第5章金属氧化物薄膜晶体管 简介 5.11GZO金属氧化物半导体的物理基础 5.2IGZO-TFT的工作原理与特性 5.3金属氧化物TFT中的关键材料 5.4金属氧化物半导体薄膜的制备工艺 5.5金属氧化物TFT结构、制造工艺与性能 5.6金属氧化物TFT的稳定性
第5章 金属氧化物薄膜晶体管 简介 5.1 IGZO金属氧化物半导体的物理基础 5.2 IGZO-TFT的工作原理与特性 5.3 金属氧化物 TFT 中的关键材料 5.4 金属氧化物半导体薄膜的制备工艺 5.5 金属氧化物TFT 结构、制造工艺与性能 5.6 金属氧化物TFT的稳定性
简介 1995年 倡导TAOS设计指针 1996年 TA0S实现40cm2/Ns的载流子迁移率 1999年 成为JST ERATO项目负责人 2004年3月 申请有关树脂基板上的1GZ0 成分及TFT形成的技术专利 2004年11月 在《自然》杂志上发表论文 2005年 与佳能、LG、SAIT及凸版 印刷联合进行研究 ●凸版印刷利用1GZ0TFT试 制出电子纸 2006年 ●佳能试制出5段环形振荡电路 ◆韩国启动有关TAOS应用的国家项目 日本东京工业大学细教授2006年2月 LG在1DW'06上展出3.5英寸有机EL面板 ·1964年SnO,作为有源层的TFT 2007年12月 SAIT在IDWO7上展出4英寸有机EL面板 1968年ZnO TFT 2010年1月 友达光电试制出37英寸全高清液晶面板 2003年多晶ZnO TFT 2010年11月 细野在韩国获得部分专利 2010年12月 东芝宣布开发出高可靠性IGZ0TFT ● 2004年Fortunato和Nomura全透明室温 2011年4月 ●夏普与$EL宣布年内量产液晶面板 ZnO和IGZO TFT ●佳能与东京工业大学将有关专利委托给ST 2011年5月 获得SlD的Jan Ra jchman奖 2011年7月 JST向三星提供专利授权
• 1964年SnO2作为有源层的TFT • 1968年ZnO TFT • 2003年多晶ZnO TFT • 2004年 Fortunato和Nomura全透明室温 ZnO和IGZO TFT 日本东京工业大学细教授 简介
不同的TFT技术比较 a-Si:H TFT LTPS TFT 金属氧化物TFT 沟道材料 a-Si:H ELA多晶硅 a-IGZO 载流子迁移率（cm2V-s)10 10G 6G >8G
α-Si:H TFT LTPS TFT 金属氧化物TFT 沟道材料 α-Si:H ELA 多晶硅 α-IGZO 载流子迁移率（cm2 /V·s）＜1 1-20 TFT均匀性 好 差 好 TFT极性 n沟道 CMOS n沟道 VTH漂移（V） ＞10 ＜0.5 ＜1 光稳定性 差 好 好于α-Si:H TFT 电路集成 集成度低 可以 可以 工艺温度（℃） 150-350 250-550 RT-400 基板 玻璃、金属、塑料 玻璃、金属、塑料 玻璃、金属、塑料 溶液法工艺温度（℃） 不能采用溶液法 需要激光退火 170-400 可见光透明性 差 差 好 成本/良品率 低/高 高/较低 低/高 生产线状况 ＞10G 6G ＞8G 30 100 不同的TFT技术比较
5.11GZO的物理基础 5.1.11GZ0的结构与能带 5.1.2a-1GZ0中的电子态 5.1.3CAAC-lGZO中的电子态 5.1.41GZ0中的载流子传输机制
5.1 IGZO的物理基础 5.1.1 IGZO的结构与能带 5.1.2 a-IGZO中的电子态 5.1.3 CAAC-IGZO中的电子态 5.1.4 IGZO中的载流子传输机制
5.1.11GZ0的结构与能带 单晶、多晶、CAAC-IGZO的晶体结构 In OGa 晶胞由lnO2层和 Laser crystallized IGZO Zn GaZnO2层沿着c轴方 grain A 向交错堆砌而成 grain boundary B grain C 10nm 000000
5.1.1 IGZO的结构与能带 单晶、多晶、CAAC-IGZO的晶体结构 晶胞由InO2层和 GaZnO2层沿着c轴方 向交错堆砌而成
非晶金属氧化物的能带形成机理 化合物中离子的电子结构 -在元素周期表中，n、Ga、Zn等金属元素阳离子的电子结构：（n-)d0 ns0(其中n≥5)。 TAOS的导带底主要由重金属元素的ns轨道的未被占据态组成。s态电子云 密度呈球对称分布，且半径较大，相互交叠形成电子的导通路径，非常有利于电 子的传输。 Mo 00 M2+ 02- 00- OO -00-'00000 Mns M ns 02p 02p 000000 Madelung势
• 化合物中离子的电子结构 – 在元素周期表中, In 、Ga 、Zn 等金属元素阳离子的电子结构: ( n - 1) d10 ns0 (其中n ≥5) 。 • TAOS 的导带底主要由重金属元素的ns 轨道的未被占据态组成。s 态电子云 密度呈球对称分布,且半径较大,相互交叠形成电子的导通路径,非常有利于电 子的传输。 Madelung势 非晶金属氧化物的能带形成机理
5.1.2alGZ0中的电子态 U标志带尾的宽度和结构无序的程度 100 80 a cc exp(hv/E) 60 800 Visible region 10 % 600 10 -o-a-IGZO on Quartz Eu -124.3meV (Thickness=181nm,background removed) 10 400 200 400 600 800 1000 Wavelength(nm) 200 a-GZ0在可见光区的透过率超过90% 10 四 .0 2.5 3.03.5 4.0 l (ev) a-1GZo薄膜的光吸收谱 5 -005r0x) off 3 持续光电导 off 10 衰减时间大于10秒 0 未退火a-lGZO薄膜的瞬态光响应 0 20 40 50 60 Time(×1000sec)
5.1.2 a-IGZO中的电子态 a-IGZO 在可见光区的透过率超过90% a-IGZO薄膜的光吸收谱 未退火a-IGZO 薄膜的瞬态光响应 持续光电导 exph EU EU标志带尾的宽度和结构无序的程度 衰减时间大于103秒
5.1.3 CAAC-IGZO中的电子态 CAAC-IGZ0中的氧空位密度较低 本征 低能量部分的光吸收，反映了 纳米晶IGZO 104 薄膜隙态密度的大小 103 带边 0 102 0.5 10 隙态 C-IGZO 1 1.0 1o, 2.0 102 2.5 10-3 3.0 CAAC-IGZO 10 103 102 10-1 10 10-4 吸收系数(cm) 1.61.82.02.22.42.62.83.03.2 能量(eV) 深隙态的吸收谱，吸收峰对应着氧空位能级 不同结晶度的1GZO薄膜的CPM光吸收谱 恒定光电流法
5.1.3 CAAC-IGZO中的电子态 能量(eV) 吸收系数(cm-1) 吸收系数(cm-1) 能 量(eV) 不同结晶度的IGZO薄膜的CPM光吸收谱 纳米晶IGZO CAAC-IGZO中的氧空位密度较低 恒定光电流法 低能量部分的光吸收, 反映了 薄膜隙态密度的大小 深隙态的吸收谱，吸收峰对应着氧空位能级 本征 带边 隙态
a-IGZ0的隙态产生的原因目前仍然是有争论的问题 CB 23-42meV 业 势垒高度 个 -0.1eV ee.-..- CB尾态(Eu~26meV) CBM 施主能级：0.1-0.13eV a-IGZO薄膜中的陷阱：0.2eV 可以被H钝化的陷阱：0.3eV ($e 深能级 (2×1016cm3/eV) -3.2eV 深隙态(C102cm3 1)氧空位 2)弱键氧 近价带顶隙态来 3)-OH 源于？ 4)H VB尾态 VBM VB Log(DOS)
a-IGZO的隙态产生的原因目前仍然是有争论的问题 近价带顶隙态来 源于？
5.1.4IGZ0中载流子的传输机制 1GZ0中载流子的传输目前还没有统一的模型 1.c-IGZO中的阳离子无序散射（CD)模型 2.a-GZO中载流子的渗流传导模型 3.a-GZO中载流子的多重陷阱释放传输模型
5.1.4 IGZO中载流子的传输机制 1. c-IGZO中的阳离子无序散射（CD）模型 2. α-IGZO中载流子的渗流传导模型 3. α-IGZO中载流子的多重陷阱释放传输模型 IGZO中载流子的传输目前还没有统一的模型
