◎馬夢陽 明雪梅 張鑫 王超

一、引言

近年來，顯示技術(shù)快速更新?lián)Q代，相關(guān)產(chǎn)品如平板電腦、智能手機(jī)、高清電視等隨技術(shù)發(fā)展向更加便攜、集成化、智能化趨勢發(fā)展。目前，傳統(tǒng)主流的平板顯示技術(shù)包括有源矩陣液晶顯示（AMLCD）及有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管顯示（AMOLED），而在這兩大顯示技術(shù)中，薄膜晶體管（Thin Film Transistor,TFT）背板技術(shù)都是其核心關(guān)鍵技術(shù)。而新興技術(shù)micro-LED 也可以使用TFT進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。因此可以說，在迅速發(fā)展的顯示技術(shù)中，薄膜晶體管TFT 技術(shù)占有重要地位，作為顯示驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵器件，薄膜晶體管的性能將影響著整體的顯示質(zhì)量和性能。

薄膜晶體管（TFT）廣泛應(yīng)用在大尺寸液晶平面顯示。目前，商業(yè)化的TFT 主要包括以下幾類：一是傳統(tǒng)硅基TFT，包括氫化非晶硅（a-Si:H TFT）、低溫多晶硅（LTPS TFT，二是有機(jī)材料TFT，三是金屬氧化物TFT，主要是非晶氧化物（AOS）TFT。其中，傳統(tǒng)非晶硅薄膜晶體管工藝雖已比較成熟，但由于其遷移率較低（不到1 cm2/Vs）、電學(xué)可靠性較差等原因，已不能滿足新型顯示技術(shù)的需求。多晶硅TFT 相對而言，遷移率較高（50~100 cm2/Vs）、穩(wěn)定性好，可以滿足高端顯示器的要求，但是生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本高、薄膜均一性差、原材料要求較高，且制備溫度較高，大大限制了其商業(yè)化應(yīng)用；有機(jī)薄膜晶體管具有制備均一性好、柔性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是其穩(wěn)定性極差；而非晶氧化物半導(dǎo)體材料（AOS）由于具有較高的載流子遷移率、對可見光的透過率高、大尺寸均勻性、良好的電學(xué)穩(wěn)定性和制備工藝相容性，為超高清大屏顯示、透明電路、柔性顯示等新一代顯示技術(shù)帶來了發(fā)展契機(jī)，受到越來越多的關(guān)注。相應(yīng)地，AOS-TFT 具有很多優(yōu)越的性能如較高的遷移率、良好的偏壓和光穩(wěn)定性、易于低溫制備等，成為TFT 領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。因而，研究AOS 材料的低成本低溫制備工藝，優(yōu)化AOS 材料作為TFT 有源層的電學(xué)性能，提高AOS 基薄膜晶體管器件的穩(wěn)定性，已成為本領(lǐng)域的主要任務(wù)之一。

二、非晶氧化物半導(dǎo)體材料及薄膜晶體管

由于半導(dǎo)體中電子的狀態(tài)及其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，半導(dǎo)體具有許多獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)。對于晶態(tài)半導(dǎo)體材料，內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)呈周期性排列，具有長程有序性。其導(dǎo)電類型通?？梢酝ㄟ^摻雜進(jìn)行控制，載流子濃度在幾個(gè)數(shù)量級的范圍內(nèi)具有可控性。非晶半導(dǎo)體材料不具有長程序，但其中的質(zhì)點(diǎn)也不是雜亂無章排列，屬短程有序。其可控性比晶態(tài)材料略差，但非晶半導(dǎo)體材料均勻性較好，易于低溫制備，易大面積成膜，更加適合于制備大面積、柔性材料和功能器件。此外，在氧化物半導(dǎo)體材料中，缺陷問題對材料電學(xué)等性能有很大影響，主要是氧空位問題，在晶態(tài)氧化物半導(dǎo)體中，氧空位含量較少，而在非晶氧化物半導(dǎo)體材料中，氧空位含量較多，對材料性質(zhì)有較大影響。

2004 年，日本東京工業(yè)大學(xué)Hosono 研究小組制備了非晶IGZO 薄膜，以其為溝道層制備了透明a-IGZO TFT。研究發(fā)現(xiàn)，a-IGZO 薄膜的載流子遷移率比非晶硅薄膜材料高一個(gè)量級，TFT 飽和遷移率高達(dá)6~9 cm2/Vs。該成果迅速引起科研工作的興趣，以AOS 為溝道層的TFT 器件研制成為研究熱點(diǎn)。

在二元材料體系中，如ZnO、SnO2、Ga2O3、In2O3等二元氧化物半導(dǎo)體材料，它們大多在可見光范圍內(nèi)透明且?guī)遁^寬，但二元材料易結(jié)晶，在制備過程中極易形成多晶薄膜，晶粒間界處易形成結(jié)構(gòu)缺陷等問題，導(dǎo)致器件工作穩(wěn)定性變差。為此，研究人員通過把具有不同離子數(shù)和離子半徑的陽離子材料體系混合，抑制其結(jié)晶性，從而獲得均勻性和穩(wěn)定性良好的非晶態(tài)材料，如In-Zn-O（IZO）、Zn-Sn-O（TZO）等，其優(yōu)勢在于可以通過改變混合比例來調(diào)控其性能參數(shù)。當(dāng)前，三元和多組分AOS 材料已成為主流，除較穩(wěn)定的非晶結(jié)構(gòu)以外，它們還具備較高的載流子遷移率。這主要?dú)w因于其金屬陽離子具有(n-1)d10ns0（n≥5）的外層電子結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)帶底由金屬陽離子的s 軌道構(gòu)成。由于陽離子s軌道呈球形對稱且半徑較大，其軌道間往往相互交疊，即使AOS處在金屬原子排列比較無序的非晶態(tài)時(shí)，陽離子S 軌道的重疊依然較大，載流子傳輸沒有受到太大的阻礙，從而仍表現(xiàn)出較高的載流子遷移率。2005 年時(shí)，N.L.Dehuff 小組采用射頻磁控濺射方法制備了a-IZO-TFT，器件遷移率可達(dá)30 cm2/Vs。E.Fortunato等和Y.Song 等人進(jìn)一步優(yōu)化了制備工藝，提高了器件性能，所制備的a-IZO-TFT 遷移率達(dá)到100 cm2/Vs 以上。雖然a-IZO TFT在遷移率方面表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，但是a-IZO 由于載流子濃度過高導(dǎo)致器件關(guān)態(tài)電流過大。

此外，廣泛研究的AOS 材料如IZO、和IGZO 材料均含有稀有金屬In，價(jià)格昂貴。為此，無銦氧化物薄膜材料及晶體管的研制受到越來越多的關(guān)注。Sn 基材料是一種非常有希望的替代物，地球上Sn 的豐度（2.2 ppm）高于In 的豐度（0.25 ppm），且Sn4+與In3+具有相同的電子構(gòu)型，即[Kr]4d105s0，該結(jié)構(gòu)方便提供高速的載流子傳導(dǎo)通道，因此，Sn 替代In 是一種合理對策。但是Sn的化學(xué)價(jià)態(tài)較多，容易形成一些亞穩(wěn)態(tài)的缺陷，且純SnO2的載流子濃度較高，而合適的載流子密度是有效地控制關(guān)態(tài)電流的關(guān)鍵之一。為此，需在Sn-O 體系中引入其他元素，如ZnSnO、GaSnO、SiSnO、摻稀土的SnXO（X=Er、Tm）等。

三、制備工藝的發(fā)展

傳統(tǒng)的AOS 薄膜制備技術(shù)主要包括磁控濺射法、激光脈沖沉積法、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法（MOCVD）、原子層沉積法（ALD）以及溶膠凝膠法等。近年來，一種新興的印刷電子技術(shù)引起研究工作者的極大關(guān)注，并應(yīng)用于AOS-TFT 器件制備中，與傳統(tǒng)工藝相比，它不需要真空蒸鍍腔體和精密金屬掩模板，可以直接進(jìn)行器件的圖案化處理，可以在不同的基材上制備材料與器件，使得在塑料、紙張、布料等大量低成本柔性材料表面制造電子器件與電路成為可能。J.Leppniemi 和B.Sykora 等人采用噴墨打印技術(shù)分別制備了In2O3、ZTO 薄膜材料及TFT 器件，并研究了有源層印刷層數(shù)對器件性能的影響，結(jié)果表明合適的印刷層數(shù)有利于提高器件性能。Christophe Avis 等人采用噴墨打印方法制備了IZTO 薄膜晶體管，對有源層厚度優(yōu)化后，器件的遷移率超過100 cm2/Vs，開關(guān)比大于106。福州大學(xué)胡海龍課題組采用噴墨打印工藝制備了IGZO 薄膜與TFT 器件，利用脈沖激光退火來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱退火，降低工藝溫度至200 ℃，所制備IGZO-TFT 遷移率為1.5 cm2/Vs，電流開關(guān)比1.29×106。與傳統(tǒng)工藝下400 ℃熱退火3 h 獲得的TFT 器件性能相當(dāng)?shù)?，噴墨打印技術(shù)發(fā)展仍面臨一些問題，如圖形化分辨率有限（約20 μm）、打印干燥過程中易出現(xiàn)“咖啡環(huán)”效應(yīng)，器件性能仍低于傳統(tǒng)工藝等，有待進(jìn)一步研究。盡管目前基于印刷電子技術(shù)制備的IGZO材料可以獲得性能相對優(yōu)異的TFT 器件，但I(xiàn)GZO 材料中含有地殼中含量稀少且價(jià)格昂貴的In 元素，因此繼續(xù)開發(fā)新的環(huán)境友好型、低成本的材料具有重要意義。

四、AOS-TFT 技術(shù)面臨的問題

AOS TFT 技術(shù)目前面臨的問題主要集中器件電學(xué)性能的提高和器件長期穩(wěn)定性的改善，以成功地將其應(yīng)用到AMLCD 或AMOLED 顯示器中。AOS-TFT 器件在顯示器工作時(shí)，選擇管和驅(qū)動(dòng)管會受到長時(shí)間的電學(xué)偏壓作用，這種偏壓作用會因具體工作環(huán)境的差異而有所不同，TFT 器件需要在長時(shí)間偏壓作用中保持穩(wěn)定的器件性能。此外，TFT 器件在工作中會受到基板的熱效應(yīng)作用，長時(shí)間作用下會影響TFT 特性。因此，提高TFT 器件在實(shí)際工作環(huán)境中的穩(wěn)定性，使其更適用于新一代平板顯示器件，是技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的迫切需要。

對于AOS-TFT 器件穩(wěn)定性的考查，主要是研究器件在長時(shí)間持續(xù)工作時(shí)的電學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)穩(wěn)定性，研究閾值電壓Vth的漂移。研究發(fā)現(xiàn)，影響TFT 器件穩(wěn)定性的主要因素包括材料的組分、薄膜質(zhì)量、器件結(jié)構(gòu)、各功能層間界面缺陷等，因此，研究工作主要圍繞以下幾方面展開：TFT 各層材料（柵極、絕緣層、溝道層、源漏電極）、優(yōu)化工藝條件和器件結(jié)構(gòu)、調(diào)控界面問題，以期提高AOS-TFT 穩(wěn)定性。

Cross 等人報(bào)到了正柵偏壓PBS 下TFT 器件的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)閾值電壓的漂移量與所施加的正柵偏壓大小密切相關(guān)。Fujii研究小組報(bào)道了閾值電壓漂移將隨柵偏壓的增加而增大。而在AMOLED 顯示應(yīng)用中，正向柵偏壓穩(wěn)定性是影響TFT 性能的關(guān)鍵指標(biāo)，因?yàn)門FT 必須要提供一個(gè)穩(wěn)定的電流才能有效地驅(qū)動(dòng)OLED 發(fā)光，制備高質(zhì)量的絕緣層薄膜與有源層薄膜進(jìn)行匹配，以降低界面處的缺陷態(tài)，是解決器件PBS 穩(wěn)定性問題的合理思路和方向。

優(yōu)異的負(fù)柵偏壓（NBS）穩(wěn)定性對于正常驅(qū)動(dòng)有源矩陣顯示具有重要意義。Kwon 等人制備了不同結(jié)構(gòu)的TFT 器件，研究器件結(jié)構(gòu)與NBS 穩(wěn)定性之間的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)，在背溝道刻蝕型和刻蝕阻擋層結(jié)構(gòu)的TFT 器件中，負(fù)柵偏壓會導(dǎo)致TFT 在偏壓施加的初始階段閾值電壓發(fā)生漂移，隨著柵偏壓時(shí)間增加，閾值電壓未發(fā)生明顯變化。有研究推斷在NBS 測試條件下閾值電壓往負(fù)向漂移這種現(xiàn)象，可初步歸因于空穴被絕緣層/有源層界面處的缺陷態(tài)捕獲。關(guān)于NBS 測試下器件的穩(wěn)定性研究發(fā)現(xiàn)，影響器件NBS 穩(wěn)定性的物理機(jī)制，主要與有源層材料的特點(diǎn)有關(guān)，而與薄膜性能、絕緣層/有源層界面結(jié)構(gòu)的關(guān)系并不明顯。

在AMLCD 顯示應(yīng)用中，TFT 器件在工作中會受到LCD 背光源的照射，在AMOLED 顯示應(yīng)用中，TFT 器件也會不同程度地受到像素內(nèi)發(fā)光單元的照射。因此TFT 器件的光穩(wěn)定性也十分重要。有科研小組嘗試用雙層結(jié)構(gòu)的刻蝕阻擋層改善TFT 的光熱穩(wěn)定性，如先制備一層對有源層損傷較小的阻擋層薄膜材料覆蓋在半導(dǎo)體層的背溝道，然后再沉積一層高致密的阻擋層材料覆蓋在底層的阻擋層材料上，通過優(yōu)化上層和底層阻隔材料的性能改善器件的穩(wěn)定性。

結(jié)語：綜上，關(guān)于AOS 材料與薄膜晶體管的研制，已成為顯示領(lǐng)域的主要任務(wù)之一。其制備工藝也從傳統(tǒng)基于真空沉積工藝逐步向溶液法、印刷電子工藝發(fā)展，以更適應(yīng)新一代顯示技術(shù)對柔性、低溫、可溶液加工性的需求，繼續(xù)研制開發(fā)新的環(huán)境友好型、低成本、高穩(wěn)定性的AOS 材料與薄膜晶體管具有重要意義。