新型氧化物薄膜晶体管的研究进展

1、新型氧化物薄膜晶体管的研究进展新型氧化物薄膜晶体管的研究进展报告内容报告内容1. TOEO-6会议介绍会议介绍1.1 TOEO-6会议内容和分类会议内容和分类1.2 与与TOEO-6会议同期举办的展览会会议同期举办的展览会2.2. 氧化物薄膜晶体管的研究进展氧化物薄膜晶体管的研究进展2.1 沟道层薄膜材料沟道层薄膜材料2.2 栅介质层薄膜材料栅介质层薄膜材料2.3 电学稳定性电学稳定性3.3. 氧化物氧化物TFT在平板显示领域的应用在平板显示领域的应用1. TOEO-6会议介绍会议介绍TOEO-6 6th International Symposium on Transparent Oxide

2、 Thin Films for Electronics and OpticsTOEO国际研讨会始于国际研讨会始于1999的日本东京的日本东京, 由日本学术由日本学术振兴会振兴会(JSPS)第第166届委员会倡议发起届委员会倡议发起TOEO会议主会议主要目的是提供探讨具有特殊电学和光学要目的是提供探讨具有特殊电学和光学性能的宽禁带氧化物薄膜材料的基本问题和应用领域性能的宽禁带氧化物薄膜材料的基本问题和应用领域的国际化平台的国际化平台TOEO-6参加人数为参加人数为200多人，大多数来自日本、韩多人，大多数来自日本、韩国和中国台湾地区国和中国台湾地区1.1 TOEO-6会议内容和分类会议内容和分类

3、MaterialsMaterials nITO alternatives nTransparent Conducting Oxides (TCO) nTransparent Oxide Semiconductors (TOS) nOptic / electronic functional oxides: Synthesis, characterization and application nMaterials design, Development of New Materials nLight emitting materials / Photo-refractive materials

4、nBlue excitation, Organic / Inorganic EL materials nMulti / Coupled functional materials nPhotocatalysists nPhotovoltaic devices, etc.1.1 TOEO-6会议内容和分类会议内容和分类ProcessesProcesses nSputtering (pulsing, web coater, etc) nPLD nCVD nSol-gel nInk-jet, Printing nNew deposition method (plasma, wet processes,

5、 etc)1.1 TOEO-6会议内容和分类会议内容和分类Devices and ApplicationsDevices and Applications nThin film transistor (TFT) nOptoelectronic devices using TCOs and TOSs nFlat-panel display (FPD), OLED, electronic paper, etc nSolar cells (thin films, compounds, quantum dot, etc) nTransparent optoelectronic devices nFET

6、, UV-LED, FED, Sensor, etc nOther topics related to FPDs, photocatalysists, etc1.1 TOEO-6会议内容和分类会议内容和分类日本东京工业大学日本东京工业大学Hosono教授领衔的日本战略性创新研究教授领衔的日本战略性创新研究促进事业促进事业(ERATO)项目项目“细野透明电子活性项目细野透明电子活性项目(1999-2004)”，致力于新型功能氧化物材料尤其是新型，致力于新型功能氧化物材料尤其是新型TCO薄膜和薄膜和TOS薄膜及其器件的研究和开发，并且取得了很多成果薄膜及其器件的研究和开发，并且取得了很多成果因此，

7、因此， Hosono教授获得了教授获得了ERATO的的2004-2009第二个五年第二个五年计划的立项与资助，题目为计划的立项与资助，题目为“基于透明氧化物的纳米结构的基于透明氧化物的纳米结构的功能开发与应用开展功能开发与应用开展”连续对同一人的相近课题进行资助，这在连续对同一人的相近课题进行资助，这在ERATO项目资助项目资助史上是少有的现象史上是少有的现象 德国德国Fraunhofer研究机构与会学者表示，他们已经整合力量研究机构与会学者表示，他们已经整合力量，开展，开展TCO/TOS/器件及其应用领域，特别是太阳能电池领器件及其应用领域，特别是太阳能电池领域的研究域的研究1.2 TOEO

8、-6会议期间的展览会会议期间的展览会nDisplay 2009 日本第5届国际平板显示展面向民用面向民用、产业产业、车载车载、数字广告等所有应用所必需的显示数字广告等所有应用所必需的显示器件的大集结器件的大集结nFINETECH JAPAN 第19届平板显示研究开发平板显示研究开发 制造技术制造技术展展n第4届FPD部品材料EXPOn第1届（国际）触摸屏技术展n第一届新一代照明技术展日本最大，日本最大，250家公司出展家公司出展 时间：时间：April 15-17, 2009地点：地点：Tokyo Fashion Town (TFT) Building报告内容报告内容1. TOEO-6会议介绍

9、会议介绍1.1 TOEO-6会议主题会议主题1.2 与与TOEO-6会议同期举办的展览会会议同期举办的展览会2.2. 氧化物薄膜晶体管的研究进展氧化物薄膜晶体管的研究进展2.1 沟道层薄膜材料沟道层薄膜材料2.2 栅介质层薄膜材料栅介质层薄膜材料2.3 电学稳定性电学稳定性3.3. 氧化物氧化物TFT在平板显示领域的应用在平板显示领域的应用2.2.氧化物薄膜晶体管的研究进展氧化物薄膜晶体管的研究进展沟道层薄膜沟道层薄膜lIn-Ga-Zn-OlZnOlIn-Zn-Sn-OlSnGaZnO lIn-Zn-OlZn-Sn-O lTi-O介质层薄膜介质层薄膜SiNx, SiOx, Al2O3,HfO2

10、, Y2O3, Ta2O5,制备工艺，影响因素及机制制备工艺，影响因素及机制Active Layer2.1 2.1 沟道层薄膜材料沟道层薄膜材料 InGaO3(ZnO)5Science, 300(23), 1269 (2003)nInGaZnO/YSZ: PLD at RT, n1400 for 30 min. nSingle-crystallinenmobility 80 cm2/Vs Nature, 432(25), 488 (2004)nInGaZnO/PET: PLD at RTnamorphousnmobility 10 cm2/Vs2.1 2.1 沟道层薄膜材料沟道层薄膜材料 a-

11、 a-InGaZnOn共价非晶半导体(如a-Si:H): CBM和VBM由sp3杂化轨道构成n氧化物半导体电子输运通道(CBM)由金属S轨道的球面扩散所构成2.1 2.1 沟道层薄膜材料沟道层薄膜材料 a- a-InGaZnOAPPLIED PHYSICS LETTERS 95, 013503 2009 a-IGZO:dc sputtering; SiNx:PECVD; 6.5 in. flexible full-color top-emission AMOLED on PI field-effect mobility of 15.1 cm2 /V s subthreshold slope o

12、f 0.25 V/dec, threshold voltage VTH of 0.9 V. high degree of spatial uniformity. withstood bending down to R=3 mm under tension and compression without any performance degradation.2.1 2.1 沟道层薄膜材料沟道层薄膜材料 a- a-InGaZnOAPPLIED PHYSICS LETTERS 94, 072103 2009 a-InGaZnO4：on cellulose paper by sputtering a

13、t RT threshold voltage：3.75 V saturation mobility 35 cm2 V1 s1 subthreshold gate-voltage swing 2.4 V decade1 on-to-off ratio of 104 The results verify that simple cellulose paper is a good gate dielectric as well as a low-cost substrate for flexible electronic devices such as paper-based displays.粗糙

14、表面上获得高性能粗糙表面上获得高性能TFT2.1 2.1 沟道层薄膜材料沟道层薄膜材料 ZnOAppl. Phys. Lett., Vol. 82(5), 733-735, 2003ATO (AlTi-O): ALD; ZnO: ion beam sputtering and a rapid thermal anneal (RTA) at 600800 in O2on-to-off ratio of 107; Threshold voltages: 10 to 20 V; Mobilities: 0.3 to 2.5 cm2/V s,One attractive application for

15、 transparent TFTs involves their use as select-transistors in each pixel of an active-matrix liquid-crystal display.2.1 2.1 沟道层薄膜材料沟道层薄膜材料 ZnO随着随着ZnO沟道层厚度从沟道层厚度从15 nm增加到增加到70 nm漏电流从漏电流从1010 增加到增加到 108 A开关比从开关比从1.2 107 下降到下降到 2 104ZnO薄膜的表面形貌先显著改善后劣化薄膜的表面形貌先显著改善后劣化25 nm厚厚ZnO薄膜具有最平整的表面形貌，薄膜具有最平整的表面形貌，并

16、显示最佳性能：并显示最佳性能：l 场效应迁移率场效应迁移率 5.1 cm2/V sl 开关比开关比1.2 107l 阈值电压阈值电压 20 V结论：结论：ZnO薄膜表面形貌对薄膜表面形貌对 ZnO-TFTs具具有显著影响有显著影响Solid State Communications 146 (2008) 387390-上海大学上海大学张志林老师张志林老师2.1 2.1 沟道层薄膜材料沟道层薄膜材料 ZnO2.1 2.1 沟道层薄膜材料沟道层薄膜材料 ZnO:NThin Solid Films 516 (2008) 33053308-河南大学张新安老师河南大学张新安老师 ZnO:N 激光分子束外

17、延激光分子束外延 on/off ratio of 104 The threshold voltage is 5.15V The channel mobility on the order of 2.66 cm2 V1 s12.1 2.1 沟道层薄膜材料沟道层薄膜材料 IZTOJ. Mater. Chem., 2009, 19, 31353137Vth = 2 V mobility 30 cm2 V1 s1 R on/off 106 2.1 2.1 沟道层薄膜材料沟道层薄膜材料 SnGaZnOphys. stat. sol. (a) 205(8), 19201924, 2008a-SGZO on

18、 a-SiO2/n+-Si wafersthe device performances of theas-deposited channel TFTs were very poorIon 107 A；Ron/off 105 A, R on/off 106 and sat 1.8 cm2 V1 s1. 2.1 2.1 沟道层薄膜材料沟道层薄膜材料 IZOThin Solid Films 516 (2008) 58945898IZO (10 wt.% ZnO) at RTSiOx: PECVD at 280 operate in depletion modethreshold voltage of

19、 5 Vmobility of 15 cm2/V son-off ratio of 1062.1 2.1 沟道层薄膜材料沟道层薄膜材料 IZOIZO: dc sputteringSiO2: PPD = 5.2 cm2V-1s-1Vth = 0.94 VRon/off = 10402468100.04.0 x10-68.0 x10-61.2x10-51.6x10-52.0 x10-5VD(V) VG=1V VG=3V VG=5V VG=7V VG=9V VG=11VID(A)(a)-2024681012141618201E-91E-81E-71E-61E-51E-40.0000.0010.002

20、0.0030.0040.0050.0060.0070.008 I1/2D(A)ID(A)VG(V) VDS=20V,(b)1020304050607080 Intensity (a.u.)2 (degrees)2.1 2.1 沟道层薄膜材料沟道层薄膜材料 TiOxIEEE ELECTRON DEVICE LETTERS 29(12), 1319-1321, 2008TiOx: MOCVD at 250 ; amorphous phaseJ. Appl. Phys. 105, 093712 20092.1 2.1 沟道层薄膜材料沟道层薄膜材料 理论研究理论研究2.2 2.2 介质层薄膜材料介质层

21、薄膜材料 SiNx Appl. Phys. Lett. 90, 212114 2007a 100-nm-thick SiOx layer deposited by PECVD = 35.8 cm2V-1s-1 Vth = 5.9 V Ron/off = 4.91062.2 2.2 介质层薄膜材料介质层薄膜材料 Al2 O3Adv. Mater. 2009, 21, 678682Al2O3：1st 9nm; 2nd 176 nm2.2 2.2 介质层薄膜材料介质层薄膜材料 Ta2 O5phys. stat. sol. (a) 205(2), 389 391, 2008清华大学李德杰老师课题组清华

22、大学李德杰老师课题组In2O3: sputteringTa2O5: sputtering = 12 cm2V-1s-12.2 2.2 介质层薄膜材料介质层薄膜材料 PVPIZO: dc sputteringPVP: 提拉法提拉法 = 4.4 cm2V-1s-1Vth = -1.2 VRon/off = 105-15-10-50510152010-1110-1010-910-810-710-610-5 VD=20VVG(V)ID(A)1020304050607080Intensity (a.u.)2 0510152002468101214 ID( A)VD(V) VG=-5V VG=0V VG=

23、5V VG=10V VG=15V VG=20V2.3 2.3 电学稳定性电学稳定性 氧化物氧化物TFT的电学稳定性是近来非常受关注的课题，大量文献的电学稳定性是近来非常受关注的课题，大量文献报道了这方面的实验结果，通常与报道了这方面的实验结果，通常与TFT制备环境、所采用的材制备环境、所采用的材料、结构和测试方法都密切相关料、结构和测试方法都密切相关氧化物氧化物TFT在较高正栅压或较大开态电流作用下阈值电压一般在较高正栅压或较大开态电流作用下阈值电压一般会单调增大，但也有少数减小或不规则变化的情况，阈值增会单调增大，但也有少数减小或不规则变化的情况，阈值增大有对数、乘方、指数等多种情况大有对数

24、、乘方、指数等多种情况去掉施加的电压后阈值会逐渐向原来的数值恢复，但这个过去掉施加的电压后阈值会逐渐向原来的数值恢复，但这个过程很少有文献给出具体描述程很少有文献给出具体描述对沟道层添加覆盖层保护后对沟道层添加覆盖层保护后TFT器件性能会变得更加稳定，如器件性能会变得更加稳定，如Al2O3和和PVP保护层使阈值电压变化量减小；保护层使阈值电压变化量减小；SiO2有提高稳定有提高稳定性的作用；总之，有覆盖层性的作用；总之，有覆盖层/顶栅介质层的器件稳定性要优于顶栅介质层的器件稳定性要优于沟道层裸露的器件，阈值的不规则变化也全部发生于后者，沟道层裸露的器件，阈值的不规则变化也全部发生于后者，因此可

25、以断定一层能有效隔绝水汽的保护层有助于提高器件因此可以断定一层能有效隔绝水汽的保护层有助于提高器件的稳定性的稳定性2.3 2.3 电学稳定性电学稳定性采用采用Si3N4绝缘层的器件阈值呈对数关系变化，变化幅度较绝缘层的器件阈值呈对数关系变化，变化幅度较大但比较容易恢复；而采用大但比较容易恢复；而采用Al2O3绝缘层的器件变化呈乘绝缘层的器件变化呈乘方关系，幅度较小方关系，幅度较小采用采用O等离子体处理等离子体处理Si3N4绝缘层表面使器件各方面性能都绝缘层表面使器件各方面性能都得到了改善得到了改善大多数文献中绝缘层采用了大多数文献中绝缘层采用了ALD沉积沉积Al2O3或热氧化的或热氧化的SiO

26、2，这些虽然是质量很好的介质材料，但是不适宜在显，这些虽然是质量很好的介质材料，但是不适宜在显示面板中使用，普通绝缘材料构成的器件还需要进一步的示面板中使用，普通绝缘材料构成的器件还需要进一步的研究研究沟道层的成分会对器件稳定性产生影响，但影响方式没有沟道层的成分会对器件稳定性产生影响，但影响方式没有明确结论明确结论2.3 2.3 电学稳定性电学稳定性有文献报道关于有文献报道关于IGZO沉积过程中氧流量的变化对器件最沉积过程中氧流量的变化对器件最终性能影响的研究结果，得到了器件阈值越接近零就越稳终性能影响的研究结果，得到了器件阈值越接近零就越稳定的结论，器件阈值不是零的情况被认为是沟道界面存在

27、定的结论，器件阈值不是零的情况被认为是沟道界面存在大量缺陷的一种表现，也有其它文献支持这个结论大量缺陷的一种表现，也有其它文献支持这个结论氧化物氧化物TFT的电学稳定性的好坏在相当程度上决定了其能的电学稳定性的好坏在相当程度上决定了其能否在否在AMOLED中的应用，虽然研究工作不少，但有待进中的应用，虽然研究工作不少，但有待进一步开展一步开展报告内容报告内容1. TOEO-6会议介绍会议介绍1.1 TOEO-6会议主题会议主题1.2 与与TOEO-6会议同期举办的展览会会议同期举办的展览会2.2. 氧化物薄膜晶体管的研究进展氧化物薄膜晶体管的研究进展2.1 沟道层薄膜材料沟道层薄膜材料2.2

28、栅介质层薄膜材料栅介质层薄膜材料2.3 电学稳定性电学稳定性3.3. 氧化物氧化物TFT在平板显示领域的应用在平板显示领域的应用3.3.氧化物氧化物TFT在平板显示领域的应用在平板显示领域的应用 (a-Si)-TFT的问题的问题a-Si TFT易于在低温下大面积制备，技术成熟，是目前使用最为易于在低温下大面积制备，技术成熟，是目前使用最为广泛的技术广泛的技术 a-Si TFT的载流子迁移率的载流子迁移率1 cm2/Vs，电流供给能力较弱，电流供给能力较弱，不能适应快速、大面积和更高清晰度显示的需求，不能适应快速、大面积和更高清晰度显示的需求 a-Si 薄膜不透明，它将占用像素中的一定面积，使有

29、效显薄膜不透明，它将占用像素中的一定面积，使有效显示面积减小，像素开口率达不到示面积减小，像素开口率达不到100%；为了获得足够的亮；为了获得足够的亮度，就需要增加光源强度，从而增加功率消耗度，就需要增加光源强度，从而增加功率消耗 a-Si 材料的能带间隙为材料的能带间隙为1.7 eV，对可见光是光敏材料，在可，对可见光是光敏材料，在可见光照射下产生额外的光生载流子，使见光照射下产生额外的光生载流子，使TFT性能恶化，因此性能恶化，因此每一像素单元每一像素单元TFT必须对光屏蔽，即增加不透明金属掩膜板必须对光屏蔽，即增加不透明金属掩膜板(黑矩阵黑矩阵)来阻挡光对来阻挡光对TFT的照射的照射 增

30、加增加TFT-LCD的工艺复的工艺复杂性、提高成本、降低可靠性杂性、提高成本、降低可靠性3.3.氧化物氧化物TFT在平板显示领域的应用在平板显示领域的应用 (p-Si)-TFT的问题的问题低温多晶硅低温多晶硅(LTPS)TFT凭借其较高的载流子迁移率具有反应凭借其较高的载流子迁移率具有反应速度快、高亮度、高清晰度等优点速度快、高亮度、高清晰度等优点能够满足制备简单逻辑电路并在视频应用下的要求，成为一能够满足制备简单逻辑电路并在视频应用下的要求，成为一种继种继a-Si TFT的主流技术的主流技术但是，但是，p-Si TFT技术同时具有：技术同时具有：l工艺复杂、设备昂贵、成本高工艺复杂、设备昂贵、成本高lLTPS TFT也不透明，且均匀性差也不透明，且均匀性差l其工艺温度对有机基板而言太高，不能适应柔性显示其工艺温度对有机基板而言太高，不能适应柔性显示的需求的需求3.3.氧化物氧化物TFT在平板显示领域的应用在平板显示领域的应用各种半导体各种半导体TFT的优缺点的优缺点 3.3.氧化物氧化物TFT在平板显示领域的应用在平板显示领域的应用Sony Demonstrated AMOLED TV in 2007 3.3.氧化物氧化物TFT在平板显示领域的应用在平板显示领域的应用使用氧化物半使用