7薄膜晶体管器件结构

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复习：静电场中的电介质( (cont.) )
电介质情况：
++++++++++++
E0
端面出现电荷
- ----- -++++++++
E
----------------－ “ 束 缚 电 荷 ” （ bound charge ） 或 “极化电荷”。 束缚电荷的电场 E′ 不能全部抵消 E0 ，只能削弱总 场E. E
+
加外电场：外场取向与热混乱运动 达到平衡。
+ + + +
+ + + +
+ + + +
+ + E外 + +
极化的效果：端面出现束缚电荷
复习：静电场中的电介质(cont.)
电极化强度 (Polarization intensity ） 如何表征？
—表征电介质极化程度 电极化强度：电介质中某点附近单位体积内分子电偶极矩的矢量和
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复习：静电场中的电介质( (cont.) )
电介质的极化 ( (Polarization) ) 在外电场作用下，电介质表面出现正负电荷 层的现象—电极化 无极分子位移极化 极化机制 有极分子取向极化
复习：静电场中的电介质(cont.)
无极分子的位移极化
无外电场：正负电荷重心重合，介质不带电 加外电场：
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复习：电介质( (cont.) )
极性电介质—有极分子( (Polar molecule) )
分子正负电重心不重合 有固有电偶极矩
例如 HCl、 H2O、CO
H
.
O .
H2O
O
.
H
+H
30 C·m ~ 10–30 C
p
+H
固有电偶极矩
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复习：电介质( (cont.) )
非极性电介质—无极分子 (Nonpolar molecule)

E0
r
,
U Ed
Qd
0 r S

U 0
r
Q 0 r S C U d
电介质减弱了极板间的电场和电势差，电容增加到r 倍。
Leakage Mechanism in Dielectric
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Leakage Mechanism in Dielectric (cont.) (cont )
Ionic Conduction
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Leakage Mechanism in Dielectric (cont.) (cont )
Space Charge Limited Conduction (SCLC)
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Leakage Mechanism in Dielectric (cont.)
Turneling and Internal Field Emission
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Silicon Nitride
- However, the silicon nitride films prepared by PECVD are always in amorphous structure. 24
Silicon Nitride (cont (cont.) )
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Silicon Oxide
分子正负电中心重合 无固有电偶极
例如 H2、O2、CO2、CH4
H H
C
H
+H +H
C
+H
H
+H
CH4
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复习：静电场中的电介质
+Q E0 U0 -Q +Q
电介质
E，U -Q
电场被削弱：
E
E0
r
, U
U0
r
r 1 —相对介电常数
变压器油： r～2.24 变压器油 2 24 钛酸钡： r～103—104 铁电体
从金属的电子理论导出了欧姆定律的微分形 式，而且得到了电导率的表达式。 从电导率表达式知：电导率与自由电子的密 度成正比，与电子的平均自由程成正比；还定性地 说明了温度升高 电导率下降的原因 说明了温度升高，电导率下降的原因。
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则平均漂移速度 电流密度为
v eE / v me

Requirements for Electrodes in TFTs
• • • • • • Low Resistance Forming Ohmic Contact with active‐layers Optimized Transparency High deposition rate and uniformity Good etching properties Environmental Protection
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Leakage Mechanism in Dielectric (cont.)
Schottky Emission and Poole-Frenkel Emission
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Leakage Mechanism in Dielectric (cont.)
Ohmic Conduction
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Requirements for Insulators in TFTs
P 0e E , e r 1
e电极化率（介质性质，与场无关）
wk.baidu.comr
介质中的总场强(外电场＋束缚电荷电场) E
相对介电常数
只讨论各向同性 线性电介质 只讨论各向同性、线性电介质。
复习：电容
平板电容器
d
S
+Q
D
r
Q D＝ S D Q E
-Q
0 r 0 r S
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复习：金属导电理论 (cont.)
金属中的离子与自由电子示意图 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
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复习：金属导电理论 (cont.)
金属中的自由电子在电场中的运动 当金属中有电场时，每个自由电子都因受 到电场力的作用而加速，即在无规则的热运动上 叠加 个定向运动 叠加一个定向运动。 自由电子在运动过程中频繁地与晶格碰撞， 碰后电子向各个方向运动的几率相等。因此可认 为每个电子在相邻两次碰撞间做初速为零匀加速 直线运动。 大量自由电子的统计平均，就是以平均定 向漂移速度 v 逆着电场线漂移。
作为电极材料特性 • Al 的優點： Low resistivity Low cost High adhesion • Al 的缺點： Poor thermostablity Electromigration Voids
Hillock
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Hillock 成因 & 改善方式
• 成因:
在回火過程中, 鋁金屬薄膜(23.6*10-6/℃)與玻璃基板(0.4*10-6/℃)間 之熱膨脹係數不同, 在介面間產生壓縮應力, 而Hillock 即是要釋放 此應力所產生
大学本科必修课：《薄膜晶体管原理及应用》第7讲
薄膜晶体管器件结构
任课教师：董承远 上海交通大学电子工程系 2015‐4‐20
Structure of a‐Si TFTs & p‐Si TFTs
• • • •
半导体材料 绝缘材料 电极材料 玻璃基板
组合
TFT器件
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器件特性和制造工艺等
Review: Classification of Solids
•防止方法:
中斷應力之連續生成 即加入不同材質, 中斷應力之連續生成, 即加入不同材質 例如Nd, 例如Nd Ta,W…. Ta W…
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Nd的理化性質
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Hillocks at Thin Film Surface
- To prevent hillocks formed at Al Al-Nd Nd thin film surface surface, we may deposit another layer e.g. Mo-Nb on the metal.
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复习：金属导电理论 (cont.)
设导体内的恒定场强为 E ，则电子的加速度为 则电子的加速度为
a F / me eE / me
电子两次碰撞的时间间隔为t ，上次碰撞后的初速 度为 v0 ，则 则 从金属的电子理论导出欧姆定律的微分形式
v v0 eEt / me v eEt / me
• • • • • • Excellent isolation property Optimized dielectric constant Excellent interface property with active layer Good deposition uniformity High deposition rate Good Etching Properties
f
p
l
E外
f
产生感生电偶极矩 主要是电子（云）移动
+ + + +
+ + + +
+ + + +
+ + + +
+ + + +
E外
极化的效果：端面出现束缚电荷
复习：静电场中的电介质(cont.)
有极分子的取向极化
无外电场：固有电偶极矩热运动，混 乱分布，介质不带电。
+
+
+
+ + +
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像素电极材料的选择 ITO 是最常见的透明导电薄膜，在 TFT中用作像素电极材料。 TFT中用作像素电极材料 - ITO為In2O3 /SnO2 混合物，其中 SnO2的含量一般為5-15%之重量百分 比 而以10%含量所鍍ITO薄膜阻值 比，而以10%含量所鍍ITO薄膜阻值 最低，故ITO靶材的SnO2含量以10% 重量百分比爲主流。
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Metal: Excellent Conductor
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Alloy: More Frequent Choice
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复习：金属导电理论
1900年特鲁德（P.Drude）首先提出用金属 中自由电子的运动来解释金属导电性问题，以后洛 伦兹进一步发展了特鲁德的概念，建立了金属的经 典电子理论。 典电子理论 金属导电的经典电子理论的基本框架 •金属中的正离子按一定的方式排列为晶格； •从原子中分离出来的外层电子成为自由电子； 从原子中分离出来的外层电子成为自由电子 •自由电子的性质与理想气体中的分子相似，形成 自由电子气； •大量自由电子的定向漂移形成电流。 大 自 子的定向漂移形成 流
- However, H th the silicon ili Oxide O id films fil prepared d by b PECVD are always l in i amorphous h structure.
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Silicon Oxide (cont.) (cont )
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‐ 电极（导电）材料
t /v
统计平均后，初速度的平均值为零，则 平均时间间隔等于平均自由程除以平均速率
复习：金属导电理论 (cont.)
2 nev ne( eE / v me ) (ne / v me ) E E 2 其中 电导率为 ne / v me 其中，电导率为
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‐ 绝缘（电介质）材料
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复习：电介质
电介质的电结构 电中性的分子中，带负电的电子(或负离子)与带 正电的原子核(或正离子)束缚得很紧，不能自由运 束缚得很紧 不能自由运 动－束缚电荷或极化电荷。 电偶极子模型： 每一个分子中的正电荷集中于一点，称为正电荷 重心 负电荷集中于另 点 称为负电荷重心 重心；负电荷集中于另一点，称为负电荷重心 — 两者构成电偶极子
pi P lim V V 0
V 宏观小、微观大的体积元 极化状态：各分子电偶极矩矢量和不会完全相互抵消。 表征极化程度。 单位 C/m 单位： C/ 2
复习：静电场中的电介质(cont.)
各向同性、线性电介质的极化规律
电极化强度P ～ 总场强E 方向相同（各向同性），成正比（线性）
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Insulator Materials used in TFTs
• Silicon Nitride (SiNx, used in a‐Si TFTs) • Silicon Oxide (SiOx, used in p‐Si TFTs) • Other High k Dielectrics (AlOx, TaOx, HfOx etc. used d as gate insulator) i l ) • Other Low k Dielectrics ( Organic g materials, , used as passivation layers)
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Conductors Used in TFTs
• • • • • • • • Al‐Nd Mo‐Nb ITO (Indium‐Tin Oxide) Ti Ta Cr C Cu …
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金属电极材料的选择
金屬的導電性：Ag>Cu>Au>Al
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Al的特性
一般理化特性
铝是一种银白色韧性金属 元素 是地壳中含量最多 元素，是地壳中含量最多 的金属，但只出现在合物 主要是铝土矿中。原子 序13；原子量26.98；熔 点660.2ºC；沸点2467ºC； 比重2.69；化合价 化合价3.