TFT

a-Si TFT是TFT-LCD使用最久、应用最广的TFT技术，具有成膜工艺多样化、性能稳定、均一性好等特点。

a-Si TFT的基本特性取决于a-Si半导体的特性，a-Si半导体的基本特性是载流子传输特性。

1. a-Si的结构特征与能带模型

a-Si结构特征是短程有序、长程无序。a-Si在一个原子或几个原子间距范围内大体保留单晶硅（c-Si）中的四面体结构配位形式，但在长程呈连续无规网络，键角和键长发生畸变。a-Si的结构特征如图2-10所示，r1、r2、r3等原子间键长从0.35nm到1nm不等，键长偏差在20%左右。原子间键角θ随机地分布在109o28′±10o的范围内。短程有序决定了a-Si的能带结构、电导、热导、光学性质等半导体特性，长程无序决定了a-Si的散射、迁移等性质。

大量Si悬挂键的存在使a-Si具有很高的缺陷态密度，导致a-Si的电子迁移率低于1cm2/Vs。a-Si的载流子传输路径如图2-11所示。a-Si强化学键在导带最小值（Conduction Band Minimum，CBM）下面和价带最大值（Valence Band Maximum，VBM）上面形成相当深的、高密度的局部态，导致载流子的俘获。Si的带隙形成机理如图2-12（a）所示，Si能级的CBM和VBM分别由sp3杂化轨道的反键（sp3 σ*）态和成键（sp3 σ）态组成。σ*–σ级的能量差就是Si能带的带隙。a-Si电子结构缺陷如图2-12（b）所示，如果出现一个Si空位，则在靠近带隙中间就会形成一个悬挂键和一个不成对电子，悬挂键会被一个电子占据。所以，Si空位既表现为一个电子陷阱，也表现为一个空穴陷阱。Si空位的存在会导致N型TFT和P型TFT的特性恶化。因此，需要对a-Si的悬挂键进行氢化处理，对悬挂键起“饱和”作用以减少缺陷态数目。a-Si:H电子结构如图2-11（c）所示。这种含有大量硅氢键Si:H的非晶态固体叫作氢化非晶硅（a-Si:H）。a-Si:H中的H能够补偿a-Si中大量存在的悬挂键，在带隙中减少亚带隙缺陷DOS，可以提升a-Si:H的电导率。

图2-10　a-Si的结构特征

图2-11　a-Si的载流子传输路径

图2-12　Si的电子结构（实心圆和空心圆分别代表占有态和未占有态）

由于a-Si长程无序，薛定鄂方程中的势能函数不再是周期性分布，电子的波函数不再是布洛赫波，其状态不能再由简约波矢k表示。所以，a-Si不具有真正的能隙。考虑到缺陷后的能带图中应包含带隙中的缺陷态。含有大量硅氢键Si:H的非晶态固体就叫作氢化非晶硅（a-Si:H）。图2-13给出了a-Si:H的能带结构。能量EC线上面的导带和能量EV线下面的价带分别对应各自的广延态，中间类似单晶硅禁带宽度的区域叫作迁移率隙。导带和价带的带尾延伸到迁移率隙，对应的电子状态叫作局域态，费米能级EF附近的局域态叫作深能级局域态。导带带尾的尾态可以俘获电子，减小导带的电子密度，价带带尾的尾态可以俘获空穴，减小价带的空穴密度，这些被俘获的电子或空穴是a-Si的导电成分，统称为载流子。导带和价带的带尾态密度呈指数级变化。除尾态外，a-Si:H的悬挂键和网格缺陷也会引入俘获态，即深能级陷阱。在外加电场作用下，局域态中的电子要从一个局域态跳跃到另一个局域态而导电，需要声子的帮助，这种跳跃式导电的迁移率很低。而广延态电子的迁移率很高，广延态和定域态的边界叫作迁移率边。a-Si:H的迁移率隙就是导带和价带各自迁移率边之间的能量差，单位为电子伏特（eV）。

2. a-Si的电学特性与光学特性

a-Si的主要电学特性是导电特性。在室温下，器件质量本征a-Si:H的暗电导率σd小于10?10（?cm）?1，暗电导激活能Ea约为0.8eV（≈1/2Eg）。本征a-Si:H的直流暗电导率σd主要由电子的输运特性决定，表现出弱n?型电导特征，电子的漂移迁移率约为1cm2/Vs，空穴的漂移迁移率约为0.01cm2/Vs。

图2-14给出了a-Si直流暗电导率与温度关系。T≠0时，定域态中的电子可通过与a-Si格子相互作用进行跳跃式导电，迁移率比扩展态中的电子迁移率要小。温度较低时，电子只能从费米能级EF以下的能量状态通过声子的帮助跃迁到EF以上的邻近空态，形成定域态的近程（几个KT）跳跃电导，电导率正比于exp（?T?1/4）。随着温度的升高，电子由EF被激发到接近EC的带尾定域态，通过声子的帮助，从一个定域态跃迁到另一个定域态，形成带尾定域态电导。在较高温度时，电子吸收足够的能量，从费米能级EF被激发到迁移边EC以上的能态形成扩展态电导。载流子由费米能级EF激发到扩展态或带尾局域态的电荷输运机理，都属于热激活型导电，电导率正比于exp（?E /KT）。其中，E是激活能。T=0K时，能量在定域态范围内的电子迁移率为零。当电子态能量通过扩展态与尾部定域态交界处的临界能量，即进入扩展态时，电子迁移率突增至一个有限值。

图2-13　a-Si:H的能带结构

图2-14　a-Si直流暗电导率与温度关系

a-Si的光学特性主要包括光吸收和光电导。要求用于TFT开关的a-Si的薄膜表面均匀、折射率高、透光性能好、尽量避免光生载流子的生成。在光照射后，a-Si可成为一个光导体。光导体的本质是光子和电子的相互作用，此过程伴随电子在不同能量状态之间的跃迁。根据a-Si:H对不同的光子吸收差别，可将它的吸收光谱分为弱吸收区、指数吸收区、本征吸收区三个区域。

（1）弱吸收区：位于近红外区的低能吸收，对应电子在定域态之间跃迁。相关的定域态密度较小，所以吸收系数α一般在1～10cm?1。这部分吸收称为本征吸收，其特点是α随光子的能量减小趋于平缓。

（2）指数吸收区：这个区域的吸收对应电子从价带边扩展态到导带尾定域态的跃迁，或者电子从价带带尾定域态到导带边扩展态的跃迁。由于带尾定域态的态密度分布为指数型，所以这部分的能量变化虽然不大，但是吸收系数呈指数型变化，变化范围跨越两三个数量级，最高可达104cm?1。

（3）本征吸收区：对应价带内部向导带内部跃迁，吸收系数α一般在104cm?1以上，随光子能量的变化具有幂指数特征，即。

a-Si TFT的开关功能是通过TFT器件的MIS构造实现的，可以用能带理论解释这种开和关的原理。

1. MIS构造的沟道特性

在外加电压的作用下，TFT器件的能带发生变化，相应地形成低沟道电阻的开态和高沟道电阻的关态。TFT器件电压设定和沟道分区如图2-15所示，假定TFT器件的源极电压Vs=0V，漏极电压Vd>0V，则漏源极电压差Vds>0V。由于沟道上各处电压状态不同，分别设定源极边上对应的沟道垂直结构为位置①，沟道正中央的垂直结构为位置②，漏极边上对应的沟道垂直结构为位置③。

当栅极电压Vg小于0V，即Vgs0V，受漏极金属正表面电势的作用，I-a-Si能带向下弯曲，在n+a-Si表面形成电子积累。随着Vgs负偏压增大，I-a-Si/G-SiNx界面的电子逐渐被挤走，I-a-Si/G-SiNx界面的导电机制被弱化。电子密度相对高的I-a-Si层体内电子被空穴俘获，形成很小的电流。

图2-15　TFT器件电压设定和沟道分区

增大Vgs负偏压，I-a-Si层的电子进一步被挤到靠近PA-SiNx层一侧。在Vgs负电压的吸引下，PA-SiNx层积累一些正离子，相当于往沟道方向施加一个正电场，使靠近PA-SiNx的I-a-Si层比体内具有更高的电子密度和更低的空穴密度。I-a-Si/PA-SiNx的界面态密度逐渐增大，更多的界面态本征电子参与导电。如图2-16的位置②所示，PA-SiNx表面积累的正离子诱使沟道中央的I-a-Si能带向下弯曲，使I-a-Si在接近PA的表面形成电子积累形成背沟道。在漏极正电压作用下，背沟道的电子俘获空穴形成电子电流。所以，Vgs