非晶IGZO薄膜晶體管與基本電路研究

黨曉強

南京中電熊貓液晶顯示科技有限公司

非晶IGZO薄膜晶體管與基本電路研究

黨曉強

南京中電熊貓液晶顯示科技有限公司

自從進入高速信息社會以來，人類各類生產、活動越來越離不開信息。在高速化和頻繁化信息交換過程中，人們實現了無處不在的信息化時代，同時也給產業界帶來一定挑戰。如何將各種信息準確地，快速地轉化為人眼所能接受的視頻信號，成為現代顯示技術發展關鍵。以平板顯示技術為代表的現代顯示技術具有功耗低、響應速度快、驅動電壓低以及易于和超大規模集成電路相兼容等優勢，因此得以迅速發展，平板顯示也在顯示產業獲得主流地位。本文主要就對非晶IGZO薄膜晶體管相關方面進行分析，并且在此基礎上對基本電路研究實施研究。

非晶IGZO薄膜晶體管；基本電路；性質

1 a-IGZOTFT的基本性質

透明電子器件是實現隱形電子電路的一個新興技術，其中透明氧化物薄膜晶體管的技術應用最為廣泛。在氧化物半導體多種多樣，具有低溫制備、高遷移率、較好穩定性、寬禁帶((Eg＞3eV)等良好性能，并且在氣敏濕敏傳感和透明顯示等方面有著優越性能而備受矚目，同時也被進行深入研究和廣泛應用。在國際學術領域，尤其是以美國和日本為代表的眾多研究小組，嘗試利用透明氧化物代替傳統硅材料，作為有源層制備TFT器件。透明氧化物TFT作為平板顯示器開關驅動電子單元的部分，由于其具備高遷移率，與傳統a-Si：HTFT相比較能夠顯著加快屏幕的響應速度，因而大尺寸的高清高速AMLCD領域應用前景廣闊;其次，在可見光照射范圍內，氧化物TFT基本可以被全部穿透，基于這個重要優勢，再利用透明的OIT電極和氧化層，便可以實現全透明TFT，與上一小節討論的硅基TFT相比，背光投射面積更大，開口率更高;此外，在工藝制備方法和復雜程度上，透明氧化物TFT也有很大優勢，材料的生長技術有MBE，MOCVD、磁控濺射、PLD等，同樣，低溫生長過程使得可以選用透明低價的玻璃、柔性塑料等作為襯底材料，降低工藝成本，同時推進柔性透明顯示發展。

2 a-IGZOTFT的應用前景和存在的科學問題

a-IGZOTFT在各方面表現出強大的優勢，如較高的可見光透過率、擁有較高遷移率的載流子輸運機制、相對較少的工藝制備步驟和較低的復雜程度等，將會逐步替代Si基TFT，在未來的電子顯示領域體現出巨大應用價值。

隨著對a-IGZOTFT了解的不斷深入，研究重心逐漸轉移到器件制備工藝、基本性能和在外界因素干擾下的穩定性，通過薄膜淀積技術方法的創新、參數細節的調整、器件結構的優化設計等，目前己經可以獲得性能良好器件，因此在諸如透明電路、探測存儲等領域不斷開展實際應用。其中，以美日韓為代表的國際課題研究組推動a-IGZOTFT的深入研究，性能上不斷突破為a-IGZOTFT的廣泛應用打下夯實基礎。根據相關研究報道可以了解到，目前較好的a-IGZOTFT電流開關比高達109，0.2V/dec的超低亞閡值擺幅表明器件開關特性非常優秀，場效應遷移率可以達到50cm2N.sa。

3 基本電路研究

2000年以來，隨著平板顯示技術的快速發展，薄膜晶體管作為像素電路的開關器件和外圍驅動電路的重要組成部分(提供驅動信號)，己經在有源矩陣顯示器上得到廣泛應用。為了開發性能更好、功率更低、成本更低以及兼容行更強的FPD產品，研究人員己經提出面板系統(System-on-panel，SoP的技術概念，即將顯示所需的各種功能單元在單塊顯示面板上集成，如傳感器、存儲器和控制器。因此，實現SoP技術關鍵在于，整個面板上電路由相同或者相似的半導體材料、金屬材料和絕緣層材料來制備，另外制備工藝和步驟也要盡可能一致，以便工藝簡化。

由于具有優良電學特性，透明非晶IGZOTFTs被視為硅基TFTs的替代品，應用在下一代有源矩陣顯示器和SoP技術上，因而受到研究人員廣泛關注。另外，隨著新興顯示技術的出現，如柔性顯示和透明顯示，對透明集成電路的研究也是必不可少的一部分。

反相器是電路中一種基本功能模塊，主要作用是將輸入信號進行相位反轉。這種電路有很多方面應用，比如音頻放大，時鐘振蕩器等，而且在數字電路設計中，也要經常用到反相器，例如將兩個串行反相器輸出作為一位寄存器的輸入就構成了鎖存器。鎖存器、數據選擇器、譯碼器和狀態機，甚至更復雜的集成電路等精密電路都需要使用基本反相器。為此，我們利用NMOS邏輯原理在玻璃襯底上制備了基于a-IGZOTFTs增強型飽和負載反相器。它是由兩個增強型的a-IGZOTFT組成，其中一個a-IGZOTFT作為反相器負載管，另一個a-IGZOTFT作為驅動管。通過對a-IGZOTFT的輸出特性和轉移特性進行表征，發現制備的分立器件表現出增強型工作模式;之后，我們測試了反相器電壓轉移特性曲線，發現反相器實現了較好的邏輯轉換功能。

反相器是電路中一種基本功能模塊，是集成電路基本組成部分，這種電路在模擬電路和數字電路中都有重要應用。我們在玻璃襯底上制各了增強型飽和負載反相器。反相器是由兩個增強型的a-IGZOTFT組成，其中一個a-IGZOTFT作為反相器的負載管，溝道區域的寬長比為WLoad/LLoad=40μm/10μm；另一個a-IGZOTFT作為驅動管，溝道區域的寬長比為WLoad/LLoad=200μm/10μm；首先，對a-IGZOTFT分立器件的轉移特性和輸出特性進行表征，器件開啟電壓在3V左右，根據轉移特性的數據擬合和計算，器件的場效應遷移率為Scm2/Vs，亞閡值擺幅為0.5V/dec，制備的a-IGZOTFT表現出增強型工作模式;接著，測試了基于a-IGZOTFTs制備的反相器的電壓傳輸特性曲線，從電壓傳輸特性曲線我們得知，增強型飽和負載反相器有著較寬輸出擺幅范圍，較大噪聲容限和電壓增益，實現了較好的邏輯轉換功能。

[1]湯蘭鳳.非晶IGZO薄膜晶體管的光照特性研究[D].南京大學，2016.

[2]張安，趙小如，段利兵，趙建林，白曉軍.基于表面勢的非晶IGZO薄膜晶體管分析模型[J].半導體技術，2011，04：257-260.