氧化物半导体薄膜晶体管的研究进展

文章编号：1006-6268（2009）04-0028-06

摘要：简要说明了非晶硅、多晶硅和有机半导体用作薄膜晶体管沟道层的不足，从电学性质、光学性质和制备温度等几方面介绍了氧化物薄膜晶体管在有源阵列驱动显示技术中的优势，并介绍了氧化物沟道层制备工艺的优化和掺杂方法。最后，展望了氧化物半导体薄膜晶体管应用前景。

关键词：平板显示技术；氧化物； 薄膜晶体管

中图分类号：TN304.055文献标识码：A

Research Progress On Oxide based Thin Film Transistors

ZHANG Xin-an1,2ZHANG Jing-wen1 ZHANG Wei-feng2HOU Xun1,2

(1. Key Laboratory of photonics technology for information, Shanxi province,

Xi'an Jiaotong University,Xi'an 710049 ,China;2. School of Physics

and Electronics, Henan University, Kaifeng 475001,China)

Abstract: We reviewed the defects of amorphous silicon, polycrystalline silicon and organic semiconductors as the active channel layer of thin film transistors. The benefits of oxide based thin film transistor in active matrix display were introduced from electical,optial and fabrication temperature aspect. Then, we reviewed the optimize and doping of oxide channel layer. At the last, we prospected the utilization of oxide based TFTs and the problems existent.

Keywords: flat panel display; oxide; thin film transistor

引言

随着信息时代的到来，显示器件正加速向平板化、节能化的方向发展，其中以薄膜晶体管（TFT）为开关元件的有源阵列驱动显示器件成为众多平板显示技术中的佼佼者。TFT是一种场效应半导体器件，包括衬底、半导体沟道层、绝缘层、栅极和源漏电极等几个重要组成部分，其中半导体沟道层对器件性能和制造工艺有至关重要的影响[1]。在近十几年时间，以硅材料（非晶硅和多晶硅）TFT为驱动单元的液晶显示器件以其体积小、重量轻、品质高等优点获得了迅速发展，并成为主流的信息显示终端。然而，非晶硅存在场效应迁移率低、光敏性强以及材料不透明等缺点，而多晶硅TFT大面积制作工艺复杂、低温工艺难以实现[2]。平板显示器的发展重新聚焦在寻求新材料、制作高迁移率的TFT、提高性能、降低成本以满足技术发展的轨道上来。目前，研究比较热门的是以并五苯等有机半导体材料为沟道层的有机薄膜晶体管（OTFT）和以ZnO为代表的宽带隙氧化物半导体为沟道层的TFT。OTFT具有加工温度低、工艺过程简单、成本大幅度降低等优点，这些特点符合社会发展和技术进步的趋势。但是，目前报道的OTFT的迁移率较低（一般在1 cm2/V・s），仍停留在非晶硅TFT的水平，另外一个致命缺点就是OTFT的寿命低，存在严重的老化问题[3]。2003年美国科学家Hoffman等[4]报道了以ZnO为沟道层的全透明TFT并指出可以将其应用在有源矩阵驱动显示中，引起了人们的广泛关注。

1氧化物半导体薄膜晶体管的优势

氧化物半导体薄膜种类很多，一般具有离子键强、熔点较高、无色透明和较大的禁带宽度（Eg>3 eV）等特点。化学计量比的偏离和点缺陷所引起的附加能级对其电学性质有很大影响，因此也可通过调节制备工艺或掺杂来控制其电学性能。多年来，氧化物半导体薄膜作为一种传统的功能半导体材料，在气敏传感、湿敏传感、透明导电薄膜等领域有广泛的应用。最近，日本和韩国许多课题组尝试用该类材料作为TFT的沟道层，以期在有源阵列驱动显示技术中有出色的表现，包括ZnO [5]，MgZnO [6]，Zn-Sn-O (ZTO)[7]，In-Zn-O(IZO)[8], SnO2[9], Ga2O3[10], In-Ga-O (IGO) [11], In2O3 [12], In-Sn-O (ITO)[13]和In-Ga-Zn-O[14]等多种薄膜，如表1所示。采用上述材料作为TFT的沟道层有以下优势：

表1 几种氧化物半导体薄膜晶体管的光电性质

1.1良好的电学性能

氧化物半导体TFT有较高的迁移率和较大的电流开关比，能够提高显示器的响应速度，满足高清晰、大容量终端显示的要求，这对于需要电流驱动的有机电致发光显示更有重要意义。Carcia等[15]报道了制备在重掺杂硅衬底上的底栅式ZnO-TFT，其中以原子层沉积法制备的HfO2薄膜为绝缘层，射频磁控溅射法制备的ZnO薄膜为沟道层，其转移特性和输出特性如图1所示。该器件工作在N沟道增强模式，有很好的饱和特性和夹断效应，表明ZnO沟道层中的电子被栅压有效控制。进一步计算得到其阈值电压为2.55 V，电流开关比为106，电子迁移率达到12.2 cm2/V・s。氧化物薄膜多为宽禁带半导体材料，可以避免可见光照射对器件电学性能的影响，简化制备工艺，降低成本。

图1 ZnO-TFT的电学性质

1.2高透过率

氧化物薄膜在可见光范围有很高的透过率，结合透明的衬底、绝缘层和电极材料可以制备全透明薄膜晶体管（TTFT），如将其用在有源阵列驱动液晶显示中，可以提高液晶显示器的开口率，使显示器屏幕更清晰明亮并降低能耗。甚至可以和有机发光二极管（OLED）结合实现全透明电子显示器。Cheng等[16]报道了用化学溶液法制备的全透明ZnO-TFT阵列，其中ZnO-TFT采用顶栅式结构，氮化硅为绝缘层，ITO薄膜为源、漏、栅电极，导电沟道宽长分别为W=500μm、L=10μm。图2是该ZnO-TFT在200 ~1,200 nm范围的透过率，整个器件在可见光范围的最高透过率达到85％，电学测试得到电子的迁移率为0.67 cm2/V・s，电流开关比为107左右。随着薄膜制备工艺的不断提高，近几年已有很多P型透明氧化物薄膜的报道，并已经实现了P沟道的透明氧化物场效应晶体管[17]，从而为实现全透明的集成电子线路打下基础，将来可以利用氧化物半导体 CMOS电路制作显示阵列的驱动电路,解决高密度引线困难等问题，提高显示器的可靠性和稳定性。

图2 透明ZnO-TFT阵列的透过率及实物图

1.3低温制备工艺

一般氧化物半导体薄膜的生长温度低，对衬底要求不高。衬底可以选择廉价的玻璃或者柔韧性塑料等，这些都可以降低显示器的成本，并为便携式柔性显示器件开辟新的途径。Carcia等[18]在PET塑料衬底上制备了TFT阵列，其中磁控溅射生长的ZnO薄膜为沟道层，等离子体增强化学气相沉积(PECVD)制备的SiN薄膜为绝缘层，热蒸镀的金属铝膜作为源漏电极。尽管整个制备过程在室温条件下完成，该器件有很好的电学性能，其阈值电压、电流开关比和电子迁移率分别为0.1 V、105和3.4 cm2/V・s，图3是单个器件的结构示意图和ZnO-TFT阵列的实物图。

（a）单个ZnO-TFT结构示意图 （b）ZnO-TFT阵列实物图

图3 PET衬底上制备的ZnO-TFT阵列

2沟道层薄膜制备工艺的优化和掺杂

在氧化物半导体薄膜晶体管中，对ZnO沟道层的研究最为广泛。一般对沟道层材料的要求是在较低温度下，获得低本征载流子浓度、高迁移率、高透过率的沟道层薄膜。研究表明不同的制备技术和工艺对ZnO薄膜的电学性质影响很大。目前，用于制备ZnO-TFT的方法主要有磁控溅射法、脉冲激光沉积技术、溶胶凝胶法等。本征载流子浓度是影响TFT开关特性的一个重要参数，即使TFT工作在增强模式，低本征载流子浓度使器件在零伏栅极电压下的源漏电流很小。相反，高的本征载流子浓度使TFT工作在耗尽模式，增强型晶体管可以简化电路设计、降低功耗，因而较耗尽型晶体管有很大优势[19,20]。Fortunato等[21]报道了在室温条件下采用磁控溅射方法制备的全透明ZnO-TFT，发现调节溅射功率大小可以调节ZnO薄膜的电阻和透过率。当溅射功率为5 W/cm2时得到的ZnO薄膜的电阻最高，同时薄膜的透过率也达到最大值，作者认为这种条件下生长的ZnO薄膜具有完整的化学计量比，氧空位和锌间隙等本征缺陷最小，因而有很好的电学性质。在此基础上以ATO/ITO/Glass衬底上制备透明ZnO-TFT，其中ATO是原子层沉积交替生长的Al2O3和TiO2薄膜，作为TFT的绝缘层，ITO薄膜作为栅极。其阈值电压为21V，电流开关比为2×105，场效应迁移率为20 cm2/Vs，同时，器件在可见光范围的透过率达到80％，如图4所示。

图4 （a）溅射功率对ZnO光电性质的影响

（b）ZnO-TFT的透过率

除优化薄膜制备工艺外，还可以通过掺杂的方法来控制ZnO薄膜的本证载流子浓度。我们实验室采用激光分子束外延法（L-MBE）在氧气和氨气氛围下制备氮掺杂ZnO薄膜作为薄膜晶体管的沟道层，由于氮原子容易在ZnO薄膜中形成浅受主能级，补偿了ZnO薄膜由于本征缺陷所形成的自由电子，使ZnO薄膜呈现较高的本征电阻。在此基础上，以氮掺杂ZnO薄膜制备了薄膜晶体管，由于沟道层中较低的本征载流子浓度，该器件能够很好的工作在增强模式,并有优异的电学性质[22]。同时发现氮原子的掺杂对器件的场效应迁移率影响很小，器件的电流开关比、阈值电压、迁移率分别达到104、5.15V和2.66cm2 /V・s,其电学性能如图5所示。

图5 氮掺杂ZnO-TFT的电学性质

尽管ZnO-TFT表现出高迁移率、高透过率等优点，但是ZnO薄膜大都是多晶结构的模式生长。晶粒不均匀性和晶粒间界的存在导致器件工作稳定性及大面积制备的一致性变差。最近，非晶态氧化物半导体薄膜用作TFT的沟道层并取得很大成功。氧化物薄膜中掺入具有（n-1）d10ns0（n≥4）电子结构的重金属阳离子后，就可以组成非晶态氧化物半导体。由于氧离子的2p轨道小，金属阳离子的ns（n为主量子数）轨道半径大，这样即使在非晶态情况下，相邻的金属阳离子ns轨道重叠的几率也很高，从而有较高的迁移率[23,24]。非晶金属氧化物半导体薄膜在具有良好均匀性的前提下，具有制备温度低、可见光透过率高、均匀性好等优点，目前已有多篇利用非晶Zn-Sn-O、Zn-In-O和InGaZnO作为TFT沟道层的报道。Manabu等[25]在PET塑料衬底上制备了80×60的TFT阵列，其中磁控溅射制备的非晶InGaZnO为沟道层，SiON薄膜为绝缘层，每个像素大小为500 μm×500 μm。 图5（a）是非晶InGaZnO TFT的转移特性曲线，计算得到其电流开关比、阈值电压、迁移率分别为106、5.8 V和5.1 cm2 /V・s。然后将E-Ink公司利用电泳技术生产的电子墨水显示膜碾压到TFT阵列上，这样就形成了用非晶氧化物TFT驱动的柔性电子纸张，如图5（b）所示。上述成果显示了非晶氧化物TFT在有源阵列显示技术中有广阔的应用前景。

图5 （a）非晶InGaZnO TFT的转移特性曲线

（b）非晶InGaZnO TFT驱动的柔性显示器

结论和展望

总之，最近几年以氧化物半导体薄膜为沟道层的TFT引起了人们的广泛关注，并取得了很大的进展，为开发新一代有源驱动显示器件打下基础。然而，目前以非晶硅和多晶硅为为主体的有源驱动显示吸引了大量的投资，发展十分迅速，新型材料的介入显得十分困难。而氧化物TFT的研究处于刚起步阶段，历史上也曾经出现过硒化隔（CdSe）、硫化隔（CdS）和碲（Te）等材料的TFT，但是由于材料性质的限制没有成功市场化，氧化物半导体薄膜目前还没有发现致命性的缺点。可以预见，氧化物TFT要取代硅基薄膜晶体管还有很长的路要走，并且必须要在低成本、高性能、高兼容性、容易产业化等几个方面做深入的研究。

参考文献

[1] Klauk H, Gundlach DJ, Jackson TN. Fast organic thin-film transistor circuits [J]. Ieee Electron Device Letters, 1999, 20: 289-291.

[2] Miyasaka M, Stoemenos J. Excimer laser annealing of amorphous and solid-phase-crystallized silicon films [J]. Journal Of Applied Physic, 1999, 86: 5556-5565.

[3] Sheats JR, Manufacturing and commercialization issues in organic electronics [J]. Journal Of Materials Research, 2004, 19: 1974-1989.

[4] Hoffman RL, Norris BJ, Wager JF, ZnO-based transparent thin-film transistors [J]. Appl. Phys. Lett.2003, 82:733.