半导体器件物理TFT

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半导体器件物理TFT第一页，共40页。主要内容（1）TFT的发展历程（2）TFT的种类、结构及工作原理（3）p-si TFT的电特性（4）p-si TFT的制备技术（5）TFT的应用前景第二页，共40页。TFT的发展历程（1）1934年第一个TFT的发明专利问世-----设想.（2）TFT的真正开始----1962年，由Weimer第一次实现.

特点：器件采用顶栅结构，半导体活性层为CdS薄膜.栅介质层为SiO,除栅介质层外都采用蒸镀技术.

器件参数：跨导gm=25 mA/V,载流子迁移率150 cm2/vs,最大振荡频率为20 MHz.CdSe----迁移率达200 cm2/vsTFT与MOSFET的发明同步，然而TFT发展速度及应用远不及MOSFET?!第三页，共40页。TFT的发展历程（3）1962年，第一个MOSFET实验室实现.（4）1973年，实现第一个CdSe

TFT-LCD(6*6)显示屏.-----TFT的迁移率20 cm2/vs,Ioff=100 nA.之后几年下降到1 nA.（5）1975年，实现了基于非晶硅-TFT.随后实现驱动LCD显示.----迁移率＜1 cm2/vs,但空气（H2O,O2)中相对稳定.（6）80年代,基于CdSe,非晶硅 TFT研究继续推进.另外，实现了基于多晶硅TFT，并通过工艺改进电子迁移率从50提升至400.---当时p-SiTFT制备需要高温沉积或高温退火.---a-Si TFT因低温、低成本，成为LCD有源驱动的主流.第四页，共40页。（7）90年代后，继续改进a-Si,p-Si TFT的性能，特别关注低温多晶硅TFT制备技术.----非晶硅固相晶化技术.有机TFT、氧化物TFT亦成为研究热点.---有机TFT具有柔性可弯曲、大面积等优势.TFT发展过程中遭遇的关键技术问题？低载流子迁移率稳定性和可靠性低温高性能半导体薄膜技术低成本、大面积沉膜挑战：在玻璃或塑料基底上生长出单晶半导体薄膜！TFT的发展历程第五页，共40页。TFT的种类按采用半导体材料不同分为：无机TFT有机TFT化合物:CdS-TFT,CdSe-TFT氧化物:ZnO-TFT硅基:非晶Si-TFT,多晶硅-TFT基于小分子TFT基于高分子聚合物TFT无/有机复合型TFT：采用无机纳米颗粒与聚合物共混　　　　　　　　　　制备半导体活性层第六页，共40页。TFT的常用器件结构双栅薄膜晶体管结构薄膜晶体管的器件结构第七页，共40页。TFT的工作原理一、MOS晶体管工作原理回顾当|VGS|>|VT|,导电沟道形成.此时当VDS存在时，则形成IDS.对于恒定的VDS,VGS越大,则沟道中的可动载流子就越多,沟道电阻就越小,ID就越大.即栅电压控制漏电流.对于恒定的VGS,当VDS增大时，沟道厚度从源极到漏极逐渐变薄,　引起沟道电阻增加,导致IDS增加变缓.当VDS＞VDsat时,漏极被夹断,而后VDS增大，IDS达到饱和.第八页，共40页。工作原理：与MOSFET相似,TFT也是通过栅电压来调节沟道电阻，从而实现对漏极电流的有效控制.与MOSFET不同的是：MOSFET通常工作强反型状态,而TFT根据半导体活性层种类不同,工作状态有两种模式：　对于a-Si TFT、OTFT、氧化物TFT通常工作于积累状态.

对于p-Si TFT工作于强反型状态.工作于积累状态下原理示意图TFT的工作原理第九页，共40页。TFT的I-V描述在线性区,沟道区栅诱导电荷可表示为在忽略扩散电流情况下，漏极电流由漂移电流形成，可表示为…….（1）…….（2）(1)代入(2)，积分可得：…….（3）当VdVDsat）时,夹断区因强电场引起碰撞电离所致. 此时ID电流可表示为:为碰撞电离产生率,与电场相关,类似于pn结的雪崩击穿.第十三页，共40页。4.　Gate-bias Stress Effect (栅偏压应力效应）负栅压应力正栅压应力现象1：阈值电压漂移. 负栅压应力向正方向漂移,正栅压应力向负方向漂移.产生机理：可动离子漂移.第十四页，共40页。负栅压应力正栅压应力现象2：亚阈值摆幅(S)增大. 机理：应力过程弱Si-Si断裂,诱导缺陷产生.第十五页，共40页。5. p-Si TFF C-V特性下图为不同沟长TFT在应力前后的C-V特性自热应力BTS(bias temperature stress)：VG=VD=30 V, T=55 oC;应力作用产生缺陷态，引起C-V曲线漂移.第十六页，共40页。6.　p-Si TFF的改性技术（1）非晶硅薄膜晶化技术-----更低的温度、更大的晶粒,进一步提高载流子迁移率.（3）采用高k栅介质----降低阈值电压和工作电压.（2）除氢技术----改善稳定性.（4）基于玻璃或塑料基底的低温工艺技术(107A-Si:H沉积及掺杂低温,玻璃塑料基底　低、有光响应p-Si TFT100~300105~107硅膜沉积、晶化、掺杂高迁移率高温,有光响应小分子TFT0.1~10104~106蒸镀　高于聚合物TFT难大面积,有光响应聚合物TFT0.01~1103~105旋涂、打印低成本,易大面积　低,不稳定,有光响应ZnO TFT1~100105~108溅射、ALD　高,可见光透明难大面积,不稳定注:表中数据仅为典型值.第三十三页，共40页。TFT的主要应用1.　LC