半導(dǎo)體器件物理TFT

1、 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理 電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院第六章第六章 薄膜晶體管（薄膜晶體管（TFT） 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理 電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院主要內(nèi)容主要內(nèi)容（1 1）TFTTFT的發(fā)展歷程的發(fā)展歷程（2 2）TFTTFT的種類、結(jié)構(gòu)及工作原理的種類、結(jié)構(gòu)及工作原理（3 3）p-si TFTp-si TFT的電特性的電特性（4 4）p-si TFTp-si TFT的制備技術(shù)的制備技術(shù)（5 5）TFTTFT的應(yīng)用前景的應(yīng)用前景 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理 電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院TFT的發(fā)展歷程的發(fā)展歷程（1 1）19341934年第一個年第一個TFTTFT的發(fā)明專

2、利問世的發(fā)明專利問世-設(shè)想設(shè)想. .（2 2）TFTTFT的真正開始的真正開始-1962-1962年，由年，由WeimerWeimer第一次實現(xiàn)第一次實現(xiàn). . 特點：器件采用頂柵結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體活性層為特點：器件采用頂柵結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體活性層為CdSCdS薄膜薄膜. .柵柵介質(zhì)層為介質(zhì)層為SiO,SiO,除柵介質(zhì)層外都采用蒸鍍技術(shù)除柵介質(zhì)層外都采用蒸鍍技術(shù). . 器件參數(shù)：跨導(dǎo)器件參數(shù)：跨導(dǎo)g gm m=25 mA/V,=25 mA/V,載流子遷移率載流子遷移率150 cm150 cm2 2/vs,/vs,最最大振蕩頻率為大振蕩頻率為20 MHz.20 MHz.CdSe-CdSe-遷移率達遷移率達2

3、00 cm200 cm2 2/vs/vsTFTTFT與與MOSFETMOSFET的發(fā)明同步，然而的發(fā)明同步，然而TFTTFT發(fā)展速度及應(yīng)用遠不及發(fā)展速度及應(yīng)用遠不及MOSFET?!MOSFET?! 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理 電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院TFT的發(fā)展歷程的發(fā)展歷程（3 3）19621962年，第一個年，第一個MOSFETMOSFET實實驗室實現(xiàn)驗室實現(xiàn). .（4 4）19731973年，實現(xiàn)第一個年，實現(xiàn)第一個CdSeCdSeTFT-LCD(6TFT-LCD(6* *6)6)顯示屏顯示屏.-TFT.-TFT的的遷移率遷移率20 cm20 cm2 2/vs,I/vs,Ioffo

4、ff=100 nA.=100 nA.之之后幾年下降到后幾年下降到1 nA.1 nA.（5 5）19751975年，實現(xiàn)了基于非晶硅年，實現(xiàn)了基于非晶硅-TFT.-TFT.隨后實現(xiàn)驅(qū)動隨后實現(xiàn)驅(qū)動LCDLCD顯示顯示. .-遷移率遷移率1 cm1 cm2 2/vs,/vs,但空氣（但空氣（H H2 2O,OO,O2 2) )中相對穩(wěn)定中相對穩(wěn)定. .（6 6）8080年代年代, ,基于基于CdSe,CdSe,非晶硅非晶硅 TFTTFT研究繼續(xù)推進研究繼續(xù)推進. .另外，實現(xiàn)另外，實現(xiàn)了基于多晶硅了基于多晶硅TFTTFT，并通過工藝改進電子遷移率從，并通過工藝改進電子遷移率從5050提升至提升至4

5、00.400.-當時當時p-SiTFTp-SiTFT制備需要高溫沉積或高溫退火制備需要高溫沉積或高溫退火. .-a-Si TFT-a-Si TFT因低溫、低成本，成為因低溫、低成本，成為LCDLCD有源驅(qū)動的主流有源驅(qū)動的主流. . 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理 電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院（7 7）9090年代后，繼續(xù)改進年代后，繼續(xù)改進a-Si,p-Si TFTa-Si,p-Si TFT的性能，特別關(guān)注低溫的性能，特別關(guān)注低溫多晶硅多晶硅TFTTFT制備技術(shù)制備技術(shù).-.-非晶硅固相晶化技術(shù)非晶硅固相晶化技術(shù). .有機有機TFTTFT、氧化物、氧化物TFTTFT亦成為研究熱點亦成為研究熱點

6、.-.-有機有機TFTTFT具有柔性可彎曲、大面積等優(yōu)勢具有柔性可彎曲、大面積等優(yōu)勢. .TFTTFT發(fā)展過程中遭遇發(fā)展過程中遭遇的關(guān)鍵技術(shù)問題？的關(guān)鍵技術(shù)問題？低載流子低載流子遷移率遷移率穩(wěn)定性和穩(wěn)定性和可靠性可靠性低溫高性能半低溫高性能半導(dǎo)體薄膜技術(shù)導(dǎo)體薄膜技術(shù)低成本、大面低成本、大面積沉膜積沉膜挑戰(zhàn)挑戰(zhàn)：在玻璃或塑料基底上生長出單晶半導(dǎo)體薄膜在玻璃或塑料基底上生長出單晶半導(dǎo)體薄膜！TFT的發(fā)展歷程的發(fā)展歷程 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理 電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院TFT的種類的種類按采用半導(dǎo)體材料不同分為：按采用半導(dǎo)體材料不同分為：無機無機TFTTFT有機有機TFTTFT化合物化合物:

7、CdS-TFT,CdSe-TFT:CdS-TFT,CdSe-TFT氧化物氧化物:ZnO-TFT:ZnO-TFT硅基硅基: :非晶非晶Si-TFT,Si-TFT,多晶硅多晶硅-TFT-TFT基于小分子基于小分子TFTTFT基于高分子聚合物基于高分子聚合物TFTTFT無無/ /有機復(fù)合型有機復(fù)合型TFTTFT：采用無機納米顆粒與聚合物共混：采用無機納米顆粒與聚合物共混制備半導(dǎo)體活性層制備半導(dǎo)體活性層 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理 電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院TFT的常用器件結(jié)構(gòu)的常用器件結(jié)構(gòu)雙柵雙柵薄膜晶體管薄膜晶體管結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)薄膜晶體管的器件結(jié)構(gòu)薄膜晶體管的器件結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理

8、電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院TFT的工作原理的工作原理一、一、MOSMOS晶體管工作原理回顧晶體管工作原理回顧當當| |V VGSGS|V VT T|,|,導(dǎo)電溝道形成導(dǎo)電溝道形成. .此時當此時當V VDSDS存在時，則形成存在時，則形成I IDSDS. .對于恒定的對于恒定的V VDS,DS,V VGSGS越大越大, ,則溝則溝道中的可動載流子就越多道中的可動載流子就越多, ,溝道電阻就越小溝道電阻就越小, ,I ID D就越大就越大. .即柵電壓控制漏電流即柵電壓控制漏電流. .對于恒定的對于恒定的V VGSGS, ,當當V VDSDS增大時，溝道厚度從源極到漏極逐漸變薄增大時，溝道厚度

9、從源極到漏極逐漸變薄, ,引起溝道電阻增加引起溝道電阻增加, ,導(dǎo)致導(dǎo)致I IDSDS增加變緩增加變緩. .當當V VDSDSV VDsatDsat時時, ,漏極被夾漏極被夾斷斷, ,而后而后V VDSDS增大，增大，I IDSDS達到飽和達到飽和. . 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理 電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院工作原理：與工作原理：與MOSFETMOSFET相似相似,TFT,TFT也是通過柵電壓來調(diào)節(jié)溝道電也是通過柵電壓來調(diào)節(jié)溝道電阻，從而實現(xiàn)對漏極電流的有效控制阻，從而實現(xiàn)對漏極電流的有效控制. .與與MOSFETMOSFET不同的是：不同的是：MOSFETMOSFET通常工作強反型狀態(tài)通

10、常工作強反型狀態(tài), ,而而TFTTFT根據(jù)根據(jù)半導(dǎo)體活性層種類不同半導(dǎo)體活性層種類不同, ,工作狀態(tài)有兩種模式：工作狀態(tài)有兩種模式：對于對于a-Si TFTa-Si TFT、OTFTOTFT、氧化物、氧化物TFTTFT通常工作于積累狀態(tài)通常工作于積累狀態(tài). . 對于對于p-Si TFTp-Si TFT工作于強反型狀態(tài)工作于強反型狀態(tài). .工作于積累狀態(tài)下原理示意圖工作于積累狀態(tài)下原理示意圖TFT的工作原理的工作原理 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理 電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院TFT的的I-V描述描述在線性區(qū)在線性區(qū), ,溝道區(qū)柵誘導(dǎo)電荷可表示為溝道區(qū)柵誘導(dǎo)電荷可表示為)(VVVCQthgii在忽

11、略擴散電流情況下，漏極電流由漂移電流形成，可表示為在忽略擴散電流情況下，漏極電流由漂移電流形成，可表示為dydVQWEQWIiyid. .（1 1）. .（2 2）(1)(1)代入代入(2)(2)，積分可得：，積分可得：21)(2VVVVCLWIddthgid)(VVVthgd. .（3 3）當當V Vd d V Vg g- -V Vthth),),將將V Vd dV Vg g- -V Vthth代入代入(3)(3)式可得：式可得：)(22,VVCLWIthgisatd)(VVVthgd. .（4 4） 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理 電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院p-Si TFT的電特性的電特性

12、1. TFT1. TFT電特性測試裝置電特性測試裝置p-Sip-Si高摻雜高摻雜p-Sip-Si 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理 電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院2. p-Si TFF2. p-Si TFF器件典型的輸出和轉(zhuǎn)移特性曲線器件典型的輸出和轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性反映轉(zhuǎn)移特性反映TFT的開關(guān)的開關(guān)特性特性,VG對對ID的控制能力的控制能力.輸出特性反映輸出特性反映TFT的飽和行為的飽和行為.特性參數(shù)：遷移率、開關(guān)電流比、關(guān)態(tài)電流、閾值電壓、跨導(dǎo)特性參數(shù)：遷移率、開關(guān)電流比、關(guān)態(tài)電流、閾值電壓、跨導(dǎo) 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理 電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院3. p-Si TFF中的中的Kink

13、 效應(yīng)效應(yīng)機理機理: 高高VD （VDVDsat）時）時,夾斷區(qū)因強電場引起碰撞電夾斷區(qū)因強電場引起碰撞電離所致離所致. 此時此時ID電流可表示為電流可表示為:為碰撞電離產(chǎn)生率為碰撞電離產(chǎn)生率,與電與電場相關(guān)場相關(guān),類似于類似于pn結(jié)的雪結(jié)的雪崩擊穿崩擊穿. 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理 電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院4. Gate-bias Stress Effect (柵偏壓應(yīng)力效應(yīng)）柵偏壓應(yīng)力效應(yīng)）負柵壓應(yīng)力負柵壓應(yīng)力正柵壓應(yīng)力正柵壓應(yīng)力現(xiàn)象現(xiàn)象1：閾值電壓漂移：閾值電壓漂移. 負柵壓應(yīng)力向正方向漂移負柵壓應(yīng)力向正方向漂移,正正柵壓應(yīng)力向負方向漂移柵壓應(yīng)力向負方向漂移.產(chǎn)生機理：可動離子漂

14、移產(chǎn)生機理：可動離子漂移. 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理 電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院負柵壓應(yīng)力負柵壓應(yīng)力正柵壓應(yīng)力正柵壓應(yīng)力現(xiàn)象現(xiàn)象2：亞閾值擺幅：亞閾值擺幅(S)增大增大. 機理：應(yīng)力過程弱機理：應(yīng)力過程弱Si-Si斷裂斷裂,誘導(dǎo)缺陷產(chǎn)生誘導(dǎo)缺陷產(chǎn)生. 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理 電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院5. p-Si TFF C-V特性特性下圖為不同溝長下圖為不同溝長TFT在應(yīng)力前后的在應(yīng)力前后的C-V特性特性自熱應(yīng)力自熱應(yīng)力BTS(bias temperature stress)：VG=VD=30 V, T=55 oC;應(yīng)力作用產(chǎn)生缺陷態(tài)，引起應(yīng)力作用產(chǎn)生缺陷態(tài)，引起C-V曲線漂

15、移曲線漂移. 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理 電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院6. p-Si TFF的改性技術(shù)的改性技術(shù)（1）非晶硅薄膜晶化技術(shù)）非晶硅薄膜晶化技術(shù)-更低的溫度、更大的晶粒更低的溫度、更大的晶粒,進一步提高載流子遷移率進一步提高載流子遷移率.（3）采用高）采用高k柵介質(zhì)柵介質(zhì)-降低閾值電壓和工作電壓降低閾值電壓和工作電壓.（2）除氫技術(shù)）除氫技術(shù)-改善穩(wěn)定性改善穩(wěn)定性.（4）基于玻璃或塑料基底的低溫工藝技術(shù)）基于玻璃或塑料基底的低溫工藝技術(shù)(107A-Si:HA-Si:H沉積沉積及摻雜及摻雜低溫低溫, ,玻璃玻璃塑料基底塑料基底低、有低、有光響應(yīng)光響應(yīng)p-Si p-Si TFTTFT

16、100300105107硅膜沉積、硅膜沉積、晶化、摻雜晶化、摻雜高遷移率高遷移率高溫高溫, ,有光響有光響應(yīng)應(yīng)小分小分子子TFTTFT0.110104106蒸鍍蒸鍍高于聚合高于聚合物物TFTTFT難大面積難大面積, ,有光響應(yīng)有光響應(yīng)聚合聚合物物TFTTFT0.011103105旋涂、打印旋涂、打印 低成本低成本, ,易易大面積大面積低低, ,不穩(wěn)定不穩(wěn)定, ,有光響應(yīng)有光響應(yīng)ZnO ZnO TFTTFT1100105108濺射、濺射、ALDALD高高, ,可見可見光透明光透明難大面積難大面積, ,不不穩(wěn)定穩(wěn)定注注:表中數(shù)據(jù)僅為典型值表中數(shù)據(jù)僅為典型值. 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理 電子與信

17、息學(xué)院電子與信息學(xué)院TFT的主要應(yīng)用的主要應(yīng)用1. LCD、OLED顯示有源驅(qū)動的關(guān)鍵器件顯示有源驅(qū)動的關(guān)鍵器件右圖為簡單的兩管組成的模擬右圖為簡單的兩管組成的模擬驅(qū)動方式，通過調(diào)制驅(qū)動管驅(qū)動方式，通過調(diào)制驅(qū)動管T2的柵極電流來控制流過的柵極電流來控制流過OLED的電流，從而達到調(diào)節(jié)的電流，從而達到調(diào)節(jié)發(fā)光亮度的目的。發(fā)光亮度的目的。T1管為尋管為尋址管。寫信號時，掃描線處于址管。寫信號時，掃描線處于低電位，低電位，T1導(dǎo)通態(tài)，數(shù)據(jù)信導(dǎo)通態(tài)，數(shù)據(jù)信號存到電容號存到電容C1上；顯示時，上；顯示時，掃描線處于高電位，掃描線處于高電位，T2受存受存儲電容儲電容C1上的電壓控制，使上的電壓控制，使OL

18、ED發(fā)光發(fā)光.OTFT-OLED單元單元 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理 電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理 電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院柔性基底上制備的柔性基底上制備的超高頻超高頻RFCPU芯片芯片主要性能指標：主要性能指標：工藝指標：工藝指標：2. 基于基于TFT的數(shù)字邏輯集成電路的數(shù)字邏輯集成電路RF頻率：頻率：915 MHz編碼調(diào)制方式：脈寬調(diào)制編碼調(diào)制方式：脈寬調(diào)制數(shù)據(jù)速率：數(shù)據(jù)速率：70.18 kbits/sCPU時鐘：時鐘：1.12 MHzROM: 4 kB, RAM: 512 B0.8 m多晶硅多晶硅TFT工藝工藝晶體管數(shù)目：晶體管數(shù)目：144k芯片面積：芯片面積：10.5*8.9 mm2 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理 電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院基于有機基于有機TFT的全打印的全打印7階環(huán)形振蕩器電路階環(huán)形振蕩器電路 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理 電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院全打印技術(shù)制備全打印技術(shù)制備n、p溝溝TFT 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理 電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院3. 敏感元件，如：敏感元件，如： 氣敏、光敏、氣敏、光敏、PH值測定值測定N2O氣體環(huán)境氣體環(huán)境N2O Gas Sensors原理圖原理圖溶液溶液PH值測定原理圖值測定原理圖Phototransistor結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理 電子與信息學(xué)