AMOTFT
氧化物TFT最新研究进展
张斌，矫士博，刘武君，李俞辰
（彩虹（南方）研究院，彩虹（佛山）平板显示有限公司，佛山528333）
摘要非结晶氧化物TFT以其诸多优势受到研究人员的青睐,最近几年得以迅速发展。本文将对TFT的发展历程、结构原理及制备方法进行简单介绍，重点介绍国内外几家有代表性的公司近两年在这方面取得的科研成果。
关键词ZnO IGZO TFT OLED 平板显示
中图分类号：TN304.055 文献标识码：A
The Latest Research Progress on Oxide Based Thin Film Transistors
ZHANG Bin, JIAO Shibo, LIU Wujun, LI Y uchen
(IRICO (Foshan) Flat Panel Display Company Limited, IRICO (Southern) Research Institute, Foshan 528333)
Abstract Amorphous oxide based thin film transistors have attracted worldwide at -tention and developed fastly within several years. In this paper, the developed progress of TFT, the commonly used architecture and working principle, the fabrication method was simply introduced. Then introduced the scientific achievements of several representative company about oxide TFT within this two yeas in detail.
Key words ZnO，IGZO，TFT，OLED，Flat Panel Display
0 引言
以液晶（LCD）和有机发光二极管(OLED)为代表的平板显示器向着大尺寸、高分辨的方向发展，薄膜晶体管(TFT)作为平板显示行业的核心部件，其性能愈加显得重要。如何简化TFT的工艺流程，并提高其电学特性是平板显示科研工作者所关心的课题。
从1962年P?K?Weimer[1]发明的CdS薄膜晶体管到现在大规模产业化的硅基薄膜晶体管己有40多年的历史。在这40多年里，TFT的结构没有发生太大的变化，变化主要在于材料的选择上，从开始的CdS、CdSe、Te到如今平板产业大规模使用的非晶硅、多晶硅，再到目前的非晶态氧化物。由于硫化物有源层的不稳定和高昂的制作成本，而且Cd有毒，所以CdS、CdSe作为有源层的TFT已遭淘汰。硅基TFT 的产业化也是近20年的事情，硅基TFT大致可分为非晶硅(a-Si:H)、低温多晶硅(LTPS)、高温多晶硅(HTPS)。非晶硅薄膜晶体管由于性能稳定、工艺温度低和生产成本低而获得大规模的应用，以非晶硅TFT为驱动的LCD面板以中大尺寸为主。非晶硅TFT存在的主要问题是载流子迁移率低和光照易产生光生电荷，前者影响器件的响应速度和开口率后者增加工艺的复杂性和成本。低温多晶硅TFT电荷迁移率远高于非晶硅TFT，因此容易实现高度集成化，抗干扰能力强，主要应用在中小尺寸的面板中。存在的主要问题是激光设备的工艺窗口窄、受激光束长度的限制和激光束不稳定性造成TFT性能的不均匀性。高温多晶硅工艺温度高，无法采用玻璃为基板，只能用石英，主要应用在投影机的高清晰光阀（Light valve）。基于硅基TFT存在的以上问题，加上工艺设备诸如等离子增强化学气相沉积（PECVD）、激光退火、离子注入及干蚀刻资金投入过大，工艺复杂，研究人员正在积极开发性能更好、价格更低且可使用挠性基片的下一代薄膜晶体管。
其中，作为驱动OLED面板的有力候补，氧化物TFT 更是备受期待。与原来的非晶硅TFT相比，氧化物TFT的载流子迁移率高达10cm2/(V·s)，是前者的10倍左右，非常适合应用在电流驱动的OLED器件中；另外，氧化物TFT 可通过Sputter的方法制造，因此导入时无需大幅改变现有的液晶面板生产线。未来，除Sputter外，还有望使用涂布工艺制造，这将会使成本进一步降低。鉴于上述优点，以三星、LG、友达、夏普为代表的韩日及台湾的大型面板厂商纷纷加大氧化物TFT的开发力度，并取得令人瞩目的研究成果。本文将就针对近年来公开发表的相关学术论文及研讨会的报告，简单介绍氧化物TFT的结构原理、制备工艺、存在问题，重点介绍国内外几家有代表性的公司近两年在这方面取得的研究成果。
1 氧化物TFT的结构及工作原理
TFT有顶栅、底栅两种结构，根据源漏电极与活性层的接触方式又可分为顶栅顶接触、顶栅底接触、底栅顶接触和底栅底接触四种结构类型。TFT根据沟道反型层电荷的类型分为n沟道和p沟道, 根据阈值电压的正负又分为增强型和耗尽型。本征ZnO基TFT多为n沟道增强型的工作形式, p 沟道通过掺杂可获得。考虑到与工艺集成兼容, ZnO基TFT 优先选择底栅结构, 该结构还有一个优点是通过增加有源层厚度以减少晶粒的缺陷, 从而获得更高的迁移率, 沟道层上表面通常需要覆盖一层保护层[2]。
TFT是一种绝缘栅场效应晶体管。它的工作状态可以利
张斌：男，1982年生，工程师，主要从事OLED显示器件研发E-mail:zhangbin@https://www.wendangku.net/doc/a85507543.html,
用Weimer 表征的单晶硅MOSFET工作原理来描述。以n 沟MOSFET 为例，当栅极施以正电压时，栅压在栅绝缘层中产生电场，电场线由栅电极指向半导体表面，并在半导体表面产生感生电荷。随着栅电压增加，半导体表面将由耗尽层转变为电子积累层，形成反型层。当达到强反型时（即达到开启电压时），源、漏间加上电压就会有载流子通过活性层沟道。当源漏电压很小时，导电沟道近似为恒定电阻，漏电流随源漏电压增加而线性增大。当源漏电压很大时，它会对栅电压产生影响，使得栅绝缘层中电场由源端到漏端逐渐减弱，半导体表面反型层中电子由源端到漏端逐渐减小，沟道电阻随着源漏电压增大而增加。漏电流增加变得缓慢，对应线性区向饱和区过渡。当源漏电压增大到一定程度，漏端反型层厚度减为零，电压继续增大，器件进入饱和区，继续增加源漏电压，导电沟道将被击穿。
2 有源层的制备方法
文献[3—13]报道了ZnO基TFT的制备方法，主要有Sputter、Sol-Gel、PLD、分子束外延等。目前制备非晶ZnO 基薄膜较成熟的工艺是PLD和Sputter。Sputter相比较PLD 更容易快速沉积大面积均匀薄膜。PLD、Sputter靶材多为高纯陶瓷烧结靶, 薄膜的氧空位浓度可以通过控制沉积气氛
中的氧含量、气压及溅射功率来调制。对于Sputter, 不同作者报道的O2/(Ar+O2)的变化范围在0%～50%之间。图1为三星发表的用Sputter方法制作的底栅顶接触a-IGZO TFT
的截面示意图[4]。
图1 三星发表的用Sputter方法制作的底栅顶接触
a-IGZO TFT的截面示意图
Fig.1 Schematic cross section of the IGZO TFTs, which have an inverted staggered bottom gate structure published
by Sumsung
从图1能清晰的看出各功能层材料为IZO/a-IGZO/SiN x/ MoW，其中IZO作为源漏电极，用IGZO和IZO双靶材溅射沉积a-IGZO 作为活性层，SiN x作为栅介质层，栅极为MoW。文中研究了溅射功率对a-IGZO薄膜各元素含量的影响，调整溅射IZO靶材的功率从0~700W，发现随着功率的提高薄膜中In元素的含量升高，Ga降低，Zn变化不明显。另外还研究了溅射功率对IZO源漏电极载流子迁移率的影响，结果发现随着功率的增加，载流子迁移率升高，亚阈值斜率S值降低。
MyungKwan Ryu等[5]报道了用Solution-processed法制作IZO TFT背板，TFT采用底栅顶接触结构，SiNx作为栅介质层，Mo作为电极层，Spincoating IZO活性层，SiO2作为保护层，迁移率为0.9 cm2/(V·s)，电流开关比为1.8e7。Shin P K等[6]研究了用PLD方法沉积ZnO透明薄膜作为TFT的活性层，该方法中通过调整O2压和衬底温度来控制ZnO薄膜的质量，从而寻找应用在TFT中的最佳制备条件，制成的TFT载流子迁移率为2.4~12.85 cm2/(V·s)，开关比为2~6个级数，并讨论沉积腔体内氧气压力和基板温度对ZnO薄膜光学和电学性能的影响。电阻率随着温度的升高而降低，氧压在7 Pa以后电阻率变化不大。De SouzaM M
等[13]研究了用PLD方法制作AlN栅极绝缘层用Sputter制作ZnO活性层，并研究了插入AlN栅绝缘层对TFT性能的影响，AlN作为缓冲绝缘层在粗糙度方面较SiO2降低了3倍，比SiN降低了6倍，使得ZnO基TFT的载流子迁移率提高一个数量级，减少界面态影响，有效提高器件开关比和降低亚阈值斜率S。
3 国内外氧化物TFT研究动态
由于ZnO基TFT优越的性能及潜在的应用前景，在平板显示领域引起广泛的关注。从掌握的资料看，三星、LG、友达在这方面处于领先地位。由于日本公司公开发表的资料有限，使得我们对其研究的进展情况了解不够全面，但根据其多年来在平板显示领域的技术积累，我们相信在氧化物TFT方面的科研水平是不容小觑的。
图2是FPD International 2009展出的氧化物TFT驱动的OLED和液晶面板。其中以三星SMD的19英寸面板尺寸最大。展会上LG和AUO的资料显示采用的氧化物为
a-IGZO。三星虽未公开氧化物半导体的种类，但该公司一直在使用a-IGZO进行试制，展会上的展品很可能采用的也是这种材料。
图2 FPD International 2009展出的氧化物TFT驱动的
OLED和液晶面板
Fig.2 OLED and LCD drived by oxid TFT were shown
on FPD International 2009
3.1 韩国三星
三星对氧化物TFT的研究较早，且进展迅速，早在2007年的IMID（International meeting on information display）就已展出应用a-IGZO TFTs 的4.1英寸透明QCIF AMOLED 原型机[9]，到2008年的时候a-IGZO TFTs就已应用在12
英寸的AMOLED显示器上面。SMD氧化物TFT材料以
a-IGZO为主，技术路线分两种，一种是Sputter，另外一种是Sol-Gel的方法[3—5,9]。
图3(a)是SMD在SID 2008展出的12.1英寸WXGA的AMOLED原型机，该显示器像素为1280x768，分辨率
123ppi，a-IGZO TFT驱动设计为2T1C。a-IGZO TFT设计为底栅结构，基板尺寸为370 mm×400 mm，用PECVD沉积SiN x作为栅介质层，a-IGZO用Sputter的方法沉积，TFT 设计有蚀刻阻挡层层，制作完成的基板在250℃下退火1hr。然后在该基板上面制作了12.1-inch WXGA AMOLED显示器，测试结果没有出现明显的发光不均匀的现象。a-IGZO TFT场效应迁移率为8.5 cm2/(V·s)，阈值电压为4.7V，开关比为108，亚阈值斜率S为0.56 V/decade。
图3(b)为三星SMD在SID 2009展出的以a-IZO TFT驱动的2.2英寸QCIF AMOLED及a-IZO TFT的结构示意图。TFT采用底栅顶接触结构，SiN x作为栅介质，活性层IZO
用spin-coated的方法制作，Mo作为源漏电极，SiO2作为钝化层。TFT测试显示场效应迁移率为0.9 cm2/(V·s)，阈值电压为－2.2 V，开关比为1.8e7。驱动TFT的设计为2T1C，开关和驱动的TFT的W/L分别为90/8μm和200/8μm，从图3(b)的显示画面中我们发现虽然白点缺陷很多，但这也证明了用Solution的方法制作的TFT也能成功的驱动AMOLED。
图3 (a) SMD在SID2008展出的12.1英寸WXGA AMOLED，(b) SMD在SID09展出的2.2英寸QCIF
AMOLED
Fig.3 (a)12.1- inch WXGA AMOLED was shown on SID2008 by SMD,(b) 2.2- inch QCIF AMOLED was shown
on SID2009 by SMD
三星SMD在09韩国显示器国际会议IMID(International meeting on information display)上也发布了a-IGZO TFT的最新研究进展，与其他发表论文对比，SMD的技术是最接近量产的。论文中虽然使用了非晶氧化物TFT的表述，但展示的图片却是a-IGZO。TFT结构为留有正统蚀刻终止层的反向叠层结构，经过了7道光刻处理。迁移率为21.2
cm2/(V·s)，亚阈值斜率S为0.27V/dec。为了兼顾量产，a-IGZO 的形成采用了DC Sputter。该公司还展示了基板面内TFT
特性误差的相关数据，在整块基板的10个位置测定的阈值电压Vth标准偏差为0.16 V，相邻9个TFT间的标准偏差为0.02 V，优于准分子激光退火（ELA）。除此之外，由于没有翘曲效应，因此，a-IGZO还具有饱和特性优良、BTS （Bias-temperature stress）耐受性等于高于ELA的特点。该公司认为，只要再解决可靠性课题，氧化物TFT将是大型有机EL面板的最佳TFT底板。
影响可靠性的因素包括水分、光、氢和氧，关于可靠性，三星公司在演讲中也给出了具体劣化数据内容。同时还介绍了使用聚酰亚胺底板的a-IGZO TFT，并且发布了专用弯曲试验机的弯曲试验结果。另外，该公司还给出了通道旁路法的数据，这种方法需要在蚀刻阻挡层上形成第2个栅极电极，Vth可以利用其偏压自由控制。这项技术虽然由来已久，但是由于氧化物TFT的Vth容易随工艺条件和应力条件变化，对于降低功耗的Vth控制、TFT元件的劣化补偿应该可以按需使用。对于是否会去除蚀刻阻挡层进一步降低成本的问题，演讲人表示：“钝化膜的膜质对特性影响很大，因此我们希望在未来的开发中将其去除，但目前还难以实现”。
三星公司Souk在TAOS 2010（International workshop on transparent amorphous oxide semiconductors）上公开了该公司的氧化物半导体TFT的开发情况。有背光源照射时TFT 工作稳定性和量产性的验证是目前存在的课题。尽管三星此次没有发布大尺寸面板，但公布了开发的进展情况。该公司称，最近1年内，在有背光源照射的条件下，要将TFT的阈值电压变动降至以往的1/3。这主要靠通过改善绝缘膜材料和控制通道界面来实现。
3.2 中国台湾AU Optronic
台湾友达光电（AU Optronics Corp，AUO）曾在FPD International 2009展出过氧化物TFT驱动的2.4英寸OLED （如图2所示）。但在今年的TAOS 2010国际会议上该公司宣布，将此前不足20英寸的面板尺寸一举扩大到了液晶电视普及价位的尺寸。演讲者介绍了采用氧化物TFT驱动全高清（1920×1080像素）的37英寸液晶面板的最新研究成果，让所有与会者惊叹不已（如图4(a)所示）。日本某大型显示器厂商的技术人员在听到这一消息后表示：“甚至感觉到硅基TFT有可能会被氧化物TFT彻底取代”。
在采用氧化物TFT的显示器开发事例中，以前的面板尺寸均不到20英寸。此次，AUO开发出了37英寸的液晶面板，一举到达了普及价位尺寸。如图4(b)所示AUO在开发37英寸液晶面板时，采用了面向大面积化和低成本化的TFT结构。一般情况下，采用该结构TFT特性容易劣化，但该公司开发出了解决该问题的工艺技术。
此次，AUO之所以能够一举实现面板的大尺寸化，是因为a-IGZO TFT的电极材料采用了Al，与此前的开发中通常使用的Mo相比，铝的电阻较低。如果在TFT上采用铝电极，与SiO x绝缘膜的界面会形成AlSi，而导致绝缘层耐压降低。为了避免出现这种情况，多采用SiN x绝缘层，但这种结构大多需要具有SiO x的蚀刻终止层，结果导致TFT 的制造工序增加、成本上升，但此次AUO解决了该问题。
AUO指出只要改善TFT通道部的质量，即可弥补由于电极部形成AlSi带来的性能劣化。具体做法是利用等离子处理来修复溅射时通道表面的龟裂，通过改进SiO x成膜法提高用于表面保护的SiO x绝缘膜与通道界面的质量。
听了AUO的报告，三星高级顾问JunH.Souk谈到，氧化物TFT实用化所面临的一大课题是，在有背光源照射的条件下，需要将TFT的阈值电压漂移控制在实用水平上，通过提高成品率，将成本降至现有液晶面板以下。如果能解
(b) (a)
决这些问题，预计采用氧化物TFT的液晶面板很快就能产业化。
图4 (a) AUO用氧化物TFT实现支持全高清的37英寸液晶面板, (b) AUO公布的氧化物TFT结构示意图Fig.4 (a)37- inch FHD LCD drived by oxid TFT was shown by AUO,(b) the structure of oxid TFT issued by AUO 3.3 日本厂商
夏普在IDW 2009（16th International display work shops）上公开了采用氧化物TFT的2.6英寸QVGA（320×240像素）液晶面板，氧化物半导体采用a-IGZO。
图5为日本凸版印刷展出的采用涂布型氧化物TFT驱动E- Ink制造的2英寸电子纸。日本凸版印刷试制出采用可进行涂布的氧化物半导体的TFT，成功驱动了电子墨水生产的电子纸。通过采用涂布工艺，有望削减制造成本。该公司试制出了制造工序中最高温度可降至270℃的氧化物TFT。该公司宣称，与原来利用涂布工艺制造氧化物TFT相比，最高温度要低100℃以上。凸版印刷的TFT是在玻璃底板上制成的，采用Spin Coated对氧化物进行涂布成膜。虽然比不上Sputter制得的样品，但涂布成膜的试制品的迁移率为0.5cm2/(V·s)以上，开关比为10 e5以上，也实现了与普通非晶硅TFT相当的特性。
图5 日本凸版印刷展出的采用的涂布型氧化物TFT
驱动的电子纸
Fig.5 The image of E-paper drived by O-TFT issued by
Toppan Printing
图6(a)为半导体能源研究所发布了简单结构的由通道
蚀刻型a-IGZO TFT驱动的3.4英寸326ppi“白色有机EL ＋彩色滤光片”的AMOLED。图6b为该公司展出的氧化物TFT基板的实物图，基板尺寸为600mm×720mm。从图6(b)看出，TFT基板上的面板配置间隔较大，制作工艺中包括彩色滤光片的图案在内，用到12次光刻。由于这是326 ppi 的高精细面板，用肉眼几乎无法辨别像素，虽然没有进行电路补偿，但却看不出斑点，并且还确保了TFT的均匀性。此次，利用600mm×720mm的大尺寸TFT底板成功试制了基于IGZO TFT的OLED，虽然占据面积稍大，但内置了QHD（960×540像素）面板的数据驱动，意义也很大。
图6 (a)半导体能源研究所开发的氧化物TFT驱动的AMOLED, (b)半导体能源研究所开发的氧化物TFT的基板
照片
Fig.6 (a)AMOLED drived by O-TFT was shown by Semiconductor Energy Laboratory,(b) the image of TFT substrate from Semiconductor Energy Laboratory
图7(a)是半导体能源研究所在SID2009发表的a-IGZO TFT驱动的4.0-inch 的QVGA LCD的实际显示画面[10—12]。Takeshi Osada等研究了整个工艺全部采用Sputter的方法制作a-IGZO TFT的工艺。图7(b)显示了制作底栅底接触
a-IGZO TFT的部分工艺流程。
图7 (a)半导体能源研究所发布的a-IGZO TFT驱动的4.0-inch 的QVGA LCD, (b)半导体能源研究所发布的a-IGZO TFT结构及部分工艺流程
Fig.7 (a) the image of 4-inch QVGA LCD drived by
a-IGZO TFT was issued by Semiconductor Energy Laboratory,(b) the structure and process of a-IGZO TFT was published by Semiconductor Energy Laboratory
(b)
(a)
(b)
(a)
(a)
(b)
源、漏电极材料要求电阻率低、与半导体的接触为欧姆接触且界面的肖特基势垒小。可选用的金属电极有Al、Ag、Ti、Cr、Mo、W、Ta、Au、Pd、Ni、Pt。原则上, 对于n
型ZnO基TFT, 选择低功函数的金属作为源漏电极, 如Al、Ag、Ti，p 型ZnO基TFT 选择高功函数的金属作为源漏电极, 如Au、Pd、Ni、Pt。实际上, 单种金属和半导体接触通常很难达到理想结果，半导体能源研究所在源漏电极与活性层接触的部位增加一层n+ IGZO用以改善电极与活性层的接触，用Ti做为源漏电极，有效降低了寄生电容。Kengo Akimoto[12]的研究显示增加n+ IGZO层后，TFT的开态特性和载流子迁移率均得到明显改善，但仍然存在电压特性不稳定的现象，文中分析认为造成这种现象的原因有两方面，一方面是在真空腔体内溅射Ti做S/D电极，紧接着就沉积n+ IGZO层，这样不可避免的造成金属Ti薄膜氧化从而增加接触电阻，另外一个原因是n+ -IGZO和a-IGZO的界面影响。Hideyuki Kishida[11]借助第一性原理模拟软件研究了金属电极（W, Mo, or Ti）和a-IGZO的界面结构，结论是标准电极电势低的金属更容易被氧化，同时TEM和EDX的测试结果也证明了作者的推论。
4 结语
虽然氧化物TFT与硅基TFT相比，具备更多的竞争优势，从而引起世界范围内的研究热潮。但是要将其产业化，替代现在广泛采用的硅基TFT基板，一些关键性的技术问题尚没有得到有效解决。譬如，氧化锌属直接带隙半导体，光照时易产生光生电荷，所以首先要解决的问题就是有背光源照射时氧化物TFT工作的稳定性问题；另外一个问题是适用于大尺寸基板用的Sputter or PLD薄膜沉积设备的开发，解决驱动各像素TFT电学特性的均匀性问题。随着这些关键性问题的解决，我们相信氧化物TFT会很快实现产业化，并最终与OLED实现完美结合。
参考文献
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12Kengo Akimoto, Masashi Tsubuku, Junichiro Sakata, et al. High-performance In-Ga-Zn-Oxide TFTs for displays, with S/D contact using n+ In-Ga-Zn-Oxide interlayer,
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