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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-siTFT的电特性（4）p-siTFT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=25mA/V,载流子迁移率150cm2/vs,最大振荡频率为20MHz.CdSe----迁移率达200cm2/vsTFT与MOSFET的发明同步，然而TFT发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20cm2/vs,Ioff=100nA.之后几年下降到1nA.（5）1975年，实现了基于非晶硅-TFT.随后实现驱动LCD显示.----迁移率＜1cm2/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-SiTFT因低温、低成本，成为LCD有源驱动的主流.（7）90年代后，继续改进a-Si,p-SiTFT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VDS＞VDsat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-SiTFT、OTFT、氧化物TFT通常工作于积累状态.对于p-SiTFT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)(VVVCQthgii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）…….（2）(1)代入(2)，积分可得：]21)[(2VVVVCLWIddthgid)(VVVthgd…….（3）当VdVg时,(3)式简化为VVVCLWIdthgid)(在饱和区(VdVg-Vth),将Vd＝Vg-Vth代入(3)式可得：)(22,VVCLWIthgisatd)(VVVthgd…….（4）p-SiTFT的电特性1.TFT电特性测试装置p-Si高掺杂p-Si2.p-SiTFF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-SiTFF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-biasStressEffect(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-SiTFFC-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(biastemperaturestress)：VG=VD=30V,T=55oC;应力作用产生缺陷态，引起C-V曲线漂移.6.p-SiTFF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(350oC).p-SiTFT制备工艺流程1、简单的底栅顶结构型Intrinsicp-SiS/Dcontacts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-Sin+p-SiS/Dcontacts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-SiTFTs工艺流程:Poly-Si:栅介质:n-掺杂区(d)(e):p+doped:S/DMetal:GateMetalGOLDD:Gate-overlappedlightlydopeddrainForDriveTFT:highreliabilityandhighon-current;ForPixelTFT:lowleakagecurrent.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-SiTFT制备中的关键工艺技术1、LTPSTFTLCDs技术水平2002年2005年2009年（320＊240）（640＊480）（刷新频率）（1024＊768）（50~60）（60~120）2002年2005年2009年TEOS:正硅酸乙酯2、p-Si薄膜制备技术a-Sithinfilmp-Sithinfilm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-Sithinfilm早期CVD○poly△Mixture□AmporphousLPCVD●poly▲Mixture■Amporphous（2）Si薄膜制备方法比较射频溅射(RF:Radio-FrequencySputtering)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-PressureCVD)特点：■压力低，只需10Pa■沉积速度较低：0.01～0.1um/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:PlasmaEnhancedCVD)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-PhaseCrystallizationMILC:Metal-inducedLateralCrystallizationELA:ExcimerLaserCrystallization横向激光晶化示意图对于不同晶化方法在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-SiTFT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（＜100nm)的掺杂；(c)、设备简单（低成本），且能对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＜650oC,对于塑料基底＜200oC）.TFT器件典型性能参数及特点比较（cm2/Vs)开关电流比关键工艺优势不足a-SiTFT0.5~1107A-Si:H沉积及掺杂低温,玻璃塑料基底低、有光响应p-SiTFT100~300105~107硅膜沉积、晶化、掺杂高迁移率高温,有光响应小分子TFT0.1~10104~106蒸镀高于聚合物TFT难大面积,有光响应聚合物TFT0.01~1103~105旋涂、打印低成本,易大面积低,不稳定,有光响应ZnOTFT1~100105~108溅射、ALD高,可见光透明难大面积,不稳定注: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.基于TFT的数字逻辑集成电路RF频率：915MHz编码调制方式：脉宽调制数据速率：70.18kbits/sCPU时钟：1.12MHzROM:4kB,RAM:512B0.8m多晶硅TFT工艺晶体管数目：144k芯片面积：10.5*8.9mm2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TFT3.敏感元件，如：气敏、光敏、PH值测定N2O气体环境N2OGasSensors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-SiTFT的主要效应及机理.4.掌握p-SiTFT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.