n型薄膜晶體管(TFT)的研究進(jìn)展

孫源爽 楊卿煜 李治玥

摘 ?要：文章詳細(xì)地介紹了以IGZO TFT為主要代表的顯示材料以及n型TFT的工作原理、研究進(jìn)展及在其制備的過(guò)程中可能受到的限制和影響、在許多技術(shù)和領(lǐng)域方面的實(shí)際應(yīng)用。IGZO TFT的原理和性能特點(diǎn)相比于其他的新型半導(dǎo)體材料和薄膜晶體管具有很大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，這也就使得它在大尺寸柔性液晶顯示及大尺寸超高清液晶顯示等電子信息領(lǐng)域的應(yīng)用上具有巨大的潛在價(jià)值。

關(guān)鍵詞：薄膜晶體管;n型;IGZO

中圖分類號(hào)：TB34 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19881/j.cnki.1006-3676.2020.12.11

Abstract：This article introduces some principles and research progress of n-type TFT represented by IGZO TFT，the impact on them in the preparation process，and its application in many fields. Compared with other semiconductor and the corresponding thin film transistors，the performance of IGZO TFT has great advantages，the advantages make it have great potential application value in the technical fields of flexible display and large-size ultra-high-definition display.

Key words：Thin film transistor;n-type;IGZO

薄膜晶體管（TFT）集成元件是一種用于由有源發(fā)光矩陣液晶顯示器（LCD）和有機(jī)無(wú)源發(fā)光矩陣二極管（AMOLED）組成的顯示液晶面板的一個(gè)重要關(guān)鍵集成元件，主要廣泛用于設(shè)計(jì)和制造發(fā)光矩陣顯示面板和驅(qū)動(dòng)集成電路[1]。目前，傳統(tǒng)的TFT和TFT集成元件包括非晶硅和多晶硅薄膜晶體管。但是，隨著電子商業(yè)的發(fā)展和市場(chǎng)對(duì)高分辨率（4000×2000像素），高幀頻（240Hz）和大屏幕尺寸（70英寸）的需求的增加，傳統(tǒng)TFT中非晶硅TFT的遷移率太小，低溫多晶硅的遷移率很高，但是亮度均勻性和灰度精度有些不合適，無(wú)法再滿足市場(chǎng)需求。為了更好地追求具備高速和低功率特性的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，各國(guó)的科學(xué)家和電子顯示器件產(chǎn)業(yè)已經(jīng)開(kāi)始研究和關(guān)注兩種新型的半導(dǎo)體TFT：新型氧化物半導(dǎo)體TFT和新型有機(jī)半導(dǎo)體TFT顯示器件。其中，氧化物半導(dǎo)體TFT器件包括氧化鋅（ZnO）TFT，銦鋅氧化物（IZO）TFT，銦鎵鋅氧化物（IGZO）TFT等。IGZO TFT的性能尤為出色：1.在可見(jiàn)光下的透射率高;2.高場(chǎng)效應(yīng)遷移率（10cm2/Vs）;3.產(chǎn)品制備工藝溫度低，常溫下操作即可，可廣泛應(yīng)用于快速工業(yè)化發(fā)展的柔性液晶顯示技術(shù)領(lǐng)域[2-3];4.制造過(guò)程比非晶硅簡(jiǎn)單，源極和漏極直接在通道中進(jìn)行;5.更穩(wěn)定[4]。

但是，IGZO是一種n型半導(dǎo)體材料，在理論和技術(shù)上幾乎不可能實(shí)現(xiàn)p型。因此，電路功能在實(shí)現(xiàn)中只能使用相同的n型TFT器件，但n型TFT材料的漏電流一般較大。為了提高可靠性，現(xiàn)有技術(shù)通常在n型TFT的半導(dǎo)體層的溝道的兩側(cè)設(shè)置低濃度漏極（LDD），并通過(guò)LDD器件來(lái)減小TFT的漏電流。

一、IGZO TFT應(yīng)用背景

IGZO的帶隙較寬，為3.0～3.5eV。它第一次正式出現(xiàn)是在2004年，Hosono與Hosonomura等人在攝氏室溫條件下柔性的襯底pet上制備出了一個(gè)完全透明的a-IGZO TFT，其場(chǎng)效應(yīng)遷移率大約為10cm2/（vs），開(kāi)關(guān)比為103，閾值電壓約為1.5V。目前，中國(guó)大陸地區(qū)的第8.5代IGZO TFT-LCD TFT的面板生產(chǎn)線相繼正式投入使用，其中包括京東方公司的中國(guó)重慶8.5代生產(chǎn)線、華星光電股份有限公司的中國(guó)深圳8.5代生產(chǎn)線和中電熊貓公司的重慶8.5代生產(chǎn)線。這使中國(guó)一舉成為目前全球高世代液晶面板最大的生產(chǎn)和出口基地。截至2016年，中國(guó)大陸的TFT-LCD系列液晶顯示面板的出貨量按照生產(chǎn)面積劃分位列全球第二，僅次于韓國(guó)，占20% 的份額，總體的高世代產(chǎn)業(yè)增加值規(guī)模已經(jīng)超過(guò)了3000億元，扭轉(zhuǎn)了我國(guó)液晶顯示面板一直以來(lái)依賴于進(jìn)口的尷尬局面。到2020年為止，中國(guó)面板廠的第8.5代與第10代依然在繼續(xù)使用著新一代的IGZO。實(shí)際上，從2012年至2020年，IGZO TFT-LCD顯示產(chǎn)品的年復(fù)合產(chǎn)值增長(zhǎng)率大約為50%。

雖然目前我國(guó)在推進(jìn)國(guó)內(nèi)液晶面板芯片驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)制造業(yè)的技術(shù)發(fā)展上已經(jīng)處于世界前列，產(chǎn)生了京東方、TCL等知名企業(yè)。但是，全球液晶面板的芯片驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)制造業(yè)和芯片還是被美國(guó)、日本、韓國(guó)等大品牌廠商所共同控制和直接壟斷。當(dāng)前，智慧城市建設(shè)是我國(guó)高科技信息化發(fā)展的前沿研究方向，是未來(lái)我國(guó)智慧城市信息化建設(shè)的重要技術(shù)和發(fā)展戰(zhàn)略方向。智慧城市的建設(shè)和實(shí)現(xiàn)需要大量的傳感器和芯片、顯示器等信息技術(shù)產(chǎn)品，作為半導(dǎo)體器件的一個(gè)重要組成部分，n型TFT在未來(lái)將大有可為。

二、TFT工作原理

TFT由一種金屬—半導(dǎo)體絕緣器件和柵—半導(dǎo)體控制器件組成，是由柵極（gate electrode）、源極（source electrode）和漏極（drain electrode）共同構(gòu)成的三端子控制器件。TFT器件可以分為兩種n型的TFT和p型TFT，有源層的柵極和溝道一般是由多數(shù)載流子形成的一個(gè)積累層溝道所構(gòu)成，多數(shù)載流子為電子時(shí)，為n型的TFT，IGZO TFT器件便是一種n型的TFT。TFT控制器件的作用和機(jī)理如同一個(gè)封閉的水閘，柵極為一個(gè)開(kāi)關(guān)式的閥門，源極和漏極就如同一個(gè)水閘左右兩端的溝道，其中的第一個(gè)載流子就像水流，研究者可以通過(guò)改變載流子的柵壓來(lái)控制和調(diào)節(jié)有源層溝道中載流子的數(shù)量和密度。以一種n型的TFT器件為例，在有源層的柵極上可以施加一個(gè)正電壓，TFT在整個(gè)器件里就可以產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，在這個(gè)漏極電場(chǎng)的作用下，會(huì)在這個(gè)有源層的表面上移動(dòng)而形成一個(gè)漏極電子的積累層，在漏極的電壓沒(méi)有完全施加時(shí)，溝道是不導(dǎo)通的。當(dāng)這個(gè)漏極的電壓完全施加后，源極上的另一個(gè)電子就自然會(huì)在漏極電壓的作用下通過(guò)這個(gè)積累層向溝道的漏極移動(dòng)，從而形成電流。如果柵極施加的電壓變大，即電場(chǎng)強(qiáng)度變大，積累層中的電子密度也會(huì)隨之增大，源極和漏極之間的電流大小就會(huì)隨之發(fā)生變化。

三、相關(guān)應(yīng)用

（一）在復(fù)合CMOS反相器中的應(yīng)用

CMOS是英文Complementary Metal Oxide Semiconductor（金屬氧化物互補(bǔ)半導(dǎo)體）的一個(gè)英文縮寫。它是指制造大規(guī)模集成電路芯片時(shí)所使用的一種集成電路技術(shù)或用這種大規(guī)模的技術(shù)制造生產(chǎn)出來(lái)的集成電路芯片。例如，安裝在電腦主板上的可讀寫的RAM集成電路芯片。

n型的IGZ0 TFT和p型TFT在未來(lái)可與現(xiàn)有的CMOS反相器進(jìn)行集成[5]。該材料器件由兩個(gè)分立的n型IGZ0 TFT和獨(dú)立的P3HT TFT通道涂層組成，用作常見(jiàn)的反相單極管和CMOS反相器件。IGZO和獨(dú)立的P3HT TFT的通道層都應(yīng)該是在低溫材料制造工藝中直接使用溶液法制造的，具有很好的低溫工藝兼容性。

為了將CMOS復(fù)合集成器件應(yīng)用于顯示技術(shù)，必須解決TFT器件工藝與生產(chǎn)中的器件工藝之間的兼容性。由p型TFT和n型IGZO TFT的互補(bǔ)性產(chǎn)生的復(fù)合CMOS仍存在一些問(wèn)題，但是基于全球科研人員的不斷努力，n型IGZO TFT和p型TFT互補(bǔ)的電子產(chǎn)品有望在很短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入應(yīng)用階段。

（二）在ESD瞬態(tài)檢測(cè)電路中的應(yīng)用

靜電放電（ESD）一直都是一個(gè)對(duì)集成電路的發(fā)展以及性能具有嚴(yán)重影響的技術(shù)和安全問(wèn)題。據(jù)專家估計(jì)，在當(dāng)今的各種有源靜電驅(qū)動(dòng)的液晶顯示系統(tǒng)的技術(shù)中，發(fā)生的靜電放電故障集成電路問(wèn)題大約有40%是由于ESD引起的。另外，有源驅(qū)動(dòng)的有機(jī)發(fā)光二極管顯示器的技術(shù)發(fā)展也存在靜電放電的障礙。

AMOLED（有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管）和AMLCD（主動(dòng)式矩陣液晶顯示器）靜電放電技術(shù)發(fā)展速度相對(duì)較快，三相二極管逆變器的反饋電路結(jié)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)始用于整個(gè)n型TFT靜電放電（ESD）的設(shè)計(jì)[6]。狀態(tài)感測(cè)反饋電路非常必要。一方面，反饋給鉗位設(shè)備的傳感器可以更好地控制功能鉗位設(shè)備和器件柵極電壓的狀態(tài)保持和時(shí)間，以更好地滿足不同功能鉗位電路的狀態(tài)保護(hù)需求。另一方面，通過(guò)傳感器提高每個(gè)功能鉗位器件柵極電壓轉(zhuǎn)換的速度，可以有效保證關(guān)斷，使大規(guī)模柵極電壓和波形轉(zhuǎn)換速度變得非常穩(wěn)定，這種電路的設(shè)計(jì)非常符合基本的ESD狀態(tài)檢測(cè)。

（三）在紫外線傳感器方面的應(yīng)用

紫外線微波傳感器是線性紫外線微波傳感器的一種，是一種利用光敏感性傳感器的元件通過(guò)光伏線的模式和光導(dǎo)線的模式將線性紫外線光和激光發(fā)射信號(hào)直接進(jìn)行轉(zhuǎn)換為一種可以直接進(jìn)行測(cè)量的線性紫外線電磁波信號(hào)。紫外線衍射激光成像傳感器主要原料是基于純的二氧化硅材料，但隨著我國(guó)現(xiàn)代科學(xué)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，其他組成的材料也越來(lái)越豐富。

因?yàn)镮GZO TFT的薄膜在紫外光的照射下其電子遷移率可能會(huì)迅速地發(fā)生明顯的變化，這使其可以被應(yīng)用于接受紫外光照射的傳感器探測(cè)領(lǐng)域的各個(gè)方面。在2009年，Takechi等人研究了紫外光照射對(duì)a-IGZO TFT產(chǎn)生的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)紫外光照射后，TFT的關(guān)態(tài)閾值電壓會(huì)出現(xiàn)迅速下降的異常情況，并且其中的關(guān)態(tài)閾值電流會(huì)迅速出現(xiàn)異常提升;而在關(guān)閉紫外光照射的瞬間，關(guān)態(tài)閾值電流會(huì)迅速下降，閾值電壓也會(huì)逐漸恢復(fù)到紫外光照射之前的閾值電壓水平。隨后，其他學(xué)者分別設(shè)計(jì)和制備出了全新的a-IGZO TFT，并且用波長(zhǎng)小于400納米的紫外線照射，同時(shí)觀察其響應(yīng)情況，這些研究為a-IGZO TFT在紫外探測(cè)傳感器領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[7]。

（四）在AMOLED中的應(yīng)用

用a-IGZO TFT生產(chǎn)的電流驅(qū)動(dòng)器件比多晶IGZO TFT的器件和AMOLED的器件晚一年左右出現(xiàn)。2007年，Lee和LG公司率先設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的由多晶IGZO TFT驅(qū)動(dòng)的3.5英寸的AMOLED，顯示出較高功率載流子遷移率。由于當(dāng)時(shí)多晶中特殊晶體尺寸和大小所導(dǎo)致的嚴(yán)重性能限制，非晶IGZO TFT的電流驅(qū)動(dòng)變得更加實(shí)用。2008年，12.1英寸的AMOLED的顯示器通過(guò)直流磁控濺射技術(shù)被成功制備出來(lái)。Hajime等人也開(kāi)發(fā)了11.7英寸的柔性AMOLED顯示器[7]。

四、結(jié)論

筆者介紹了以IGZO TFT為代表的n型TFT的工作原理、研究進(jìn)展及其應(yīng)用。目前，IGZO TFT主要用于電子顯示領(lǐng)域。LCD顯示器是目前所有液晶顯示器中耗電率最低的一種產(chǎn)品，采用了IGZO替代多晶硅半導(dǎo)體材料，可能會(huì)消除TFT-LCD中的多晶硅背光源。此外，隨著目前低溫激光退火技術(shù)在多晶硅半導(dǎo)體生產(chǎn)中的廣泛使用，未來(lái)TFT-LCD的發(fā)光功率和損耗將有可能繼續(xù)降低。隨著IGZO的廣泛使用，TFT-LCD液晶顯示屏的表面有可能進(jìn)一步改進(jìn)，以擴(kuò)展顯示器的可視角度。a-IGZO TFT相比于其他的大尺寸半導(dǎo)體薄膜晶體管來(lái)說(shuō)，具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)，這使得它在大尺寸柔性液晶顯示及大尺寸超高清液晶顯示等技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中具有巨大的潛在價(jià)值。現(xiàn)階段，大部分企業(yè)在IGZO TFT前沿的相關(guān)技術(shù)方面已經(jīng)具有一定的基礎(chǔ)，但是相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化和世界先進(jìn)水平仍有一定差距。因此，國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)和公司應(yīng)主動(dòng)關(guān)注全球IGZO技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，及時(shí)跟進(jìn)IGZO技術(shù)的進(jìn)步，制定有效且完善的輔助政策，以在IGZO技術(shù)領(lǐng)域中占據(jù)有利地位，促進(jìn)IGZO技術(shù)的快速發(fā)展。

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