薄膜晶体管

    未来 TFT 技术将会以高密度,高分辨率,节能化,轻便化,集成化为发展主流,从本文论述的薄膜晶体管发展 历史以及对典型 TFT 器件性能分析来看,虽然新型 OTFT,ZnO-TFT 的研究已经揭示出优良的特性,甚至有的已经 开始使用化,但实现大规模的商业化以及进一步降低成本等方面,还需要很多努力.因此在很长一段时间内将会与 硅基材料器件并存.我国大陆的显示技术处于刚开始阶段,对新型 TFT 器件的研发以及显示技术的应用带来了重大 的机遇和挑战. 相信在不久的将来, OTFT 和 ZnO-TFT 等新型器件为基础的产品会推动下一代光电子学的突飞猛进.

    薄膜晶体管是一种绝缘栅场效应晶体管.它的工作状态可以利用 Weimer 表征的单晶硅 MOSFET 工作原理来描 述.以 n 沟 MOSFET 为例.当栅极施以正电压时,栅压在栅绝缘层中产生电场,电力线由栅电极指向半导体表面,并在表面处产生感应电 荷.随着栅电压增加,半导体表面将由耗尽层转变为电子积累层,形成反型层.当达到强反型时(即达到开启电压 时) ,源,漏间加上电压就会有载流子通过沟道.当源漏电压很小时,导电沟道近似为一恒定电阻,漏电流随源漏电 压增加而线性增大. 当源漏电压很大时,它会对栅电压产生影响,使得栅绝缘层中电场由源端到漏端逐渐减弱,半导体表面反型层 中电子由源端到漏端逐渐减小,沟道电阻随着源漏电压增大而增加.漏电流增加变得缓慢,对应线性区向饱和区过 渡.当源漏电压增到一定程度,漏端反型层厚度减为零,电压在增加,器件进入饱和区.在实际 LCD 生产中,主 要利用 a-Si:H TFT 的开态(大于开启电压)对像素电容快速充电,利用关态来保持像素电容的电压,从而实现快 速响应和良好存储的统一.

    人类对 TFT 的研究工作已经有很长的历史. 早在 1925 年, Julius Edger Lilienfeld 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 136 光 子 技 术 2006 年 9 月 首次研制出有源矩阵液晶显示(AMLCD) ,并用 CdSe TFT 作为开关单元.随着多晶硅掺杂工艺的发展,1979 年 后来许多实验室都进行了将 AMLCD LeComber,Spear 和 Ghaith 用 a-Si:H 做有源层,做成如图 1 所示的 TFT 器件. 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, 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 IBM公司用一种新型的具有更高的介电常数 缘层,使该器件的驱动电压降低了 4V,迁移率达到 0.38cm2V-1 s-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 0.1 cm2V-1 s-1.Bell 实验室用并五苯单晶制得 这向有机集成 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 2.7 cm2V-1 s-1 和 1.7 cm2V-1 s-1, 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,因性能改进显着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 80 cm2V-1 s-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 这是在聚酰亚铵柔性衬底上首次研制成功了高迁移率的 ZnO-TFT, 这预示着在氧化物 TFT 子迁移率为 50 cm2V-1 s-1. 2006 年, Cheng 领域新竞争的开始. 2005 年, Chiang H Q 等人利用 ZIO 作为活性层制得开关比为 107 薄膜晶体管. H C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.