランジスタであって、前記非晶質酸化物は、弱く結合してバンドギャップ内に欠陥準位を生成する過剰酸素が含まれていることを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載の薄膜トランジスタは、請求項１に記載の薄膜トランジスタにおいて、所定のドレイン・ソース間電流となるときのゲート電圧は、電圧の印加によって増加し、かつ、光照射によって減少することを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の薄膜トランジスタは、請求項１又は２に記載の薄膜トランジスタにおいて、前記非晶質酸化物は、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ及び酸素の元素から構成されており、結晶化したときにＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍは６未満の自然数あるいは１／２）の結晶相が現れる組成であることを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の薄膜トランジスタは、請求項１〜３のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタにおいて、前記非晶質酸化物の半導体薄膜は、成膜した前記非晶質酸化物を高温オゾンにさらすことによって過剰酸素を含ませることを特徴とする。
【００１４】
請求項５に記載の薄膜トランジスタは、請求項１〜３のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタにおいて、前記非晶質酸化物の半導体薄膜は、所定の高酸素分圧あるいは高温酸素雰囲気中で成膜させることにより、過剰酸素を含ませることを特徴とする。
【００１５】
請求項６に記載の最大印加電圧検出センサは、請求項１〜５のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタを備え、該薄膜トランジスタへ光照射を行って初期状態にし、その後の印加電圧の入力期間の経過後に電気的特性の測定を行うことにより、最大印加電圧を検出することを特徴とする。
【００１６】
請求項７に記載の最大印加電圧検出センサは、請求項６に記載の最大印加電圧検出センサにおいて、前記電気的特性の測定は、所定のドレイン・ソース間電流となるときのゲート電圧の測定又は所定のゲート電圧のときのドレイン・ソース間電流の測定であることを特徴とする。
【００１７】
請求項８に記載の最大印加電圧検出センサは、請求項６又は７に記載の最大印加電圧検出センサにおいて、前記光照射は、エネルギー２．３ｅＶ以上の光子を含む光照射であることを特徴とする。
【００１８】
請求項９に記載の照射光履歴センサは、請求項１〜５のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタを備え、該薄膜トランジスタに所定の電圧印加を行って初期状態にし、その後の照射光の入射期間の経過後に電気的特性の測定を行うことにより、照射された光の積算量を検出することを特徴とする。
【００１９】
請求項１０に記載の照射光履歴センサは、請求項９に記載の照射光履歴センサにおいて、前記電気的特性の測定は、所定のドレイン・ソース間電流となるときのゲート電圧の測定又は所定のゲート電圧のときのドレイン・ソース間電流の測定であることを特徴とする。
【００２０】
請求項１１に記載の照射光履歴センサは、前記薄膜トランジスタの前記ゲート電極への所定の電圧印加により該薄膜トランジスタを初期状態にすることを特徴とする
【００２１】
請求項１２に記載の照射光履歴センサは、前記ゲート電極に印加する所定の電圧の値によって初期状態の電気的特性を変えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の薄膜トランジスタによれば、チャネル層が形成され得る半導体薄膜の非晶質酸化物には、弱く結合してバンドギャップ内に欠陥準位を生成する過剰酸素が含まれているために、特性変動印加電圧の印加と光照射により互いに反対方向にシフトするＩｄｓ−Ｖｇｓ特性となるので、最大印加電圧検出センサや照射光履歴センサを含む各種センサに利用して新しいセンサを作製することができる。また、その薄膜トランジスタを用いることで、最大印加電圧検出センサ及び照射光履歴センサは、簡易な構成でもって実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態に係る薄膜トランジスタの構造を例示する模式的な断面図である。
【図２】同上の薄膜トランジスタの各状態のＩｄｓ−Ｖｇｓ特性を示す特性図である。
【図３】同上の薄膜トランジスタにおける特性変動印加電圧による所定のＩｄｓとなるときのＶｇｓの変動を示す特性図である。
【図４】同上の薄膜トランジスタの別の各状態のＩｄｓ−Ｖｇｓ特性を示す特性図である。
【図５】同上の薄膜トランジスタにおける光照射時間による所定のＩｄｓとなるときのＶｇｓの変動を示す特性図である。
【図６】同上の薄膜トランジスタを用いた最大印加電圧検出センサを説明するための模式図である。
【図７】同上の薄膜トランジスタを用いた照射光履歴センサを説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明を実施するための好ましい形態について図面を参照しながら説明する。本発明の実施形態に係る薄膜トランジスタ１は、樹脂基板やガラス基板などの基板の上に、図１に示すように、半導体薄膜２を設け、それとともにドレイン電極３とソース電極４とゲート電極５を設けた構造のものである。この薄膜トランジスタ１は、ゲート電極５にかかるゲート電圧に応じて半導体薄膜２にチャネル層が形成されて、ドレイン電極３とソース電極４の間にドレイン・ソース間電流が流れ得る。本発明は、このような構造の薄膜トランジスタ１においてのものである。
【００２５】
この薄膜トランジスタ１の具体的な構造は、図１に示すような構造とすることができる。すなわち、ドレイン電極３とソース電極４とは互いに離隔して半導体薄膜２に接触しており、ゲート電極５はゲート絶縁膜６を介して半導体薄膜２に接している。ゲート電極５及びゲート絶縁膜６は、図１に示すように半導体薄膜２の下方に設けても、或いは上方に設けてもよい。
【００２６】
本発明において重要な点は、半導体薄膜２に半導体の性質を有する非晶質酸化物（アモルファス酸化物）を用い、過剰酸素が含まれるようにしたことである。過剰酸素は、弱く結合してバンドギャップ内に欠陥準位を生成する酸素である。この過剰酸素は、３００℃以下の温度で加熱されても半導体薄膜２から放出される（脱離する）ものである。
【００２７】
（薄膜トランジスタの実施例）
以下、実施例として、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ及び酸素の元素から構成され、結晶化したときにＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍは６未満の自然数あるいは１／２）の結晶相が現れる非晶質酸化物（以下、ａ−ＩＧＺＯと称す。）を用いた薄膜トランジスタ１について説明する。ａ−ＩＧＺＯは、半導体の性質を有する非晶質酸化物の代表的なものである、
【００２８】
このような過剰酸素に含む非晶質酸化物の半導体薄膜２は、以下のようにして作製することができる。まず、ａ−ＩＧＺＯを、成膜工程において、常温で、ａ−ＩＧＺＯの多結晶化したものをターゲットとして、ＲＦマグネトロンスパッタリングなどで成膜する。その後、オゾンアニール工程において、ａ−ＩＧＺＯに過剰酸素を含ませるように、成膜したａ−ＩＧＺＯを高濃度で高温のオゾンにさらす。詳細には、例えば濃度が３．７４ｇ／ｍ３で３００℃のオゾンに１５分さらせばよい。３００℃以上のオゾンならば、十分な過剰酸素（例えば、５×１０１６ｃｍ−３以上）を含ませることができる。なお、成膜工程において、所定の高酸素分圧あるいは高温酸素雰囲気中で成膜させることにより、過剰酸素を含ませることも可能である。また、ドレイン電極３、ソース電極４、ゲート電極５、及びゲート絶縁膜６はいかなる方法で作製しても構わない。
【００２９】
ａ−ＩＧＺＯの半導体薄膜２を用いた薄膜トランジスタ１の電気的特性は以下のとおりである。
【００３０】
図２〜図５に示すのは、薄膜トランジスタ１の電気的特性を示すものである。これらの図に示すものは、ａ−ＩＧＺＯがＩｎＧａＺｎＯ４（すなわちｍが１の場合のＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ）のスパッタリングターゲットを用いて製膜した組成であって上述のようにして作製した薄膜トランジスタ１を測定した実験を基にしている。なお、下記の第１の実験と第２の実験では異なる実験サンプルを用いた。また、ゲート電極５に特性変動印加電圧を印加し、ドレイン電極３及びソース電極４を接地して実験を行った。なお、特性変動印加電圧とは、薄膜トランジスタ１の電気的特性を変動させるために印加されるゲート電圧をいう。
【００３１】
図２は、第１の実験で行った各状態におけるドレイン・ソース間電流（Ｉｄｓ）の対ゲート電圧（Ｖｇｓ）の電気的特性、すなわちＩｄｓ−Ｖｇｓ特性を示すものである。特性測定時のドレイン・ソース間電圧（Ｖｄｓ）は、０．１Ｖとした。図２の中で、曲線ａは、ＬＥＤランプによる１０秒の光照射後の状態の特性を示している。曲線ｂ〜曲線ｊは、曲線ａの状態からそれぞれ、２０Ｖ、２５Ｖ、３０Ｖ、３５Ｖ、４０Ｖ、５０Ｖ、６０Ｖ、７０Ｖ、８０Ｖの特性変動印加電圧を１秒間印加した後の状態の特性を示している。曲線ａは、詳細には、薄膜トランジスタ１の作製直後の状態又は曲線ｂ〜曲線ｊのそれぞれの状態からＬＥＤランプによる１０秒の光照射を行うことで、ほとんど一致して示されるものである。なお、薄膜トランジスタ１の作製直後の状態の特性及び曲線ａの状態から１０Ｖの特性変動印加電圧を１秒間印加した後の状態の特性については、後述する図３では関連するものが示されているが、その図で示されるように曲線ａとほとんど一致しているので図２では省略している。
【００３２】
図２より、薄膜トランジスタ１のＩｄｓ−Ｖｇｓ特性は、特性変動印加電圧の印加によって右シフトして急峻になり、かつ、光照射によって左シフトして緩やかになることがわかる。更に詳しくは、Ｉｄｓ−Ｖｇｓ特性は、特性変動印加電圧の値が増えるにつれて、段々と右シフトし急峻になることがわかる。
【００３３】
図３は、図２で示した各曲線が示す状態のＩｄｓ−Ｖｇｓ特性を別の形で示したものである。図３は、横軸を特性変動印加電圧の値、縦軸をゲート電圧（Ｖｇｓ）の値としている。曲線Ａ〜曲線Ｇはそれぞれ、Ｉｄｓ＝１０−１２Ａ、１０−１１Ａ、１０−１０Ａ、１０−９Ａ、１０−８Ａ、１０−７Ａ、１０−６Ａ、となるときのＶｇｓを示している。各ＩｄｓとなるときのＶｇｓは、特性変動印加電圧の増加とともに段々と増加していることがわかる。Ｉｄｓが少ないほど、その増加が顕著である。なお、図３では、理解し易いように、薄膜トランジスタ１の作製直後の状態をＬＥＤランプによる１０秒の光照射後の状態（すなわち、特性変動印加電圧が０Ｖの状態）の左側に示している。
【００３４】
次に、図４は、第２の実験で行った各状態におけるＩｄｓ−Ｖｇｓ特性を示すものである。特性測定時のＶｄｓは、０．１Ｖとした。図４の中で、曲線ｋは、８０Ｖの特性変動印加電圧を１分間印加した後の状態の特性を示している。曲線ｌ〜曲線ｒはそれぞれ、曲線ｋの状態からそれぞれ、２３２０ルクスのハロゲンランプによる光照射を１分、３分、１０分、３０分、１００分、３００分、１０００分間行った後の状態の特性を示している。曲線ｋは、詳細には、薄膜トランジスタ１の作製直後の状態又は曲線ｌ〜曲線ｒのそれぞれの状態から８０Ｖの特性変動印加電圧を１分間印加することで、ほとんど一致して示されるものである。なお、２３２０ルクスのハロゲンランプからの光は、上述したＬＥＤランプに比べエネルギーが非常に小さいものにしている。
【００３５】
図４より、薄膜トランジスタ１のＩｄｓ−Ｖｇｓ特性は、図２を用いて述べたのと同様に、特性変動印加電圧の印加によって右シフトして急峻になり、かつ、光照射によって左シフトして緩やかになることがわかる。更に詳しくは、Ｉｄｓ−Ｖｇｓ特性は、光照射時間が増えるにつれて、段々と左シフトし緩やかになることが分かる。
【００３６】
図５は、図４で示した各曲線が示す状態のＩｄｓ−Ｖｇｓ特性を別の形で示したものである。図５は、横軸を光照射時間、縦軸をＶｇｓの値とし、Ｉｄｓ＝１０−９Ａ（１ｎＡ）となるときのＶｇｓを曲線Ｈとして示している。所定のＩｄｓとなるときのＶｇｓは、光照射時間の増加とともに段々と減少していることがわかる。なお、図５においては、光照射時間が０分の状態は、８０Ｖの特性変動印加電圧を１分間印加した後の状態を示している。
【００３７】
このように、薄膜トランジスタ１のＩｄｓ−Ｖｇｓ特性は、特性変動印加電圧の印加によって右シフトし、かつ、光照射によって左シフトする（図２及び図４参照）。これを言い換えれば、薄膜トランジスタ１において所定のＩｄｓとなるときのＶｇｓは、特性変動印加電圧の印加によって増加し、かつ、光照射によって減少する（図３及び図５参照）。この現象は可逆的であり、特性変動印加電圧の印加と光照射を繰り返しても、同じ条件で電圧印加又は光照射を行えばほぼ同じ特性が得られる。なお、特性変動印加電圧を印加するときのドレイン電極とソース電極は、片方だけ接地しもう片方は浮かせていても、或いはそれらの間に電位差を有するような電圧にすることも可能である。
【００３８】
この現象については、以下のように考察される。薄膜トランジスタ１の作製直後には、非晶質酸化物の半導体薄膜２に含まれる過剰酸素がバンドギャップの中のフェルミ準位近傍に深い欠陥準位を生成しており、Ｉｄｓ−Ｖｇｓ特性は緩やかである。これらの深い欠陥準位は、特性変動印加電圧の印加によって電子を捕獲すると、構造緩和効果により、価電子帯端に近いより深い準位となるため、チャネル層に発生する電子キャリアが減少し、Ｉｄｓ−Ｖｇｓ特性は右シフトし急峻となる。この際、印加電圧に応じて価電子帯端近くにまで緩和する準位密度が変わるため、印加電圧に応じて右シフトの変化量が定まる。また、光照射により電子が放出されると、照射された光の履歴（すなわち光の積算量）に応じて再び深い準位に戻るので、Ｉｄｓ−Ｖｇｓ特性は左シフトし緩やかになる。
【００３９】
以上、薄膜トランジスタ１について説明した。図２及び図３で示した電気的特性は、検出対象の印加電圧により電気的特性を変動させ、光照射により初期状態にリセットするような各種センサに利用できることを示している。リセットは、エネルギー２．３ｅＶ以上（光波長５４０ｎｍ以下）の光子を含む光を照射することによって可能である。また、図４及び図５で示した電気的特性は、検出対象の光照射により電気的特性を変動させ、所定のゲート電圧（特性変動印加電圧）を印加することで初期状態にリセットするような各種センサに利用できることを示している。この初期状態の電気的特性は、ゲート電圧の値によって制御可能である。以下、薄膜トランジスタ１を利用したセンサとして、最大印加電圧検出センサと照射光履歴センサを説明する。
【００４０】
（最大印加電圧検出センサ）
薄膜トランジスタ１は、図２及び図３で示した電気的特性を利用することにより、最大印加電圧検出センサ７を作製することができる。最大印加電圧検出センサ７は、薄膜トランジスタ１の半導体薄膜２に外部からの電圧が印加可能であり、かつ、光照射が可能ならば、いろいろな構成が可能であるが、例えば、図６に示すように、薄膜トランジスタ１のドレイン電極３、ソース電極４、ゲート電極５にそれぞれ外部端子７ａ、７ｂ、７ｃが接続されるような構成にすることができる。このような構成により、最大印加電圧の入力期間には、ドレイン電極３及び／又はソース電極４を接地し、ゲート電極５に外部端子７ｃから検出する印加電圧が入力されるようにでき、また、入力期間後に薄膜トランジスタ１の電気的特性を測定する際には、ドレイン電極３、ソース電極４、ゲート電極５に所要の電圧をかけることができる。
【００４１】
最大印加電圧の検出は、以下の手順で行えばよい。まず、ＬＥＤランプ或いは他のランプを用いて薄膜トランジスタ１に２．３ｅＶ以上のエネルギーの光子を含む光照射を行って初期状態にリセットする。このとき、図２中の曲線ａのように、薄膜トランジスタ１のＩｄｓ−Ｖｇｓ特性は緩やかであり、所定のＩｄｓとなるときのＶｇｓは減少している。その後、薄膜トランジスタ１に光が入射されないようにし、外部端子７ｃに最大印加電圧を検出する対象の印加電圧を入力させる。電圧印加がなければ、薄膜トランジスタ１のＩｄｓ−Ｖｇｓ特性は変動しない。これに対し、電圧印加されると、図２中の曲線ｂ〜曲線ｊのように、印加電圧（特性変動印加電圧）の増加とともにＩｄｓ−Ｖｇｓ特性は右シフトし急峻となり、また、所定のＩｄｓ（例えば、１ｎＡ）となるときのＶｇｓは増加して行く。そして、印加電圧の入力期間の経過後に、薄膜トランジスタ１の電気的特性、例えば、所定のＩｄｓとなるときのＶｇｓ、を測定する。そして、図３で示したようなＶｇｓと特性変動印加電圧の対応関係などを用いて、入力期間内に外部端子７ｃに入力された最大の印加電圧（最大印加電圧）を導く（検出する）ことができる。その後、再び光照射を行って初期状態にリセットすれば、同様に最大印加電圧の検出を繰り返すことができる。なお、所定のＩｄｓとなるときのＶｇｓを測定する代わりに、所定のＶｇｓのときのＩｄｓを測定してもよい。
【００４２】
最大印加電圧検出センサ７は、薄膜トランジスタ１は長時間にわたって最大印加電圧に対応する状態を保持することができるため、簡易な構成で最大印加電圧を検出できるものとなり、適当な時間ごとに印加電圧の電圧値をメモリ装置に記憶させ、順次比較するという動作も必要ではない。
【００４３】
このような最大印加電圧検出センサ７は、例えば、電子部品の定格最大電圧を決定するための最大印加電圧モニタ装置などに用いることが可能である。また、光電素子を搭載し、それで照射光量を電圧に変換するようにすれば、最大照射光量検出装置に用いることが可能である。また、放射線を電圧に変換する素子を搭載すれば、最大放射線量検出装置に用いることが可能である。最大印加電圧検出センサ７は、その他、さまざまな装置に適用可能である。
【００４４】
（照射光履歴センサ）
薄膜トランジスタ１は、図４及び図５で示した電気的特性を利用することにより、照射光履歴センサ８を作製することができる。照射光履歴センサ８は、薄膜トランジスタ１の半導体薄膜２に外部からの電圧が印加可能であり、かつ、光照射が可能ならば、いろいろな構成が可能であるが、例えば、図６に示したのと同様な図７に示す構成、すなわち薄膜トランジスタ１のドレイン電極３、ソース電極４、ゲート電極５にそれぞれ外部端子８ａ、８ｂ、８ｃが接続されるような構成にすることができる。そして、照射光の入射期間後に薄膜トランジスタ１の電気的特性を測定する際には、ドレイン電極３、ソース電極４、ゲート電極５に所要の電圧をかけるようにすることができる。
【００４５】
照射光履歴センサ８によって照射光の履歴、すなわち積算量を検出するには、以下の手順で行えばよい。まず、薄膜トランジスタ１のゲート電極５に所定の電圧（特性変動印加電圧）の印加を行って初期状態にする。このとき、図４中の曲線ｋのように、薄膜トランジスタ１のＩｄｓ−Ｖｇｓ特性は急峻であり、所定のＩｄｓとなるときのＶｇｓは増加している。その後、薄膜トランジスタ１に検出する照射光が入射されるようにする。照射光がなければ、薄膜トランジスタ１のＩｄｓ−Ｖｇｓ特性は変動しない。これに対し、照射光があれば、曲線ｌ〜曲線ｒのように、照射光の積算量の増加とともにＩｄｓ−Ｖｇｓ特性は左シフトし緩やかになり、また、所定のＩｄｓとなるときのＶｇｓは減少して行く。そして、照射光の入射期間の経過後に、薄膜トランジスタ１の電気的特性、例えば、所定のＩｄｓとなるときのＶｇｓ、を測定する。そして、図５で示したようなＶｇｓと光照射時間の対応関係などを用いて、入射期間内に入射された照射光の積算量を導くことができる。その後、再び所定の電圧印加を行って初期状態にリセットすれば、同様に照射光の積算量の検出を繰り返すことができる。なお、所定のＩｄｓとなるときのＶｇｓを測定する代わりに、所定のＶｇｓのときのＩｄｓを測定してもよい。また、初期状態の電気的特性は、ゲート電極５に印加する所定の電圧の値によって制御してもよい。
【００４６】
照射光履歴センサ８は、薄膜トランジスタ１の半導体薄膜２自体が照射光の積算量に対応する状態を保持することができるため、簡易な構成で照射光の積算量を検出できるものとなり、瞬間毎の光の強度を検出し、それをメモリ装置に記憶させ、積算量を計算するという動作も必要ではない。
【００４７】
このような照射光履歴センサ８は、例えば、長時間露光対応イメージセンサ、照明やバックライトなどの発光部品の寿命検出装置、光波長変換材料や太陽電池などの光照射劣化のある光学部品の寿命検出装置などに用いることが可能である。照射光履歴センサ８は、その他、さまざまな装置に適用可能である。
【００４８】
以上、本発明の実施形態に係る薄膜トランジスタ、及びそれを用いた最大印加電圧検出センサ及び照射光履歴センサについて説明したが、本発明は、実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内でのさまざまな設計変更が可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１ 薄膜トランジスタ
２ 半導体薄膜
３ ドレイン電極
４ ソース電極
５ ゲート電極
７ 最大印加電圧検出センサ
８ 照射光履歴センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非晶質酸化物の半導体薄膜とドレイン電極とソース電極とゲート電極を備え、該ゲート電極に印加されるゲート電圧に応じて前記半導体薄膜にチャネル層が形成されて、前記ドレイン電極と前記ソース電極の間にドレイン・ソース間電流が流れ得る薄膜トランジスタであって、
前記非晶質酸化物は、弱く結合してバンドギャップ内に欠陥準位を生成する過剰酸素が含まれていることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項２】
請求項１に記載の薄膜トランジスタにおいて、
所定のドレイン・ソース間電流となるときのゲート電圧は、電圧の印加によって増加し、かつ、光照射によって減少することを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の薄膜トランジスタにおいて、
前記非晶質酸化物は、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ及び酸素の元素から構成されており、結晶化したときにＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍは６未満の自然数あるいは１／２）の結晶相が現れる組成であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタにおいて、
前記非晶質酸化物の半導体薄膜は、成膜した前記非晶質酸化物を高温オゾンにさらすことによって過剰酸素を含ませることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタにおいて、
前記非晶質酸化物の半導体薄膜は、所定の高酸素分圧あるいは高温酸素雰囲気中で成膜させることにより、過剰酸素を含ませることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタを備え、
該薄膜トランジスタへ光照射を行って初期状態にし、その後の印加電圧の入力期間の経過後に電気的特性の測定を行うことにより、最大印加電圧を検出することを特徴とする最大印加電圧検出センサ。
【請求項７】
請求項６に記載の最大印加電圧検出センサにおいて、
前記電気的特性の測定は、所定のドレイン・ソース間電流となるときのゲート電圧の測定又は所定のゲート電圧のときのドレイン・ソース間電流の測定であることを特徴とする最大印加電圧検出センサ。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の最大印加電圧検出センサにおいて、
前記光照射は、エネルギー２．３ｅＶ以上の光子を含む光照射であることを特徴とする最大印加電圧検出センサ。
【請求項９】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタを備え、
該薄膜トランジスタに所定の電圧印加を行って初期状態にし、その後の照射光の入射期間の経過後に電気的特性の測定を行うことにより、照射された光の積算量を検出することを特徴とする 照射光履歴センサ。
【請求項１０】
請求項９に記載の照射光履歴センサにおいて、
前記電気的特性の測定は、所定のドレイン・ソース間電流となるときのゲート電圧の測定又は所定のゲート電圧のときのドレイン・ソース間電流の測定であることを特徴とする照射光履歴センサ。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の照射光履歴センサにおいて、
前記薄膜トランジスタの前記ゲート電極への所定の電圧印加により該薄膜トランジスタを初期状態にすることを特徴とする照射光履歴センサ。
【請求項１２】
請求項１１に記載の照射光履歴センサにおいて、
前記ゲート電極に印加する所定の電圧の値によって初期状態の電気的特性を変えることを特徴とする照射光履歴センサ。
【請求項１】
非晶質酸化物の半導体薄膜とドレイン電極とソース電極とゲート電極を備え、該ゲート電極に印加されるゲート電圧に応じて前記半導体薄膜にチャネル層が形成されて、前記ドレイン電極と前記ソース電極の間にドレイン・ソース間電流が流れ得る薄膜トランジスタであって、
前記非晶質酸化物は、弱く結合してバンドギャップ内に欠陥準位を生成する過剰酸素が含まれていることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項２】
請求項１に記載の薄膜トランジスタにおいて、
所定のドレイン・ソース間電流となるときのゲート電圧は、電圧の印加によって増加し、かつ、光照射によって減少することを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の薄膜トランジスタにおいて、
前記非晶質酸化物は、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ及び酸素の元素から構成されており、結晶化したときにＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍは６未満の自然数あるいは１／２）の結晶相が現れる組成であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタにおいて、
前記非晶質酸化物の半導体薄膜は、成膜した前記非晶質酸化物を高温オゾンにさらすことによって過剰酸素を含ませることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタにおいて、
前記非晶質酸化物の半導体薄膜は、所定の高酸素分圧あるいは高温酸素雰囲気中で成膜させることにより、過剰酸素を含ませることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタを備え、
該薄膜トランジスタへ光照射を行って初期状態にし、その後の印加電圧の入力期間の経過後に電気的特性の測定を行うことにより、最大印加電圧を検出することを特徴とする最大印加電圧検出センサ。
【請求項７】
請求項６に記載の最大印加電圧検出センサにおいて、
前記電気的特性の測定は、所定のドレイン・ソース間電流となるときのゲート電圧の測定又は所定のゲート電圧のときのドレイン・ソース間電流の測定であることを特徴とする最大印加電圧検出センサ。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の最大印加電圧検出センサにおいて、
前記光照射は、エネルギー２．３ｅＶ以上の光子を含む光照射であることを特徴とする最大印加電圧検出センサ。
【請求項９】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタを備え、
該薄膜トランジスタに所定の電圧印加を行って初期状態にし、その後の照射光の入射期間の経過後に電気的特性の測定を行うことにより、照射された光の積算量を検出することを特徴とする 照射光履歴センサ。
【請求項１０】
請求項９に記載の照射光履歴センサにおいて、
前記電気的特性の測定は、所定のドレイン・ソース間電流となるときのゲート電圧の測定又は所定のゲート電圧のときのドレイン・ソース間電流の測定であることを特徴とする照射光履歴センサ。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の照射光履歴センサにおいて、
前記薄膜トランジスタの前記ゲート電極への所定の電圧印加により該薄膜トランジスタを初期状態にすることを特徴とする照射光履歴センサ。
【請求項１２】
請求項１１に記載の照射光履歴センサにおいて、
前記ゲート電極に印加する所定の電圧の値によって初期状態の電気的特性を変えることを特徴とする照射光履歴センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−６２３８４（Ｐ２０１３−６２３８４Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０００４０（Ｐ２０１１−２０００４０）
【出願日】平成２３年９月１３日（２０１１．９．１３）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り １．（独立行政法人）日本学術振興会、７ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｏｘｉｄｅ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｏｐｔｉｃｓ ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｂｏｏｋ、平成２３年３月１４日 ２．７ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｏｘｉｄｅ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｏｐｔｉｃｓ、（独立行政法人）日本学術振興会、平成２３年３月１４日 ３．平成２３年９月２日、ｈｔｔｐ：／／ａｐｌ．ａｉｐ．ｏｒｇ／ｒｅｓｏｕｒｃｅ／１／ａｐｐｌａｂ／ｖ９９／ｉ９／ｐ０９３５０７＿ｓ１？ｉｓＡｕｔｈｏｒｉｚｅｄ＝ｎｏ
【出願人】（５９７０６５３２９）学校法人 龍谷大学 (120)
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１３日（２０１１．９．１３）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り １．（独立行政法人）日本学術振興会、７ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｏｘｉｄｅ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｏｐｔｉｃｓ ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｂｏｏｋ、平成２３年３月１４日 ２．７ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｏｘｉｄｅ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｏｐｔｉｃｓ、（独立行政法人）日本学術振興会、平成２３年３月１４日 ３．平成２３年９月２日、ｈｔｔｐ：／／ａｐｌ．ａｉｐ．ｏｒｇ／ｒｅｓｏｕｒｃｅ／１／ａｐｐｌａｂ／ｖ９９／ｉ９／ｐ０９３５０７＿ｓ１？ｉｓＡｕｔｈｏｒｉｚｅｄ＝ｎｏ
【出願人】（５９７０６５３２９）学校法人 龍谷大学 (120)
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
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