《薄膜晶体管材料与技术》全套教学课件

薄膜晶体管材料与技术MaterialsandTechnologyforThin-FilmTransistors全套可编辑PPT课件第1章绪论.pptx第2章薄膜晶体管工作原理和相关功能材料.pptx第3章非晶硅薄膜晶体管.pptx第4章多晶硅薄膜晶体管.pptx第5章有机薄膜晶体管.pptx第6章氧化物薄膜晶体管.pptx第7章基于新型半导体的薄膜晶体管.pptx第8章薄膜晶体管在显示中的应用.pptx第9章薄膜晶体管的新应用及未来展望.pptx1绪论Introduction

1.1薄膜晶体管简介1绪论31.TFT的定义：TFT是一种由薄膜型半导体、金属和绝缘层组成的场效应器件。TFT通常含有栅极、栅绝缘层、半导体层、源极和漏极。2.TFT的优势：低成本，能够大面积制备3.主要应用范围：目前TFT在柔性显示、电子皮肤、仿生电子、触觉传感、健康监测传感、人工突触、三维集成电路等方面展现了广阔的应用前景（详见第9章），部分已经实现规模量产应用。TFT的主要应用范围1.2薄膜晶体管的历史脉络1绪论41925-1926：美国的里林菲德（Lilienfeld）提出静电场对导电固体中电流影响的基本概念（相关系列专利在1930—1933年公开）。1935：海尔（Heil）在专利中阐述了半导体的相关知识，其中包括p型半导体，提出了场效应晶体管器件的结构模型，宣称在实验中观察到“场效应”现象。1947：约翰·巴顿（JohnBardeen）和沃尔特·布拉顿（WalterBrattain）发明并制造出点接触型晶体管，这是世界上第一个晶体管。1948：威廉·肖克利（WilliamShockley）发明了双极结型晶体管（BJT）。1954：达西（Dacey）等人制造出第一个场效应晶体管——结型场效应晶体管（JFET）。1960：阿塔拉（Atalla）和江大原（DawanKahng）等发明了更为重要的金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）。1962：RCA实验室的韦默（Weimer）发明并制造出了真正意义上的TFT。1.2薄膜晶体管的历史脉络5晶体管及TFT的发展历史脉络1绪论1绪论61971：莱希纳（Lechner）等人建设性地提出了TFT在液晶显示中应用的可能。1973：布洛迪（Brody）等人首次用CdSe作有源层研制出6英寸*6英寸、每英寸20线的TFT液晶显示屏，开启了TFT实际应用的大门。1979：莱康博（LeComber）等人研究并开发了非晶硅（a-Si）TFT。1980：德国斯图加特大学的吕德尔（Lueder）教授在当年的信息显示协会（SID）年会上作报告，开启了非晶硅作有源层TFT应用于液晶显示的大门。1980：美国IBM公司的德普（Depp）等人报道的多晶硅（p-Si）TFT则很好地填补了a-SiTFT无法驱动高分辨率LCD的空白。1991：爱普生公司的利特尔（Little）等人通过对550℃时沉积的非晶硅在600℃下进行固相晶化（SPC），所制备的多晶硅TFT迁移率大于20cm2/(V·s)。1.2薄膜晶体管的历史脉络1.3薄膜晶体管技术面临的问题及发展趋势1绪论71.TFT的发展历程：探索性阶段：CdS-TFT是TFT发展之初提出的有源驱动方案，开启了研究TFT的大门。硅材料阶段：硅基TFT是当今较为成熟的TFT技术，目前广泛应用于LCD和AMOLED等显示器件的有源驱动。新材料阶段：主要包括有机TFT（OTFT）和氧化物TFT，还兴起了很多新型半导体材料及其TFT技术。2.各种TFT的问题：非晶硅TFT：迁移率低低温多晶硅TFT：大面积晶化困难、关态电流（Ioff）过高、均一性差氧化物TFT：迁移率比低温多晶硅TFT低；在光照下稳定性不足有机TFT：还处于研发阶段，未在显示领域实现应用整体来说，在新型显示领域，TFT的迁移率、稳定性是其最大的问题!薄膜晶体管材料与技术MaterialsandTechnologyforThin-FilmTransistors

2薄膜晶体管工作原理和相关功能材料2.1薄膜晶体管的工作原理和电学特性2薄膜晶体管工作原理和相关功能材料101.TFT的组成：TFT是一个三端有源器件，由栅极、栅绝缘层、有源层、源极（source，S）和漏极等组成。其中，栅绝缘层也叫栅介电层，有源层也叫半导体层或沟道层。2.TFT的工作原理：栅绝缘层设置在栅极与半导体层之间，利用施加于栅极的电压在栅绝缘层上形成电场来控制半导体层上的载流子数量，进而控制源极、漏极之间的电流。TFT的基本结构及工作原理示意图2.1.1薄膜晶体管的基本工作原理11当在栅极上施加一定的电压（VG）时，由于在栅绝缘层/半导体层之间的界面处发生能带弯曲，界面处的费米能级进入导带（n型半导体）或价带（p型半导体），就能在半导体层沟道区域感应出一定数量的电子（n沟道）或空穴（p沟道）载流子，如图2-2所示；在一定的源漏电压（VDS）下，这些感应出的载流子就能参与导电，形成漏极电流（IDS）。因此，通过调节VG的大小就能控制载流子的多少，从而控制IDS的大小。n沟道和p沟道TFT在不同栅压下的能带分布图2薄膜晶体管工作原理和相关功能材料2.1.2薄膜晶体管电学特性曲线122.1.2.1输出特性曲线（outputcharacteristic）在各种VG情况下，半导体层中的电流IDS的大小变化与VDS的变化关系曲线为TFT的输出特性曲线在VDS较小时（|VDS|＜|VG-VT|，VT为阈值电压），沟道的电导率（σ）可由下式表示：σ=nqμ

由于材料的迁移率是一定的，故由上式可知沟道的电导率是一个定值，因此IDS会随着VDS的大小变化产生线性的变化，我们称这个区域为线性区（linearregime）。当|VDS|＞|VG-VT|的时候，由于器件中靠近漏极一端的导电沟道被夹断，这时IDS不再随VDS的增大而增大，达到饱和状态，我们称这一区域为饱和区（saturationregime）。n沟道TFT的输出特性曲线2薄膜晶体管工作原理和相关功能材料2.1.2薄膜晶体管电学特性曲线13

2薄膜晶体管工作原理和相关功能材料2.1.2薄膜晶体管电学特性曲线14

沟道TFT线性区转移特性曲线2薄膜晶体管工作原理和相关功能材料2.1.2薄膜晶体管电学特性曲线15

沟道TFT饱和区转移特性曲线2薄膜晶体管工作原理和相关功能材料2.1.3薄膜晶体管的主要性能参数16

2薄膜晶体管工作原理和相关功能材料17

2.1.3薄膜晶体管的主要性能参数2薄膜晶体管工作原理和相关功能材料18

2.1.3薄膜晶体管的主要性能参数2薄膜晶体管工作原理和相关功能材料19

2.1.3薄膜晶体管的主要性能参数2薄膜晶体管工作原理和相关功能材料薄膜晶体管工作原理和相关功能材料202.1.3.4亚阈值陡度（subthresholdslope，SS）及玻尔兹曼极限玻尔兹曼极限：SS具有最低值为0.06V/dec的现象被称作“玻尔兹曼极限”。如果要突破玻尔兹曼极限，则需要Ci＜0（即负电容）的情况才能满足。目前，已经发现铁电材料在一定的条件下具有负电容特性，利用某些铁电材料作为栅绝缘层（负电容场效应晶体管）成功突破了玻尔兹曼极限（SS＜0.06V/dec）。此外，改变器件结构及工作方式（非场效应模式，如隧穿晶体管、肖特基势垒晶体管、纳机电继电器等）也能够突破玻尔兹曼极限。2.1.3薄膜晶体管的主要性能参数薄膜晶体管工作原理和相关功能材料212.1.4.1偏压稳定性（bias-stressstability）偏压稳定性是指施加持续的栅压下TFT性能（阈值电压）的变化，它包括正栅压应力（positive-bias-stress，PBS）和负栅压应力（negative-bias-stress，NBS）稳定性。PBS稳定性是指TFT器件长时间加载正栅压的稳定性。偏压不稳定性模型有两种：缺陷态产生和电荷捕获。缺陷态产生是指在偏置电压的长时间作用下，材料禁带中的缺陷态会明显增加，导致TFT器件更难开启。电荷捕获是指长时间加载在栅极上的偏置电压会使载流子被捕获在栅绝缘层或栅绝缘层/半导体层界面处，会对栅极电压起到一定屏蔽作用，即导致TFT器件的阈值电压发生变化。2.1.4薄膜晶体管的稳定性222.1.4.2光照热偏压稳定性（biasilluminationtemperaturestress）光照热偏压稳定性包括正偏压光照温度应力稳定性和负偏压光照温度稳定性。如下左图所示。在这些稳定性测试的时候，VG

一般选择开态（高电平）和关态（低电平）两种模式；同时VDS的选择也很关键，不同类型的TFT在线性区和饱和区的稳定性是不同的。2.1.4薄膜晶体管的稳定性2薄膜晶体管工作原理和相关功能材料232.1.4.3迟滞效应（hysteresiseffect）TFT在栅压正向扫描和反向扫描时得到两条不重合的转移特性曲线的现象称为迟滞效应，如下右图所示。在正扫和反扫得到的转移特性曲线中，相同IDS对应的VG差值称为迟滞电压，用来衡量迟滞效应的大小。迟滞效应可以分为顺时针迟滞和逆时针迟滞，顺时针迟滞是指回扫的转移特性曲线比正扫的更正，而逆时针迟滞是指回扫的转移特性曲线比正扫的更负。2.1.4薄膜晶体管的稳定性2薄膜晶体管工作原理和相关功能材料242.1.4.4环境稳定性TFT背沟道暴露在大气中时，大气中水氧会造成其性能不稳定。因此，为了防止外界环境中水氧对TFT的影响，一般需要在TFT器件上沉积钝化层或保护层。一般钝化层材料包括有机钝化层材料和无机钝化层材料。2.1.4薄膜晶体管的稳定性2薄膜晶体管工作原理和相关功能材料薄膜晶体管工作原理和相关功能材料252.2.1顶栅结构顶栅结构统称为交错结构（staggered），具有三大优势：①顶栅结构的半导体层直接生长在衬底上，可以使用单晶多晶工艺制备半导体层②可以减少光刻工序③顶栅的自对准方式可以最大程度地减少栅极和源漏电极直接的交叠，从而减小寄生电容。2.2.2底栅结构底栅结构统称为反交错结构（invertedstaggered）。底栅结构在实验室研究中比较方便，但这种方法有一些问题：①背沟道暴露，需要设置保护层；②栅极与源漏电极交叠面积比较大，从而导致较大的寄生电容，降低电路的反应速度。2.2薄膜晶体管的结构及分类比较262.2.3双栅及其他结构双栅器件结构的TFT可以通过额外的一个栅极更加有效地控制半导体内的载流子浓度，从而能提高器件的性能。2.2薄膜晶体管的结构及分类比较TFT的结构分类2薄膜晶体管工作原理和相关功能材料272.3.1薄膜晶体管的半导体材料分类比较在显示产业中应用的TFT半导体材料主要有四种：非晶硅（a-Si）、多晶硅（p-Si）、有机半导体（organicsemiconductor）和氧化物半导体（oxidesemiconductor）。2.3.1.1非晶硅非晶硅一般指氢化非晶硅（a-Si：H）。其具有薄膜均匀性好、制备工艺简单、制备成本相对较低的优点。2.3.1.2多晶硅具有迁移率高和稳定性好的特点，广泛应用于当前高分辨率LCD和AMOLED显示中2.3.1.3有机半导体①成膜技术多②有机材料的合成制备方法灵活、简单，可以针对性地调节TFT的性能③有机材料柔韧性好、与柔性衬底兼容2.3.1.4氧化物半导体①良好的电学性能②良好的光学透过性③良好的均一性④工艺温度低⑤容易量产⑥氧化物TFT的关态电流极低2.3薄膜晶体管的主要功能材料及分类2薄膜晶体管工作原理和相关功能材料28下表列出了基于以上四种不同半导体材料的TFT性能的对比：2.3薄膜晶体管的主要功能材料及分类参数a-Si:HLTPSOTFT氧化物TFT迁移率(cm2/Vs)0.1~110~400通常<101~50均匀性较好差较差好稳定性差好差较好工艺温度(°C)<300<600<150<350光刻次数4~65~11—4~7成本较低高低较低2薄膜晶体管工作原理和相关功能材料292.3.2薄膜晶体管的介电材料栅绝缘层对TFT器件的影响主要有以下几方面：①栅绝缘层的形貌、取向以及表面粗糙度对半导体薄膜形态、半导体晶粒的尺寸、分子排列以及电荷传导均有较大的影响②栅绝缘层或栅绝缘层/半导体层的界面缺陷会影响TFT的性能③栅绝缘层的介电常数与器件的工作电压有着密切的联系④栅绝缘层的漏电会影响TFT的关态电流2.3薄膜晶体管的主要功能材料及分类栅绝缘层中的缺陷种类示意图2薄膜晶体管工作原理和相关功能材料302.3.2.1绝缘层的性能参数通过制备金属-绝缘层-金属（MIM）结构可以测量绝缘层的电容-电压（C-V）和电容-频率（C-f）特性。C-V曲线可以获得绝缘层内部或界面的缺陷的性质2.3薄膜晶体管的主要功能材料及分类绝缘层的电容率-频率关系和泄漏电流密度-电场强度关系曲线2薄膜晶体管工作原理和相关功能材料31

2.3薄膜晶体管的主要功能材料及分类栅绝缘层制备方法Ci（nF/cm）εr介电强度（MV/cm）Si3N4溅射---6.2

Gd2O3离子束辅助沉积2807.4---Al2O3阳极氧化600-7009-11---Al2O3溅射798.48Ta2O5阳极氧化70234-5Ta2O5阳极氧化-------Ta2O5阳极氧化---24---Ta2O5电子束蒸发18021>1Ta2O5溅射66------BZT溅射---17.3---BZT旋涂71.9712.25---BZT旋涂~6512.5---TiO2溅射37341~3HfO2/Al2O3原子层沉积---

---NdTaON溅射11010---TaLaO溅射---9.95---2薄膜晶体管工作原理和相关功能材料322.3.2.2介电材料的分类（2）聚合物介电材料聚合物介电薄膜因为具有材料种类丰富、表面粗糙度低、表面能低、表面陷阱密度低、便于溶液加工、制备温度低以及与有机半导体及柔性衬底天然兼容等优点，在柔性印刷电子器件领域展现出广阔的应用前景。部分有机聚合物绝缘体材料的化学结构式如右图所示。2.3薄膜晶体管的主要功能材料及分类2薄膜晶体管工作原理和相关功能材料332.3.2.2介电材料的分类（2）聚合物介电材料聚合物介电材料的介电常数普遍不高，因此在制备性能优良的TFT器件时，需要重点考虑与之表面相匹配的半导体材料。下面介绍几种常见的聚合物介电材料。PMMA俗称有机玻璃，是迄今为止合成透明材料中质地最优，而价格又比较便宜的有机介电材料。PVP材料常温下比较稳定，为白色至浅橙色粉末。其相对介电常数为3.9～5。聚偏氟乙烯（PVDF）具有较高的介电常数（8.0～13.5）、良好的电绝缘性，能提高TFT的开关比和场效应迁移率。2.3薄膜晶体管的主要功能材料及分类2薄膜晶体管工作原理和相关功能材料342.3.2.2介电材料的分类（2）聚合物介电材料部分介电材料的电容率或相对介电常数列于右表。2.3薄膜晶体管的主要功能材料及分类绝缘层制备方法Ci（nF/cm）εrPTAA-FTcopolymer旋涂

2.1PVP旋涂

3.9~5.0CYEPL旋涂8.8512.0PI旋涂7.52.7~2.8P(VDF-TrFE-CFE)旋涂3308.0~13.5P(VDF-TrFE)旋涂~39.5

SU8旋涂2.93.9Chitosan/NR旋涂

19.0PVPy/NR旋涂

3.2PVA旋涂

7.8BCB/SiO2旋涂133.2PS旋涂4.52.0~3.0PVC旋涂10.2

PMA旋涂75.4PMMA旋涂4.462.5~4.5PTEE旋涂9.71.9PCA/PAPI旋涂1462薄膜晶体管工作原理和相关功能材料352.3.2.2介电材料的分类（3）无机/有机复合介电材料无机介电薄膜虽然介电常数高，但是薄膜粗糙且机械柔性差。有机聚合物虽然介电常数较低，但具有机械柔性好、平整度高等优点。以下是一些复合介电材料的合成方法：2.3薄膜晶体管的主要功能材料及分类油酸包裹的TiO2和端基为二乙基磷酸的聚苯乙烯（PS）的配体交换反应2薄膜晶体管工作原理和相关功能材料362.3.2.2介电材料的分类（3）无机/有机复合介电材料2.3薄膜晶体管的主要功能材料及分类纳米粒子表面引发聚合反应形成复合材料磷酸化合物修饰的BaTiO3和PVP的复合材料2薄膜晶体管工作原理和相关功能材料372.3.2.2介电材料的分类（3）无机/有机复合介电材料2.3薄膜晶体管的主要功能材料及分类无机/有机复合二氧化钛纳米复合材料的形成2薄膜晶体管工作原理和相关功能材料382.3.2.2介电材料的分类（4）固态电解质/离子凝胶固态电解质的主要材料包括氧化物类电解质（如氧化锂石榴石、氧化锡、氧化铋等）、硫化物类电解质（如硫化锂、硫化钠等）以及其他一些新型材料，如聚合物电解质、氧氯化锆锂等。这些材料具有高离子电导率和良好的化学稳定性。离子凝胶是一种具有离子导电性的固态混合物，通常是由有机聚合物和可电解为离子的盐类电解质材料混合而成，因其聚合物分子链互相连接或缠绕，形成空间网状结构，结构空隙中充满了作为分散介质的阴、阳离子，与传统凝胶的结构相似，因而称其为“离子凝胶”。2.3薄膜晶体管的主要功能材料及分类2薄膜晶体管工作原理和相关功能材料392.3.3薄膜晶体管的电极材料①从显示面板整体要素考虑，电极材料需要高电导（低传导电阻、低信号延迟）、高均匀性、高可靠性（长寿命）、高附着性（不易脱落）、应力匹配、易刻蚀（图形化）、低污染②从TFT性能要素考虑，电极材料需要低接触电阻（与半导体材料功函数匹配）、低扩散、沉积及刻蚀时不破坏半导体层2.3薄膜晶体管的主要功能材料及分类电极材料理想电阻率/μΩ∙cm实际电阻率/μΩ∙cm熔点/℃晶格结构Ag1.62.1961面心Cu1.72.31083面心Al2.73.1660面心Al-Nd---4-5660面心Mo5.411.52610体心Ti4286.51668六方

TFT产线常用的电极材料性能参数2薄膜晶体管工作原理和相关功能材料402.3.3薄膜晶体管的电极材料纯金属电极都会有各自的问题，使用合金化的方法可以部分解决。2.3薄膜晶体管的主要功能材料及分类不同电极TFT性能指标Cu/IGZOCu/Mo/IGZOCu-Cr合金/IGZO结合强度差优优界面扩散强弱弱粗糙度/nm1.13.11.9

背沟道蚀刻易难易电阻率/(μΩ∙cm)2.32.484.8

不同铜电极与氧化物半导体（IGZO）的接触性能2薄膜晶体管工作原理和相关功能材料薄膜晶体管材料与技术MaterialsandTechnologyforThin-FilmTransistors

3非晶硅薄膜晶体管非晶硅材料材料结构：3非晶硅薄膜晶体管43晶体结构：非晶硅的原子分布从总体上看是杂乱无章的。（长程无序）从某一个原子出发，在局部区域内（通常在几个原子间距内）的排列具有一定的规律性和周期性（短程有序）单晶硅和非晶硅的晶体结构单晶硅和非晶硅的能带结构能带结构：非晶硅在禁带内会存在大量的缺陷态或局域态（localizedstates）。包括导带底能级和价带顶能级附近的带尾态（bandtailstates）、费米能级附近的深能级态（deepstates）非晶硅材料材料结构：3非晶硅薄膜晶体管44非晶硅能带DOS缺陷态以费米能级为界划分为两种类型。在费米能级上半部分的缺陷态一般在没有电子填充时是电中性的，被电子填充时带负电，与受主的特性类似，被称为“类受主态”（acceptor-likestates）；在费米能级下半部分的缺陷态一般在没有电子填充时是带正电的，被电子填充时呈电中性，与施主的特性类似，被称为“类施主态”（donor-likestates）类受主态态密度:类施主态态密度：非晶硅材料氢钝化：非晶硅的悬挂键会在禁带中形成大量的缺陷态，使非晶硅的电学特性变差。氢钝化利用氢原子与非晶硅中的悬挂键结合，形成稳定的化学键。通常氢原子的掺入量为10%（原子分数）以下。氢原子掺入量超过14%时，会出现一个硅原子与两个氢原子结合，导致价键结构的a-Si:H不稳定的；氢原子的掺入量超过20%时，会出现氢集中析出并导致孔洞，导致材料无法使用。3非晶硅薄膜晶体管45氢原子修补缺陷态氢原子掺入量与硅原子平均能量的关系非晶硅材料3非晶硅薄膜晶体管46掺杂：非晶硅的掺杂一般采用原位掺杂的方法，即在非晶硅成膜时通入含有掺杂原子的气体（如磷烷、乙硼烷等），在成膜的同时也一并完成掺杂工艺。非晶硅样品中的掺杂效应以在非晶硅中掺磷原子为例：非晶硅中的磷可以处于四配位的施主态，也可以位于三配位的成键态，其中起施主作用的磷原子大约占总数的1/3非晶态半导体中存在着大量的缺陷态，引入施主杂质以后，其提供的电子会填充空的缺陷态能级使费米能级向导带底移动非晶硅材料输运机理：非晶硅中硅原子排列没有明显的长程有序性，导致电子在非晶硅中的移动较为困难非晶硅的无序结构，载流子在晶体中会频繁受到散射，使得电导率较低非晶硅的禁带中存在大量的缺陷态，因此电学特性与单晶硅也存在不同非晶硅的输运机理：变程跳跃和带尾态输运3非晶硅薄膜晶体管47变程跳跃和带尾态输运机理非晶硅材料带尾态跳跃：当温度继续升高，如在室温左右，在外加电场的作用下，电子从类施主带尾态跃迁到类受主带尾态，产生微小的电流3非晶硅薄膜晶体管48变程跳跃：极低温（接近0K）时，在外电场的作用下，非晶硅的费米能级以下的深能级态上的电子跃迁费米能级以上的深能级态上，产生微小的电流变程跳跃导电的物理机制两种可能的带尾态跳跃导电的物理机制非晶硅薄膜晶体管器件3非晶硅薄膜晶体管49器件结构：刻蚀阻挡型和背沟道刻蚀型的器件结构与背沟道刻蚀型结构相比，刻蚀阻挡型结构的有源层更薄，串联电阻更低，光吸收更弱，光泄漏电流更小非晶硅薄膜晶体管器件3非晶硅薄膜晶体管50电流特性：当在栅电极（gate）加载足够大的正电压时，在前沟道处会感生出高浓度电子的导电通道。当在栅电极上施加负电压，除了可能在前沟道形成导电通道外，还可能在背沟道处感生出导电通道。非晶硅器件转移特性曲线可以划分为三大部分，包括过阈值区域、亚阈值区域、关断区域非晶硅TFT器件导电路径非晶硅TFT转移曲线工作区域划分非晶硅薄膜晶体管器件3非晶硅薄膜晶体管51电流特性：输出特性曲线：在固定栅压的前提下探究电流与源漏电压关系转移特性曲线：在固定源漏极之间电压的条件下探究电流与栅压关系非晶硅TFT的典型输出特性曲线和转移特性曲线TFT各工作区间下电流模型非晶硅薄膜晶体管器件3非晶硅薄膜晶体管52噪声特性：标准化的噪声功率谱密度与漏极电流的变化关系低频噪声：在Si/SiO2界面及其附近几个纳米栅氧中的陷阱态会随机捕获和发射反型沟道中的载流子，引起载流子数目的涨落栅氧陷阱态捕获发射电荷后也会造成自身电荷的涨落，通过库仑散射引起载流子迁移率的涨落。因此，载流子数涨落和载流子迁移率涨落同时造成沟道电流的涨落，从而引起1/f噪声。漏极电流的噪声功率谱密度非晶硅薄膜晶体管器件3非晶硅薄膜晶体管53接触电阻：源漏电极与有源层之间的接触电阻则可通过传输线方法（TLM）提取，即在低的源漏电压下，用一系列沟道长度不同的TFT器件来提取。TLM方法TFT的总电阻：单位长度的沟道电阻：非晶硅薄膜晶体管器件稳定性3非晶硅薄膜晶体管54偏压稳定性：在电压应力作用下TFT的电学性能保持稳定的能力。当偏压应力较小时，缺陷态产生机制是影响稳定性的主要原因；当偏压应力较大时，电荷俘获机制是影响稳定性的主要原因。TFT电压偏置稳定性的测试方法和测试结果非晶硅薄膜晶体管器件稳定性3非晶硅薄膜晶体管55缺陷态产生：当在非晶硅TFT施加长时间的偏压应力时，非晶硅禁带中的缺陷态（特别是深能级态）会显著增加，从而导致TFT器件阈值电压增大。非晶硅TFT中缺陷态产生物理机制电荷俘获：在电场的作用下，载流子进入栅绝缘层中。当偏置电场撤除后，位于栅绝缘层中的载流子不能马上重新回到非晶硅中，从而导致非晶硅TFT器件的阈值电压发生漂移。1—价带隧穿；2—Fowler-Nordheim注入：3—缺陷辅助注入；4—导带固定能量隧穿；5—从导带至费米能级隧穿；6—费米能级上跳跃非晶硅TFT中电荷俘获机制非晶硅薄膜晶体管器件稳定性3非晶硅薄膜晶体管56热稳定性：当加载在非晶硅TFT栅极上的偏置电压大小和加载时间保持一定时，改变周围的环境温度，会发现随着温度的升高，阈值电压漂移的程度也不相同。在不同物理机制作用下非晶硅TFT阈值电压漂移量的温度依赖特性薄膜晶体管材料与技术MaterialsandTechnologyforThin-FilmTransistors

4多晶硅薄膜晶体管59多晶硅材料材料结构：晶体结构：存在大量的晶粒和晶粒间界。晶粒内部长程有序性，晶界内部则是高度的无序性。能带结构：缺陷态主要集中于晶界区域，晶粒内部几乎没有缺陷态的存在非晶硅的晶体结构非晶硅的能带结构4多晶硅薄膜晶体管60多晶硅材料晶化技术：将非晶硅转变为多晶硅的过程，这一转变通常通过诸多物理和化学方法实现，以提高硅材料的晶体质量和电学性能。包括直接制备法、热退火法、金属诱导晶化和准分子激光退火。其中准分子激光退火是TFT面板技术里面最成熟和常用的技术。随着激光能量密度增加非晶硅薄膜晶化过程激光束的能量密度会影响多晶硅的结晶情况，ELA能量密度（100%）才能获得最理想的大晶粒；降低ELA能量密度（90%）或提高ELA能量密度（105%）都将显著减小多晶硅的晶粒尺寸4多晶硅薄膜晶体管61多晶硅材料掺杂：在多晶硅TFT的制备过程中，沟道和源/漏区域需要进行掺杂处理。常见的掺杂方法包括热扩散和离子注入两种。热扩散：通过高温（超过900℃）加热使掺杂原子扩散进入待掺杂材料中，需要使用SiO2等耐高温材料作为掩模。离子注入：通过强电场加速待掺杂的离子，使其射入没有掩模保护的薄膜表面，从而在薄膜内形成特定的离子浓度分布，是一种低温掺杂技术热扩散和离子注入技术比较4多晶硅薄膜晶体管62多晶硅材料输运机理：当施主掺杂浓度较低时，晶粒内电离出的电子都被晶界内的缺陷态所俘获，导致在晶界处形成势垒，势垒高度随着掺杂浓度的增加而增加，电子迁移率与势垒高度成反比，因此电子迁移率随着掺杂浓度的增加而降低。随着掺杂浓度的增加，晶界处势垒高度呈现先增加后降低，载流子迁移率先降低后增加。轻微掺杂时多晶硅的能带图和电荷分布4多晶硅薄膜晶体管63多晶硅材料输运机理：中等掺杂时多晶硅的能带图和电荷分布重度掺杂时多晶硅的能带图和电荷分布当施主掺杂浓度增加到某一临界值时，晶粒电离出的电子数量恰好完全被晶界内的缺陷态所俘获，此时晶粒内的施主恰好全部电离而势垒的高度达到最大值，即电子迁移率达到了最小值当施主掺杂浓度继续增加时，电中性区域的体积越来越大，从而导致势垒的高度变小，电子迁移率也随之增大。4多晶硅薄膜晶体管64多晶硅薄膜晶体管器件器件结构：为了避免准分子激光退火工艺中高温（约1000℃）对其他层薄膜造成的影响，LTPS采用的是有源层位于器件底部的正常平面型结构。为了进一步规避高温对玻璃基板的影响，有时会在玻璃基板与有源层之间沉积缓冲层。LTPS器件结构4多晶硅薄膜晶体管65多晶硅薄膜晶体管器件器件特性：多晶硅TFT的泄漏电流较大。漏极电压偏置越负，泄漏电流越大。栅极电压偏置越正，对应的漏极电流越大。多晶硅TFT漏极电流与偏置电压的关系多晶硅TFT泄漏电流机理多晶硅TFT的泄漏电流：4多晶硅薄膜晶体管66多晶硅薄膜晶体管器件迟滞效应:当栅源电压VGS沿不同方向变化时，相应的漏极电流IDS的变化曲线并不重合。在AMOLED显示中，迟滞特性是产生图像残像的主要原因。TFT迟滞效应曲线迟滞效应导致的图像残像4多晶硅薄膜晶体管67多晶硅薄膜晶体管器件迟滞效应:TFT迟滞效应的产生主要与多晶硅沟道中载流子的俘获发射有关。当栅源电压由低到高变化时，耗尽区能带的弯曲程度逐渐减缓，被捕获的电子开始从陷阱态中脱离，但被深能级捕获的电子需要足够的能量或者更长的时间来实现发射或转移，从而导致了迟滞现象的产生图中①②③表示被捕获的电子开始从陷阱态中脱离的三种不同的路径4多晶硅薄膜晶体管68多晶硅薄膜晶体管器件噪声特性：在栅极偏压比较低时，沟道载流子会与GB（晶粒间界）陷阱态发生电荷交换，导致GB势垒的涨落，从而导致沟道电流的涨落，引起电流噪声。载流子与GB耗尽区晶粒陷阱态交换电荷的过程漏极电流噪声的功率谱密度4多晶硅薄膜晶体管69多晶硅薄膜晶体管器件稳定性自加热效应：多晶硅TFT工作时有源层会产生较多的热量，当热量无法及时散发出去，就会对TFT器件产生加热的效果并导致多晶硅层硅氢键的断裂和悬空键的生成，从而造成多晶硅TFT器件电学特性的退化多晶硅薄膜晶体管自加热物理机制自加热机制对多晶硅TFT电压偏置稳定性的影响4多晶硅薄膜晶体管70多晶硅薄膜晶体管器件稳定性热载流子效应：有源层在长期强电场的作用下会发生热载流子效应，引起的器件性能退化包括阈值电压漂移和迁移率下降多晶硅薄膜晶体管热载流子物理机制热载流子机制对多晶硅TFT电压偏置稳定性的影响4多晶硅薄膜晶体管薄膜晶体管材料与技术MaterialsandTechnologyforThin-FilmTransistors

5有机薄膜晶体管731977年发现导电高分子聚乙炔1987年制备第一代OTFT1990年代关键材料开发P3HT、富勒烯2000年代迁移率显著提高>1cm²/V·s黑格麦克德尔米德白川英树2000年的诺贝尔化学奖：证明高分子不仅可以导电，掺杂后可以表现出金属般的导电性。5有机薄膜晶体管5.1有机半导体材料载流子传导机制及分子设计基本原理74

范德瓦耳斯力结合，载流子的波函数较为局域。

s（球形对称）和p（哑铃形）原子轨道波函数：聚乙烯（绝缘体）sp3杂化及成键（σ键）的过程。5有机薄膜晶体管75聚乙炔sp2pz杂化及成键（σ键和π键）的过程sp2pz轨道杂化：三个共面的σ键构成了“骨架”，第四个电子占据pz轨道，垂直于三个σ键所在的平面，将pz电子和pz轨道分别称为π电子和π轨道。反式聚乙炔的A相和B相；芳香式（中性）和醌式（带电）结构及基态能量。5有机薄膜晶体管76

反式聚乙炔分子AB相相接形成孤子（共轭链畸变对应的局域化电子态）；带电荷的孤子与一个电中性的孤子结合，形成一个极化子。最高占据分子轨道（HOMO，highestoccupiedmolecularorbital）和最低未占分子轨道（LUMO，lowestunoccupiedmolecularorbital）

极化子、双极化子产生过程能带结构及化学结构示意图5有机薄膜晶体管77跳跃传输最近邻跳跃（Nearest-NeighborHopping）——载流子在相邻局域态之间跳跃。变程跳跃（VariableRangeHopping）——载流子选择较远但能量更低的态进行跳跃。热激活跳跃（ThermallyActivatedHopping）——高温下热能帮助载流子越过势垒。ππ堆叠部分六元环和五元环的化学结构式及其π电子云分布5有机薄膜晶体管78有机小分子半导体材料p型有机小分子:并五苯、噻吩稠环、苉（Picene）、苝（Perylene）以及一些稠环芳香烃的衍生物。n型有机小分子:C60及其衍生物（如PCBM等）、苝四酰亚二胺（PDI）和萘四酰亚二胺

（NDI）及其衍生物等p型小分子半导体材料名称半导体层制备方法介质层迁移率/cm2/Vs开关比diF-TES-ADTPVTSiO26.0108diF-TES-ADTACSEGSiO28.6>106rubreneNRSiO240—rubrenePVTParylene8.01062，6-DPAPVTSiO234—picene-（C14H29）2ThermaldepositionPZT20.92.3×106C8-BTBTInkjetprintingSiO231.3105~107C8-BTBTThermalevaporationSiO21.85108BTBTTBTPVTSiO217.9>107C10-DNBDT-NWEdge-castingSiO212.1~16.0106TiOPc（α-phase）PVTSiO210.6~26.8104~107pentacenePVTPQ40106pentaceneThermalevaporationSiO20.12106pentaceneThermalimidizationPAA/PI5.61.4×106TIPS-PPPThermalevaporationCYTOP6.47105n型有机半导材料名称半导体层制备方法栅介质层迁移率/cm2/Vs开关比Cl3-BDOPVSpincoatingSiO21.05~1.95>105TCNBTThIDTSpincoatingCYTOP1.10103~1042DQTT-1SpincoatingSiO23.70~4.50107~108anti-3cPVTSiO22.90~4.201.3×108syn-3cPVTSiO22.30~3.70106PhC2–BQQDI—SiO23.0—HDI—SiO21.88~2.771.8×104C5-PyDI——1.92~3.08>106DI-TBSpincoatingSiO21.30~1.508.3×108DPP1012-4FSpincoating—0.91~1.05104~105QBNADrop-castSiO21.60105~106TIPS-TAP—SiO2/BCB13.36×108一些代表性p/n型小分子半导体及其性能5.2有机半导体材料及分类5有机薄膜晶体管聚合物半导体材料p型聚合物:聚噻吩类、聚噻吩乙烯及其衍生物。n型聚合物:芳香酰亚胺共聚物等。p型半导体层半导体层制备方法介质层迁移率/（cm2/Vs）开关比P3HTSpincoatingSEGI5.04>103P3HTShearcoatingSiO20.20~0.32—PBTTT/PSSpincoatingPS、SiO22.10∼105PTVT-TTSpincoatingCYTOP2.80~4.60~105IDT-BTCFEJprintingPMMA1.101.93×105IDT-BTSpin-castCYTOP3.60＞106PCDTPT

SiO236.3—PCDTPT/SEBSSpincoatingSiO22.31—CDT-BTZ

—3.30105~106CDT-BTZSVEDSiO24.30~5.50106CDT-BTZ

SiO218.5—DTT-DPPSpincoatingSiO2/OTS185.4~10.5≥106PDFDTSpincoatingP(VDF–TrFE)9.05>103IIDDT-C3SpincoatingSiO22.98~3.62＞106PIIF-C9SiSpincoatingSiO24.50~4.80~106n型半导体层半导体层制备方法介质层迁移率/（cm2/Vs）开关比DPPPhF4Spin-castSiO22.00~2.36~104PNBSFSpincoatingPMMA2.80~3.50—PNBTFSpincoatingPMMA1.70~2.20—PNBOSpincoatingPMMA2.43>4.5×103BDPPVSpincoatingCYTOP0.84~1.10>105FBDPPV-1SpincoatingCYTOP1.39~1.70105~106FBDPPV-2SpincoatingCYTOP0.62~0.81104~105N-CS2DPP-OD-TEGSpincoatingCYTOP3.0>104P（NDI2SiC6-T2）SpincoatingPMMA1.04103P（NDI2SiC6-TVT）SpincoatingPMMA0.93103P（NDI2HD-T2）Drop-castSiO21.786.63×104P（NDI2OD-T2）Drop-castSiO21.02~1.226.92×105P（NDI2OD-T2）UFTMSiO2/CYTOP0.56~0.78>105PNDIF-T2SpincoatingSiO25.73~6.50~105PNDIF-TVTSpincoatingSiO24.92~5.64~105PNDI-ROSpin-castSiO21.12~1.64105AzaBDOPV-2TSpincoatingCYTOP1.63~3.22104~105PAIIDBTSpincoatingPMMA1.0106最近报道的p/n型聚合物半导体材料5有机薄膜晶体管805.3OTFT的界面工程OTFT的界面工程栅绝缘层/有机半导体层界面工程直接自组装单分子层（SAM）或多分子层（SAMT）界面修饰：SAM修饰和聚合物缓冲层修饰有机半导体层/源漏电极界面工程降低接触电阻：能级匹配金属电极表面修饰1与载流子在源极注入和漏极流出时有关。栅绝缘层的介电常数、缺陷杂质、致密度等会影响其电容、漏电流等。5有机薄膜晶体管薄膜晶体管材料与技术MaterialsandTechnologyforThin-FilmTransistors

6氧化物薄膜晶体管OxideThin-FilmTransistors6.1氧化物TFT简介6.2氧化物半导体材料设计理论及载流子传导机制6.3高迁移率氧化物半导体材料和器件设计原理6.4p型氧化物半导体材料的设计6.5氧化物TFT的尺寸效应及三维集成电路应用6氧化物薄膜晶体管6.1.1氧化物TFT的优点和挑战

6.1氧化物TFT简介84氧化物半导体和一些其他常见的半导体材料的带隙比较高迁移率与均匀性低温制备与柔性兼容带隙宽、可透明性低成本与大面积制备极低关态电流优点：p型导电难与NBIS不足挑战：酸敏性稀有金属（如铟）依赖6.1.2氧化物TFT的应用进展

6.1氧化物TFT简介85氧化物TFT的应用主要集中于显示领域，包括大面积高清LCD、电子纸、AMOLED、透明显示、柔性显示等。866.2氧化物半导体材料设计理论及载流子传导机制6.2.1氧化物半导体的基体元素及电子结构特征氧化物半导体是基于后过渡金属氧化物的半导体材料，可用于氧化物半导体的基本金属元素有In、Ga、Sn、Zn和Cd。元素原子序数价电子层结构主要氧化态原子半径/pm最高价离子半径/pm第一电离能电负性熔点/℃Al133s23p1+3143505781.5660.4Ga314s24p1+1，+3122625791.629.78In495s25p1+1，+3163815581.7156.6Tl816s26p1+1，+3170955891.8303.5Ge324s24p2+2，+4123537621.8973.4Sn505s25p2+2，+4141717091.8231.9Pb826s26p2+2，+4175847161.9327.5Sb515s25p3+3，+5136628321.9630.5Bi836s26p3+3，+5155747031.9271.3Zn304s2+2133749061.6419.5Cd485s2+2149978681.7320.9后过渡金属具有ns2np1~4（n≥3）的价电子层结构。但是Al电负性较小、离子半径较小，其氧化物（Al2O3）一般为绝缘体。876.2氧化物半导体材料设计理论及载流子传导机制6.2.1氧化物半导体的基体元素及电子结构特征

氧化物半导体和硅在单晶和非晶结构下的载流子输运原理示意图886.2氧化物半导体材料设计理论及载流子传导机制6.2.2氧化物半导体材料的设计理论氧化物半导体材料可分为二元、三元、四元等体系。二元材料是氧化物半导体的基体材料，主要包括ZnO、Ga2O3、CdO、In2O3和SnO2。氧化物材料n晶格结构有效质量/me单晶迁移率/cm2/Vs载流子浓度/cm-3带隙/eVa退火温度/℃抗酸性b成本ZnO4纤锌矿0.29130-4401015-1018~3.4高弱低Ga2O3多种如β相0.28-0.3340-1721013-1015~4.8极高弱高In2O35方铁锰矿0.20-0.30100-2701017-1020~2.9适中弱高SnO2金红石0.35150-2601015-1018~3.6高强低CdO（毒性）岩盐0.11-0.15620NA~2.3适中弱低晶格结构和能带结构896.2.2氧化物半导体材料的设计理论IGZO体系：In主要起到有利于载流子传输（提高迁移率）的作用；Zn的作用是抑制薄膜结晶;Ga的作用则是抑制自由电子的产生。6.2氧化物半导体材料设计理论及载流子传导机制906.2.3氧化物半导体的缺陷杂质化学以及载流子形成机理引起n型电导率（电子载流子）的电子给体：氧空位（VO）、氢杂质、材料合成过程中残留杂质和表面二维电子气（2DEG）等。氧空位：VO具有最低的形成能，但中性（未电离）VO的能级通常较深，难以有效地电离提供导电电子。

氢杂质：间隙（Hi）、氧替位（HO）、中性的HO（非活性）、H+（供体）和H−（受体）。In2O3、SnO2以及ZnO的氧空位在禁带中的能级位置（左图）；各种氢杂质的及氧空位的形成能（右图）表面态：表面的载流子浓度和电导性质与体内很不一样。最近，在氧化物半导体表面普遍发现了2DEG。6.2氧化物半导体材料设计理论及载流子传导机制916.2.4氧化物半导体的载流子传导机制渗流传导（percolationconduction，PC）机制：各种阳离子随机分布导致带隙波动，CBM附近存在与位置相关的势垒波动。导带的电子会绕过这些势垒在能谷附近找到最低能量的电子传导通道（通常是ns交叠形成的电子通道）。缺陷限制传导（trap-limitedconduction，TLC）机制：迁移率严重依赖温度（热激发产生的传导电子/空穴数量）。氧化物半导体的渗流传导模型以IGZO为例具体说明PC传导机制6.2氧化物半导体材料设计理论及载流子传导机制926.2.4氧化物半导体的载流子传导机制在氧化物半导体中，TLC和PC两种导电机制是共存的。

6.2氧化物半导体材料设计理论及载流子传导机制936.2.5氧化物TFT的稳定性1、氧化物TFT的偏压稳定性TFT的偏压稳定性包括PBS和NBS两种PBS：VT正向漂移，但SS没有变化。在氧化物半导体中，这种不稳定性是由于负电荷被捕获在有源层/栅绝缘层界面处或者负电荷注入到栅绝缘层体内引起的。NBS：VT正向漂移，但漂移量很小甚至可以忽略不计。但在光照或加温条件下，NBS会造成氧空位电离或正电荷移动，稳定性急剧恶化，其已成为氧化物TFT的最主要的稳定性问题。6.2氧化物半导体材料设计理论及载流子传导机制946.2.5氧化物TFT的稳定性2、氧化物TFT的光照稳定性NBIS不稳定性几乎是氧化物TFT的通病，成为制约氧化物TFT应用（特别是在LCD中应用）的关键问题之一。（a）氧化物半导体在光照下的氧空位电离示意图，（b）各价氧空位的形成能与费米能级的关系，（c）ZnO和In2O3的氧空位造成的弛豫示意图氧化物TFT的NBIS不稳定性机理：（1）光生空穴的捕获（2）氧空位的电离或迁移（3）亚稳态的过氧化离子O22-的形成（4）与不可控的氢掺杂有关（5）背沟道的水氧吸附-解吸作用6.2氧化物半导体材料设计理论及载流子传导机制956.2.5氧化物TFT的稳定性3、

氧化物TFT的温度稳定性PBTS/NBTS：热激发激活缺陷能级PBIS/NBIS：光激发激活缺陷纯In2O3TFT在不同温度下的NBIS稳定性6.2氧化物半导体材料设计理论及载流子传导机制966.2.5氧化物TFT的稳定性4、改善氧化物TFT稳定性的方法机理:四价稀土离子吸收蓝光产生电荷转移（CT）跃迁，跃迁后的稀土离子与VO2+交换电子，而O2p5捕获电子，大幅降低光生电子的寿命，提高NBIS稳定性。改善氧化物TFT稳定性:（1）器件工艺层面减少缺陷引入；（2）减少氧空位；（3）设计新型氧化物半导体材料。掺杂四价稀土离子（Ln4+，如Pr4+和Tb4+）可以大幅改善氧化物TFT的NBIS稳定性。6.2氧化物半导体材料设计理论及载流子传导机制976.3.1高迁移率氧化物半导体材料设计高迁移率半导体基本上都含有Sn，包括InZnSnO（IZTO）、InGaSnO（IGTO）、InGaZnSnO（IGZTO）等。6.3.2高迁移率氧化物TFT的制备工艺设计提高TFT迁移率制备工艺：工艺控制法、成分控制法、结晶法（金属诱导）和原子层沉积（ALD）法等1、工艺控制法（1）氧含量影响性能（2）N2O处理优化薄膜（3）退火提高迁移率（4）多种方法提升性能2、成分控制法

（1）多组分设计优化：设计多组分阳离子组合和相对阳离子分数（2）共沉积法：控制阳离子组成，可以调整氧化物半导体的本征特性。（3）多元氧化物性能影响6.2氧化物半导体材料设计理论及载流子传导机制986.3高迁移率氧化物半导体材料和器件设计原理6.3.2高迁移率氧化物TFT的制备工艺设计3、结晶法金属诱导结晶主要原理如下：（1）由于金属层的还原效应，底层氧化物半导体薄膜中的弱键氧和氧间隙等缺陷被去除，这被称为清除效应；（2）在退火过程中，氧化物半导体薄膜顶部的催化金属层可以帮助重构下层阳离子和氧之间的弱键，即诱导结晶过程。提高TFT迁移率制备工艺：工艺控制法、成分控制法、结晶法（金属诱导）和原子层沉积（ALD）法等996.3.2高迁移率氧化物TFT的制备工艺设计4、ALD法ALD以单原子膜形式逐层镀在基底表面，具有薄膜质量高、台阶覆盖性好、成分比例实时可控等优点。材料前驱体反应剂温度（℃）薄膜晶体管最高迁移率（cm2/Vs）阈值电压（VTH）亚阈值摆幅（mV/sec）In2O3In(CH3)3[CH3OCH2CH2NHtBu]H2O1506.10.850.36

TMInH2O225113<−10.15

TMInH2O225>20<−3N/S

TMInH2O225N/S<−20.10-0.12

TMInH2O225>100N/SN/S

DADIAr/O2plasma25012.6−9.60.83

DMIONAr/O2plasma30032.4−5.50.49

(C2H5)2InCH3O2plasma250170.060.069ZnODEZH2O100-20011.81.10.175

DEZNaOH/H2O1501.7—N/S

DEZO2plasma25028.7—0.101

DEZH2O/O315031.10.140.21

DEZH2O/O210032.110.27但ALD法沉积速率慢、大面积制备困难，尚无匹配6代显示面板产线以上的设备，需升级突破。基于ALD制备的各种氧化物半导体的TFT性能和沉积条件6.3高迁移率氧化物半导体材料和器件设计原理1006.3.3高迁移率氧化物TFT的器件结构设计提高TFT迁移率器件结构主要包括双栅结构、双层（或多层）沟道结构以及肖特基势垒晶体管结构等1、双栅结构有顶栅和底栅两个栅电极，相当于并联了两个单栅结构的器件优势：电流驱动能力显著提升，界面散射效应减少，更大的场效应迁移率，且拥有更小的阈值电压和亚阈值特性，有效抑制短沟道效应。6.3高迁移率氧化物半导体材料和器件设计原理1016.3.3高迁移率氧化物TFT的器件结构设计提高TFT迁移率器件结构主要包括双栅结构、双层（或多层）沟道结构以及肖特基势垒晶体管结构等2、双层（或多层）沟道结构---最常用的策略两种机理争议：（1）异质界面上形成二维电子气（2DEG），但无序状态可能影响异质界面质量，使该解释存在争议。（2）异质结界面并没有形成2DEG，高电子浓度的前沟道层和低电子浓度的背沟道层共同作用提高迁移率和稳定性。3、肖特基势垒晶体管结构利用栅电场控制源漏电极与氧化物半导体层间的肖特基势垒高度，从而调节源漏电流，实现精准的电场调控。异质结沟道TFT结构示意图以及能带结构示意图6.3高迁移率氧化物半导体材料和器件设计原理1026.4p型氧化物半导体材料的设计高性能p型氧化物从根本上受到其电子结构的限制：O2p轨道形成的VBM非常平坦且局域化导致空穴有效质量大，并且难以引入浅受体。1、O2p与填满的d轨道杂化对价带的调制价带的化学调制（CMVB）：O2p轨道与Cu3d10闭壳轨道的杂化，降低空穴输运通道局部化程度，减小空穴有效质量，增强空穴输运能力。

由于局域化的VBM，

只有基于Cu2O和NiO的p型TFT表现出良好的器件性能。Cu2O能带结构主要由Cu3d与O2p轨道杂化构成，VBM色散大，空穴有效质量低（0.58me或0.24me）。1032、O2p与填满的ns2轨道杂化对价带的调制SnO价带顶VBM由Sn5s2与O2p杂化形成，具有分散特性，空穴有效质量低（0.23me）ns2态可以通过扭曲晶格与O2p发生强烈的相互作用，从而在价带顶产生具有某些ns轨道特征的填充反键态。3、宽带隙非氧化物半导体：卤化铜p型半导体候选材料：

铜卤化物如CuI

，高霍尔迁移率（>40cm2/Vs）、宽带隙（约为3.1eV）和易于薄膜加工的特性。但溶液加工性、稳定性和缺陷密度等问题阻碍其应用。6.4p型氧化物半导体材料的设计1046.5氧化物TFT的尺寸效应及三维集成电路应用6.5.1氧化物TFT的尺寸效应研究人员通过改变tb、tOX和εOX，系统地研究了30µm至40nm范围内Lch的影响沟道电势由泊松方程决定

Lch需大于λ才能避免短沟道效应，λ描述如下：

漏极感应势垒降低（DIBL）效应：沟道尺寸（Lch）小于特征尺寸（λ）量级时，电场线从漏极到源极的穿越导致栅压控制减弱、漏电流增加。其中，

tb、tOX、εb和εOX分别为沟道和GI的厚度和介电常数；εSi和EOT分别为Si和等效氧化物厚度的介电常数6.5.1氧化物TFT的尺寸效应当半导体层厚度减小到3纳米以下时，电子和空穴的活动区域会限制在无限深量子阱内；量子效应导致禁带宽度增大，且随着厚度减小而增加；改变了CBM或VBM的位置。垂直于衬底方向（z方向）的能量会量子化：其中k是波数，n是正整数，E为能量，ℏ表示约化普朗克常数，m*是有效质量禁带宽度的变化（ΔEG）可以表示为：6.5氧化物TFT的尺寸效应及三维集成电路应用1066.5.2氧化物TFT的在三维集成电路中的应用氧化物TFT因其优异的性能在三维集成电路中展现出巨大潜力；特别是DRAM领域，其低漏电流特性有效解决了微缩带来的问题；近年来，关于氧化物TFT在DRAM中的应用报道增多。6.5氧化物TFT的尺寸效应及三维集成电路应用107本章小结本章介绍氧化物半导体的电子结构、电荷传导机制、缺陷来源、掺杂机制、新型器件构建、稳定性机理以及p型材料设计等，为氧化物TFT材料设计和器件构建提供理论指导。薄膜晶体管材料与技术MaterialsandTechnologyforThin-FilmTransistors

7基于新型半导体的薄膜晶体管Thin-FilmTransistorsBasedonNovelSemiconductors7.1一维半导体材料及其薄膜晶体管7.2二维半导体材料及其薄膜晶体管7.3钙钛矿半导体材料及其薄膜晶体管7.4新型半导体材料及薄膜晶体管的未来发展方向7基于新型半导体的薄膜晶体管7.1.1碳纳米管及其薄膜晶体管

7.1一维半导体材料及其薄膜晶体管111单壁碳纳米管（SWCNT）功耗低、运行速度快、灵活性高扶手椅式（n=m）银齿式（n≠m且n和m均不为0）螺旋式（n或m为0）碳纳米管（CNT）多壁碳纳米管（MWCNT）易产生陷阱中心CNT网络结构存在S-S、M-M和M-S三种结组合金属性（M-CNT）半导体性（S-CNT）7.1.1碳纳米管及其薄膜晶体管

7.1一维半导体材料及其薄膜晶体管112S-SWCNT纯度(%)开关比阈值电压(V)亚阈值摆幅(mV/dec)通道长度(μm)9552104-4＞20963.6103—1009831.65104——99.99.763×104-0.644350±2599.99723.4104——99.999910.81050.26—9975.51.62×1072.8300M-SWCNT效应：TFT的I-V曲线不饱和，形成了一条通过源/漏极的渗透路径，影响电流传导。制备CNT-TFT采用两种策略：（1）控制渗透来使用混合CNT，（2）使用分离的半导体CNT碳纳米管研究进展部分性能参数7.1.2氧化物半导体纳米线及其薄膜晶体管

7.1一维半导体材料及其薄膜晶体管1131、ZnO纳米线及其薄膜晶体管迁移率(cm2/Vs)开关比阈值电压(V)亚阈值摆幅(mV/dec)202×1052112409281060.41292-4104——41.323.98×105-2.274305.82.1×1074.666028.84×1060.57900.467×102-15——4×105——ZnO纳米线TFT的SS较大，可能是由于界面接触不良。优化方法：钝化表面处理、选择适当的绝缘体等。总之，降低表面缺陷是提高其电性能的关键方向。氧化锌纳米线研究进展部分性能参数7.1.2氧化物半导体纳米线及其薄膜晶体管

7.1一维半导体材料及其薄膜晶体管1142、In2O3纳米线掺Pr的In2O3纳米线：电子浓度减少、稳定性增强未掺杂的In2O3TFT：

Ion/Ioff较低，VT很负；随着Pr掺杂浓度增加，关态电流降低，阈值电压显著的向正方向偏移。3%Pr掺杂的综合性能最佳。7.2.1石墨烯及其薄膜晶体管

7.2二维半导体材料及其薄膜晶体管115石墨烯：由sp2杂化碳原子构成，具有六元环蜂窝状结构，每个晶格所有碳原子以σ键相连，p轨道电子形成离域π键，赋予其良好导电性。狄拉克费米子：周围能量为零，且石墨烯带隙为零，电子与空六有效质量也为零。电子迁移率(cm2/Vs)空穴迁移率(cm2/Vs)开关比阈值电压(V)亚阈值摆幅(mV/dec)0.21———2503001.8——3445107—90400—26.5

45004500—————1070.35~0.65—7.2.2过渡金属二硫族化物及其薄膜晶体管

7.2二维半导体材料及其薄膜晶体管116过渡金属硫族元素过渡金属二硫族化物（TMD）:TMD是层状晶体，称为MX2。体MX2晶体的每一层由三个平面（X-M-X平面）组成，每个平面由共价键相结合。MX2M：Mo、W等X：S、Se、Te等MX2晶体结构以ABA六方对称2H相以ABC形式形成的四方对称1T相