第07章-薄膜晶体管的结构与设计说课材料
薄膜晶体管
1、微电子技术应用
微电子技术被广泛应用于社会的各个行业
微电子技术与计算机技术相辅相成，推动了信息
技术的高速度发展
传统工业的行业改造和技术更新 使商业领域的传统账册产生了根本的变化 与其他技术的结合和渗透发展成新的技术
现代化的军事与国防也离不开微电子技术
深刻地、广泛地影响着人们的生活
大规模芯片生产已达到0.25微米工艺 ，0.06微米已应用于显示， 目前最窄：32纳米。 摩尔定律 ：集成度（容量）每1、2、1.5年（65、97年、媒体） 翻一番，而价格保持不变甚至下降。
7
大规模集成电路的集成度是微电子技术的重要标志； 单晶片的尺寸已经从原来的5英寸发展到了今天的8光致抗蚀剂 SiO2 P+
基区硼离子注入
N P基区
N+埋层
(f)基区制备
33
半导体集成电路工艺技术
双极集成电路工艺
光致抗蚀剂 SiO2… P+ N+埋层
(g)基区引线孔制备
34
半导体集成电路工艺技术
双极集成电路工艺
砷离子注入
发射区 基区 集电区 埋层
N+集电区
(h)发射区制备
4
微电子无处不在：
公共汽车IC卡、银行储蓄卡和信用卡、小区智
能卡、电子手表、语言贺卡和玩具、电子琴、手机、
洗衣机、电视机、电话机等等日常生活用品中都有 芯片（微电子）。
5
2、微电子技术发展及现状
1948年BELL实验室发明第一只晶体管——微电子技术 第一个里程碑；
1959年硅平面工艺的发展和集成电路的发明——微电 子技术第二个里程碑； 1971年微机的问世——微电子技术第三个里程碑。
薄膜晶体管原理与应用
目录第一章绪论1.1引言1.2研究背景第二章薄膜晶体管的结构与基本原理2.1薄膜晶体管结构2.2薄膜晶体管工作原理23薄膜晶体管主要性能参数第三章薄膜晶体管应用3.1薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)3.1.1 TFT-LCD 概述3.1.2TFT-LCD工作原理3・2有机发光二极管(OLED)3.2.1 OLED 概述3.2.2 OLED工作原理第四章前景展望第一章绪论1.1引言人类对薄膜晶体管（TFT）的研究工作己经有很长的历史。
早在1925年，Julius Edger Lilienfeld首次提岀结型场效应晶体管（FET）的基本定律，开辟了对固态放大器的研究。
1933年，Lilienfeld 乂将绝缘栅结构引进场效应晶体管（后來被称为MISFET）。
1962年，Weimer用多晶CaS薄膜做成TFT：随后，乂涌现了用CdSe、InSb、Ge等半导体材料做成的TFT器件。
二十世纪八十年代，基丁低费用、大阵列显示的实际需求，TFT的研究广为兴起。
1973年，Brody等人首次研制出有源矩阵液晶显示（AMLCD）,并用CdSe TFT作为开关单元。
随着多晶硅掺杂工艺的发展，1979年LeComber. Spear和Ghaith用a-Si:H做有源层，做成如图1所示的TFT器件。
后來许多实验室都进行了将AMLCD以玻璃为衬底的研究。
二十世纪八十年代，硅基TFT在AMLCD中有着极重要的地位，所做成的产品占据了市场绝大部分份额。
1986年Tsumura等人酋次用聚曝吩为半导体材料制备了有机薄膜晶体管（0TFT） , 0TFT技术从此开始得到发展。
九十年代，以有机半导体材料作为活性层成为新的研究热点。
由于在制造工艺和成本上的优势，0TFT被认为将來极可能应用在LCD、0LED的驱动中。
近年來，0TFT的研究取得了突破性的进展。
1996年，飞利浦公司采用多层薄膜叠合法制作了一块15 微克变成码发生器（PCG）:即使当薄膜严重扭曲，仍能正常工作。
薄膜晶体管结构和原理
薄膜晶体管结构和原理新型的薄膜晶体管由氧化铟(属于非晶氧化物半导体材料)组成。
这种材料的电气特性要比非晶(amorphous )硅要好。
研究人员认为，非晶氧化物制作的开关比非晶硅体积更小、功耗更低、开关速度更快。
采用这种开关的显示器将更加清晰、图像处理速度也更快。
此外，非晶氧化物能够以更廉价的方式印刷到塑料上。
东京的研究者首次在2004年报告过由非晶铟镓锌氧化物( indium gallium zinc oxide ,IGZO)制作的晶体管。
而现在，很多大型显示器制造商采用氧化晶体管操控LCD和OLED的像素单元。
韩国成均馆大学的研究小组想到了一个超简单的晶体管设计和制造方法，在该方法中需要的材料更少，处理步骤也更少，可以经一部降低非晶氧化物装置的成本。
晶体管一般由三个部分组成：一个薄膜半导体沟道、栅极绝缘层、电极(非别是源极、漏极和栅极)。
在制作晶体管时需要通过3个不同的步骤和至少3种不同耳朵材料装配而成。
新的晶体管只需要两种材料：氧化铟和离子凝胶(ion gel)。
粒子凝胶是相对较新的材料，由困在聚合物基质的导电离子液体构成。
研究人员首次采用沉积的方式将杨华铟印刷在塑料片上。
首先，是U型的氧化铟中包含一个哑铃型的杨华铟底层，然后在其上，一个横跨哑铃杠和U型两边的离子凝胶贴片。
最后整体暴露于氩气之中。
完成的塑料片上覆盖有晶体管阵列。
在每个晶体管中，U形氧化铟作为栅极时，哑铃状氧化铟的两端作为源极和漏极，凝胶覆盖的部分形成一个半导体沟道，也是栅极的电介质。
作为一个概念验证，研究人员展示了由两个晶体管形成的非逻辑门电路(NOT logic)。
这个非逻辑(逆变门)是一种数字逻辑电路的基本门电路模块。
该方法还能使用其他氧化物，如氧化铟锌和IGZO制作晶体管。
薄膜晶体管与mos管
薄膜晶体管与MOS管1. 引言薄膜晶体管（Thin-Film Transistor，简称TFT）和金属-氧化物-半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，简称MOSFET）是现代电子器件中常见的两种类型的晶体管。
本文将介绍这两种晶体管的结构、工作原理、特点以及应用领域。
2. 薄膜晶体管（TFT）2.1 结构薄膜晶体管是一种由多个层次组成的结构，主要包括：底部基板、栅极、源极、漏极和薄膜半导体层。
其中，底部基板通常由玻璃或塑料材料制成，栅极和源漏极则由导电材料如金属制成。
薄膜半导体层常使用非单晶硅或非晶硅材料制备。
2.2 工作原理在TFT中，通过在栅极上施加电压来控制源漏极之间的电流流动。
当栅极施加正电压时，电场会使得薄膜半导体层中的载流子（电子或空穴）被引入或排斥，从而改变了源漏极之间的电流。
这种控制电流的能力使得TFT在显示技术中得到广泛应用。
2.3 特点•高度集成化：TFT可以制备成非常小尺寸的晶体管，从而实现高度集成化的电路设计。
•低功耗：TFT在非工作状态下几乎不消耗能量，因此具有较低的功耗。
•高分辨率：TFT显示器具有高分辨率和良好的色彩表现力，适用于高质量图像显示。
2.4 应用领域薄膜晶体管主要应用于平面显示器（如液晶显示器）、触摸屏、光伏电池等领域。
其中，液晶显示器是最常见的应用之一，其通过控制每个像素点上TFT的导通与否来实现图像显示。
3. MOS管（MOSFET）3.1 结构MOS管是一种由金属-氧化物-半导体结构组成的晶体管。
它包括了栅极、源极、漏极和氧化物层。
栅极和源漏极由金属材料制成，氧化物层通常由二氧化硅（SiO2）构成。
3.2 工作原理在MOS管中，栅极施加的电压可以改变氧化物层下半导体中的电荷分布情况，从而调控源漏极之间的电流。
当栅极施加正电压时，形成了一个正电荷区域，吸引了负载流子（电子）。
晶体管的原理与结构教案
晶体管的原理与结构教案晶体管的原理是基于半导体材料的性质，当控制电压施加到半导体材料上时，电子会随之流动，从而控制电流的流通。
早期晶体管是由三个不同材料的层组成，分别为P型半导体、N型半导体和掺杂非法（Intrinsic）半导体。
P型半导体材料缺少电子，N型半导体材料则具备多余的电子。
当这两种半导体材料结合后，即形成P-N结，这种结构的材料具备导电性，并且具备自发的电流流动，称为给定方向上的整流，因为P-N结加上硅或者金属两种材料，可以实现电子的控制，所以金属-绝缘体-半导体（MIS）晶体管应运而生。
它由金属电极、绝缘铝氧化物、半导体层构成。
当控制电压施加到绝缘体上时，电子就会通过绝缘铝氧化物，而不是半导体。
这种晶体管的特点是功耗低，速度快。
晶体管的三极管结构是由三个掺杂不同的半导体材料构成，分别为P型半导体、N型半导体和掺杂非法半导体或P型半导体、N型半导体和掺杂N型半导体。
基本晶体管结构包括两个P-N结和三个区域。
中间区域是N型或者P型掺杂材料，称为基极。
左边的P型区域被称为发射极，右边的N型区域被称为集电极。
发射极和集电极之间有一段掺杂的非法半导体区，这个区域又称为基区，它相当于桥梁，允许电流从发射极流到集电极。
当一个正电压被施加在发射极上时，电子会从P型区域流向基区域，基区内电子就会向集电极流动，从而控制电流的流动。
因为基极的掺杂浓度与发射极和集电极的掺杂浓度不同，所以晶体管的电流增益是可以通过控制掺杂浓度来调整的，从而实现放大信号的效果。
晶体管作为放大电路的基础组件，其结构与原理的设计无疑对电路性能和功能有着至关重要的影响。
不同的应用场景需要不同类型的晶体管，如MOSFET、JFET、BJT等。
MOSFET是一种金属-绝缘体-半导体场效应晶体管，在交变电源应用中非常常用，它具备高输入电阻、低噪声和线性放大等优点。
JFET是一种PN结场效应晶体管，适用于高电压、高频率和低噪声电路应用，因为JFET具有低频噪声表现更优异的特点。
薄膜晶体管的工作原理PPT课件
电子移动方向
Si
Si
Si
Si
外电场方向
第4页/共30页
6.1 TFT的半导体基础
➢n型半导体和p型半导体
多余价电子
价电子填补空位
空穴
空位
Si
SPi
Si
Si
SBBi
Si
SSi i
Si
Si
SSii
Si
Si
自由电子的数量大大增加 N 型半导体
空穴的数量大大增加 P 型半导体
第5页/共30页
6.1 TFT的半导体基础
6.3 薄膜晶体管的工作原理
➢TFT与MOSFET结构上的差别
栅
源
漏
p+
p+
n type Si
衬底
第19页/共30页
6.3 薄膜晶体管的工作原理 ➢非晶硅半导体材料的特点
3
1 24 1
非晶硅中有大量的缺陷（1.悬键；2.弱键；3.空位；4.微孔）
第20页/共30页
6.3 薄膜晶体管的工作原理
➢非晶硅半导体材料的特点
I DS
W L
Cox VGS
VTH VDS
VDS
2
2
当VDS很小时，漏源之间存在贯穿全沟道的导电的N型沟道。 当VDS增加时，栅极与漏极的电位差减少，在接近漏极处，沟道电荷 逐渐减少；
第24页/共30页
6.4 薄膜晶体管的直流特性
➢饱和区
z y
x
L
W
源
漏
半导体层
绝缘层
栅
当VDS=Vsat时，在漏极处沟道电荷为零，这时沟道开始夹断；
本章主要内容
6.1 薄膜晶体管的半导体基础 6.2 MOS场效应晶体管 6.3 薄膜晶体管的工作原理 6.4 薄膜晶体管的直流特性 6.5 薄膜晶体管的主要参数
第七章 MOS管模拟集成电路设计基础
2. 以多晶硅作为下极板的MOS电容器 以多晶硅作电容器下极板所构造的MOS电容器是无极性电
容器，如下图所示。这种电容器通常位于场区，多晶硅下极板 与衬底之间的寄生电容比较小。
（a）金属做上极板 （b）多晶硅做上极板 图7.2.3 多晶硅为下极板的MOS电容器结构
3.薄膜电容器 在某些电路中，需用较大的电容或对电容有某些特殊要求，
7.2 MOS模拟集成电路中的基本元器件
7.2.1 模拟集成电路中电阻器----无源电阻和有源电阻
1. 掺杂半导体电阻 (1)扩散电阻
所谓扩散电阻是指采用热扩散掺杂的方式构造而成的电阻。 这是最常用的电阻之一，工艺简单且兼容性好，缺点是精度稍 差。 (2)离子注入电阻
同样是掺杂工艺，由于离子注入工艺可以精确地控制掺杂 浓度和注入的深度，并且横向扩散小，因此，采用离子注入方 式形成的电阻的阻值容易控制，精度较高。
社，2004年5月（21世纪高等学校电子信息类教材）.
第七章 MOS管模拟集成电路设计基础 7.1 引言
1、采用数字系统实现模拟信号处理 现实世界中的各种信号量通常都是以模拟信号的形式出现
的，设计一个电路系统的基本要求，就是采集与实现系统功能 相关的模拟信号，按系统的功能要求对采集的信号进行处理， 并输出需要的信号（通常也是模拟量）。
1、电流偏置电路
在模拟集成电路中，电流偏置电路的基本形式是电流
镜。所谓的电流镜是由两个
或多个并联的相关电流
支路组成，各支路的电
流依据一定的器件比例
关系而成比例。
Hale Waihona Puke 1) NMOS基本电流镜NMOS基本电流镜
由两个NMOS晶体管组 成，如图7.3.1所示。
图7.3.1 NMOS基本电流镜
第07章-薄膜晶体管的结构与设计
常采用5次光刻： 1次光刻：栅线 2次光刻：有源岛 3次光刻：源漏电极 4次光刻：钝化及过孔 5次光刻：像素电极 13
7.2.2 采用4次光刻的工艺流程
光刻数
5次光刻
4次光刻
1 栅极
栅极
2 a-Si:H有源岛
a-Si:H有源岛、源漏电 极、n+a-Si沟道切断
3
源漏电极、n+a-Si沟道 切断
SiNx保护膜、过孔
第7章 薄膜晶体管的 结构及设计
2013年02月10日
本章主要内容
7.1 a-Si:H TFT结构概述 7.2 背沟道刻蚀结构的a-Si:H TFT 7.3 背沟道保护结构的a-Si:H TFT 7.4 其他结构的a-Si:H TFT 7.5 薄膜晶体管阵列的设计
2
7.1 a-Si:H TFT 结构概述
17
7.2.2 采用4次光刻的工艺流程
第2次光刻的工艺流程概括为：连续沉积薄膜→涂胶→多段式调整掩膜版曝 光→显影→湿法刻蚀→干法刻蚀及灰化→再湿刻、去胶、再干法刻蚀。
源极
沟道处
光刻胶 漏极
（a）再湿刻沟道处金属
源极
漏极 切断后n+a-Si a-Si:H 有源岛
（b）去胶及再干法刻蚀沟道切断 n+a-Si
Item PEP5 PEP4 PEP3
PEP2
PEP1
Sub-Item
ITO
ITO
PV
SiNx
Mo
M2
Al
Mo
N
n+a-Si
I
a-Si
G
SiNx
Mo M1
AlNd
Spec(Ǻ) 500 2500 450 2500 150 300 1500 3500 500 2700
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结构及设计
长春工业大学 王丽娟
2013年02月10日
平板显示技术基础，2013年，北京大学出版社
本章主要内容
7.1 a-Si:H TFT结构概述 7.2 背沟道刻蚀结构的a-Si:H TFT 7.3 背沟道保护结构的a-Si:H TFT 7.4 其他结构的a-Si:H TFT 7.5 薄膜晶体管阵列的设计
存储电容
AlNd/Mo膜厚 2000~3000Å
有源岛 SiNx绝缘膜
8
3PEP 信号线
源极
切断后的沟道 漏极
源极 漏极
信号线
顶Mo 500Å AL膜厚 3000Å 底Mo 300Å
n+a-Si膜厚 300Å a-Si膜厚 1500Å P-SiNx膜厚 2500Å
9
4PEP
P-SiNx钝化层
4 SiNx保护膜、过孔 5 ITO
ITO ——
6 ——
——
7 ——
——
4次光刻中第二次光刻的工艺流程
5次光刻的第二次有源岛、 第三次源漏电极、沟道切断
a-Si:H
n+a-Si
SiNx
4次光刻的第二次光刻有源岛 岛、源漏电极、沟道切断
源极
切断后的沟道 漏极
15
7.2.2 采用4次光刻的工艺流程
栅极 玻璃基板
MoW 1800A SiO 2000A SiO 2150A g-SiN 500A a-Si 500A i/s SiN 3000A n+a-Si 500A ITO 400A MoALMo 275/3500/500A P-SiN 2000A
21
a-Si:H TFT 阵列
就是在玻璃基板上有规则地整齐排列薄膜晶体管的工程。
2
7.2 背沟道刻蚀型 TFT的工艺流程
7.2.1 5PEP阵列工艺
PEP 1 栅极
Mo/AlNd
PEP 2 a-Si:H 岛 SiNx /α-Si/ n+-Si
PEP 3 源漏电极及沟道切断
Mo/Al/Mo;α-Si/ n+-Si
PEP 4 SiNx保护膜及过孔
PEP 5 ITO像素电极
22
1PEP 栅线等效电路
• 形成薄膜晶体管的栅极、 栅线及存储电容的金属层
Item PEP5 PEP4 PEP3
PEP2
PEP1
Sub-Item
ITO
ITO
PV
SiNx
Mo
M2
Al
Mo
N
n+a-Si
I
a-Si
G
SiNx
Mo M1
AlNd
Spec(Ǻ) 500 2500 450 2500 150 300 1500 3500 500 2700
12
TFT 的设计结构
TFT的设计结构有多种，矩形沟道、U型沟道等； 优化设计：1.采用U型沟道，提高了宽长比，即增 大了沟道宽度、减小了沟道长度； 2.采用I型存储电容，增大了存储电荷量，提高了开 口率。
（b）存储电容处ITO 接触电极ITO
（c）外引线处ITO
ITO膜厚 500Å P-SiN膜厚 2500Å 顶Mo 500Å AL膜厚 3000Å 底Mo 300Å
n+a-Si膜厚 300Å a-Si膜厚 1500Å SiN膜厚 3500Å AlNd/Mo 膜厚2000Å
11
7.2.1 背沟道a-Si:H TFT 的断面结构
5 ITO
——
ITO像素电极 过孔
6 ——
——
源漏电极、n+a-Si沟 道切断
7 ——
——
SiNx保护膜
7.3.1 采用7次光刻的工艺流程
1PEP GL 栅线 2PEP IS 阻挡层 3PEP AI 硅岛 4PEP PX ITO像素电极 5PEP TH 过孔 6PEP SL 源漏电极、n+a-Si沟道切断 7PEP PV SiNx钝化层
第一次光刻后栅极基板
源漏电极金属层 n+a-Si 欧姆接触层 a-Si:H 半导体层 SiNx 绝缘层
进行连续沉积4层薄膜： 氮化硅层 非晶硅层
掺磷的非晶硅层
GTM及HTM掩膜版
源漏电极金属层
涂胶
光刻胶
源漏电极金属 层
多段式调整掩膜版曝光
光刻胶分成三个区域： 曝光区； 半曝光区； 未曝光区
16
钝化层和过孔
信号金属上过孔
漏极上的孔
（a）TFT上过孔
P-SiNx膜厚 2500Å
栅极上过孔
（b）栅金属上过孔
栅金属上过孔
信号金属上过孔
钝化层 绝缘层
（c）TFT处平面图形
（d）短路环处过孔平面图形 10
5PEP 象素电极
像素电极ITO
像素电极ITO
（a）TFT处ITO
存储电容上电极ITO
（d）TFT处的平面图形
常采用5次光刻： 1次光刻：栅线 2次光刻：有源岛 3次光刻：源漏电极 4次光刻：钝化及过孔 5次光刻：像素电极 13
7.2.2 采用4次光刻的工艺流程
光刻数
5次光刻
4次光刻
1 栅极
栅极
2 a-Si:H有源岛
a-Si:H有源岛、源漏电 极、n+a-Si沟道切断
3
源漏电极、n+a-Si沟道 切断
SiNx保护膜、过孔
7.2.2 采用4次光刻的工艺流程
第2次光刻的工艺流程概括为：连续沉积薄膜→涂胶→多段式调整掩膜版曝 光→显影→湿法刻蚀→干法刻蚀及灰化→再湿刻、去胶、再干法刻蚀。
光刻胶 光刻胶
（a）显影形成了光刻胶图形
源漏电极
（b）湿刻源漏电极的金属层
n+a-Si 欧姆接触层 a-Si:H 有源岛
（c）干法刻蚀及灰化
5
7.2.1 背沟道a-Si:H TFT 的平面结构
6
7.2.1 背沟道a-Si:H TFT 的断面结构
C’处
存储电容 ITO像素电极
C处 信号线
C处和C’处断面
a-Si TFT 扫描线
7
1PEP 栅线
栅极
存储电容
栅线及栅极
2PEP
a-Si:H
a-Si岛
n+a-Si
SiNx
n+a-Si膜厚 300Å a-Si膜厚 1500Å SiNx膜厚ห้องสมุดไป่ตู้3500Å
18
7.3 背沟道保护型 TFT的工艺流程
7.3 采用7次光刻的工艺流程
光刻数
5次光刻
4次光刻
7次光刻
1 栅极
栅极
栅极
2 a-Si:H有源岛
a-Si:H有源岛、源漏 阻挡层 电极、n+a-Si沟道切断
3
源漏电极、n+a-Si 沟道切断
SiNx保护膜、过孔
a-Si:H有源岛
4 SiNx保护膜、过孔 ITO
17
7.2.2 采用4次光刻的工艺流程
第2次光刻的工艺流程概括为：连续沉积薄膜→涂胶→多段式调整掩膜版曝 光→显影→湿法刻蚀→干法刻蚀及灰化→再湿刻、去胶、再干法刻蚀。
源极
沟道处
光刻胶 漏极
（a）再湿刻沟道处金属
源极
漏极 切断后n+a-Si a-Si:H 有源岛
（b）去胶及再干法刻蚀沟道切断 n+a-Si