第五章5TFT及其制造技術(shù)

1、薄膜晶體管（薄膜晶體管（TFT）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(lèi)、結(jié)構(gòu)及工作原理的種類(lèi)、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TFT的發(fā)展歷程的發(fā)展歷程（1 1）19341934年第一個(gè)年第一個(gè)TFTTFT的發(fā)明專(zhuān)利問(wèn)世的發(fā)明專(zhuān)利問(wèn)世-設(shè)想設(shè)想. .（2 2）TFTTFT的真正開(kāi)始的真正開(kāi)始-1962-1962年，由年，由WeimerWeimer第一次實(shí)現(xiàn)第一次實(shí)現(xiàn). . 特點(diǎn)：器件采用頂柵結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體活

2、性層為特點(diǎn)：器件采用頂柵結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體活性層為CdSeCdSe薄膜薄膜. .柵介質(zhì)層為柵介質(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(dá)遷移率達(dá)200 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(yuǎn)不及發(fā)展速度及應(yīng)用遠(yuǎn)不及MOSFET?!MOSFE

3、T?!TFT的發(fā)展歷程的發(fā)展歷程（3 3）19621962年，第一個(gè)年，第一個(gè)MOSFETMOSFET實(shí)實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn). .（4 4）19731973年，實(shí)現(xiàn)第一個(gè)年，實(shí)現(xiàn)第一個(gè)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,Ioffoff=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(shí)現(xiàn)了基于非晶硅年，實(shí)現(xiàn)了基于非晶硅-TFT.-TFT.隨后實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)隨后實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)LCDLCD顯示顯示. .-遷移率遷移率1 cm1 cm

4、2 2/vs,/vs,但空氣（但空氣（H H2 2O,OO,O2 2) )中相對(duì)穩(wěn)定中相對(duì)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(jìn)研究繼續(xù)推進(jìn). .另外，實(shí)現(xiàn)另外，實(shí)現(xiàn)了基于多晶硅了基于多晶硅TFTTFT，并通過(guò)工藝改進(jìn)電子遷移率從，并通過(guò)工藝改進(jìn)電子遷移率從5050提升至提升至400.400.-當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)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L(zhǎng)CDLCD有源驅(qū)動(dòng)的主流有源驅(qū)動(dòng)的主流. .（7 7）9090

5、年代后，繼續(xù)改進(jìn)年代后，繼續(xù)改進(jìn)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(jī)有機(jī)TFTTFT、氧化物、氧化物TFTTFT亦成為研究熱點(diǎn)亦成為研究熱點(diǎn).-.-有機(jī)有機(jī)TFTTFT具有柔性可彎曲、大面積等優(yōu)勢(shì)具有柔性可彎曲、大面積等優(yōu)勢(shì). .TFTTFT發(fā)展過(guò)程中遭遇發(fā)展過(guò)程中遭遇的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題？的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)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)

6、：在玻璃或塑料基底上生長(zhǎng)出單晶半導(dǎo)體薄膜在玻璃或塑料基底上生長(zhǎng)出單晶半導(dǎo)體薄膜！TFT的發(fā)展歷程的發(fā)展歷程TFT的種類(lèi)的種類(lèi)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(wú)機(jī)無(wú)機(jī)TFTTFT有機(jī)有機(jī)TFTTFT化合物化合物: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(wú)無(wú)/ /有機(jī)復(fù)合型有機(jī)復(fù)合型TFTTFT：采用無(wú)機(jī)納米顆粒與聚合物共混：采用無(wú)機(jī)納米顆粒與聚合物共混制備

7、半導(dǎo)體活性層制備半導(dǎo)體活性層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)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(dāng)當(dāng)| |V VGSGS|V VT T|,|,導(dǎo)電溝道形成導(dǎo)電溝道形成. .此時(shí)當(dāng)此時(shí)當(dāng)V VDSDS存在時(shí)，則形成存在時(shí)，則形成I IDSDS. .對(duì)于恒定的對(duì)于恒定的V VDS,DS,V VGSGS越大越大, ,則溝則溝道中的可動(dòng)載流子就越多道中的可動(dòng)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. .

8、對(duì)于恒定的對(duì)于恒定的V VGSGS, ,當(dāng)當(dāng)V VDSDS增大時(shí)，溝道厚度從源極到漏極逐漸變薄增大時(shí)，溝道厚度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(dāng)當(dāng)V VDSDSV VDsatDsat時(shí)時(shí), ,漏極被夾漏極被夾斷斷, ,而后而后V VDSDS增大，增大，I IDSDS達(dá)到飽和達(dá)到飽和. .工作原理：與工作原理：與MOSFETMOSFET相似相似,TFT,TFT也是通過(guò)柵電壓來(lái)調(diào)節(jié)溝道電也是通過(guò)柵電壓來(lái)調(diào)節(jié)溝道電阻，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)漏極電流的有效控制阻，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)漏極電流的有效控制. .與與MOSFETMOSFET不同的是：不同

9、的是：MOSFETMOSFET通常工作強(qiáng)反型狀態(tài)通常工作強(qiáng)反型狀態(tài), ,而而TFTTFT根據(jù)根據(jù)半導(dǎo)體活性層種類(lèi)不同半導(dǎo)體活性層種類(lèi)不同, ,工作狀態(tài)有兩種模式：工作狀態(tài)有兩種模式：對(duì)于對(duì)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(duì)于對(duì)于p-Si TFTp-Si TFT工作于強(qiáng)反型狀態(tài)工作于強(qiáng)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在忽略擴(kuò)散電流

10、情況下，漏極電流由漂移電流形成，可表示為在忽略擴(kuò)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(dāng)當(dāng)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）p-Si TFT的電特性的電特性1. TFT1. TFT電特性測(cè)試裝置電特性測(cè)試裝置p-Sip-Si高

11、摻雜高摻雜p-Sip-Si2. 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(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)特性特性,VG對(duì)對(duì)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(kāi)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(kāi)關(guān)電流比、關(guān)態(tài)電流、閾值電壓、跨導(dǎo)3. p-Si TFF中的中的Kink 效應(yīng)效應(yīng)機(jī)理機(jī)理: 高高VD （VDVDsat）時(shí)）時(shí),夾斷區(qū)因強(qiáng)電場(chǎng)引起碰撞電夾斷區(qū)因強(qiáng)電場(chǎng)引起碰撞電離所致離所致. 此時(shí)此時(shí)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

12、率,與電與電場(chǎng)相關(guān)場(chǎng)相關(guān),類(lèi)似于類(lèi)似于pn結(jié)的雪結(jié)的雪崩擊穿崩擊穿.4. Gate-bias Stress Effect (柵偏壓應(yīng)力效應(yīng)）柵偏壓應(yīng)力效應(yīng)）負(fù)柵壓應(yīng)力負(fù)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(fù)柵壓應(yīng)力向正方向漂移負(fù)柵壓應(yīng)力向正方向漂移,正正柵壓應(yīng)力向負(fù)方向漂移柵壓應(yīng)力向負(fù)方向漂移.產(chǎn)生機(jī)理：可動(dòng)離子漂移產(chǎn)生機(jī)理：可動(dòng)離子漂移.負(fù)柵壓應(yīng)力負(fù)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(jī)理：應(yīng)力過(guò)程弱機(jī)理：應(yīng)力過(guò)程弱Si-Si斷裂斷裂,誘導(dǎo)缺陷產(chǎn)生誘導(dǎo)缺陷產(chǎn)生.5. p-Si TFF C-V特性特性下圖為不同溝長(zhǎng)下

13、圖為不同溝長(zhǎng)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曲線漂移曲線漂移.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(jìn)一步提高載流子遷移率進(jìn)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

14、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 TFTTFT100300105107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

15、射、濺射、ALDALD高高, ,可見(jiàn)可見(jiàn)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.TFT的主要應(yīng)用的主要應(yīng)用1. LCD、OLED顯示有源驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵器件顯示有源驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵器件右圖為簡(jiǎn)單的兩管組成的模擬右圖為簡(jiǎn)單的兩管組成的模擬驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)調(diào)制驅(qū)動(dòng)管驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)調(diào)制驅(qū)動(dòng)管T2的柵極電流來(lái)控制流過(guò)的柵極電流來(lái)控制流過(guò)OLED的電流，從而達(dá)到調(diào)節(jié)的電流，從而達(dá)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(xiě)信號(hào)時(shí)，掃描線處于址管。寫(xiě)信號(hào)時(shí)，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(hào)存到電容號(hào)存到電容C1上；顯示時(shí)，上；顯示時(shí)，掃描線處于高電位，掃描線處于高電位，T2受存受存儲(chǔ)電容儲(chǔ)電容C1上的電壓控制，使上的電壓控制，使OLED發(fā)光發(fā)光.OTFT-OLED單元單元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(biāo)：主要性能指標(biāo)：工藝指標(biāo)：工藝指標(biāo)：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(shí)鐘：時(shí)鐘：1.12