p型薄膜晶體管(TFT)的研究進展

張世亮 翟榮麗

摘 ?要：薄膜晶體管（TFT）作為平板顯示領域的核心技術之一，在電子信息產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮了重要作用。近年來，氧化物薄膜晶體管發(fā)展迅速，高遷移率、高可見光透過率以及低溫加工工藝等優(yōu)勢使其在柔性顯示領域占據(jù)重要地位。目前關于氧化物TFT的文章報道大部分是n型TFT，為進一步提高集成電路的性能，需要制造有穩(wěn)定性能的p型TFT。文章對比了4種TFT器件結(jié)構的組成、工作原理以及其在顯示器領域中的應用，重點闡述了自1997年起p型TFT的研究進展，包括其制備方法、制備原材料以及得到的TFT的相關性能等;最后詳細介紹了制備p型TFT的半導體材料和其新型應用領域，表明p型TFT在顯示領域中具有重要應用前景。

關鍵詞：薄膜晶體管;p型;金屬氧化物;銅鐵礦;半導體材料

中圖分類號：TB34 文獻標識碼：A

DOI：10.19881/j.cnki.1006-3676.2020.12.09

Abstract：As one of the leading technology in the field of flat panel display，thin-film transistor （TFT） plays an important role in the electronic information industry. In recent years，oxide-based thin-film transistors have developed rapidly，the advantages of high mobility，high transmittance in visible light，and low-temperature fabrication processes make them important in the field of flexible displays. Most of the current reports on oxide TFTs are n-type TFTs，to further improve the performance of integrated circuits，it is necessary to manufacture p-type TFTs with stable performance. Based on the relevant theory of TFT，this paper discusses the four device structures，working principle and the major applications of TFT in the field of displays，then，through in-depth understanding of p-type TFT，the research progress of p-type TFT since 1997，including its preparation method，preparation raw materials，and related parameters of the obtained TFT，etc.，were reviewed;finally， the semiconductor materials for the preparation of p-type TFTs and their new application fields are also described in detail，indicating that p-type TFTs have made significant contributions in the field of display.

Key words：Thin film transistor;p-type;Metal oxide;Delafossite;Semiconductor

1947年，第一枚場效應晶體管（FET）在美國的貝爾實驗室誕生。隨后，人們在此基礎上制備了薄膜晶體管（TFT）。TFT因其具有高分辨率、高光學透過率、高色彩飽和度、輕質(zhì)量以及可用于集成電路等優(yōu)良特性，在顯示領域受到廣泛關注，在電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程中起到了舉足輕重的作用。

隨著顯示器不斷向柔性、全透明以及低功耗等方面的發(fā)展，其應用領域逐漸多元。研究人員需要不斷提高TFT的性能以實現(xiàn)突破與創(chuàng)新。目前，硅基TFT越來越無法滿足龐大的電子市場需求，具有高遷移率和高光學透過率的氧化物TFT逐漸引起人們的關注，并在柔性顯示等熱門領域發(fā)揮了重要作用。

目前，性能穩(wěn)定的氧化物TFT多由n型透明導電材料如ZnO、SnO2、In2O3、IGZO、IGO等制備，其場效應遷移率μ可達90cm2/（V·s）。相較而言，基于p型透明導電材料的TFT研究進展緩慢。p型TFT的缺失限制了互補電路、全透明顯示器和柔性電子器件的發(fā)展。因此，研究并制備具有優(yōu)良性能的p型TFT意義重大。

一、薄膜晶體管

（一）TFT的應用

基于TFT制造的顯示器可以分為薄膜晶體管液晶顯示器（TFT-LCD）和有機發(fā)光二極管（OLED）顯示器。其中，TFT-LCD通過薄膜晶體管技術來改變影像的質(zhì)量，將精細加工技術從小面積單晶擴展到大面積玻璃基板上，最終形成大規(guī)模的全集成電路。該技術將液晶顯示與微電子巧妙地結(jié)合在一起，在液晶顯示器中被廣泛應用。TFT-LCD被廣泛應用于電視、平板顯示器、監(jiān)視器、投影儀和智能手機等領域。

OLED技術是把有機聚合材料作為半導體材料應用在發(fā)光二極管中，廣泛應用于照明與顯示領域。OLED具有自發(fā)光的特性，在外電場的驅(qū)動下，載流子會發(fā)生注入和復合過程，OLED通過此過程使有機材料發(fā)光。OLED顯示器相比TFT-LCD顯示器，其輕薄度更好、亮度更高、柔性更好、應用領域更廣泛，可延伸到交通、商業(yè)及醫(yī)用等領域，應用于ATM機、VR設備、GPS、飛機儀表以及手術屏幕等設備。

TFT還廣泛應用于柔性顯示等領域。由于柔性顯示器具備體積小便于攜帶、低功耗、可彎曲、顯示方式多樣的特點，可進一步廣泛應用于便攜式電子設備領域。

（二）TFT結(jié)構及性能參數(shù)

薄膜晶體管由源極、漏極、柵極三個電極以及有源層和絕緣層組成。TFT是受電壓控制的器件，它通過調(diào)節(jié)柵極電壓的大小來改變源極和漏極之間的溝道電阻，進一步控制源漏極之間的電流大小。根據(jù)柵極所在位置，可將器件劃分為頂柵結(jié)構（top-gated）和底柵結(jié)構（bottom-gated），根據(jù)有源層和源漏電極的相關位置，可進一步劃分為頂接觸型（top-contact）和底接觸型（bottom-contact），其結(jié)構如圖1所示：

TFT的主要性能參數(shù)包括以下三點：

1.場效應遷移率μ

在外加電場的作用下，晶體管內(nèi)部的載流子定向運動形成電流。場效應遷移率描述載流子的輸運速度，用公式可表示為：

μ=v/E（eq.1）

其中v表示載流子的平均漂移速度，E為外加電場強度。μ體現(xiàn)了半導體器件的電導率，進一步?jīng)Q定TFT的開關響應速度。遷移率越大，即單位電場下載流子的平均漂移速度越快，器件的電導率越大，同時器件的電阻率越小。因此，當通過同樣大小的電流時，遷移率越大，器件的功耗就會越小，TFT的響應速度越快。

2.開關電流比ION/IOFF

源漏電壓保持不變時，器件處于開態(tài)和關態(tài)時流經(jīng)溝道的電流的比值即開關電流比，表示為ION/IOFF。開關比決定器件的亮暗對比度，ION/IOFF越高，亮暗對比越明顯。一般情況下，邏輯電路中器件的開關比要高于106。開態(tài)電流與顯示信號的寫入速度有關，其會影響圖像信號的顯示。開態(tài)電流越大，寫入信號的速度越快，同時顯示越好。關態(tài)電流與信號的保持時間有關，影響器件的功耗大小。關態(tài)電流越小，信號的保持時間越長，同時器件的功耗越小。

3.閾值電壓VTH

薄膜晶體管由截止狀態(tài)轉(zhuǎn)為導通狀態(tài)時對應的柵極電壓大小即閾值電壓VTH。通常薄膜晶體管絕緣層的介電常數(shù)越大，VTH越小。對于增強型和耗盡型晶體管，其區(qū)別如表1所示。

（三）TFT工作原理

柵極電壓為正時，絕緣層中會產(chǎn)生電場，此電場以柵極為正極，半導體薄膜為負極，同時絕緣層表面會產(chǎn)生感應電荷。隨柵極電壓VGS不斷增加，半導體薄膜層將不斷積聚電子，當VGS達到VTH時，在源漏極間加上電壓VDS，就會有載流子經(jīng)過。根據(jù)漏電流ID隨VDS的曲線變化情況，可以將工作區(qū)域分為三個區(qū)域（對應曲線如圖2所示）。

線性區(qū)：當VDS很小時，導電溝道可以看作恒定電阻，漏電流隨VDS的增大而線性增大，ID-VDS曲線為斜率大于零的直線。

夾斷：VDS不斷增大，會影響VGS的變化，從而導致絕緣層中的電場逐漸減弱，溝道電阻不斷增大，ID增加逐漸變緩，此時開始向飽和區(qū)過渡，對應的ID-VDS曲線斜率不斷減小。

飽和區(qū)：當VDS繼續(xù)增加，ID將不再隨VDS的增大而增大，器件進入飽和區(qū)，對應的ID-VDS曲線斜率趨于零。

二、p型TFT研究進展

（一）p型薄膜晶體管國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

p型半導體材料種類不多，主要可分為四大類。筆者主要以金屬銅的相關氧化物為例，回顧了2008—2018年來p型TFT的研究歷程，將各研究團隊所采用的制備方法、使用的襯底以及得到的薄膜的場效應遷移率與開關比列總結(jié)為表2。

2008年，Matsuzaki.K[1]等首次報道了基于p型Cu2O薄膜的TFT。Cu2O是立方晶體結(jié)構，它的空穴遷移率高于100cm2/（V·s），直接帶隙為2.17eV，這些特性使其在實現(xiàn)高遷移率p型TFT方面極具吸引力。Matsuzaki.K利用脈沖激光沉積外延Cu2O薄膜，并使用外延Cu2O溝道制造了頂柵MIS-TFT，其場效應遷移率μ為0.26cm2/（V·s），開關比為6。盡管器件的各種有效參數(shù)不夠理想，但對p型TFT的發(fā)展起到了良好的開端作用。

2009年，L.Liao等[2]報告了一篇基于CuO納米線（CuO NM）的p型TFT的文章。CuO帶隙約為1.36eV，在許多領域有潛在應用。他們將Cu箔用作CuO NM的生長基質(zhì)，在500℃下烘烤得到CuO NM，再將CuO NM溶解，滴于SiO2/Si襯底上，最后通過UV光刻和CuO制造100nm厚的Au電極，得到了p型TFT。μ為2～5cm2/（V·s），開關比為100。這項研究為基于半導體納米線的高性能p型薄膜器件的應用提供了可大規(guī)模制造的工藝。

2010年，Zou[3]報道了一種利用PLD法制備的頂柵結(jié)構p溝道Cu2O薄膜晶體管。在純氧中以0.6 Pa的氧分壓，在100nm厚的p型SiO2/Si襯底上沉積CuxO薄膜。為制造CuxO-TFT，首先要通過射頻磁控濺射（RFMS）在CuxO膜上沉積Pt膜，再通過PLD在CuxO表面上制備HfON介電層，并將Pt沉積在HfON上，最后制備出頂柵TFT，μ為4.3cm2/（V·s），開關比高達3×106。

2012年，Yao[4]采用磁控濺射法制備了p型Cu2O薄膜晶體管。在SiO2/n-Si和摻Sn的In2O3（ITO）透明玻璃襯底上，在不進行后退火的情況下，成功地在室溫下制備出具有良好P型半導體特性的納米晶Cu2O薄膜，并在聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）基板上制造了p溝道Cu2O-TFT，μ為2.4cm2/（V·s），開關比為3.96×104。

2013年，Jawhari[5]報道了一種利用磁控濺射法制備的透明p型Cu2O/SnO雙層TFT。低溫條件下，在鍍有150nm銦錫氧化物（ITO）柵電極的玻璃上，沉積220nm鋁氧化鈦（ATO）電介質(zhì)，并以Cu2O代替SiO2作為SnO薄膜晶體管的覆蓋層，制備出Cu2O/SnO疊層，最后得到具有可調(diào)器件性能的透明雙層晶體管。μ為0.66cm2/（V·s），開關比為1.5×102。

2013年以前，p型薄膜的制備方法均為磁控濺射、PLD以及外延生長等的物理沉積法，得到的TFT大部分存在場效應遷移率低的缺點。溶液法制備成本低、產(chǎn)量高，因此研究人員嘗試采用溶液法，并不斷改進物理沉積工藝，以制備高性能的p型TFT。

2013年，Kim[6]等第一次采用溶膠凝膠法制備了具有p型特性的Cu2O-TFT。該實驗引入兩步退火工藝，將CuxO薄膜涂覆在熱氧化的SiO2表面并進行烘烤，再放置在N2中并在400℃下退火，CuxO被還原為Cu。之后將Cu膜放置在O2氛圍中，通過控制氧分壓，在700℃下再次退火，最終得到Cu2O-TFT。最后得出，通過固溶工藝制備的TFT的最大場效應遷移率μ為0.16cm2/（V·s），開關比為102。

2015年，Yu[7]等采用溶液法，在SiO2/Si襯底上制備了CuXO薄膜。他們在400～700℃下處理涂覆的CuxO凝膠膜，隨溫度升高，所制造的TFT電性能不斷改善。在600℃下退火的CuXO-TFT具有最佳的電學性能，場效應遷移率μ為0.29cm2/（V·s），開關比為1.6×104，閾值電壓低至-3.2V。若退火溫度繼續(xù)升高，TFT的電學性能會急劇下降，這表明通過一步真空退火技術獲得的固溶處理CuxO-TFT可用于高性能p型電子器件，這一發(fā)現(xiàn)對進一步發(fā)展低成本CMOS產(chǎn)品非常重要。

2018年，Nie[8]等人采用溶膠凝膠法，將CuCrxOy前體溶液旋涂在SiO2/Si襯底上，并將凝膠膜在400℃的空氣中退火2小時，再將樣品在N2環(huán)境中于500～900℃溫度范圍內(nèi)的爐中退火2小時，最后利用熱蒸發(fā)法在CuCrxOy溝道層上制備得到Ni電極。在800℃下退火得到的CuCrO2-TFT，空穴遷移率為0.59cm2/（V·s），開關比為105。

（二）p型半導體材料的分類

獲得良好性能的p型TFT，首先必須獲得具有良好光電性能的p型光電材料。這也是限制p型TFT發(fā)展的關鍵。目前，被廣泛研究的p型光電材料主要分為以下4類。

1.p型摻雜的普通氧化物

常見的p型薄膜半導體材料主要是摻雜的主族化合物，其中被研究較多的是ZnO[9]材料。ZnO是一種直接帶隙半導體，室溫下Eg可達3.37eV，屬于六方晶體結(jié)構，在紫外、光電、熱電、壓電轉(zhuǎn)換及太陽能電池等領域都具有廣闊的應用前景。目前，研究人員可以通過摻雜N、P、As等V族元素受主雜質(zhì)來實現(xiàn)ZnO薄膜的p型摻雜。但由于ZnO材料本身存在許多本征施主缺陷，會對受主產(chǎn)生高度的自補償效應，因此，近年來研究人員開始使用活性施主和受主共摻雜的技術，以使制備的p型TFT性能更加穩(wěn)定。

2.p型銅鐵礦系氧化物CuMO2

1997年，Kawazoe等成功使用PLD制備了一種新型的p型薄膜材料CuAlO2（CAO）[10]。CAO屬于銅鐵礦結(jié)構，是寬禁帶半導體材料，室溫下帶隙可達3.5eV，其薄膜材料在可見光范圍內(nèi)具有很高的透過率。目前研究的銅鐵礦系材料還包括CuGaO2、CulnO2、CuAlO2、CuScO2等，制備工藝包括PLD、濺射、溶液法以及MOCVD等。

3.p型SnO金屬氧化物

2008年，Yoichi Ogo[11]等發(fā)表了一篇關于外延生長法制備的SnO薄膜的文章，證明了SnO材料的本征p型導電性質(zhì)。SnO[12]是一種雙極性半導體，禁帶寬度可達4.2eV，可作為溝道層應用在薄膜晶體管中。作為金屬氧化物半導體，SnO具有特殊的能帶結(jié)構，它的O2p能級與Sn5s能級比較接近，軌道雜化的情況容易發(fā)生，這樣，離子鍵對電子難以發(fā)生局域化作用，使得SnO表現(xiàn)出本征p型導電特性。SnO薄膜具有高可見光透過率、低電阻率等特點，性能比較穩(wěn)定，也是制備p型TFT的理想材料。

4.p型NiO金屬氧化物

NiO是一種寬禁帶直接帶隙半導體材料，Eg為3.6-4.0eV。NiO[13]屬于立方晶體結(jié)構，晶格常數(shù)a=0.4195nm。近年來，NiO憑借其高穩(wěn)定性、高透過率、低成本、無污染以及良好的電學性質(zhì)，被廣泛應用于傳感器、電致變色以及太陽能光電器件等領域。

（三）p型氧化物TFT的典型應用

1.互補電路

早期研究階段，p型導電薄膜同n型透明導電薄膜一樣，可應用于AMOLED、AMLCD、太陽能光電器件、電熱材料等領域。研究工藝逐漸成熟以后，可將p型透明導電薄膜與p型摻雜薄膜形成歐姆接觸，優(yōu)化器件的光電性質(zhì)。此外，低溫工藝以及良好的電性能將有助于p型薄膜與n型薄膜結(jié)合成p-n結(jié)，集成于互補金屬氧化物半導體（CMOS）電路中，進一步可用于更加靈活、低成本的集成電路。

2.全透明邏輯電路

通過合適的制備工藝，利用寬禁帶半導體材料可實現(xiàn)全透明TFT[14]。大部分的金屬氧化物屬于寬禁帶半導體材料，可將p型與n型透明導電薄膜結(jié)合制成透明p-n結(jié)，進一步制備紫外發(fā)光二極管、紫外激光器、透明全波整流器等，應用于低功耗高性能的透明電子器件領域。透明晶體管可以提高 液晶顯示器的顯示質(zhì)量，并可以附加一系列新功能，使圖像信息傳遞更完美。此外，透明晶體管可以應用在眼鏡鏡片、窗戶以及汽車擋風玻璃上，通過顯示視頻畫面拓展應用場景。總而言之，透明p-n結(jié)開啟了一個嶄新的全透明電子時代，對透明TFT、透明場效應晶體管以及透明集成電路的研究具有重要意義。

3.柔性電子器件

柔性電子器件是在柔性基板上制作有機/無機材料電子器件的技術，廣泛應用于顯示與照明、生物傳感器、柔性光伏以及可穿戴設備等領域。柔性材料襯底不耐高溫，增加了器件的加工難度。而氧化物TFT的制造工藝可在低溫下完成，兼容柔性電子器件的制造工藝。因此，具有高遷移率、高光透過率的p型金屬氧化物TFT在柔性電子器件領域受到極大關注。

三、結(jié)論

筆者詳細闡述了TFT的應用背景、工作原理以及重要領域。TFT因其出色的性能而被廣泛應用于顯示器件，為平板顯示器提高像素密度和遷移率。金屬氧化物薄膜晶體管具有較高的載流子遷移率以及高光學透過率，可以在低溫條件下大規(guī)模制備，是當前應用前景最廣泛的TFT之一。筆者簡述了p型TFT近年來的國內(nèi)外發(fā)展狀況，詳細介紹了適于制備p型TFT的半導體材料以及它們的應用領域。p型金屬氧化物半導體材料在平板顯示、太陽能電池、發(fā)光器件、透明顯示以及柔性等領域有巨大的應用潛在優(yōu)勢。但是目前關于p型透明導電氧化物薄膜晶體管，不管是在材料制備工藝還是器件研究方面，都還處在基礎研究階段。因此，對于p型半導體材料的發(fā)掘、器件的制備工藝以及光電學性質(zhì)的優(yōu)化方面都有待科學進一步的研究，亟待研究者去探索。

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