氧化鋅基薄膜晶體管的進(jìn)展與挑戰(zhàn)

◎田思野 劉作淋 肖丹 胡小強(qiáng) 周路＊

透明電子學(xué)由于其優(yōu)異的電學(xué)性能在下一代高性能平板顯示應(yīng)用中受到了廣泛的關(guān)注和研究。在顯示應(yīng)用中，薄膜晶體管(TFT)作為控制像素的基本單元發(fā)揮著重要作用。其中，基于氧化物的TFT具有高遷移率，良好的透明性，優(yōu)異的均勻性和較低的加工溫度，已成為有前途的候選材料，并逐漸取代了常規(guī)的非晶態(tài)和多晶硅TFT。本論文簡(jiǎn)要介紹了TFT器件的結(jié)構(gòu)和工作原理，討論了氧化鋅基TFT的當(dāng)前問(wèn)題和挑戰(zhàn)。

引言：透明氧化物半導(dǎo)體具有巨大的潛在應(yīng)用，例如太陽(yáng)能電池，固態(tài)傳感器，平板顯示器，智能窗，電致變色器，可穿透性的電子設(shè)備。通過(guò)使用高性能透明氧化物半導(dǎo)體，可以實(shí)現(xiàn)具有更高像素密度(更高分辨率)和更高刷新頻率的透明顯示器。此外，可以通過(guò)使用透明氧化物半導(dǎo)體來(lái)構(gòu)建節(jié)能顯示器，這使人可以像玻璃一樣直視面板，并且由于消除了背光，其功耗也減少了90%。因此，氧化物電子器件是非晶硅和有機(jī)半導(dǎo)體的有希望的替代品，可用于構(gòu)建更可靠的薄膜晶體管和更復(fù)雜的電子電路，從而應(yīng)對(duì)超高分辨率，超大尺寸，低成本和環(huán)保的電子產(chǎn)品的挑戰(zhàn)。

一、TFT器件的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.TFT器件的結(jié)構(gòu)。TFT是三端的場(chǎng)效應(yīng)器件，其工作原理在操作和組成層方面與其他場(chǎng)效應(yīng)器件非常相似，例如MOSFET。這三個(gè)端子分別稱(chēng)為源極，漏極和柵極。當(dāng)在MOSFET的柵電極上施加電壓時(shí)，載流子會(huì)注入到電介質(zhì)/半導(dǎo)體界面附近，與柵電介質(zhì)和半導(dǎo)體一起形成平行板電容器結(jié)構(gòu)。然后，通過(guò)調(diào)制半導(dǎo)體通道(稱(chēng)為場(chǎng)效應(yīng))來(lái)控制兩個(gè)電極(源極和漏極)之間的電流。與MOSFET不同，TFT的源極和漏極區(qū)域沒(méi)有p-n結(jié)，并且調(diào)制是通過(guò)積累層實(shí)現(xiàn)的，而在MOSFET中，必須在靠近介電/半導(dǎo)體界面的地方形成反轉(zhuǎn)區(qū)域。另外，這兩個(gè)器件的襯底材料和制造溫度也很不同。

TFT的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，可根據(jù)柵電極的位置分為頂柵(TG)和底柵(BG)類(lèi)型。對(duì)于每種類(lèi)型，可以根據(jù)三個(gè)電極相對(duì)于半導(dǎo)體的相對(duì)位置進(jìn)一步分為共面(C)和交錯(cuò)(S)類(lèi)型。對(duì)于C-TG和C-BGTFT結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體/電介質(zhì)界面直接接觸源極和漏極，表明電流在單個(gè)平面中水平降低。相反，對(duì)于S-TG和S-BG結(jié)構(gòu)，源極和漏極接觸半導(dǎo)體/電介質(zhì)界面的相對(duì)側(cè)，這表明電流在兩個(gè)平面中較低：垂直于溝道，然后從水平方向從源極流向漏極。

圖1 TFT的典型結(jié)構(gòu)

2.TFT器件工作原理。如圖2所示，可以從TFT的輸出和轉(zhuǎn)移特性曲線中提取一些重要參數(shù)來(lái)評(píng)估器件特性，包括電流開(kāi)關(guān)比、閾值電壓、開(kāi)啟電壓、亞閾值擺幅和遷移率。（1）開(kāi)/關(guān)電流比。通/斷電流比(ION/IOFF)通常定義為最大IDS與最小IDS之比(通常在飽和區(qū)域)，可以從傳輸特性曲線中提取出來(lái)。通常，對(duì)于數(shù)字電路，該值大于106或更大，但是對(duì)于模擬電路，該值104已足夠。（2）閾值電壓。閾值電壓(VTH)是在TFT中介電層/有源層界面附近形成的累積層或?qū)щ娡ǖ罆r(shí)的VGS值。在氧化鋅基TFT中，如果VTH為正/負(fù)，則指定器件以增強(qiáng)/耗盡模式工作。增強(qiáng)型設(shè)備和耗盡型設(shè)備均可在電路中使用，但最好使用增強(qiáng)模式，因?yàn)椴恍枰~外的VGS來(lái)導(dǎo)通晶體管，從而簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)并降低了功耗。（3）開(kāi)啟電壓。導(dǎo)通電壓（VON）簡(jiǎn)單地定義為用于漏極電流傳導(dǎo)的VGS，簡(jiǎn)單地對(duì)應(yīng)于IDS-VGS對(duì)數(shù)圖中所示IDS開(kāi)始增加的VGS或TFT完全關(guān)閉時(shí)所對(duì)應(yīng)的的VGS。（4）亞閾值擺幅。亞閾值擺幅(SS)是一個(gè)重要參數(shù)，它指示晶體管的開(kāi)關(guān)效率。SS與介電/半導(dǎo)體界面的質(zhì)量直接相關(guān)，并被定義為傳輸特性最大斜率的倒數(shù)，并且由將IDS增加十倍所需的VGS決定。SS值越低，操作速度越快，功耗也越低。（5）遷移率。遷移率(μFE)是與材料中載流子傳輸效率有關(guān)的參數(shù)，它直接影響最大IDS和設(shè)備的工作頻率。遷移率受多種散射機(jī)制的影響，包括晶格振動(dòng)、離子雜質(zhì)、晶界、界面表面粗糙度、晶格應(yīng)變和其他結(jié)構(gòu)缺陷以及速度飽和和電子俘獲。結(jié)果，溝道遷移率可能不是恒定的，并且可能隨VDS和VGS的變化而變化。在實(shí)際的TFT中，遷移率隨電壓而變化需要定義幾種類(lèi)型：有效遷移率、場(chǎng)效應(yīng)遷移率和飽和遷移率。因此，μFE因其計(jì)算簡(jiǎn)單而成為評(píng)估TFT性能的最廣泛使用的參數(shù)。

圖2氧化鋅基TFT的典型輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線

二、氧化鋅基TFT的當(dāng)前問(wèn)題和挑戰(zhàn)

在過(guò)去的幾十年中，在n型氧化鋅基TFT的研究領(lǐng)域中已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步。但是，仍然存在一些問(wèn)題和挑戰(zhàn)：1.工藝溫度是影響TFT批量生產(chǎn)的重要因素，特別是對(duì)于易彎曲的塑料基板上的TFT。盡管已經(jīng)成功地采用了幾種低溫方法來(lái)制造n型氧化物膜，但是它們?nèi)匀浑y以應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)中。2.為了實(shí)現(xiàn)新型的大面積且具有低成本的應(yīng)用，例如可折疊和可打印的顯示器，一次性智能標(biāo)簽和智能包裝，真空處理技術(shù)需要被具有更高吞吐量的連續(xù)過(guò)程所取代。3.在未來(lái)的研究方向上，需要解決幾個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，包括高斷態(tài)電流，高界面缺陷/狀態(tài)和低遷移率。4.盡管已經(jīng)進(jìn)行了一些基于計(jì)算機(jī)的材料設(shè)計(jì)仿真并得到了報(bào)告，但是應(yīng)該對(duì)具有潛在更高的空穴遷移率和易于進(jìn)行n型摻雜的潛在n型氧化物材料進(jìn)行更多的計(jì)算研究。

三、總結(jié)

過(guò)去十年見(jiàn)證了n型氧化鋅基半導(dǎo)體和相關(guān)光電子設(shè)備的巨大進(jìn)步。在這篇綜述中，我們說(shuō)明并討論了用于n型TFT的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理，氧化鋅基TFT原則上在許多已討論的應(yīng)用中具有重要潛力，包括低功率電子設(shè)備，透明/柔性電子設(shè)備，高性能顯示應(yīng)用等。盡管仍有很多工作要做，但是最近幾年該領(lǐng)域的發(fā)展速度已經(jīng)加快，這表明基于n型氧化鋅基的TFT技術(shù)將在未來(lái)的電子場(chǎng)景中發(fā)揮關(guān)鍵作用。