薄膜晶体管原理与应用

目录第一章绪论1.1引言1.2研究背景第二章薄膜晶体管的结构与基本原理2.1薄膜晶体管结构2.2薄膜晶体管工作原理2.3薄膜晶体管主要性能参数第三章薄膜晶体管应用3.1薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)3.1.1TFT-LCD概述3.1.2TFT-LCD工作原理3.2有机发光二极管（OLED）3.2.1OLED概述3.2.2OLED工作原理第四章前景展望第一章绪论1.1引言人类对薄膜晶体管（TFT）的研究工作已经有很长的历史。早在1925年,JuliusEdgerLilienfeld首次提出结型场效应晶体管（FET）的基本定律，开辟了对固态放大器的研究。1933年，Lilienfeld又将绝缘栅结构引进场效应晶体管(后来被称为MISFET)。1962年，Weimer用多晶CaS薄膜做成TFT；随后，又涌现了用CdSe、InSb、Ge等半导体材料做成的TFT器件。二十世纪六十年代，基于低费用、大阵列显示的实际需求，TFT的研究广为兴起。1973年，Brody等人首次研制出有源矩阵液晶显示（AMLCD），并用CdSeTFT作为开关单元。随着多晶硅掺杂工艺的发展，1979年LeComber、Spear和Ghaith用a-Si:H做有源层,做成如图1所示的TFT器件。后来许多实验室都进行了将AMLCD以玻璃为衬底的研究。二十世纪八十年代，硅基TFT在AMLCD中有着极重要的地位，所做成的产品占据了市场绝大部分份额。1986年Tsumura等人首次用聚噻吩为半导体材料制备了有机薄膜晶体管（OTFT），OTFT技术从此开始得到发展。九十年代，以有机半导体材料作为活性层成为新的研究热点。由于在制造工艺和成本上的优势，OTFT被认为将来极可能应用在LCD、OLED的驱动中。近年来，OTFT的研究取得了突破性的进展。1996年，飞利浦公司采用多层薄膜叠合法制作了一块15微克变成码发生器（PCG）；即使当薄膜严重扭曲，仍能正常工作。1998年，IBM公司用一种新型的具有更高的介电常数（17.3）的无定型金属氧化物锆酸钡作为并五苯有机薄膜晶体管的栅绝缘层，使该器件的驱动电压降低了4V，迁移率达到0.38cm2V-1s-1。1999年，Bell实验室的Katz和他的研究小组制得了在室温下空气中能稳定存在的噻吩薄膜，并使器件的迁移率达到0.1cm2V-1s-1。Bell实验室用并五苯单晶制得了一种双极型有机薄膜晶体管，该器件对电子和空穴的迁移率分别达到2.7cm2V-1s-1和1.7cm2V-1s-1，这向有机集成电路的实际应用迈出了重要的一步。最近几年，随着透明氧化物研究的深入，以ZnO、ZIO等半导体材料作为活性层制作薄膜晶体管，因性能改进显著也吸引了越来越多的兴趣。器件制备工艺很广泛，比如：MBE、CVD、PLD等，均有研究。ZnO-TFT技术也取得了突破性进展。2003年，Nomura等人使用单晶InGaO3(ZnO)5获得了迁移率为80cm2V-1s-1的TFT器件。美国杜邦公司采用真空蒸镀和掩膜挡板技术在聚酰亚铵柔性衬底上开发了ZnO-TFT，电子迁移率为50cm2V-1s-1。这是在聚酰亚铵柔性衬底上首次研制成功了高迁移率ZnO-TFT，这预示着在氧化物TFT领域新竞争的开始。2005年，ChiangHQ等人利用ZIO作为活性层制得开关比为107薄膜晶体管。2006年，ChengHC等人利用CBD方法制得开关比为105、迁移率为0.248cm2V-1s-1的TFT，这也显示出实际应用的可能。1.2研究背景薄膜材料是指厚度介于单原子分子到几毫米间的薄金属或有机物层。当固体或液体的一维线性尺度远远小于它的其他二维尺度时，我们称这样的固体或液体为膜。薄膜材料具有良好的韧性、防潮性和热封性能，应用非常广泛。例如：双向拉伸聚丙烯薄膜（BOPP）、低密度聚乙烯薄膜（LDPE）、聚酯薄膜（PET）、镀铝薄膜、半导体氧化物薄膜等等。近几年来，以氧化锌、氧化铟、氧化锡等半导体氧化物及其合金为有源层的透明薄膜晶体管备受关注，并已取得了突破性进展。这些氧化物是优异的光电材料，具有高光学透过率、生长温度低、击穿电压高、电子迁移率高等优点，从而可以获得更好、成本更低的薄膜晶体管，并且也为新型薄膜晶体管的发展带来了契机。氧化物薄膜晶体管作为极具发展潜力的新型薄膜晶体管，具备了许多传统TFT无法比拟的优点，但是也存在诸多问题有待进一步解决。例如，如何解决外界环境对器件性能的影响，优化工艺从而降低成本，如何制作出性能优越、具有实用价值的器件等，这些都是现在研究面临的问题。20世纪平板显示技术的出现，把人类带入了信息社会，人类社会从此发生了质的飞跃。而平板显示的核心元件就是薄膜晶体管TFT(ThinFilmTransistor)。将半导体氧化物作为有源层来制作TFT用于平板显示中，不仅能获得较高迁移率，器件性能优越，而且制造工艺简单、低温下可以获得，显示出了巨大的应用前景。本文综述了薄膜材料的制备方法，薄膜晶体管的发展历程与应用以及其结构、工作原理和测试表征方法。第二章薄膜晶体管的结构与基本原理2.1薄膜晶体管结构TFT的结构有很多种分类形式，例如可以分为共面型、反共面型和错列型和反错列型等。但总的来说目前被广泛研究的TFT结构一般可以分为两类：底栅型结构和顶栅型结构。底栅型结构就是栅极在最底层，紧贴着衬底，往上依次是绝缘层、有源层和源漏电极。项栅型结构就是栅极在最上面，紧贴着衬底的是源漏电极，往上然后依次是有源层、绝缘层和栅极，如图2.1所示。图2.1薄膜晶体管结构示意图目前大部分实用的TFT器件都采用的是底栅型结构。因为底栅型结构的TFT金属栅极和绝缘层薄膜可以用来作为半导体层薄膜的光学保护层，以防止背光源发出的光照射到半导体层所产生的光生载流子而破坏半导体层的电学特性。因此，底栅型结构一般要比项栅型结构的TFT性能稳定，目前被广泛应用。但项栅型的TFT制造工艺简单，所需光刻版数量少，成本低，在某些场合也被用到。2.2薄膜晶体管的基本原理薄膜晶体管的结构和工作原理与场效应管(MOSFET)类似，因此我们可以通过对MOSFET工作原理的理解来了解TFT的工作原理。MOSFET由金属栅极G，绝缘层，半导体层沟道，源极S和漏极D共同组成。其特点主要是在金属栅极与沟道之间有一层绝缘层，通过栅极上的电压产生纵向电场，改变导电沟道厚度，达到控制源漏电流的目的。所以它是一种电压控制电流型器件。根据导电沟道类型的不同，MOSFET可以分为n型和P型，n型是通过自由电子导电，而P型TFT是通过空穴导电；根据导电方式的不同，MOSFET又分为增强型和耗尽型，两者的区别仅是在无外加电压时，前者无导电沟道，而后者已存在原始的导电沟道。以n型增强型晶体管为例，晶体管在正常工作时，各个电极之间必须加上合适的工作电压才能发挥其控制作用，通常在栅源极加控制电压(使O)，漏源极加电压(0)，其输出特性大致可以分为四个区域：①夹断区：首先定义开始形成导电沟道所需的最小栅极电压为开启电压𝑇𝐻，当𝑇𝐻时，源漏极之间没有形成导电沟道，源漏极间呈现高阻，源漏电流𝐼≈O，成为夹断区或截止区。对n型增强型晶体管，𝑇𝐻O，n型耗尽型晶体管𝑇𝐻0。②可变电阻区：当𝑇𝐻且-𝑇𝐻时，此时导电沟道畅通，源漏极之间相当于一个电阻，在一定时，沟道电阻也一定，𝐼随着增大而线性增大。③恒流区：当𝑇𝐻时，由于沟道电阻的存在，𝐼沿沟道方向上产生的电压降使沟道上电场产生不均匀分布，近漏极端电压较低，为=-，当增加到使=-=𝑇𝐻时，漏极端沟道消失，这种现象称为预夹断，此时=-𝑇𝐻，这时即使增大，𝐼也基本恒定，源漏极电流𝐼趋向饱和，呈现出恒流特。④击穿区：如果继续增大到一定值后，源漏电极之间会发生击穿，源漏电流𝐼急剧上升，晶体管可能被损坏。MOSFET场效应管电流计算公式可以表示如下：𝑇𝐻,𝐼=0;(2-1)−𝑇𝐻,𝐼=𝜇𝑛𝐶𝑊𝐿（−𝑇𝐻）(2-2)−𝑇𝐻,𝐼=𝜇𝑛𝐶𝑊2𝐿（−𝑇𝐻）2(2-3)公式中𝑇𝐻是器件的开启电压，即器件进入开启状态时栅极的电压。C是绝缘层的单位面积电容，可以表示为C=ε/d,ε为绝缘层的介电常数，d是绝缘层厚度，W/L是器件的宽长比，𝜇𝑛是器件的场致迁移率。2.3薄膜晶体管主要性能参数（1）场效应迁移率场效应迁移率是TFT器件的重要参数。迁移率是指载流子电子与空穴在单位电场作用下的平均漂移速度，即载流子在电场用处下运动速度快慢的量度。迁移率越大，运动得越快；迁移率小，运动得慢。（2）开关比ION/IOFF开关比是TFT又一重要参数，在数值上等于器件的开态电流(Ion)与关态电流(Ioff)之比。用于显示器件时，要求开关器件处于开态时对液晶象素有较快的写入速度，从而保证对图像信号的正确显示。这就要求作为开关元件的TFT具有较高的开态电流。关态电流与充电速率和象素电荷的保持率有关，关态电阻越大，即关态电流越小，其象素电荷的维持时间越长。(3)阈值摆幅STFT的亚阈值摆幅定义为漏电流增加一个数量级所对应的栅压，可以表示S=)log(DGSIddV亚阈值摆幅S可以很直观的看出器件的栅极电压调控能力，S越大，说明调控能力越弱，即每增加一个数量级的漏电流所需要的栅压就越大。S越小，晶体管的栅压调控能力就越强。(4)阈值电压VTH当栅极上施加的电压不够高，低于某电压时，薄膜晶体管处于截止状态，源漏电流很小，也就是从源极到漏极是阻断的，几乎没有工作电流。只有当栅极电压高于某一电压值后管子才会开启，形成工作电流，这个电压称为阈值电压，或开启电压，同VTH表示。n型增强型晶体管VTHO；P型增强型晶体管VTHO。(5)栅极击穿电压在TFT晶体管中，栅极与沟道之间隔着一层绝缘层，这种结构和电容结构一样，当栅极电压或栅漏电压值超过一定限度时，就会引起绝缘层的击穿，使栅极和沟道发生短路现象。很显然，绝缘层的击穿电压与该层物质的性质和厚度有关。第三章薄膜晶体管应用3.1薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)3.1.1TFT-LCD概述薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)是液晶显示器中最重要的一种,其产值和影响力在液晶显示器家族中有着举足轻重的地位。广泛应用于电视机、笔记本电脑、监视器、手机等各个方面。TFT-LCD根据薄膜晶体管材料的不同，又分为非晶硅TFT（a-SiTFT）、多晶硅（p-SiTFT）和单晶硅MOSFET（c-SiMOSFET）,后者形成的LCD被用于LCOS（LiquidCrystalonSilcon）技术。TFT-LCD技术是微电子与液晶显示巧妙结合的一种技术。人们将在Si上进行微电子精细加工的技术，移植到在大面积玻璃上进行TFT阵列的加工，再与业已成熟的LCD技术相结合，以求不断提高产品品质，增强自动化大规模生产能力，提高合格率，降低成本，使其性能/价格比不断向CRT靠近。有源矩阵驱动的概念应追溯到1971年,由RCA的Lechner等人为克服无源LCD器件（如TN-LCD、STN-LCD）存在的对比度低、显示容量小等缺点而提出的设想。但真正的TFT开发工作是在英国Dundee大学进行的。1981年Snell等人在世界上首次试制成功了5X7点阵的TFT-LCD。随后日本等国迅速开展研究工作,相继推出TFT-LCD产品并开始商业化。1993年开始，TFT-LCD开始进入大量生产的全盛时期。3.1.2TFT-LCD工作原理在TFT-LCD中，TFT的功能就是一个开关管。常用的TFT是三端器件。在玻璃基板上制作半导体层，在两端有与之相连接的源极和漏极。并通过栅极绝缘膜，与半导体相对置，利用施加于栅极的电压来控制源漏电极间的电流。对于显示屏来说，每个像素从结构上可以看作为像素电极和共同电极之间夹一层液晶。更重要的是从电的角度可以把它看作电容。其等效电路为图1所示。要对j行i列的像素P（i,j）充电，就要把开关T（i,j）导通，对信号线D（i）施加目标电压。当像素电极被充分充电后，即使