1、 半導體器件物理半導體器件物理 電子與信息學院電子與信息學院第六章第六章 薄膜晶體管（薄膜晶體管（TFT） 半導體器件物理半導體器件物理 電子與信息學院電子與信息學院主要內容主要內容（1 1）TFTTFT的發展歷程的發展歷程（2 2）TFTTFT的種類、結構及工作原理的種類、結構及工作原理（3 3）p-si TFTp-si TFT的電特性的電特性（4 4）p-si TFTp-si TFT的制備技術的制備技術（5 5）TFTTFT的應用前景的應用前景 半導體器件物理半導體器件物理 電子與信息學院電子與信息學院TFT的發展歷程的發展歷程（1 1）19341934年第一個年第一個TFTTFT的發明專

2、利問世的發明專利問世-設想設想. .（2 2）TFTTFT的真正開始的真正開始-1962-1962年，由年，由WeimerWeimer第一次實現第一次實現. . 特點：器件采用頂柵結構，半導體活性層為特點：器件采用頂柵結構，半導體活性層為CdSCdS薄膜薄膜. .柵柵介質層為介質層為SiO,SiO,除柵介質層外都采用蒸鍍技術除柵介質層外都采用蒸鍍技術. . 器件參數：跨導器件參數：跨導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的發明同步，然而的發明同步，然而TFTTFT發展速度及應用遠不及發展速度及應用遠不及MOSFET?!MOSFET?! 半導體器件物理半導體器件物理 電子與信息學院電子與信息學院TFT的發展歷程的發展歷程（3 3）19621962年，第一個年，第一個MOSFETMOSFET實實驗室實現驗室實現. .（4 4）19731973年，實現第一個年，實現第一個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，實現了基于非晶硅年，實現了基于非晶硅-TFT.-TFT.隨后實現驅動隨后實現驅動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) )中相對穩定中相對穩定. .（6 6）8080年代年代, ,基于基于CdSe,CdSe,非晶硅非晶硅 TFTTFT研究繼續推進研究繼續推進. .另外，實現另外，實現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有源驅動的主流有源驅動的主流. . 半導體器件物理半導體器件物理 電子與信息學院電子與信息學院（7 7）9090年代后，繼續改進年代后，繼續改進a-Si,p-Si TFTa-Si,p-Si TFT的性能，特別關注低溫的性能，特別關注低溫多晶硅多晶硅TFTTFT制備技術制備技術.-.-非晶硅固相晶化技術非晶硅固相晶化技術. .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、大面積等優勢具有柔性可彎曲、大面積等優勢. .TFTTFT發展過程中遭遇發展過程中遭遇的關鍵技術問題？的關鍵技術問題？低載流子低載流子遷移率遷移率穩定性和穩定性和可靠性可靠性低溫高性能半低溫高性能半導體薄膜技術導體薄膜技術低成本、大面低成本、大面積沉膜積沉膜挑戰挑戰：在玻璃或塑料基底上生長出單晶半導體薄膜在玻璃或塑料基底上生長出單晶半導體薄膜！TFT的發展歷程的發展歷程 半導體器件物理半導體器件物理 電子與信息學院電子與信息學院TFT的種類的種類按采用半導體材料不同分為：按采用半導體材料不同分為：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/ /有機復合型有機復合型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體活性層制備半導體活性層 半導體器件物理半導體器件物理 電子與信息學院電子與信息學院TFT的常用器件結構的常用器件結構雙柵雙柵薄膜晶體管薄膜晶體管結構結構薄膜晶體管的器件結構薄膜晶體管的器件結構 半導體器件物理半導體器件物理

8、電子與信息學院電子與信息學院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|,|,導電溝道形成導電溝道形成. .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, ,導致導致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. . 半導體器件物理半導體器件物理 電子與信息學院電子與信息學院工作原理：與工作原理：與MOSFETMOSFET相似相似,TFT,TFT也是通過柵電壓來調節溝道電也是通過柵電壓來調節溝道電阻，從而實現對漏極電流的有效控制阻，從而實現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通

10、常工作強反型狀態, ,而而TFTTFT根據根據半導體活性層種類不同半導體活性層種類不同, ,工作狀態有兩種模式：工作狀態有兩種模式：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通常工作于積累狀態. . 對于對于p-Si TFTp-Si TFT工作于強反型狀態工作于強反型狀態. .工作于積累狀態下原理示意圖工作于積累狀態下原理示意圖TFT的工作原理的工作原理 半導體器件物理半導體器件物理 電子與信息學院電子與信息學院TFT的的I-V描述描述在線性區在線性區, ,溝道區柵誘導電荷可表示為溝道區柵誘導電荷可表示為)(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） 半導體器件物理半導體器件物理 電子與信息學院電子與信息學院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 半導體器件物理半導體器件物理 電子與信息學院電子與信息學院2. p-Si TFF2. p-Si TFF器件典型的輸出和轉移特性曲線器件典型的輸出和轉移特性曲線轉移特性反映轉移特性反映TFT的開關的開關特性特性,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：遷移率、開關電流比、關態電流、閾值電壓、跨導特性參數：遷移率、開關電流比、關態電流、閾值電壓、跨導 半導體器件物理半導體器件物理 電子與信息學院電子與信息學院3. p-Si TFF中的中的Kink

13、 效應效應機理機理: 高高VD （VDVDsat）時）時,夾斷區因強電場引起碰撞電夾斷區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:為碰撞電離產生率為碰撞電離產生率,與電與電場相關場相關,類似于類似于pn結的雪結的雪崩擊穿崩擊穿. 半導體器件物理半導體器件物理 電子與信息學院電子與信息學院4. Gate-bias Stress Effect (柵偏壓應力效應）柵偏壓應力效應）負柵壓應力負柵壓應力正柵壓應力正柵壓應力現象現象1：閾值電壓漂移：閾值電壓漂移. 負柵壓應力向正方向漂移負柵壓應力向正方向漂移,正正柵壓應力向負方向漂移柵壓應力向負方向漂移.產生機理：可動離子漂

14、移產生機理：可動離子漂移. 半導體器件物理半導體器件物理 電子與信息學院電子與信息學院負柵壓應力負柵壓應力正柵壓應力正柵壓應力現象現象2：亞閾值擺幅：亞閾值擺幅(S)增大增大. 機理：應力過程弱機理：應力過程弱Si-Si斷裂斷裂,誘導缺陷產生誘導缺陷產生. 半導體器件物理半導體器件物理 電子與信息學院電子與信息學院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在應力前后的在應力前后的C-V特性特性自熱應力自熱應力BTS(bias temperature stress)：VG=VD=30 V, T=55 oC;應力作用產生缺陷態，引起應力作用產生缺陷態，引起C-V曲線漂

15、移曲線漂移. 半導體器件物理半導體器件物理 電子與信息學院電子與信息學院6. p-Si TFF的改性技術的改性技術（1）非晶硅薄膜晶化技術）非晶硅薄膜晶化技術-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柵介質柵介質-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）除氫技術-改善穩定性改善穩定性.（4）基于玻璃或塑料基底的低溫工藝技術）基于玻璃或塑料基底的低溫工藝技術(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、有光響應光響應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, ,有光響有光響應應小分小分子子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, ,有光響應有光響應聚合聚合物物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, ,不穩定不穩定, ,有光響應有光響應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, ,不不穩定穩定注注:表中數據僅為典型值表中數據僅為典型值. 半導體器件物理半導體器件物理 電子與信

17、息學院電子與信息學院TFT的主要應用的主要應用1. LCD、OLED顯示有源驅動的關鍵器件顯示有源驅動的關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動方式，通過調制驅動管驅動方式，通過調制驅動管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，從而達到調節的電流，從而達到調節發光亮度的目的。發光亮度的目的。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導通態，數據信導通態，數據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發光發光.OTFT-OLED單元單元 半導體器件物理半導體器件物理 電子與信息學院電子與信息學院 半導體器件物理半導體器件物理 電子與信息學院電子與信息學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的數字邏輯集成電路的數字邏輯集成電路RF頻率：頻率：915 MHz編碼調制方式：脈寬調制編碼調制方式：脈寬調制數據速率：數據速率：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工藝工藝晶體管數目：晶體管數目：144k芯片面積：芯片面積：10.5*8.9 mm2 半導體器件物理半導體器件物理 電子與信息學院電子與信息學院基于有機基于有機TFT的全打印的全打印7階環形振蕩器電路階環形振蕩器電路 半導體器件物理半導體器件物理 電子與信息學院電子與信息學院全打印技術制備全打印技術制備n、p溝溝TFT 半導體器件物理半導體器件物理 電子與信息學院電子與信息學院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氣體環境氣體環境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結構圖結構圖 半導體器件物理半導體器件物理 電子與信息學