n型薄膜晶体管(TFT)的研究进展

孙源爽 杨卿煜 李治玥

摘  要：文章详细地介绍了以IGZO TFT为主要代表的显示材料以及n型TFT的工作原理、研究进展及在其制备的过程中可能受到的限制和影响、在许多技术和领域方面的實际应用。IGZO TFT的原理和性能特点相比于其他的新型半导体材料和薄膜晶体管具有很大的技术优势，这也就使得它在大尺寸柔性液晶显示及大尺寸超高清液晶显示等电子信息领域的应用上具有巨大的潜在价值。

关键词：薄膜晶体管;n型;IGZO

中图分类号：TB34     文献标识码：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

薄膜晶体管（TFT）集成元件是一种用于由有源发光矩阵液晶显示器（LCD）和有机无源发光矩阵二极管（AMOLED）组成的显示液晶面板的一个重要关键集成元件，主要广泛用于设计和制造发光矩阵显示面板和驱动集成电路[1]。目前，传统的TFT和TFT集成元件包括非晶硅和多晶硅薄膜晶体管。但是，随着电子商业的发展和市场对高分辨率（4000×2000像素），高帧频（240Hz）和大屏幕尺寸（70英寸）的需求的增加，传统TFT中非晶硅TFT的迁移率太小，低温多晶硅的迁移率很高，但是亮度均匀性和灰度精度有些不合适，无法再满足市场需求。为了更好地追求具备高速和低功率特性的场效应晶体管，各国的科学家和电子显示器件产业已经开始研究和关注两种新型的半导体TFT：新型氧化物半导体TFT和新型有机半导体TFT显示器件。其中，氧化物半导体TFT器件包括氧化锌（ZnO）TFT，铟锌氧化物（IZO）TFT，铟镓锌氧化物（IGZO）TFT等。IGZO TFT的性能尤为出色：1.在可见光下的透射率高;2.高场效应迁移率（10cm2/Vs）;3.产品制备工艺温度低，常温下操作即可，可广泛应用于快速工业化发展的柔性液晶显示技术领域[2-3];4.制造过程比非晶硅简单，源极和漏极直接在通道中进行;5.更稳定[4]。

但是，IGZO是一种n型半导体材料，在理论和技术上几乎不可能实现p型。因此，电路功能在实现中只能使用相同的n型TFT器件，但n型TFT材料的漏电流一般较大。为了提高可靠性，现有技术通常在n型TFT的半导体层的沟道的两侧设置低浓度漏极（LDD），并通过LDD器件来减小TFT的漏电流。

一、IGZO TFT应用背景

IGZO的带隙较宽，为3.0～3.5eV。它第一次正式出现是在2004年，Hosono与Hosonomura等人在摄氏室温条件下柔性的衬底pet上制备出了一个完全透明的a-IGZO TFT，其场效应迁移率大约为10cm2/（vs），开关比为103，阈值电压约为1.5V。目前，中国大陆地区的第8.5代IGZO TFT-LCD TFT的面板生产线相继正式投入使用，其中包括京东方公司的中国重庆8.5代生产线、华星光电股份有限公司的中国深圳8.5代生产线和中电熊猫公司的重庆8.5代生产线。这使中国一举成为目前全球高世代液晶面板最大的生产和出口基地。截至2016年，中国大陆的TFT-LCD系列液晶显示面板的出货量按照生产面积划分位列全球第二，仅次于韩国，占20% 的份额，总体的高世代产业增加值规模已经超过了3000亿元，扭转了我国液晶显示面板一直以来依赖于进口的尴尬局面。到2020年为止，中国面板厂的第8.5代与第10代依然在继续使用着新一代的IGZO。实际上，从2012年至2020年，IGZO TFT-LCD显示产品的年复合产值增长率大约为50%。

虽然目前我国在推进国内液晶面板芯片驱动系统制造业的技术发展上已经处于世界前列，产生了京东方、TCL等知名企业。但是，全球液晶面板的芯片驱动系统制造业和芯片还是被美国、日本、韩国等大品牌厂商所共同控制和直接垄断。当前，智慧城市建设是我国高科技信息化发展的前沿研究方向，是未来我国智慧城市信息化建设的重要技术和发展战略方向。智慧城市的建设和实现需要大量的传感器和芯片、显示器等信息技术产品，作为半导体器件的一个重要组成部分，n型TFT在未来将大有可为。

二、TFT工作原理

TFT由一种金属—半导体绝缘器件和栅—半导体控制器件组成，是由栅极（gate electrode）、源极（source electrode）和漏极（drain electrode）共同构成的三端子控制器件。TFT器件可以分为两种n型的TFT和p型TFT，有源层的栅极和沟道一般是由多数载流子形成的一个积累层沟道所构成，多数载流子为电子时，为n型的TFT，IGZO TFT器件便是一种n型的TFT。TFT控制器件的作用和机理如同一个封闭的水闸，栅极为一个开关式的阀门，源极和漏极就如同一个水闸左右两端的沟道，其中的第一个载流子就像水流，研究者可以通过改变载流子的栅压来控制和调节有源层沟道中载流子的数量和密度。以一种n型的TFT器件为例，在有源层的栅极上可以施加一个正电压，TFT在整个器件里就可以产生一个电场，在这个漏极电场的作用下，会在这个有源层的表面上移动而形成一个漏极电子的积累层，在漏极的电压没有完全施加时，沟道是不导通的。当这个漏极的电压完全施加后，源极上的另一个电子就自然会在漏极电压的作用下通过这个积累层向沟道的漏极移动，从而形成电流。如果栅极施加的电压变大，即电场强度变大，积累层中的电子密度也会随之增大，源极和漏极之间的电流大小就会随之发生变化。

三、相关应用

（一）在复合CMOS反相器中的应用

CMOS是英文Complementary Metal Oxide Semiconductor（金屬氧化物互补半导体）的一个英文缩写。它是指制造大规模集成电路芯片时所使用的一种集成电路技术或用这种大规模的技术制造生产出来的集成电路芯片。例如，安装在电脑主板上的可读写的RAM集成电路芯片。

n型的IGZ0 TFT和p型TFT在未来可与现有的CMOS反相器进行集成[5]。该材料器件由两个分立的n型IGZ0 TFT和独立的P3HT TFT通道涂层组成，用作常见的反相单极管和CMOS反相器件。IGZO和独立的P3HT TFT的通道层都应该是在低温材料制造工艺中直接使用溶液法制造的，具有很好的低温工艺兼容性。

为了将CMOS复合集成器件应用于显示技术，必须解决TFT器件工艺与生产中的器件工艺之间的兼容性。由p型TFT和n型IGZO TFT的互补性产生的复合CMOS仍存在一些问题，但是基于全球科研人员的不断努力，n型IGZO TFT和p型TFT互补的电子产品有望在很短的时间内进入应用阶段。

（二）在ESD瞬态检测电路中的应用

静电放电（ESD）一直都是一个对集成电路的发展以及性能具有严重影响的技术和安全问题。据专家估计，在当今的各种有源静电驱动的液晶显示系统的技术中，发生的静电放电故障集成电路问题大约有40%是由于ESD引起的。另外，有源驱动的有机发光二极管显示器的技术发展也存在静电放电的障碍。

AMOLED（有源矩阵有机发光二极管）和AMLCD（主动式矩阵液晶显示器）静电放电技术发展速度相对较快，三相二极管逆变器的反馈电路结构已经开始用于整个n型TFT静电放电（ESD）的设计[6]。状态感测反馈电路非常必要。一方面，反馈给钳位设备的传感器可以更好地控制功能钳位设备和器件栅极电压的状态保持和时间，以更好地满足不同功能钳位电路的状态保护需求。另一方面，通过传感器提高每个功能钳位器件栅极电压转换的速度，可以有效保证关断，使大规模栅极电压和波形转换速度变得非常稳定，这种电路的设计非常符合基本的ESD状态检测。

（三）在紫外线传感器方面的应用

紫外线微波传感器是线性紫外线微波传感器的一种，是一种利用光敏感性传感器的元件通过光伏线的模式和光导线的模式将线性紫外线光和激光发射信号直接进行转换为一种可以直接进行测量的线性紫外线电磁波信号。紫外线衍射激光成像传感器主要原料是基于纯的二氧化硅材料，但随着我国现代科学和信息技术的不断发展，其他组成的材料也越来越丰富。

因为IGZO TFT的薄膜在紫外光的照射下其电子迁移率可能会迅速地发生明显的变化，这使其可以被应用于接受紫外光照射的传感器探测领域的各个方面。在2009年，Takechi等人研究了紫外光照射对a-IGZO TFT产生的影响，发现经紫外光照射后，TFT的关态阈值电压会出现迅速下降的异常情况，并且其中的关态阈值电流会迅速出现异常提升;而在关闭紫外光照射的瞬间，关态阈值电流会迅速下降，阈值电压也会逐渐恢复到紫外光照射之前的阈值电压水平。随后，其他学者分别设计和制备出了全新的a-IGZO TFT，并且用波长小于400纳米的紫外线照射，同时观察其响应情况，这些研究为a-IGZO TFT在紫外探测传感器领域的发展应用奠定了坚实的基础[7]。

（四）在AMOLED中的应用

用a-IGZO TFT生产的电流驱动器件比多晶IGZO TFT的器件和AMOLED的器件晚一年左右出现。2007年，Lee和LG公司率先设计和开发的由多晶IGZO TFT驱动的3.5英寸的AMOLED，显示出较高功率载流子迁移率。由于当时多晶中特殊晶体尺寸和大小所导致的严重性能限制，非晶IGZO TFT的电流驱动变得更加实用。2008年，12.1英寸的AMOLED的显示器通过直流磁控溅射技术被成功制备出来。Hajime等人也开发了11.7英寸的柔性AMOLED显示器[7]。

四、结论

笔者介绍了以IGZO TFT为代表的n型TFT的工作原理、研究进展及其应用。目前，IGZO TFT主要用于电子显示领域。LCD显示器是目前所有液晶显示器中耗电率最低的一种产品，采用了IGZO替代多晶硅半导体材料，可能会消除TFT-LCD中的多晶硅背光源。此外，随着目前低温激光退火技术在多晶硅半导体生产中的广泛使用，未来TFT-LCD的发光功率和损耗将有可能继续降低。随着IGZO的广泛使用，TFT-LCD液晶显示屏的表面有可能进一步改进，以扩展显示器的可视角度。a-IGZO TFT相比于其他的大尺寸半导体薄膜晶体管来说，具有明显的性能优势，这使得它在大尺寸柔性液晶显示及大尺寸超高清液晶显示等技术应用领域中具有巨大的潜在价值。现阶段，大部分企业在IGZO TFT前沿的相关技术方面已经具有一定的基础，但是相关产品的产业化和世界先进水平仍有一定差距。因此，国内研究机构和公司应主动关注全球IGZO技术的发展趋势，及时跟进IGZO技术的进步，制定有效且完善的辅助政策，以在IGZO技术领域中占据有利地位，促进IGZO技术的快速发展。

参考文献：

[1] Yujiro Takeda，Shunsuke Kobayashi，et al. 37‐2： Development of high mobility top gate IGZO‐TFT for OLED display.[J]. SID Symposium Digest of Technical Papers，2019，50（01）：192-198.

[2] 陈龙龙，张建华，李喜峰，石继锋，等.基于柔性PI基底的氧化物IGZO TFT器件工艺及特性研究[J].液晶与显示，2015，30（05）：796-800.

[3] 陈龙龙，孙翔，石继锋.等离子体处理对非晶IGZO柔性薄膜晶体管性能的影响[J].电子器件，2018（01）：30-35.

[4] 戴亚翔.TFT-LCD面板的驱动与设计[M[.北京：清华大学出版社，2008.

[5] 南小丽. n型IGZO TFT与p型有机TFT器件的制备及其在复合CMOS反相器中的应用[D].天津：天津大学，2014.

[6] 颜骏，吴为敬，夏兴衡.全N型TFT ESD瞬态检测电路的设计[J].天津工业大学学报，2012，31（04）：61-64.

[7] 刘腾飞.基于复合绝缘层的a-IGZO薄膜晶体管制备及其性能研究[D].成都：电子科技大学，2017.