黨曉強(qiáng)

南京中電熊貓液晶顯示科技有限公司

非晶IGZO薄膜晶體管與基本電路研究

黨曉強(qiáng)

南京中電熊貓液晶顯示科技有限公司

自從進(jìn)入高速信息社會(huì)以來(lái)，人類(lèi)各類(lèi)生產(chǎn)、活動(dòng)越來(lái)越離不開(kāi)信息。在高速化和頻繁化信息交換過(guò)程中，人們實(shí)現(xiàn)了無(wú)處不在的信息化時(shí)代，同時(shí)也給產(chǎn)業(yè)界帶來(lái)一定挑戰(zhàn)。如何將各種信息準(zhǔn)確地，快速地轉(zhuǎn)化為人眼所能接受的視頻信號(hào)，成為現(xiàn)代顯示技術(shù)發(fā)展關(guān)鍵。以平板顯示技術(shù)為代表的現(xiàn)代顯示技術(shù)具有功耗低、響應(yīng)速度快、驅(qū)動(dòng)電壓低以及易于和超大規(guī)模集成電路相兼容等優(yōu)勢(shì)，因此得以迅速發(fā)展，平板顯示也在顯示產(chǎn)業(yè)獲得主流地位。本文主要就對(duì)非晶IGZO薄膜晶體管相關(guān)方面進(jìn)行分析，并且在此基礎(chǔ)上對(duì)基本電路研究實(shí)施研究。

非晶IGZO薄膜晶體管；基本電路；性質(zhì)

1 a-IGZOTFT的基本性質(zhì)

透明電子器件是實(shí)現(xiàn)隱形電子電路的一個(gè)新興技術(shù)，其中透明氧化物薄膜晶體管的技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。在氧化物半導(dǎo)體多種多樣，具有低溫制備、高遷移率、較好穩(wěn)定性、寬禁帶((Eg＞3eV)等良好性能，并且在氣敏濕敏傳感和透明顯示等方面有著優(yōu)越性能而備受矚目，同時(shí)也被進(jìn)行深入研究和廣泛應(yīng)用。在國(guó)際學(xué)術(shù)領(lǐng)域，尤其是以美國(guó)和日本為代表的眾多研究小組，嘗試?yán)猛该餮趸锎鎮(zhèn)鹘y(tǒng)硅材料，作為有源層制備TFT器件。透明氧化物TFT作為平板顯示器開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電子單元的部分，由于其具備高遷移率，與傳統(tǒng)a-Si：HTFT相比較能夠顯著加快屏幕的響應(yīng)速度，因而大尺寸的高清高速AMLCD領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊;其次，在可見(jiàn)光照射范圍內(nèi)，氧化物TFT基本可以被全部穿透，基于這個(gè)重要優(yōu)勢(shì)，再利用透明的OIT電極和氧化層，便可以實(shí)現(xiàn)全透明TFT，與上一小節(jié)討論的硅基TFT相比，背光投射面積更大，開(kāi)口率更高;此外，在工藝制備方法和復(fù)雜程度上，透明氧化物TFT也有很大優(yōu)勢(shì)，材料的生長(zhǎng)技術(shù)有MBE，MOCVD、磁控濺射、PLD等，同樣，低溫生長(zhǎng)過(guò)程使得可以選用透明低價(jià)的玻璃、柔性塑料等作為襯底材料，降低工藝成本，同時(shí)推進(jìn)柔性透明顯示發(fā)展。

2 a-IGZOTFT的應(yīng)用前景和存在的科學(xué)問(wèn)題

a-IGZOTFT在各方面表現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，如較高的可見(jiàn)光透過(guò)率、擁有較高遷移率的載流子輸運(yùn)機(jī)制、相對(duì)較少的工藝制備步驟和較低的復(fù)雜程度等，將會(huì)逐步替代Si基TFT，在未來(lái)的電子顯示領(lǐng)域體現(xiàn)出巨大應(yīng)用價(jià)值。

隨著對(duì)a-IGZOTFT了解的不斷深入，研究重心逐漸轉(zhuǎn)移到器件制備工藝、基本性能和在外界因素干擾下的穩(wěn)定性，通過(guò)薄膜淀積技術(shù)方法的創(chuàng)新、參數(shù)細(xì)節(jié)的調(diào)整、器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)等，目前己經(jīng)可以獲得性能良好器件，因此在諸如透明電路、探測(cè)存儲(chǔ)等領(lǐng)域不斷開(kāi)展實(shí)際應(yīng)用。其中，以美日韓為代表的國(guó)際課題研究組推動(dòng)a-IGZOTFT的深入研究，性能上不斷突破為a-IGZOTFT的廣泛應(yīng)用打下夯實(shí)基礎(chǔ)。根據(jù)相關(guān)研究報(bào)道可以了解到，目前較好的a-IGZOTFT電流開(kāi)關(guān)比高達(dá)109，0.2V/dec的超低亞閡值擺幅表明器件開(kāi)關(guān)特性非常優(yōu)秀，場(chǎng)效應(yīng)遷移率可以達(dá)到50cm2N.sa。

3 基本電路研究

2000年以來(lái)，隨著平板顯示技術(shù)的快速發(fā)展，薄膜晶體管作為像素電路的開(kāi)關(guān)器件和外圍驅(qū)動(dòng)電路的重要組成部分(提供驅(qū)動(dòng)信號(hào))，己經(jīng)在有源矩陣顯示器上得到廣泛應(yīng)用。為了開(kāi)發(fā)性能更好、功率更低、成本更低以及兼容行更強(qiáng)的FPD產(chǎn)品，研究人員己經(jīng)提出面板系統(tǒng)(System-on-panel，SoP的技術(shù)概念，即將顯示所需的各種功能單元在單塊顯示面板上集成，如傳感器、存儲(chǔ)器和控制器。因此，實(shí)現(xiàn)SoP技術(shù)關(guān)鍵在于，整個(gè)面板上電路由相同或者相似的半導(dǎo)體材料、金屬材料和絕緣層材料來(lái)制備，另外制備工藝和步驟也要盡可能一致，以便工藝簡(jiǎn)化。

由于具有優(yōu)良電學(xué)特性，透明非晶IGZOTFTs被視為硅基TFTs的替代品，應(yīng)用在下一代有源矩陣顯示器和SoP技術(shù)上，因而受到研究人員廣泛關(guān)注。另外，隨著新興顯示技術(shù)的出現(xiàn)，如柔性顯示和透明顯示，對(duì)透明集成電路的研究也是必不可少的一部分。

反相器是電路中一種基本功能模塊，主要作用是將輸入信號(hào)進(jìn)行相位反轉(zhuǎn)。這種電路有很多方面應(yīng)用，比如音頻放大，時(shí)鐘振蕩器等，而且在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中，也要經(jīng)常用到反相器，例如將兩個(gè)串行反相器輸出作為一位寄存器的輸入就構(gòu)成了鎖存器。鎖存器、數(shù)據(jù)選擇器、譯碼器和狀態(tài)機(jī)，甚至更復(fù)雜的集成電路等精密電路都需要使用基本反相器。為此，我們利用NMOS邏輯原理在玻璃襯底上制備了基于a-IGZOTFTs增強(qiáng)型飽和負(fù)載反相器。它是由兩個(gè)增強(qiáng)型的a-IGZOTFT組成，其中一個(gè)a-IGZOTFT作為反相器負(fù)載管，另一個(gè)a-IGZOTFT作為驅(qū)動(dòng)管。通過(guò)對(duì)a-IGZOTFT的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)制備的分立器件表現(xiàn)出增強(qiáng)型工作模式;之后，我們測(cè)試了反相器電壓轉(zhuǎn)移特性曲線，發(fā)現(xiàn)反相器實(shí)現(xiàn)了較好的邏輯轉(zhuǎn)換功能。

反相器是電路中一種基本功能模塊，是集成電路基本組成部分，這種電路在模擬電路和數(shù)字電路中都有重要應(yīng)用。我們?cè)诓Ａбr底上制各了增強(qiáng)型飽和負(fù)載反相器。反相器是由兩個(gè)增強(qiáng)型的a-IGZOTFT組成，其中一個(gè)a-IGZOTFT作為反相器的負(fù)載管，溝道區(qū)域的寬長(zhǎng)比為WLoad/LLoad=40μm/10μm；另一個(gè)a-IGZOTFT作為驅(qū)動(dòng)管，溝道區(qū)域的寬長(zhǎng)比為WLoad/LLoad=200μm/10μm；首先，對(duì)a-IGZOTFT分立器件的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性進(jìn)行表征，器件開(kāi)啟電壓在3V左右，根據(jù)轉(zhuǎn)移特性的數(shù)據(jù)擬合和計(jì)算，器件的場(chǎng)效應(yīng)遷移率為Scm2/Vs，亞閡值擺幅為0.5V/dec，制備的a-IGZOTFT表現(xiàn)出增強(qiáng)型工作模式;接著，測(cè)試了基于a-IGZOTFTs制備的反相器的電壓傳輸特性曲線，從電壓傳輸特性曲線我們得知，增強(qiáng)型飽和負(fù)載反相器有著較寬輸出擺幅范圍，較大噪聲容限和電壓增益，實(shí)現(xiàn)了較好的邏輯轉(zhuǎn)換功能。

[1]湯蘭鳳.非晶IGZO薄膜晶體管的光照特性研究[D].南京大學(xué)，2016.

[2]張安，趙小如，段利兵，趙建林，白曉軍.基于表面勢(shì)的非晶IGZO薄膜晶體管分析模型[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2011，04：257-260.