71、透明非晶氧化物半导体薄膜晶体管（TAOS TFTs）的特性、进展与展望

透明非晶氧化物半导体薄膜晶体管（TAOS TFTs）的特性、进展与展望

1. TAOS TFTs的独特特性

TAOS TFTs与其他薄膜晶体管（TFTs）相比，具有三个显著的独特特性：
- 高场迁移率 ：场迁移率大于10 cm²/(V·s)，这使得其在电子传输方面表现出色，能够实现更快的信号处理速度。
- 低温易制造 ：可以使用传统的直流溅射在低温下轻松制造，这种低温制造工艺降低了生产成本，并且可以在一些对温度敏感的基板上进行沉积，如塑料基板，为柔性电子设备的发展提供了可能。
- 大工艺容差 ：即使在未优化的条件下制造的TFTs性能较差，但只需在远低于TAOS结晶温度的适当温度下进行退火处理，其性能就可以大幅提高到与优化条件下制备的TFTs相当的水平。例如，a - IZGO TFTs在250 - 300°C的退火温度下（远低于其结晶温度500°C以上），性能得到明显改善，且退火前后各金属阳离子周围没有明显的结构变化。此外，退火气氛中的湿度还能增强TFT器件性能的改善效果。

a - IGZO TFTs表现出了卓越的均匀性和高平均性能。从1 cm × 1 cm面积的a - IGZO薄膜中制造出约100个TFTs，其饱和迁移率（μsat）约为0.5 cm²/(V·s)，迁移率的标准差（σ）为0.11 cm²/(V·s)（占平均值的0.76%），这表明a - IGZO TFTs具有良好的短程均匀性，在集成电路和大面积应用中具有优势。

对于集成电路而言，短沟道TFTs是必需的。三星在2008年报道，当沟道长度减小到50 nm时，a - IGZO TFTs的迁移率、开/关比、阈值电压和亚阈值斜率几乎保持不变，这表明a - IGZO TFT是3D交叉点堆叠存储器中选择晶体管的候选者。

下面是TAOS TFTs与a - Si:H和多晶硅TFTs的比较表格：
|特性|a - Si:H TFT|多晶硅TFT|非晶氧化物TFT|
| ---- | ---- | ---- | ---- |
|世代|8 - 10G|4G(LTPS)/8G(HTPS)?|1G/8G(?)|
|沟道材料|a - Si:H|ELA LTPS/SPC HTPS|a - InGaZnO4|
|TFT掩膜步骤|4 - 5个掩膜|5 - 9(11)个掩膜|4 - 5个掩膜|
|迁移率（cm²/(V·s)）|<1|50 - 100（或更大）|1 - 20(100?)|
|TFT均匀性|好|差|好|
|像素TFT|NMOS|PMOS, CMOS|NMOS (CMOS?)|
|像素电路（OLED）|简单/复杂 (1T + 1C/4T + 2C)|复杂 (如5T + 2C)|简单 (2T + 1C)|
|成本/良率|低/高|高/低|低/高|
|TFT可靠性|差|好|好|
|阈值电压漂移（@IDS = 3 mA, 30 km/h）|>30 V|<0.5 V|<1 V|
|电路集成|否|是|是|
|工艺温度|150 - 350°C|250 - 550°C|室温 - 400(600)°C|
|显示模式|LCD, OLED(?)|LCD, OLED (小尺寸)|LCD, OLED, 电子纸|
|基板|玻璃, 金属, (塑料)|玻璃, 金属, (塑料)|玻璃, 金属, 塑料|

从表格中可以看出，a - IGZO TFTs满足高迁移率、均匀性和低成本的要求，但主要的技术问题是在偏置下的不稳定性。TAOS TFTs对与子带隙对应的光敏感，会导致阈值电压正移和关态电流增加（迁移率和亚阈值斜率保持不变），例如波长小于460 nm的光照就会引发这种变化，且阈值电压的漂移幅度取决于光的强度和波长，其程度比a - Si:H小，但比多晶硅TFTs大。

2. TAOS TFTs作为平板显示器（FPD）背板的进展

2.1 新型显示结构

凸版印刷的Ito等人最近提出了一种名为“前驱动”类型的创新电子纸显示结构。由于a - Si:H不透明且基板尺寸会随时间变化，将TFT阵列与彩色滤光片阵列对齐是显示组装中的一个棘手过程。为了避免这个困难，他们利用TAOS的低温工艺和光学透明性，将TAOS TFT阵列直接沉积在彩色滤光片阵列上，这是首次利用TAOS光学透明性的器件结构。

这种“前驱动”结构应用于基于电子墨水成像膜的电子纸时，利用TAOS的透明性，可以将TFT和彩色滤光片阵列放置在显示器的观看侧，该显示结构适用于其他显示器，便于对齐，尤其是可以使用具有大膨胀系数的基板材料，如钠钙玻璃和塑料。

下面是a - IGZO TFTs制造过程的流程图：

graph LR
    A[制造栅电极（第一次光刻工艺）] --> B[形成栅绝缘层和a - IGZO沟道层]
    B --> C[图案化a - IGZO沟道层（第二次光刻工艺）]
    C --> D[形成源/漏接触（第三次光刻工艺）]
    D --> E[形成钝化层（第四次光刻工艺）]
    E --> F[形成像素电极（第五次光刻工艺）]
    A[制造栅电极（第一次光刻工艺）]:::startend
    F[形成像素电极（第五次光刻工艺）]:::startend
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;

具体制造步骤如下：
1. 制造栅电极（第一次光刻工艺） ：采用Mo/Ta、A1:Nd等材料，通过溅射和蚀刻工艺完成。
2. 形成栅绝缘层和a - IGZO沟道层 ：栅绝缘层采用SiO₂（通过溅射或等离子体化学气相沉积），a - IGZO沟道层采用溅射工艺形成。
3. 图案化a - IGZO沟道层（第二次光刻工艺） ：对a - IGZO沟道层进行图案化处理。
4. 形成源/漏接触（第三次光刻工艺） ：使用Cr/Mo等材料，通过溅射和蚀刻工艺形成源/漏接触。
5. 形成钝化层（第四次光刻工艺） ：采用SiO₂/SiNx（通过溅射或等离子体化学气相沉积 + 干法蚀刻）形成钝化层。
6. 形成像素电极（第五次光刻工艺） ：采用ITO（通过溅射和蚀刻）形成像素电极。

2.2 OLED和LCD面板的驱动背板

传统的有源矩阵FPD基于非晶或多晶硅TFT技术。a - Si:H的局限性包括对可见光敏感和低场效应迁移率，这降低了像素开口率和某些应用的驱动能力，例如OLED是由电流驱动的，其发光强度与电流成正比，因此需要更高迁移率的TFTs。虽然多晶硅TFTs具有较大的场效应迁移率，但其大面积均匀性在高良率制造中是不可接受的。

在过去几年中，人们对由透明氧化物半导体（TOSs）制成的TFTs产生了浓厚兴趣，这主要是由于金属氧化物半导体TFTs具有可见光透明性、低温大面积均匀沉积和高载流子迁移率等独特优势。然而，传统的金属氧化物半导体如氧化锌（ZnO）即使在室温下也是多晶的，其晶界会影响器件性能、均匀性和大面积稳定性。

最近，在信息显示学会（SID）会议及相关会议上展示了由a - IGZO TFT背板驱动的OLED和LED面板。例如，在SID ’07上，LG电子展示了一款4英寸的有源矩阵全彩色OLED，这是基于氧化物半导体TFTs的OLED显示器的首次展示；随后，LG电子在IMID ’07上展示了通过在薄不锈钢板上沉积a - IGZO制成的柔性OLED显示器。在SID ’08上，氧化物TFTs成为LCD和OLED面板背板的亮点，三星SDI展示了一款采用a - IGZO TFT背板制造的12.1英寸宽扩展图形阵列（WXGA）有源矩阵OLED原型显示器，并且成功采用与a - Si:H TFTs相同的光刻工艺制造了a - IGZO TFT阵列。

目前，TAOS TFTs作为下一代LCD的背板受到关注。下一代LCD需要更大尺寸和高扫描频率操作，当显示尺寸增加到60英寸以上时，为了保持相同的像素密度，需要更多的TFTs，此时TFT阵列的“导通”电阻不能忽略不计，而且帧频加倍（60 - 120 Hz）正在普及，a - Si:H TFTs的性能不足以满足这些要求，因此a - IGZO TFTs正在被认真研究用于LCD。三星电子和SAIT展示了一款采用a - IGZO背板的15英寸有源矩阵LCD面板，并且对a - IGZO TFTs应用于OLED和LCD面板背板的研究在SID 2009和SID 2010上持续活跃，目标是应用于2048 × 4096的240 Hz LCD面板或OLED面板。除了三星的相关研究，索尼和友达光电（AUO）分别展示了11.7英寸的OLED面板和32英寸的LED面板。

透明非晶氧化物半导体薄膜晶体管（TAOS TFTs）的特性、进展与展望

3. TAOS TFTs的未来展望

3.1 大规模生产与制造技术

在过去5年中，TAOS TFTs的基础研究进展迅速，尤其是a - IGZO TFTs，被高度期待成为通用背板。a - IGZO TFTs的主要优点包括可扩展性、均匀性、低温工艺的可用性以及栅极绝缘体材料的广泛选择，这使得其在实际应用中的主要不稳定性问题似乎得到了解决。

目前，行业的关注点正转向在第八代（G8）玻璃基板上溅射沉积a - IGZO TFTs的制造技术和生产设备。例如，已经有用于G8尺寸玻璃基板的溅射靶材（结晶In₂O₃ - Ga₂O₃ - ZnO），预计在2010年末或2011年将实现由这种背板驱动的各种FPD面板的大规模生产。

下面是TAOS TFTs大规模生产的关键因素列表：
- 材料特性 ：a - IGZO TFTs的可扩展性、均匀性和低温工艺适应性是大规模生产的基础。
- 制造设备 ：适用于G8尺寸玻璃基板的溅射设备等生产仪器的研发和应用至关重要。
- 工艺稳定性 ：确保在大规模生产过程中工艺的稳定性，以保证产品的良率和性能一致性。

3.2 非真空工艺的挑战

TAOS TFTs的下一个技术挑战是开发非真空工艺。虽然关于这方面的研究正在迅速增加，但尚未对器件可靠性进行充分研究。该研究的最终目标是在塑料或聚合物涂层纸上制造高性能TFTs，从而实现柔性或纸质显示器。要实现这一目标，可能需要发明超越传统溶胶 - 凝胶或溶液工艺的创新材料加工方法。

下面是开发非真空工艺的步骤分析表格：
|步骤|内容|
| ---- | ---- |
|研究阶段|目前处于快速增加研究的阶段，但对器件可靠性研究不足。|
|目标设定|最终目标是在塑料或聚合物涂层纸上制造高性能TFTs。|
|技术需求|需要发明创新的材料加工方法，超越传统工艺。|

3.3 实现CMOS的挑战与机遇

另一个氧化物TFTs的技术挑战是实现互补金属氧化物半导体（CMOS）。透明氧化物半导体（TOSs）源于透明导电氧化物（TCOs），但TOSs对载流子浓度和载流子类型的控制要求与TCOs不同。目前TOSs在载流子极性控制方面远未达到理想状态，尽管有许多关于p型TOSs的报道，但截至2007年，尚未实现场效应迁移率超过0.1 cm²/(V·s)的p沟道TFT。

例如，Cu₂O是一种著名的p型半导体，自1935年Heil提出第一个TFT专利以来就受到关注，Matsuzaki等人制备了外延薄膜，在空穴浓度约为10¹³ cm⁻³时获得了约100 cm²/(V·s)的霍尔迁移率，与单晶硅Cu₂O相当，但基于Cu₂O的TFTs性能不佳，估计的场效应迁移率仍约为0.1 cm²/(V·s)，这是由于大的尾态密度导致的。

直到2008年，Ogo等人报道了采用SnO（不是SnO₂）作为有源层的迁移率为1.4 cm²/(V·s)的p沟道氧化物TFT，这是该领域首次实现迁移率大于1 cm²/(V·s)的p沟道氧化物TFT。下一个目标是通过结合p沟道和n沟道氧化物TFTs来制造CMOS，尽管单极性沟道对于显示器背板的TFTs已经足够，但CMOS适用于逻辑电路。要实现这一目标，最关键的工作是开发能够在低温下制造的具有低尾态密度的双极半导体氧化物。

下面是实现CMOS的关键技术路径mermaid流程图：

graph LR
    A[研究p型TOSs材料] --> B[提高p沟道TFT迁移率]
    B --> C[结合p沟道和n沟道氧化物TFTs]
    C --> D[制造CMOS]
    A[研究p型TOSs材料]:::startend
    D[制造CMOS]:::startend
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如果能够在包括塑料在内的各种类型基板上制造基于氧化物的CMOS结构，那么柔性电子电路将具有广阔的应用前景。此外，TOS与有机半导体之间形成异质结也是实现有源器件应用（如光电传感器、CMOS和太阳能电池）的一种实用且有前景的方法。

综上所述，TAOS TFTs在FPD背板等领域已经取得了显著进展，但在大规模生产、非真空工艺和实现CMOS等方面仍面临挑战，未来需要不断的技术创新和研究突破来推动其发展。