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09 第09章 多种薄膜晶体管.pptx

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本课件为课程第9章,讲解低温多晶硅TFT的高迁移率特点与像素结构、叠层存储电容的构成,对比有机物、非晶硅、多晶硅与氧化物四类半导体材料在工艺温度、迁移率与透明度上的差异,并介绍CdS、CdSe化合物TFT与并五苯、酞菁等有机TFT的结构与制备方法。

第9章多种薄膜晶体管封面,标示本章比较多晶硅、氧化物、化合物与有机薄膜晶体管
多晶硅TFT特点与挑战图,列出高迁移率易掺杂自对准等五项特点及关态电流大等三项挑战
非晶硅TFT手机驱动模块需求图,说明a-Si方案在小型化等指标上受限需要独立驱动IC
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第1页:第9章多种薄膜晶体管

本章讲解多晶硅薄膜晶体管(LTPS)、氧化物薄膜晶体管、化合物薄膜晶体管与有机薄膜晶体管的特点与结构。

第2页:多晶硅薄膜晶体管的特点

特点:

  1. 高迁移率
  2. 容易p型和n型掺杂
  3. 自对准结构
  4. 抗光干扰能力强
  5. 抗电磁干扰能力强

挑战:

  1. 存在小尺寸效应
  2. 关态电流大
  3. 低温大面积制作困难
  4. 设计和研发成本高

图中给出n沟道与p沟道p-Si TFT的源区、漏区结构差异。

第3页:a-Si TFT手机驱动模块

手机驱动模块对TFT的关键需求包括画质、低功耗、小型化、数字数据、低电压、低成本、鲁棒设计与速度等。a-Si TFT在小型化等指标上不能完全满足,因此需要独立的行驱动IC与列驱动IC。

说明:原页以勾选表形式对比各项需求,源文件提取的勾选符号与项目名称对应关系不完整,故改为文字概述,具体勾选情况待对照原图补充。

第4页:LTPS TFT手机驱动模块

LTPS TFT在画质、低功耗、小型化、数字数据、低电压、低成本、鲁棒设计与速度等关键需求上均可满足,因而可以把行驱动IC与列驱动IC等周边驱动电路与显示区域集成一体化。

第5页:LTPS的像素结构

  1. 交叠结构与自对准结构
  2. 偏移结构和LDD结构
  3. 部分a-Si:H沟道结构
  4. 子栅极结构
  5. 多栅极结构

图中标出LDD(轻掺杂漏)区域、源极、漏极、子栅极、栅极与沟道区(p-Si)的位置。

第6页:LTPS叠层存储电容结构

多晶硅栅极金属为M1,M2为源漏电极,M3为第三层金属。金属层M3有两种作用:

  1. 充当薄膜晶体管的遮光层,相当于彩膜基板上的黑矩阵,彩膜基板不用再制作黑矩阵,节省材料及成本;
  2. 作为存储电容的一个电极,与公共信号线相连。

第7页:叠层存储电容的构成

  • 存储电容Cs1:由源漏金属M2和金属层M3及中间夹着的SiNx介质层构成;
  • 存储电容Cs2:由金属层M3和像素电极ITO及中间夹着的第三介质层构成;
  • 液晶像素电容Clc:由阵列基板的像素电极ITO和彩膜基板上共用电极,中间夹着液晶材料构成。

存储电容由Cs1与Cs2两个并联的存储电容相叠构成。

第8页:四类TFT半导体材料对比

四类薄膜晶体管半导体材料性能对比表
项目有机物非晶硅多晶硅氧化物
工艺温度接近室温350°C左右大于550°C接近室温
稳定性差一般较好好
迁移率(cm2/Vs)<1<1>10^21~10^2
成本低一般高低
透明度不透明不透明不透明透明

氧化物半导体薄膜的制备方法有磁控溅射法、脉冲激光沉积技术、分子束外延技术、溶胶-凝胶法等;图中展示三星的透明氧化锌TFT的AMOLED。

第9页:化合物薄膜晶体管

1935年P.K. Weimer的第一个薄膜晶体管为采用硫化镉(CdS)的化合物薄膜晶体管。此外还有CdSe等半导体材料的化合物薄膜晶体管。

图中给出氨水浓度为0.1mol/L和0.7mol/L时CdS薄膜的SEM照片,用于比较薄膜形貌。

第10页:有机薄膜晶体管的材料

常见的有机薄膜晶体管材料:并五苯(pentacene)、酞菁化合物(phthalocyanine compound)、聚噻吩(Poly(3-alkyl)thiophene)。

图中展示索尼公司可以卷曲的OTFT OLED显示器。

第11页:有机TFT的两种接触结构

有机薄膜晶体管按源漏电极与有机半导体有源层的相对位置分为两种结构:

  • (a)顶接触结构:源漏电极位于有机半导体有源层之上;
  • (b)底接触结构:源漏电极位于有机半导体有源层之下、与栅绝缘层相邻。

器件可制作在玻璃或柔性衬底上。

第12页:有机薄膜的制备方法

有机薄膜的制备方法主要有真空蒸镀与溶液旋涂两种:

  • 真空蒸镀:原料在加热源中升华,经挡板与晶振片监控沉积到旋转的基板上;
  • 溶液旋涂:把有机半导体溶液或聚合物溶液滴在基板上旋转成膜。

第13页:微接触印刷术

微接触印刷术的工艺流程:

  1. 制备Cr栅极;
  2. 制备源漏电极;
  3. 图案化金属;
  4. 把有机半导体溶液滴入沟道内,沉积形成有机半导体层。

第14页:薄膜形貌对迁移率的影响

薄膜形貌直接影响有机薄膜晶体管的迁移率,图中对比:

  • (a)酞菁锌(ZnPc)
  • (b)联六苯(p-6P)
  • (c)2nm p-6P
  • (d)3nm ZnPc/2nm p-6P
  • (e)20nm ZnPc/2nm p-6P
  • (f)20nm ZnPc

第15页:第9章本章小结

  1. 多晶硅薄膜晶体管:低温多晶硅的工艺要比非晶硅工艺复杂,有8次光刻、9次光刻和5次光刻的工艺流程等
  2. 氧化物薄膜晶体管:主要有氧化锌(ZnO)、铟镓锌氧(InGaZnO)、铟锌氧(InZnO)、铟锡氧(InSnO)等
  3. 化合物薄膜晶体管:主要有CdSe TFT和CdS TFT两种
  4. 有机薄膜晶体管:代表性的高迁移率有机半导体材料主要有并五苯、并四苯、酞菁化合物、聚噻吩、六噻吩等
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