薄膜晶体管原理与应用

目录第一章绪论

1.1引言

1.2研究背景

第二章薄膜晶体管的结构与基本原理

2.1 薄膜晶体管结构

2.2 薄膜晶体管工作原理

2.3 薄膜晶体管主要性能参数

第三章薄膜晶体管应用

3.1薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)

3.1.1 TFT-LCD概述

3.1.2 TFT-LCD工作原理

3.2有机发光二极管（OLED）

3.2.1 OLED概述

3.2.2 OLED工作原理

第四章前景展望

第一章绪论

1.1 引言

人类对薄膜晶体管（TFT）的研究工作已经有很长的历史。早在1925 年, Julius Edger Lilienfeld 首次提出结型场效应晶体管（FET）的基本定律，开辟了对固态放大器的研究。1933 年，Lilienfeld 又将绝缘栅结构引进场效应晶体管(后来被称为MISFET)。1962 年，Weimer 用多晶 CaS 薄膜做成TFT；随后，又涌现了用CdSe、InSb、Ge 等半导体材料做成的TFT 器件。二十世纪六十年代，基于低费用、大阵列显示的实际需求，TFT 的研究广为兴起。1973 年，Brody 等人首次研制出有源矩阵液晶显示（AMLCD），并用CdSe TFT 作为开关单元。随着多晶硅掺杂工艺的发展，1979 年LeComber、 Spear 和Ghaith 用a-Si:H 做有源层,做成如图1 所示的TFT 器件。后来许多实验室都进行了将AMLCD以玻璃为衬底的研究。二十世纪八十年代，硅基TFT 在AMLCD 中有着极重要的地位，所做成的产品占据了市场绝大部分份额。1986 年Tsumura 等人首次用聚噻吩为半导体材料制备了有机薄膜晶体管（OTFT），OTFT 技术从此开始得到发展。九十年代，以有机半导体材料作为活性层成为新的研究热点。由于在制造工艺和成本上的优势，OTFT被认为将来极可能应用在LCD、OLED 的驱动中。近年来，OTFT 的研究取得了突破性的进展。1996 年，飞利浦公司采用多层薄膜叠合法制作了一块15 微克变成码发生器（PCG）；即使当薄膜严重扭曲，仍能正常工作。1998 年，IBM 公司用一种新型的具有更高的介电常数（17.3）的无定型金属氧化物锆酸钡作为并五苯有机薄膜晶体管的栅绝缘层，使该器件的驱动电压降低了4V，迁移率达到0.38cm2V-1 s-1。1999 年，Bell实验室的Katz 和他的研究小组制得了在室温下空气中能稳定存在的噻吩薄膜，并使器件的迁移率达到0.1 cm2V-1 s-1。Bell 实验室用并五苯单晶制得了一种双极型有机薄膜晶体管，该器件对电子和空穴的迁移率分别达到2.7cm2V-1s-1 和1.7cm2V-1 s-1，这向有机集成电路的实际应用迈出了重要的一步。最近几年，随着透明氧化物研究的深入，以ZnO、ZIO 等半导体材料作为活性层制作薄膜晶体管，因性能改进显著也吸引了越来越多的兴趣。器件制备工艺很广泛，比如：MBE、CVD、PLD 等，均有研究。ZnO-TFT 技术也取得了突破性进展。2003 年，Nomura等人使用单晶InGaO3 (ZnO)5 获得了迁移率为80 cm2V-1 s-1 的TFT 器件。美国杜邦公司采用真空蒸镀和掩膜挡板技术在聚

酰亚铵柔性衬底上开发了ZnO-TFT，电子迁移率为50 cm2V-1 s-1。这是在聚酰亚铵柔性衬底上首次研制成功了高迁移率ZnO-TFT，这预示着在氧化物TFT领域新竞争的开始。2005 年，Chiang HQ等人利用ZIO 作为活性层制得开关比为107 薄膜晶体管。2006 年，ChengH C等人利用CBD 方法制得开关比为105 、迁移率为0.248cm2V-1s-1 的TFT，这也显示出实际应用的可能。

1.2 研究背景

薄膜材料是指厚度介于单原子分子到几毫米间的薄金属或有机物层。当固体或液体的一维线性尺度远远小于它的其他二维尺度时，我们称这样的固体或液体为膜。薄膜材料具有良好的韧性、防潮性和热封性能，应用非常广泛。例如：双向拉伸聚丙烯薄膜（BOPP）、低密度聚乙烯薄膜（LDPE）、聚酯薄膜（PET）、镀铝薄膜、半导体氧化物薄膜等等。近几年来，以氧化锌、氧化铟、氧化锡等半导体氧化物及其合金为有源层的透明薄膜晶体管备受关注，并已取得了突破性进展。这些氧化物是优异的光电材料，具有高光学透过率、生长温度低、击穿电压高、电子迁移率高等优点，从而可以获得更好、成本更低的薄膜晶体管，并且也为新型薄膜晶体管的发展带来了契机。氧化物薄膜晶体管作为极具发展潜力的新型薄膜晶体管，具备了许多传统TFT无法比拟的优点，但是也存在诸多问题有待进一步解决。例如，如何解决外界环境对器件性能的影响，优化工艺从而降低成本，如何制作出性能优越、具有实用价值的器件等，这些都是现在研究面临的问题。

20世纪平板显示技术的出现，把人类带入了信息社会，人类社会从此发生了质的飞跃。而平板显示的核心元件就是薄膜晶体管TFT(Thin Film Transistor)。将半导体氧化物作为有源层来制作TFT用于平

板显示中，不仅能获得较高迁移率，器件性能优越，而且制造工艺简单、低温下可以获得，显示出了巨大的应用前景。本文综述了薄膜材料的制备方法，薄膜晶体管的发展历程与应用以及其结构、工作原理和测试表征方法。

第二章薄膜晶体管的结构与基本原理

2.1 薄膜晶体管结构

TFT的结构有很多种分类形式，例如可以分为共面型、反共面型和错列型和反错列型等。但总的来说目前被广泛研究的TFT结构一般可以分为两类：底栅型结构和顶栅型结构。底栅型结构就是栅极在最底层，紧贴着衬底，往上依次是绝缘层、有源层和源漏电极。项栅型结构就是栅极在最上面，紧贴着衬底的是源漏电极，往上然后依次是有源层、绝缘层和栅极，如图2.1所示。

图2.1 薄膜晶体管结构示意图

目前大部分实用的TFT器件都采用的是底栅型结构。因为底栅型结构的TFT

金属栅极和绝缘层薄膜可以用来作为半导体层薄膜的光学保护层，以防止背光源发出的光照射到半导体层所产生的光生载流子而破坏半导体层的电学特性。因此，底栅型结构一般要比项栅型结构的TFT性能稳定，目前被广泛应用。但项栅型的TFT制造工艺简单，所需光刻版数量少，成本低，在某些场合也被用到。

2.2 薄膜晶体管的基本原理

薄膜晶体管的结构和工作原理与场效应管(MOSFET)类似，因此我们可以通

过对MOSFET工作原理的理解来了解TFT的工作原理。MOSFET由金属栅极G，绝缘层，半导体层沟道，源极S和漏极D共同组成。其特点主要是在金属栅极与沟道之间有一层绝缘层，通过栅极上的电压V GS产生纵向电场，改变导电沟道厚度，达到控

制源漏电流的目的。所以它是一种电压控制电流型器件。根据导电沟道类型的不