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1、第六章 薄膜晶体管（TFT）,主要内容,（1）TFT的发展历程,（2）TFT的种类、结构及工作原理,（3）p-si TFT的电特性,（4）p-si TFT的制备技术,（5）TFT的应用前景,TFT的发展历程,（1）1934年第一个TFT的发明专利问世-设想.,（2）TFT的真正开始-1962年，由Weimer第一次实现.特点：器件采用顶栅结构，半导体活性层为CdS薄膜.栅介质层为SiO,除栅介质层外都采用蒸镀技术.器件参数：跨导gm=25 mA/V,载流子迁移率150 cm2/vs,最大振荡频率为20 MHz.CdSe-迁移率达200 cm2/vs,TFT与MOSFET的发明同步，然而TFT发
2、展速度及应用远不及MOSFET?!,TFT的发展历程,（3）1962年，第一个MOSFET实验室实现.,（4）1973年，实现第一个CdSeTFT-LCD(6*6)显示屏.-TFT的迁移率20 cm2/vs,Ioff=100 nA.之后几年下降到1 nA.,（5）1975年，实现了基于非晶硅-TFT.随后实现驱动LCD显示.-迁移率1 cm2/vs,但空气（H2O,O2)中相对稳定.,（6）80年代,基于CdSe,非晶硅 TFT研究继续推进.另外，实现了基于多晶硅TFT，并通过工艺改进电子迁移率从50提升至400.-当时p-SiTFT制备需要高温沉积或高温退火.-a-Si TFT因低温、低成本
3、，成为LCD有源驱动的主流.,（7）90年代后，继续改进a-Si,p-Si TFT的性能，特别关注低温多晶硅TFT制备技术.-非晶硅固相晶化技术.有机TFT、氧化物TFT亦成为研究热点.-有机TFT具有柔性可弯曲、大面积等优势.,TFT发展过程中遭遇的关键技术问题？,低载流子迁移率,稳定性和可靠性,低温高性能半导体薄膜技术,低成本、大面积沉膜,挑战：在玻璃或塑料基底上生长出单晶半导体薄膜！,TFT的发展历程,TFT的种类,按采用半导体材料不同分为：,无机TFT,有机TFT,化合物:CdS-TFT,CdSe-TFT,氧化物:ZnO-TFT,硅基:非晶Si-TFT,多晶硅-TFT,基于小分子TFT
4、,基于高分子聚合物TFT,无/有机复合型TFT：采用无机纳米颗粒与聚合物共混制备半导体活性层,TFT的常用器件结构,双栅薄膜晶体管结构,薄膜晶体管的器件结构,TFT的工作原理,一、MOS晶体管工作原理回顾,当|VGS|VT|,导电沟道形成.此时当VDS存在时，则形成IDS.,对于恒定的VDS,VGS越大,则沟道中的可动载流子就越多,沟道电阻就越小,ID就越大.即栅电压控制漏电流.,对于恒定的VGS,当VDS增大时，沟道厚度从源极到漏极逐渐变薄,引起沟道电阻增加,导致IDS增加变缓.当VDSVDsat时,漏极被夹断,而后VDS增大，IDS达到饱和.,工作原理：与MOSFET相似,TFT也是通过栅
5、电压来调节沟道电阻，从而实现对漏极电流的有效控制.与MOSFET不同的是：MOSFET通常工作强反型状态,而TFT根据半导体活性层种类不同,工作状态有两种模式：对于a-Si TFT、OTFT、氧化物TFT通常工作于积累状态.对于p-Si TFT工作于强反型状态.,工作于积累状态下原理示意图,TFT的工作原理,TFT的I-V描述,在线性区,沟道区栅诱导电荷可表示为,在忽略扩散电流情况下，漏极电流由漂移电流形成，可表示为,.（1）,.（2）,(1)代入(2)，积分可得：,.（3）,当VdVg时,(3)式简化为,在饱和区(VdVg-Vth),将VdVg-Vth代入(3)式可得：,.（4）,p-Si
6、TFT的电特性,1.TFT电特性测试装置,p-Si,高掺杂p-Si,2.p-Si TFF器件典型的输出和转移特性曲线,转移特性反映TFT的开关特性,VG对ID的控制能力.,输出特性反映TFT的饱和行为.,特性参数：迁移率、开关电流比、关态电流、阈值电压、跨导,3.p-Si TFF中的Kink 效应,机理:高VD（VDVDsat）时,夹断区因强电场引起碰撞电离所致.此时ID电流可表示为:,为碰撞电离产生率,与电场相关,类似于pn结的雪崩击穿.,4.Gate-bias Stress Effect(栅偏压应力效应）,负栅压应力,正栅压应力,现象1：阈值电压漂移.负栅压应力向正方向漂移,正栅压应力向负
7、方向漂移.产生机理：可动离子漂移.,负栅压应力,正栅压应力,现象2：亚阈值摆幅(S)增大.机理：应力过程弱Si-Si断裂,诱导缺陷产生.,5.p-Si TFF C-V特性,下图为不同沟长TFT在应力前后的C-V特性,自热应力,BTS(bias temperature stress)：VG=VD=30 V,T=55 oC;,应力作用产生缺陷态，引起C-V曲线漂移.,6.p-Si TFF的改性技术,（1）非晶硅薄膜晶化技术-更低的温度、更大的晶粒,进一步提高载流子迁移率.,（3）采用高k栅介质-降低阈值电压和工作电压.,（2）除氢技术-改善稳定性.,（4）基于玻璃或塑料基底的低温工艺技术(350
8、oC).,p-Si TFT制备工艺流程,1、简单的底栅顶结构型,Intrinsic p-Si,S/D contacts,硅片氧化,光刻栅电极,多晶硅生长及金属化,刻蚀背面氧化层,光刻形成源漏接触,栅氧化,2、完整的底栅顶接触型结构,本征p-Si,n+p-Si,S/D contacts,硅片氧化,光刻栅电极,栅氧化,多晶硅生长及金属化,刻蚀金属形成源漏接触,刻蚀晶体管分离,刻蚀S/D之外的n+P-Si,(a),(b),(c),在基底上依次沉积过渡层、a-Si膜,a-Si晶化,光刻隔离区,沉积栅介质层,实现器件隔离,栅重叠区轻掺杂,以减小泄漏电流,3、自对准顶栅结构p-Si TFTs工艺流程,:P
9、oly-Si,:栅介质,:n-掺杂区,(d),(e),:p+doped,:S/D Metal,:Gate Metal,GOLDD:Gate-overlapped lightly doped drain,For Drive TFT:high reliability and high on-current;For Pixel TFT:low leakage current.,沉积金属膜,确定栅极,源、漏区高掺杂并实现杂质激活,:n+doped,沉积隔离层,光刻源、漏接触孔,沉积金属层,光刻形成源漏电极,:隔离介质层,p-Si TFT制备中的关键工艺技术,1、LTPS TFT LCDs 技术水平,2
10、002年,2005年,2009年,（320240）,（640480）,（刷新频率）,（1024768）,（5060）,（60120）,2002年,2005年,2009年,TEOS:正硅酸乙酯,2、p-Si 薄膜制备技术,a-Si thin film,p-Si thin film,晶化,（1）p-Si 薄膜制备方法-低压化学汽相沉积（LPCVD）,方法2：,方法1：直接沉积p-Si thin film,早期CVDpolyMixtureAmporphousLPCVD poly MixtureAmporphous,（2）Si 薄膜制备方法比较,射频溅射(RF:Radio-Frequency Sput
11、tering)射频指无线电波发射范围的频率，为了避免干扰电台工作，溅射专用频率规定为13.56MHz。原理：用射频电源代替直流电源，在交变电场作用下，气体中的电子随之发生振荡，并电离为等离子体。电路：基片电极、机壳接地阳极靶材接射频电源阴极(负电位)特点：可用于溅射介质材料，也可溅射导电材料。但，电源贵，人身要防护。,特点：1.单晶硅作为靶材.2.与基片粘附力强、成膜牢固.3.成膜厚度容易控制.3.不受材料熔点限制.4.成膜面积相对较大.5.基底温度相对低.6.薄膜大都为非晶相.,低压化学气相沉积(LPCVD:Low-Pressure CVD),特点：压力低，只需10Pa 沉积速度较低：0.0
12、10.1um/min。均匀性好。,可用于介质、半导体的沉积。,SiH4+H2,N2,等离子增强化学气相沉积(PECVD:Plasma Enhanced CVD),直流辉光放电射频放电脉冲放电微波放电等,特点：沉积温度较低,加放电电源，使气体离化等离子体,SiH4+H2,N2,（3）a-Si薄膜晶化方法比较,晶化方法与对应的TFT迁移率的关系,SPC:Solid-Phase Crystallization,MILC:Metal-induced Lateral Crystallization,ELA:Excimer Laser Crystallization,横向激光晶化示意图,对于不同晶化方法在
13、不同晶化温度和时间下制备TFT的迁移率（数据值）.,迁移率与晶粒大小关系.,（4）p-Si TFT制备中的掺杂及杂质激活,掺杂工艺,离子注入,汽相沉积（CVD）,杂质源:P+,As+,B+等,杂质源:POCl3,PH3,B2H6,杂质激活方法,热退火,快速热退火,激光退火,固相扩散,（TFT制备中基本不采用）,（TFT制备中基本不采用）,（TFT制备中采用）,（TFT制备中采用）,与VLSI掺杂技术相比，p-Si掺杂特点：,(a)、衬底的低热导率要求“温和”的掺杂工艺以缓解对光阻的热损伤；(b)、注入能量适合于有掩蔽层（或掩蔽层）时薄膜（100 nm)的掺杂；(c)、设备简单（低成本），且能对
14、大面积基底实现高产率；(d)、掺杂工艺与低温杂质激活工艺兼容（通常650 oC,对于塑料基底200 oC）.,TFT器件典型性能参数及特点比较,注:表中数据仅为典型值.,TFT的主要应用,1.LCD、OLED显示有源驱动的关键器件,右图为简单的两管组成的模拟驱动方式，通过调制驱动管T2的栅极电流来控制流过OLED的电流，从而达到调节发光亮度的目的。T1管为寻址管。写信号时，扫描线处于低电位，T1导通态，数据信号存到电容C1上；显示时，扫描线处于高电位，T2受存储电容C1上的电压控制，使OLED发光.,OTFT-OLED单元,柔性基底上制备的超高频RFCPU芯片,主要性能指标：,工艺指标：,2.
15、基于TFT的数字逻辑集成电路,RF频率：915 MHz编码调制方式：脉宽调制数据速率：70.18 kbits/sCPU时钟：1.12 MHzROM:4 kB,RAM:512 B,0.8 m多晶硅TFT工艺晶体管数目：144k芯片面积：10.5*8.9 mm2,基于有机TFT的全打印7阶环形振荡器电路,全打印技术制备n、p沟TFT,3.敏感元件，如：气敏、光敏、PH值测定,N2O气体环境,N2O Gas Sensors原理图,溶液PH值测定原理图,Phototransistor结构图,思 考 题,1.了解薄膜晶体管基本结构、工作原理.2.掌握薄膜晶体管电性能的测试及参数提取.3.了解p-Si TFT的主要效应及机理.4.掌握p-Si TFT制备工艺流程.5.了解非晶硅薄膜晶化的方法及特点.6.了解不同类型薄膜晶体管性能和工艺上优势和不足.7.了解薄膜晶体管的主要应用.,祝大家工作顺利，身体健康！,
