第五章5TFT及其制造技术介绍
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薄膜晶体管(TFT)
主要内容
(1)TFT的发展历程 (2)TFT的种类、结构及工作原理 (3)p-si TFT的电特性 (4)p-si TFT的制备技术
(5)TFT的应用前景
TFT的发展历程
TFT与MOSFET的发明同步,然而TFT 发展速度及应用远不及MOSFET?! (1)1934年第一个TFT的发明专利问世-----设想. (2)TFT的真正开始----1962年,由Weimer第一次实现. 特点:器件采用顶栅结构,半导体活性层为CdSe薄膜. 栅介质层为SiO,除栅介质层外都采用蒸镀技术. 器件参数:跨导gm=25 mA/V,载流子迁移率150 cm2/vs, 最大振荡频率为20 MHz. CdSe----迁移率达200 cm2/vs
TFT的I-V描述
在线性区,沟道区栅诱导电荷可表示为
Qi Ci (V gห้องสมุดไป่ตู้ V th V )
dV I d W Qi E y W Qi dy
…….(1)
在忽略扩散电流情况下,漏极电流由漂移电流形成,可表示为
…….(2)
(1)代入(2),积分可得:
W 1 2 C i [(V g V th)V d V d ] Id L 2
TFT的常用器件结构
薄膜晶体管的器件结构
双栅薄膜晶体管结构
TFT的工作原理
一、MOS晶体管工作原理回顾
当|VGS|>|VT|,导电沟道形成. 此时当VDS存在时,则形成IDS. 对于恒定的VDS,VGS越大,则 沟道中的可动载流子就越多, 沟道电阻就越小,ID就越大. 即栅电压控制漏电流. 对于恒定的VGS,当VDS增大时,沟道厚度从源极到漏极逐渐变薄, 引起沟道电阻增加,导致IDS增加变缓.当VDS>VDsat时,漏极被夹 断,而后VDS增大,IDS达到饱和.
TFT的发展历程
(3)1962年,第一个MOSFET实 验室实现. (4)1973年,实现第一个CdSe TFT-LCD(6*6)显示屏.-----TFT的 迁移率20 cm2/vs,Ioff=100 nA.之 后几年下降到1 nA. (5)1975年,实现了基于非晶硅-TFT.随后实现驱动LCD显示. ----迁移率<1 cm2/vs,但空气(H2O,O2)中相对稳定.
…….(4)
p-Si TFT的电特性
1. TFT电特性测试装置
高掺杂p-Si p-Si
2. p-Si TFF器件典型的输出和转移特性曲线
输出特性反映TFT的饱和行为.
转移特性反映TFT的开关 特性,VG对ID的控制能力.
特性参数:迁移率、开关电流比、关态电流、阈值电压、跨导
3. p-Si TFF中的Kink 效应 机理: 高VD (VD>VDsat)时, 夹断区因强电场引起碰撞电 离所致. 此时ID电流可表示为:
5. p-Si TFF C-V特性
下图为不同沟长TFT在应力前后的C-V特性
自热应力
BTS(bias temperature stress):VG=VD=30 V, T=55 oC;
应力作用产生缺陷态,引起C-V曲线漂移.
6. p-Si TFF的改性技术
(1)非晶硅薄膜晶化技术-----更低的温度、更大的晶粒, 进一步提高载流子迁移率. (2)除氢技术----改善稳定性. (3)采用高k栅介质----降低阈值电压和工作电压. (4)基于玻璃或塑料基底的低温工艺技术(<350 oC).
p-Si TFT制备工艺流程
1、简单的底栅顶结构型
硅片氧化
光刻栅电极 栅氧化 多晶硅生长及金属化 光刻形成源漏接触
Intrinsic p-Si S/D contacts
刻蚀背面氧化层
2、完整的底栅顶接触型结构
硅片氧化 光刻栅电极
本征p-Si
n+ p-Si S/D contacts
(6)80年代,基于CdSe,非晶硅 TFT研究继续推进.另外,实现 了基于多晶硅TFT,并通过工艺改进电子迁移率从50提升至400. ---当时p-SiTFT制备需要高温沉积或高温退火. ---a-Si TFT因低温、低成本,成为LCD有源驱动的主流.
TFT的发展历程
(7)90年代后,继续改进a-Si,p-Si TFT的性能,特别关注低温 多晶硅TFT制备技术.----非晶硅固相晶化技术.有机TFT、氧化物 TFT亦成为研究热点.---有机TFT具有柔性可弯曲、大面积等优势.
(V d V g V th)
W C i (V g V th) V d L
…….(3)
当Vd<<Vg时,(3)式简化为
I d ,sat
Id
在饱和区(Vd>Vg-Vth),将Vd=Vg-Vth代入(3)式可得:
W 2 C i (V g V th) 2L
(V d V g V th)
TFT的工作原理
工作于积累状态下原理示意图
工作原理:与MOSFET相似,TFT也是通过栅电压来调节沟道 电阻,从而实现对漏极电流的有效控制. 与MOSFET不同的是:MOSFET通常工作强反型状态,而TFT根 据半导体活性层种类不同,工作状态有两种模式: 对于a-Si TFT、OTFT、氧化物TFT通常工作于积累状态. 对于p-Si TFT工作于强反型状态.
低载流子 迁移率 稳定性和 可靠性 TFT发展过程中遭遇 的关键技术问题? 低成本、大面 积沉膜
低温高性能半 导体薄膜技术
挑战:在玻璃或塑料基底上生长出单晶半导体薄膜!
TFT的种类
按采用半导体材料不同分为: 硅基:非晶Si-TFT,多晶硅-TFT 无机TFT 化合物:CdS-TFT,CdSe-TFT 氧化物:ZnO-TFT 有机TFT 基于小分子TFT 基于高分子聚合物TFT 无/有机复合型TFT:采用无机纳米颗粒与聚合物共混 制备半导体活性层
为碰撞电离产生率,与电 场相关,类似于pn结的雪 崩击穿.
4. Gate-bias Stress Effect (栅偏压应力效应)
正栅压应力 负栅压应力
现象1:阈值电压漂移. 负栅压应力向正方向漂移,正 栅压应力向负方向漂移. 产生机理:可动离子漂移.
负栅压应力
正栅压应力
现象2:亚阈值摆幅(S)增大. 机理:应力过程弱Si-Si断裂,诱导缺陷产生.
主要内容
(1)TFT的发展历程 (2)TFT的种类、结构及工作原理 (3)p-si TFT的电特性 (4)p-si TFT的制备技术
(5)TFT的应用前景
TFT的发展历程
TFT与MOSFET的发明同步,然而TFT 发展速度及应用远不及MOSFET?! (1)1934年第一个TFT的发明专利问世-----设想. (2)TFT的真正开始----1962年,由Weimer第一次实现. 特点:器件采用顶栅结构,半导体活性层为CdSe薄膜. 栅介质层为SiO,除栅介质层外都采用蒸镀技术. 器件参数:跨导gm=25 mA/V,载流子迁移率150 cm2/vs, 最大振荡频率为20 MHz. CdSe----迁移率达200 cm2/vs
TFT的I-V描述
在线性区,沟道区栅诱导电荷可表示为
Qi Ci (V gห้องสมุดไป่ตู้ V th V )
dV I d W Qi E y W Qi dy
…….(1)
在忽略扩散电流情况下,漏极电流由漂移电流形成,可表示为
…….(2)
(1)代入(2),积分可得:
W 1 2 C i [(V g V th)V d V d ] Id L 2
TFT的常用器件结构
薄膜晶体管的器件结构
双栅薄膜晶体管结构
TFT的工作原理
一、MOS晶体管工作原理回顾
当|VGS|>|VT|,导电沟道形成. 此时当VDS存在时,则形成IDS. 对于恒定的VDS,VGS越大,则 沟道中的可动载流子就越多, 沟道电阻就越小,ID就越大. 即栅电压控制漏电流. 对于恒定的VGS,当VDS增大时,沟道厚度从源极到漏极逐渐变薄, 引起沟道电阻增加,导致IDS增加变缓.当VDS>VDsat时,漏极被夹 断,而后VDS增大,IDS达到饱和.
TFT的发展历程
(3)1962年,第一个MOSFET实 验室实现. (4)1973年,实现第一个CdSe TFT-LCD(6*6)显示屏.-----TFT的 迁移率20 cm2/vs,Ioff=100 nA.之 后几年下降到1 nA. (5)1975年,实现了基于非晶硅-TFT.随后实现驱动LCD显示. ----迁移率<1 cm2/vs,但空气(H2O,O2)中相对稳定.
…….(4)
p-Si TFT的电特性
1. TFT电特性测试装置
高掺杂p-Si p-Si
2. p-Si TFF器件典型的输出和转移特性曲线
输出特性反映TFT的饱和行为.
转移特性反映TFT的开关 特性,VG对ID的控制能力.
特性参数:迁移率、开关电流比、关态电流、阈值电压、跨导
3. p-Si TFF中的Kink 效应 机理: 高VD (VD>VDsat)时, 夹断区因强电场引起碰撞电 离所致. 此时ID电流可表示为:
5. p-Si TFF C-V特性
下图为不同沟长TFT在应力前后的C-V特性
自热应力
BTS(bias temperature stress):VG=VD=30 V, T=55 oC;
应力作用产生缺陷态,引起C-V曲线漂移.
6. p-Si TFF的改性技术
(1)非晶硅薄膜晶化技术-----更低的温度、更大的晶粒, 进一步提高载流子迁移率. (2)除氢技术----改善稳定性. (3)采用高k栅介质----降低阈值电压和工作电压. (4)基于玻璃或塑料基底的低温工艺技术(<350 oC).
p-Si TFT制备工艺流程
1、简单的底栅顶结构型
硅片氧化
光刻栅电极 栅氧化 多晶硅生长及金属化 光刻形成源漏接触
Intrinsic p-Si S/D contacts
刻蚀背面氧化层
2、完整的底栅顶接触型结构
硅片氧化 光刻栅电极
本征p-Si
n+ p-Si S/D contacts
(6)80年代,基于CdSe,非晶硅 TFT研究继续推进.另外,实现 了基于多晶硅TFT,并通过工艺改进电子迁移率从50提升至400. ---当时p-SiTFT制备需要高温沉积或高温退火. ---a-Si TFT因低温、低成本,成为LCD有源驱动的主流.
TFT的发展历程
(7)90年代后,继续改进a-Si,p-Si TFT的性能,特别关注低温 多晶硅TFT制备技术.----非晶硅固相晶化技术.有机TFT、氧化物 TFT亦成为研究热点.---有机TFT具有柔性可弯曲、大面积等优势.
(V d V g V th)
W C i (V g V th) V d L
…….(3)
当Vd<<Vg时,(3)式简化为
I d ,sat
Id
在饱和区(Vd>Vg-Vth),将Vd=Vg-Vth代入(3)式可得:
W 2 C i (V g V th) 2L
(V d V g V th)
TFT的工作原理
工作于积累状态下原理示意图
工作原理:与MOSFET相似,TFT也是通过栅电压来调节沟道 电阻,从而实现对漏极电流的有效控制. 与MOSFET不同的是:MOSFET通常工作强反型状态,而TFT根 据半导体活性层种类不同,工作状态有两种模式: 对于a-Si TFT、OTFT、氧化物TFT通常工作于积累状态. 对于p-Si TFT工作于强反型状态.
低载流子 迁移率 稳定性和 可靠性 TFT发展过程中遭遇 的关键技术问题? 低成本、大面 积沉膜
低温高性能半 导体薄膜技术
挑战:在玻璃或塑料基底上生长出单晶半导体薄膜!
TFT的种类
按采用半导体材料不同分为: 硅基:非晶Si-TFT,多晶硅-TFT 无机TFT 化合物:CdS-TFT,CdSe-TFT 氧化物:ZnO-TFT 有机TFT 基于小分子TFT 基于高分子聚合物TFT 无/有机复合型TFT:采用无机纳米颗粒与聚合物共混 制备半导体活性层
为碰撞电离产生率,与电 场相关,类似于pn结的雪 崩击穿.
4. Gate-bias Stress Effect (栅偏压应力效应)
正栅压应力 负栅压应力
现象1:阈值电压漂移. 负栅压应力向正方向漂移,正 栅压应力向负方向漂移. 产生机理:可动离子漂移.
负栅压应力
正栅压应力
现象2:亚阈值摆幅(S)增大. 机理:应力过程弱Si-Si断裂,诱导缺陷产生.