氧化鋅基薄膜晶體管的進展與挑戰

◎田思野 劉作淋 肖丹 胡小強 周路＊

透明電子學由于其優異的電學性能在下一代高性能平板顯示應用中受到了廣泛的關注和研究。在顯示應用中，薄膜晶體管(TFT)作為控制像素的基本單元發揮著重要作用。其中，基于氧化物的TFT具有高遷移率，良好的透明性，優異的均勻性和較低的加工溫度，已成為有前途的候選材料，并逐漸取代了常規的非晶態和多晶硅TFT。本論文簡要介紹了TFT器件的結構和工作原理，討論了氧化鋅基TFT的當前問題和挑戰。

引言：透明氧化物半導體具有巨大的潛在應用，例如太陽能電池，固態傳感器，平板顯示器，智能窗，電致變色器，可穿透性的電子設備。通過使用高性能透明氧化物半導體，可以實現具有更高像素密度(更高分辨率)和更高刷新頻率的透明顯示器。此外，可以通過使用透明氧化物半導體來構建節能顯示器，這使人可以像玻璃一樣直視面板，并且由于消除了背光，其功耗也減少了90%。因此，氧化物電子器件是非晶硅和有機半導體的有希望的替代品，可用于構建更可靠的薄膜晶體管和更復雜的電子電路，從而應對超高分辨率，超大尺寸，低成本和環保的電子產品的挑戰。

一、TFT器件的結構和工作原理

1.TFT器件的結構。TFT是三端的場效應器件，其工作原理在操作和組成層方面與其他場效應器件非常相似，例如MOSFET。這三個端子分別稱為源極，漏極和柵極。當在MOSFET的柵電極上施加電壓時，載流子會注入到電介質/半導體界面附近，與柵電介質和半導體一起形成平行板電容器結構。然后，通過調制半導體通道(稱為場效應)來控制兩個電極(源極和漏極)之間的電流。與MOSFET不同，TFT的源極和漏極區域沒有p-n結，并且調制是通過積累層實現的，而在MOSFET中，必須在靠近介電/半導體界面的地方形成反轉區域。另外，這兩個器件的襯底材料和制造溫度也很不同。

TFT的典型結構如圖1所示，可根據柵電極的位置分為頂柵(TG)和底柵(BG)類型。對于每種類型，可以根據三個電極相對于半導體的相對位置進一步分為共面(C)和交錯(S)類型。對于C-TG和C-BGTFT結構，半導體/電介質界面直接接觸源極和漏極，表明電流在單個平面中水平降低。相反，對于S-TG和S-BG結構，源極和漏極接觸半導體/電介質界面的相對側，這表明電流在兩個平面中較低：垂直于溝道，然后從水平方向從源極流向漏極。

圖1 TFT的典型結構

2.TFT器件工作原理。如圖2所示，可以從TFT的輸出和轉移特性曲線中提取一些重要參數來評估器件特性，包括電流開關比、閾值電壓、開啟電壓、亞閾值擺幅和遷移率。（1）開/關電流比。通/斷電流比(ION/IOFF)通常定義為最大IDS與最小IDS之比(通常在飽和區域)，可以從傳輸特性曲線中提取出來。通常，對于數字電路，該值大于106或更大，但是對于模擬電路，該值104已足夠。（2）閾值電壓。閾值電壓(VTH)是在TFT中介電層/有源層界面附近形成的累積層或導電通道時的VGS值。在氧化鋅基TFT中，如果VTH為正/負，則指定器件以增強/耗盡模式工作。增強型設備和耗盡型設備均可在電路中使用，但最好使用增強模式，因為不需要額外的VGS來導通晶體管，從而簡化了電路設計并降低了功耗。（3）開啟電壓。導通電壓（VON）簡單地定義為用于漏極電流傳導的VGS，簡單地對應于IDS-VGS對數圖中所示IDS開始增加的VGS或TFT完全關閉時所對應的的VGS。（4）亞閾值擺幅。亞閾值擺幅(SS)是一個重要參數，它指示晶體管的開關效率。SS與介電/半導體界面的質量直接相關，并被定義為傳輸特性最大斜率的倒數，并且由將IDS增加十倍所需的VGS決定。SS值越低，操作速度越快，功耗也越低。（5）遷移率。遷移率(μFE)是與材料中載流子傳輸效率有關的參數，它直接影響最大IDS和設備的工作頻率。遷移率受多種散射機制的影響，包括晶格振動、離子雜質、晶界、界面表面粗糙度、晶格應變和其他結構缺陷以及速度飽和和電子俘獲。結果，溝道遷移率可能不是恒定的，并且可能隨VDS和VGS的變化而變化。在實際的TFT中，遷移率隨電壓而變化需要定義幾種類型：有效遷移率、場效應遷移率和飽和遷移率。因此，μFE因其計算簡單而成為評估TFT性能的最廣泛使用的參數。

圖2氧化鋅基TFT的典型輸出特性曲線和轉移特性曲線

二、氧化鋅基TFT的當前問題和挑戰

在過去的幾十年中，在n型氧化鋅基TFT的研究領域中已經取得了巨大的進步。但是，仍然存在一些問題和挑戰：1.工藝溫度是影響TFT批量生產的重要因素，特別是對于易彎曲的塑料基板上的TFT。盡管已經成功地采用了幾種低溫方法來制造n型氧化物膜，但是它們仍然難以應用于工業化生產中。2.為了實現新型的大面積且具有低成本的應用，例如可折疊和可打印的顯示器，一次性智能標簽和智能包裝，真空處理技術需要被具有更高吞吐量的連續過程所取代。3.在未來的研究方向上，需要解決幾個關鍵領域，包括高斷態電流，高界面缺陷/狀態和低遷移率。4.盡管已經進行了一些基于計算機的材料設計仿真并得到了報告，但是應該對具有潛在更高的空穴遷移率和易于進行n型摻雜的潛在n型氧化物材料進行更多的計算研究。

三、總結

過去十年見證了n型氧化鋅基半導體和相關光電子設備的巨大進步。在這篇綜述中，我們說明并討論了用于n型TFT的結構設計與工作原理，氧化鋅基TFT原則上在許多已討論的應用中具有重要潛力，包括低功率電子設備，透明/柔性電子設備，高性能顯示應用等。盡管仍有很多工作要做，但是最近幾年該領域的發展速度已經加快，這表明基于n型氧化鋅基的TFT技術將在未來的電子場景中發揮關鍵作用。