薄膜電晶體[場效應電晶體的種類之一]

薄膜電晶體是場效應電晶體的種類之一，大略的製作方式是在基板上沉積各種不同的薄膜，如半導體主動層、介電層和金屬電極層。薄膜電晶體對顯示器件的工作性能具有十分重要的作用.

歷史及現狀

人類對 TFT 的研究工作已經有很長的歷史. 早在 1925 年, Julius Edger Lilienfeld 首次提出結型場效應電晶體 (FET) 的基本定律,開闢了對固態放大器的研究.1933 年,Lilienfeld 又將絕緣柵結構引進場效應電晶體(後來被稱為 MISFET).1962 年,Weimer 用多晶 CaS 薄膜做成 TFT;隨後,又湧現了用 CdSe,InSb,Ge 等半導體材料做成的 TFT 器件.二十世紀六十年代,基於低費用,大陣列顯示的實際需求,TFT 的研究廣為興起.1973 年,Brody 等人首次研製出有源矩陣液晶顯示(AMLCD) ,並用 CdSe TFT 作為開關單元.隨著多晶矽摻雜工藝的發展,1979 年 後來許多實驗室都進行了將 AMLCD LeComber,Spear 和 Ghaith 用 a-Si:H 做有源層,做成如圖 1 所示的 TFT 器件. 以玻璃為襯底的研究.二十世紀八十年代,矽基 TFT 在 AMLCD 中有著極重要的地位,所做成的產品占據了市場絕 大部分份額.1986 年 Tsumura 等人首次用聚噻吩為半導體材料製備了有機薄膜電晶體(OTFT) ,OTFT 技術從此開 始得到發展.九十年代,以有機半導體材料作為活性層成為新的研究熱點.由於在製造工藝和成本上的優勢,OTFT 被認為將來極可能套用在 LCD,OLED 的驅動中.近年來,OTFT 的研究取得了突破性的進展.1996 年,飛利浦公 司採用多層薄膜疊合法製作了一塊 15 微克變成碼發生器(PCG) ;即使當薄膜嚴重扭曲,仍能正常工作.1998 年, 的無定型金屬氧化物鋯酸鋇作為並五苯有機薄膜電晶體的柵絕 IBM公司用一種新型的具有更高的介電常數 緣層,使該器件的驅動電壓降低了 4V,遷移率達到 0.38cm2V-1 s-1.1999 年,Bell實驗室的 Katz 和他的研究小組制 得了在室溫下空氣中能穩定存在的噻吩薄膜,並使器件的遷移率達到 0.1 cm2V-1 s-1.Bell 實驗室用並五苯單晶製得 這向有機集成 了一種雙極型有機薄膜電晶體, 該器件對電子和空穴的遷移率分別達到 2.7 cm2V-1 s-1 和 1.7 cm2V-1 s-1, 電路的實際套用邁出了重要的一步.最近幾年,隨著透明氧化物研究的深入,以 ZnO,ZIO 等半導體材料作為活性 層製作薄膜電晶體,因性能改進顯著也吸引了越來越多的興趣.器件製備工藝很廣泛,比如:MBE,CVD,PLD 等, 均有研究.ZnO-TFT 技術也取得了突破性進展.2003 年,Nomura等人使用單晶 InGaO3 (ZnO)5 獲得了遷移率為 80 cm2V-1 s-1 的 TFT 器件.美國杜邦公司採用真空蒸鍍和掩膜擋板技術在聚醯亞銨柔性襯底上開發了 ZnO-TFT,電 這是在聚醯亞銨柔性襯底上首次研製成功了高遷移率的 ZnO-TFT, 這預示著在氧化物 TFT 子遷移率為 50 cm2V-1 s-1. 2006 年, Cheng 領域新競爭的開始. 2005 年, Chiang H Q 等人利用 ZIO 作為活性層製得開關比為 107 薄膜電晶體. H C等人利用 CBD 方法製得開關比為 105 ,遷移率為 0.248cm2V-1s-1 的 TFT,這也顯示出實際套用的可能.

原理

薄膜電晶體是一種絕緣柵場效應電晶體.它的工作狀態可以利用 Weimer 表征的單晶矽 MOSFET 工作原理來描 述.以 n 溝 MOSFET 為例,物理結構如圖 2. 當柵極施以正電壓時,柵壓在柵絕緣層中產生電場,電力線由柵電極指向半導體表面,並在表面處產生感應電 荷.隨著柵電壓增加,半導體表面將由耗盡層轉變為電子積累層,形成反型層.當達到強反型時(即達到開啟電壓 時) ,源,漏間加上電壓就會有載流子通過溝道.當源漏電壓很小時,導電溝道近似為一恆定電阻,漏電流隨源漏電 壓增加而線性增大. 當源漏電壓很大時,它會對柵電壓產生影響,使得柵絕緣層中電場由源端到漏端逐漸減弱,半導體表面反型層 中電子由源端到漏端逐漸減小,溝道電阻隨著源漏電壓增大而增加.漏電流增加變得緩慢,對應線性區向飽和區過 渡.當源漏電壓增到一定程度,漏端反型層厚度減為零,電壓在增加,器件進入飽和區.在實際 LCD 生產中,主 要利用 a-Si:H TFT 的開態(大於開啟電壓)對像素電容快速充電,利用關態來保持像素電容的電壓,從而實現快 速回響和良好存儲的統一.

發展前景

未來 TFT 技術將會以高密度,高解析度,節能化,輕便化,集成化為發展主流,從本文論述的薄膜電晶體發展 歷史以及對典型 TFT 器件性能分析來看,雖然新型 OTFT,ZnO-TFT 的研究已經揭示出優良的特性,甚至有的已經 開始使用化,但實現大規模的商業化以及進一步降低成本等方面,還需要很多努力.因此在很長一段時間內將會與 矽基材料器件並存.我國大陸的顯示技術處於剛開始階段,對新型 TFT 器件的研發以及顯示技術的套用帶來了重大 的機遇和挑戰. 相信在不久的將來, OTFT 和 ZnO-TFT 等新型器件為基礎的產品會推動下一代光電子學的突飛猛進.

概念

TFT是在基板 (如是套用在液晶顯示器，則基板大多使用玻璃) 上沉積一層薄膜當做通道區。

大部份的TFT是使用氫化非晶矽 (a-Si:H) 當主要材料，因為它的能階小於單晶矽 (Eg =1.12eV)，也因為使用a-Si:H當主要材料，所以TFT大多不是透明的。另外，TFT常在介電、電極及內部接線使用銦錫氧化物 (ITO) ，ITO則是透明的材料。

因為TFT基板不能忍受高的退火溫度，所以全部的沉積製程必須在相對低溫下進行。如化學氣相沉積、物理氣相沉積 (大多使用濺鍍技術) 都是常使用的沉積製程。如要製作透明的TFT，第一個被研究出來的方法是使用氧化鋅材料，此項技術由奧勒崗州立大學的研究員於2003年時發表。

很多人都知道薄膜電晶體主要的套用是TFT LCD，液晶顯示器技術的一種。電晶體被製作在面板里，這樣可以減少各pixel間的互相干擾並增畫面穩定度。大略是從2004年開始，大部份便宜的彩色LCD螢幕都是使用TFT技術的。連在乳線和癌症X-ray檢查的數位X-ray攝影技術上也常使用TFT面板。

新的AMOLED (主動陣列OLED) 螢幕也內建了TFT層。