半导体器件物理_6孟庆巨

1、第六章第六章 薄膜晶体管（薄膜晶体管（TFT）主要内容主要内容（1 1）TFTTFT的发展历程的发展历程（2 2）TFTTFT的种类、结构及工作原理的种类、结构及工作原理（3 3）p-si TFTp-si TFT的电特性的电特性（4 4）p-si TFTp-si TFT的制备技术的制备技术（5 5）TFTTFT的应用前景的应用前景TFT的发展历程的发展历程（1 1）19341934年第一个年第一个TFTTFT的发明专利问世的发明专利问世-设想设想. .（2 2）TFTTFT的真正开始的真正开始-1962-1962年，由年，由WeimerWeimer第一次实现第一次实现. . 特点：器件采用顶栅

2、结构，半导体活性层为特点：器件采用顶栅结构，半导体活性层为CdSCdS薄膜薄膜. .栅栅介质层为介质层为SiO,SiO,除栅介质层外都采用蒸镀技术除栅介质层外都采用蒸镀技术. . 器件参数：跨导器件参数：跨导g gm m=25 mA/V,=25 mA/V,载流子迁移率载流子迁移率150 cm150 cm2 2/vs,/vs,最最大振荡频率为大振荡频率为20 MHz.20 MHz.CdSe-CdSe-迁移率达迁移率达200 cm200 cm2 2/vs/vsTFTTFT与与MOSFETMOSFET的发明同步，然而的发明同步，然而TFTTFT发展速度及应用远不及发展速度及应用远不及MOSFET?!

3、MOSFET?!TFT的发展历程的发展历程（3 3）19621962年，第一个年，第一个MOSFETMOSFET实实验室实现验室实现. .（4 4）19731973年，实现第一个年，实现第一个CdSeCdSeTFT-LCD(6TFT-LCD(6* *6)6)显示屏显示屏.-TFT.-TFT的的迁移率迁移率20 cm20 cm2 2/vs,I/vs,Ioffoff=100 nA.=100 nA.之之后几年下降到后几年下降到1 nA.1 nA.（5 5）19751975年，实现了基于非晶硅年，实现了基于非晶硅-TFT.-TFT.随后实现驱动随后实现驱动LCDLCD显示显示. .-迁移率迁移率1 c

4、m1 cm2 2/vs,/vs,但空气（但空气（H H2 2O,OO,O2 2) )中相对稳定中相对稳定. .（6 6）8080年代年代, ,基于基于CdSe,CdSe,非晶硅非晶硅 TFTTFT研究继续推进研究继续推进. .另外，实现另外，实现了基于多晶硅了基于多晶硅TFTTFT，并通过工艺改进电子迁移率从，并通过工艺改进电子迁移率从5050提升至提升至400.400.-当时当时p-SiTFTp-SiTFT制备需要高温沉积或高温退火制备需要高温沉积或高温退火. .-a-Si TFT-a-Si TFT因低温、低成本，成为因低温、低成本，成为LCDLCD有源驱动的主流有源驱动的主流. .（7 7

5、）9090年代后，继续改进年代后，继续改进a-Si,p-Si TFTa-Si,p-Si TFT的性能，特别关注低温的性能，特别关注低温多晶硅多晶硅TFTTFT制备技术制备技术.-.-非晶硅固相晶化技术非晶硅固相晶化技术. .有机有机TFTTFT、氧化物、氧化物TFTTFT亦成为研究热点亦成为研究热点.-.-有机有机TFTTFT具有柔性可弯曲、大面积等优势具有柔性可弯曲、大面积等优势. .TFTTFT发展过程中遭遇发展过程中遭遇的关键技术问题？的关键技术问题？低载流子低载流子迁移率迁移率稳定性和稳定性和可靠性可靠性低温高性能半低温高性能半导体薄膜技术导体薄膜技术低成本、大面低成本、大面积沉膜积沉

6、膜挑战挑战：在玻璃或塑料基底上生长出单晶半导体薄膜在玻璃或塑料基底上生长出单晶半导体薄膜！TFT的发展历程的发展历程TFT的种类的种类按采用半导体材料不同分为：按采用半导体材料不同分为：无机无机TFTTFT有机有机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无无/ /有机复合型有机复合型TFTTFT：采用无机纳米颗粒与聚合物共混：采用无机纳米颗粒与聚合

7、物共混制备半导体活性层制备半导体活性层TFT的常用器件结构的常用器件结构双栅双栅薄膜晶体管薄膜晶体管结构结构薄膜晶体管的器件结构薄膜晶体管的器件结构TFT的工作原理的工作原理一、一、MOSMOS晶体管工作原理回顾晶体管工作原理回顾当当| |V VGSGS|V VT T|,|,导电沟道形成导电沟道形成. .此时当此时当V VDSDS存在时，则形成存在时，则形成I IDSDS. .对于恒定的对于恒定的V VDS,DS,V VGSGS越大越大, ,则沟则沟道中的可动载流子就越多道中的可动载流子就越多, ,沟道电阻就越小沟道电阻就越小, ,I ID D就越大就越大. .即栅电压控制漏电流即栅电压控制漏

8、电流. .对于恒定的对于恒定的V VGSGS, ,当当V VDSDS增大时，沟道厚度从源极到漏极逐渐变薄增大时，沟道厚度从源极到漏极逐渐变薄, ,引起沟道电阻增加引起沟道电阻增加, ,导致导致I IDSDS增加变缓增加变缓. .当当V VDSDSV VDsatDsat时时, ,漏极被夹漏极被夹断断, ,而后而后V VDSDS增大，增大，I IDSDS达到饱和达到饱和. .工作原理：与工作原理：与MOSFETMOSFET相似相似,TFT,TFT也是通过栅电压来调节沟道电也是通过栅电压来调节沟道电阻，从而实现对漏极电流的有效控制阻，从而实现对漏极电流的有效控制. .与与MOSFETMOSFET不同

9、的是：不同的是：MOSFETMOSFET通常工作强反型状态通常工作强反型状态, ,而而TFTTFT根据根据半导体活性层种类不同半导体活性层种类不同, ,工作状态有两种模式：工作状态有两种模式：对于对于a-Si TFTa-Si TFT、OTFTOTFT、氧化物、氧化物TFTTFT通常工作于积累状态通常工作于积累状态. . 对于对于p-Si TFTp-Si TFT工作于强反型状态工作于强反型状态. .工作于积累状态下原理示意图工作于积累状态下原理示意图TFT的工作原理的工作原理TFT的的I-V描述描述在线性区在线性区, ,沟道区栅诱导电荷可表示为沟道区栅诱导电荷可表示为)(VVVCQthgii在忽

10、略扩散电流情况下，漏极电流由漂移电流形成，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dydVQWEQWIiyid. .（1 1）. .（2 2）(1)(1)代入代入(2)(2)，积分可得：，积分可得：21)(2VVVVCLWIddthgid)(VVVthgd. .（3 3）当当V Vd d V Vg g- -V Vthth),),将将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的电特性的电特性1. TFT1. TFT电特性测试装置电特性测试装置p-Si

11、p-Si高掺杂高掺杂p-Sip-Si2. p-Si TFF2. p-Si TFF器件典型的输出和转移特性曲线器件典型的输出和转移特性曲线转移特性反映转移特性反映TFT的开关的开关特性特性,VG对对ID的控制能力的控制能力.输出特性反映输出特性反映TFT的饱和行为的饱和行为.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中的中的Kink 效应效应机理机理: 高高VD （VDVDsat）时）时,夹断区因强电场引起碰撞电夹断区因强电场引起碰撞电离所致离所致. 此时此时ID电流可表示为电流可表示为:为碰撞电离产生率为碰

12、撞电离产生率,与电与电场相关场相关,类似于类似于pn结的雪结的雪崩击穿崩击穿.4. Gate-bias Stress Effect (栅偏压应力效应）栅偏压应力效应）负栅压应力负栅压应力正栅压应力正栅压应力现象现象1：阈值电压漂移：阈值电压漂移. 负栅压应力向正方向漂移负栅压应力向正方向漂移,正正栅压应力向负方向漂移栅压应力向负方向漂移.产生机理：可动离子漂移产生机理：可动离子漂移.负栅压应力负栅压应力正栅压应力正栅压应力现象现象2：亚阈值摆幅：亚阈值摆幅(S)增大增大. 机理：应力过程弱机理：应力过程弱Si-Si断裂断裂,诱导缺陷产生诱导缺陷产生.5. p-Si TFF C-V特性特性下图为

13、不同沟长下图为不同沟长TFT在应力前后的在应力前后的C-V特性特性自热应力自热应力BTS(bias temperature stress)：VG=VD=30 V, T=55 oC;应力作用产生缺陷态，引起应力作用产生缺陷态，引起C-V曲线漂移曲线漂移.6. p-Si TFF的改性技术的改性技术（1）非晶硅薄膜晶化技术）非晶硅薄膜晶化技术-更低的温度、更大的晶粒更低的温度、更大的晶粒,进一步提高载流子迁移率进一步提高载流子迁移率.（3）采用高）采用高k栅介质栅介质-降低阈值电压和工作电压降低阈值电压和工作电压.（2）除氢技术）除氢技术-改善稳定性改善稳定性.（4）基于玻璃或塑料基底的低温工艺技术

14、）基于玻璃或塑料基底的低温工艺技术(107A-Si:HA-Si:H沉积沉积及掺杂及掺杂低温低温, ,玻璃玻璃塑料基底塑料基底低、有低、有光响应光响应p-Si p-Si TFTTFT100300105107硅膜沉积、硅膜沉积、晶化、掺杂晶化、掺杂高迁移率高迁移率高温高温, ,有光响有光响应应小分小分子子TFTTFT0.110104106蒸镀蒸镀高于聚合高于聚合物物TFTTFT难大面积难大面积, ,有光响应有光响应聚合聚合物物TFTTFT0.011103105旋涂、打印旋涂、打印 低成本低成本, ,易易大面积大面积低低, ,不稳定不稳定, ,有光响应有光响应ZnO ZnO TFTTFT110010

15、5108溅射、溅射、ALDALD高高, ,可见可见光透明光透明难大面积难大面积, ,不不稳定稳定注注:表中数据仅为典型值表中数据仅为典型值.TFT的主要应用的主要应用1. LCD、OLED显示有源驱动的关键器件显示有源驱动的关键器件右图为简单的两管组成的模拟右图为简单的两管组成的模拟驱动方式，通过调制驱动管驱动方式，通过调制驱动管T2的栅极电流来控制流过的栅极电流来控制流过OLED的电流，从而达到调节的电流，从而达到调节发光亮度的目的。发光亮度的目的。T1管为寻管为寻址管。写信号时，扫描线处于址管。写信号时，扫描线处于低电位，低电位，T1导通态，数据信导通态，数据信号存到电容号存到电容C1上；

16、显示时，上；显示时，扫描线处于高电位，扫描线处于高电位，T2受存受存储电容储电容C1上的电压控制，使上的电压控制，使OLED发光发光.OTFT-OLED单元单元柔性基底上制备的柔性基底上制备的超高频超高频RFCPU芯片芯片主要性能指标：主要性能指标：工艺指标：工艺指标：2. 基于基于TFT的数字逻辑集成电路的数字逻辑集成电路RF频率：频率：915 MHz编码调制方式：脉宽调制编码调制方式：脉宽调制数据速率：数据速率：70.18 kbits/sCPU时钟：时钟：1.12 MHzROM: 4 kB, RAM: 512 B0.8 m多晶硅多晶硅TFT工艺工艺晶体管数目：晶体管数目：144k芯片面积：芯片面积：10.5*8.9 mm2基于有机基于有机TFT的全打印的全打印7阶环形振荡器电路阶环形振荡器电路全打印技术制备全打印技术制备n、p沟沟TFT3. 敏感元件，如：敏感元件，如： 气敏、光敏、气敏、光敏、PH值测定值测定N2O气体环境气体环境N2O Gas Sensors原理图原理图溶液溶液PH值测定原理图值测定原理图Phototransistor结构图结构图思思 考考 题题1.1.了解薄膜晶体管基本结构、工作原理