TFT全稱為Thin Film Transistor(薄膜晶體管)，是場效應(yīng)晶體管的種類之一，大致的制作方式是在基板上沉積各種不同的薄膜，如半導(dǎo)體主動(dòng)層、介電層和金屬電極層。

 

 

圖1

TFT的歷史

人類對 TFT 的研究工作已經(jīng)有很長的歷史。早在 1925 年，Julius Edger Lilienfeld 首次提出結(jié)型場效應(yīng)晶體管 (FET) 的基本定律，開辟了對固態(tài)放大器的研究。1933 年，Lilienfeld 又將絕緣柵結(jié)構(gòu)引進(jìn)場效應(yīng)晶體管(后來被稱為 MISFET)。1962 年，Weimer 用多晶 CaS 薄膜做成 TFT;隨后，又涌現(xiàn)了用 CdSe，InSb，Ge 等半導(dǎo)體材料做成的 TFT 器件。二十世紀(jì)六十年代，基于低費(fèi)用，大陣列顯示的實(shí)際需求，TFT 的研究廣為興起。1973 年，Brody 等人首次研制出有源矩陣液晶顯示(AMLCD) ，并用 CdSe TFT 作為開關(guān)單元。隨著多晶硅摻雜工藝的發(fā)展，1979 年 后來許多實(shí)驗(yàn)室都進(jìn)行了將 AMLCD LeComber，Spear 和 Ghaith 用 a-Si:H 做有源層，做成如圖 1 所示的 TFT 器件。以玻璃為襯底的研究.二十世紀(jì)八十年代，硅基 TFT 在 AMLCD 中有著極重要的地位,所做成的產(chǎn)品占據(jù)了市場絕 大部分份額。1986 年 Tsumura 等人首次用聚噻吩為半導(dǎo)體材料制備了有機(jī)薄膜晶體管(OTFT)，OTFT 技術(shù)從此開始得到發(fā)展。九十年代，以有機(jī)半導(dǎo)體材料作為活性層成為新的研究熱點(diǎn)。由于在制造工藝和成本上的優(yōu)勢，OTFT 被認(rèn)為將來極可能應(yīng)用在 LCD，OLED 的驅(qū)動(dòng)中。近年來，OTFT 的研究取得了突破性的進(jìn)展。1996 年，飛利浦公司采用多層薄膜疊合法制作了一塊 15 微克變成碼發(fā)生器(PCG);即使當(dāng)薄膜嚴(yán)重扭曲，仍能正常工作。1998 年，的無定型金屬氧化物鋯酸鋇作為并五苯有機(jī)薄膜晶體管的柵絕。IBM公司用一種新型的具有更高的介電常數(shù) 緣層，使該器件的驅(qū)動(dòng)電壓降低了 4V，遷移率達(dá)到 0.38cm2V-1 s-1。1999 年，Bell實(shí)驗(yàn)室的 Katz 和他的研究小組制得了在室溫下空氣中能穩(wěn)定存在的噻吩薄膜，并使器件的遷移率達(dá)到 0.1 cm2V-1 s-1。Bell 實(shí)驗(yàn)室用并五苯單晶制得這向有機(jī)集成 了一種雙極型有機(jī)薄膜晶體管， 該器件對電子和空穴的遷移率分別達(dá)到 2.7 cm2V-1 s-1 和 1.7 cm2V-1 s-1，電路的實(shí)際應(yīng)用邁出了重要的一步。最近幾年，隨著透明氧化物研究的深入，以 ZnO，ZIO 等半導(dǎo)體材料作為活性層制作薄膜晶體管,，因性能改進(jìn)顯著也吸引了越來越多的興趣。器件制備工藝很廣泛，比如：MBE，CVD，PLD 等，均有研究。ZnO-TFT 技術(shù)也取得了突破性進(jìn)展。2003 年，Nomura等人使用單晶 InGaO3 (ZnO)5 獲得了遷移率為 80 cm2V-1 s-1 的 TFT 器件。美國杜邦公司采用真空蒸鍍和掩膜擋板技術(shù)在聚酰亞銨柔性襯底上開發(fā)了 ZnO-TFT，這是在聚酰亞銨柔性襯底上首次研制成功了高遷移率的 ZnO-TFT,，這預(yù)示著在氧化物 TFT 子遷移率為 50 cm2V-1 s-1。2005 年， Chiang H Q 等人利用 ZIO 作為活性層制得開關(guān)比為 107 薄膜晶體管。H C等人利用 CBD 方法制得開關(guān)比為 105 ，遷移率為 0.248cm2V-1s-1 的 TFT，這也顯示出實(shí)際應(yīng)用的可能。

TFT的原理

TFT(薄膜晶體管)是一種絕緣柵場效應(yīng)晶體管。它的工作狀態(tài)可以利用 Weimer 表征的單晶硅 MOSFET 工作原理來描述。以 n 溝道 MOSFET 為例,物理結(jié)構(gòu)如下圖 ：

 

 

當(dāng)柵極施以正電壓時(shí)，柵壓在柵絕緣層中產(chǎn)生電場，電力線由柵電極指向半導(dǎo)體表面，并在表面處產(chǎn)生感應(yīng)電 荷。隨著柵電壓增加，半導(dǎo)體表面將由耗盡層轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮臃e累層，形成反型層。當(dāng)達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)(即達(dá)到開啟電壓 時(shí)) ，源、漏間加上電壓就會(huì)有載流子通過溝道。當(dāng)源漏電壓很小時(shí)，導(dǎo)電溝道近似為一恒定電阻，漏電流隨源漏電壓增加而線性增大。當(dāng)源漏電壓很大時(shí)，它會(huì)對柵電壓產(chǎn)生影響，使得柵絕緣層中電場由源端到漏端逐漸減弱，半導(dǎo)體表面反型層中電子由源端到漏端逐漸減小，溝道電阻隨著源漏電壓增大而增加。漏電流增加變得緩慢，對應(yīng)線性區(qū)向飽和區(qū)過渡。當(dāng)源漏電壓增到一定程度，漏端反型層厚度減為零，電壓在增加，器件進(jìn)入飽和區(qū)。在實(shí)際 LCD 生產(chǎn)中，主要利用 a-Si:H TFT 的開態(tài)(大于開啟電壓)對像素電容快速充電，利用關(guān)態(tài)來保持像素電容的電壓，從而實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和良好存儲(chǔ)的統(tǒng)一。

TFT的分類

根據(jù)制作晶體管的半導(dǎo)體材料，可以分為a-Si TFT(非晶硅)、LTPS TFT(低溫多晶硅)，HTPS(高溫多晶硅) ，IGZO TFT(Oxide TFT)：

a-Si TFT(非晶硅)

非晶硅薄膜晶體管(a-Si:H TFT–amorphous silicon thin film transistor)溝道采用非晶硅材料制成，非晶硅薄膜晶體管在結(jié)構(gòu)和工作原理上和一般的MOSFET相似。具有MOS結(jié)構(gòu)，并且也是場效應(yīng)晶體管。柵極在非晶硅中感應(yīng)溝道，并在源漏偏壓下導(dǎo)電。

LTPS TFT(低溫多晶硅)

低溫多晶硅LTPS是Low Temperature Ploy Silicon的縮寫，一般情況下低溫多晶硅的制程溫度應(yīng)低于攝氏600度，尤其對LTPS區(qū)別于a-Si制造的制造程序“激光退火”(laser anneal)要求更是如此。與a-Si相比，LTPS的電子移動(dòng)速度要比a-Si快100倍，這個(gè)特點(diǎn)可以解釋兩個(gè)問題：首先，每個(gè)LTPS PANEL 都比a-Si PANEL反應(yīng)速度快;其次，LTPS PANEL 外觀尺寸都比a-Si PANEL小。

LTPS與a-Si 相比所持有的顯著優(yōu)點(diǎn)：

1、 把驅(qū)動(dòng)IC的外圍電路集成到面板基板上的可行性更強(qiáng);

2、 反應(yīng)速度更快，外觀尺寸更小，聯(lián)結(jié)和組件更少;

3、 面板系統(tǒng)設(shè)計(jì)更簡單;

4、 面板的穩(wěn)定性更強(qiáng);

5、 解析度更高，

激光退火：

 

 

p-Si 與 a-Si的顯著區(qū)別是LTPS TFT在制造過程中應(yīng)用了激光照射。LTPS制造過程中在a-Si層上進(jìn)行了激光照射以使a-Si結(jié)晶。由于封裝過程中要在基板上完成多晶硅的轉(zhuǎn)化，LTPS必須利用激光的能量把非結(jié)晶硅轉(zhuǎn)化成多晶硅，這個(gè)過程叫做激光照射。

電子移動(dòng)性：

 

 

a-Si TFT的電子移動(dòng)速率低于1 cm2/V.sec，同時(shí)驅(qū)動(dòng)IC需要較高的運(yùn)算速率來驅(qū)動(dòng)電路。這就是為什么a-Si TFT不易將驅(qū)動(dòng)IC集成到基板上。相比之下，p-Si電子的移動(dòng)速率可以達(dá)到100 cm2/V.sec，同時(shí)也更容易將驅(qū)動(dòng)IC集成到基板上。結(jié)果是，首先由于將驅(qū)動(dòng)IC、PCB和聯(lián)結(jié)器集成到基板上而降低了生產(chǎn)成本，其次使產(chǎn)品重量更輕、厚度更薄。

解析度：

由于p-Si TFT 比傳統(tǒng)的a-Si小，所以解析度可以更高。

穩(wěn)定性：

p-Si TFT的驅(qū)動(dòng)IC合成在玻璃基板上有兩點(diǎn)好處：首先，與玻璃基板相連接的連接器數(shù)量減少，模塊的制造成本降低;其次，模塊的穩(wěn)定性將得以戲劇性的升高。

HTPS(高溫多晶硅)

HTPS是High Temperature Poly-Silicon(高溫多晶硅)的簡稱，它是有源矩陣驅(qū)動(dòng)方式的透過型LCD。 具有小型、高精細(xì)、高對比度、驅(qū)動(dòng)器可內(nèi)置等特點(diǎn)。制造方法與半導(dǎo)體大致相同，由于經(jīng)過高溫處理，容易實(shí)現(xiàn)細(xì)微化(多像素、高開口率);同時(shí)，由于能夠在基板上生成驅(qū)動(dòng)器，因此具有小型、高可靠性的特點(diǎn)。HTPS的應(yīng)用領(lǐng)域，通常都是用來做為放大型的顯示產(chǎn)品。例如液晶投影機(jī)、背投影電視等。一般來說，手機(jī)或是計(jì)算機(jī)的LCD屏幕，都是屬于直視型，也就是使用者可以直接觀看屏幕并讀取信息。HTPS雖然也是TFT的一種，但無法直接用于手機(jī)或計(jì)算機(jī)屏幕等用途。

HTPS LCD的應(yīng)用大致分為下列三種：OHD(Over Head Display)、Helmet及LV(Light Valve)。其主要用途介紹如下：

OHD：抬頭顯示器，將影像投影在擋風(fēng)玻璃上(或是透明玻璃)，用在汽車或是飛機(jī)上，在許多空戰(zhàn)片當(dāng)中可以一窺其面貌;

Helmet：此處是指專門用在虛擬幻境(Virtual Reality)頭盔里之顯像;

LV：可翻譯成光閥。當(dāng)HTPS在液晶投影機(jī)中動(dòng)作的時(shí)候，由于所有的光線都會(huì)透過HTPS，并由HTPS來決定光穿透的程度，因此，它被稱為“光之閥門”。

IGZO TFT(Oxide TFT)

IGZO的全稱是indium gallium zinc oxide，中文名叫氧化銦鎵鋅。它是一種新型半導(dǎo)體材料，有著比非晶硅更高的電子遷移率。IGZO用在新一代高性能薄膜晶體管(TFT)中作為溝道材料，從而提高顯示面板分辨率。研究發(fā)現(xiàn)一系列的金屬氧化物有著類似的性能，因此統(tǒng)稱為Oxide TFT。

 

 

 

 

彎曲的IGZO屏幕

IGZO屏解決了傳統(tǒng)TFT的缺陷，晶體尺寸更小，可以使設(shè)備更輕薄，全透明，對可見光不敏感，能夠大大增加元件的開口率，提高亮度，降低功耗。此外，電子遷移率方面，IGZO大約為10cm2/Vs，臨界電壓飄移幾乎一致，比傳統(tǒng)材料提升了20到50倍，效果非常明顯。因此在面板的主要性能參數(shù)上，IGZO面板比傳統(tǒng)TFT面板有了全面的提升。不過IGZO對液晶面板的NTSC色域、可視角度、顯示色彩數(shù)量沒有太多影響，這是由光源以及液晶分子排列特性決定的。目前市場上大家熟悉的4k，5k高分辨顯示屏，還有ipad都使用了該技術(shù)。