p型薄膜晶体管(TFT)的研究进展

    张世亮 翟荣丽

    

    

    

    摘 ?要：薄膜晶体管（TFT）作为平板显示领域的核心技术之一，在电子信息产业中发挥了重要作用。近年来，氧化物薄膜晶体管发展迅速，高迁移率、高可见光透过率以及低温加工工艺等优势使其在柔性显示领域占据重要地位。目前关于氧化物TFT的文章报道大部分是n型TFT，为进一步提高集成电路的性能，需要制造有稳定性能的p型TFT。文章对比了4种TFT器件结构的组成、工作原理以及其在显示器领域中的应用，重点阐述了自1997年起p型TFT的研究进展，包括其制备方法、制备原材料以及得到的TFT的相关性能等;最后详细介绍了制备p型TFT的半导体材料和其新型应用领域，表明p型TFT在显示领域中具有重要应用前景。

    关键词：薄膜晶体管;p型;金属氧化物;铜铁矿;半导体材料

    中图分类号：TB34 文献标识码：A

    DOI：10.19881/j.cnki.1006-3676.2020.12.09

    Abstract：As one of the leading technology in the field of flat panel display，thin-film transistor （TFT） plays an important role in the electronic information industry. In recent years，oxide-based thin-film transistors have developed rapidly，the advantages of high mobility，high transmittance in visible light，and low-temperature fabrication processes make them important in the field of flexible displays. Most of the current reports on oxide TFTs are n-type TFTs，to further improve the performance of integrated circuits，it is necessary to manufacture p-type TFTs with stable performance. Based on the relevant theory of TFT，this paper discusses the four device structures，working principle and the major applications of TFT in the field of displays，then，through in-depth understanding of p-type TFT，the research progress of p-type TFT since 1997，including its preparation method，preparation raw materials，and related parameters of the obtained TFT，etc.，were reviewed;finally， the semiconductor materials for the preparation of p-type TFTs and their new application fields are also described in detail，indicating that p-type TFTs have made significant contributions in the field of display.

    Key words：Thin film transistor;p-type;Metal oxide;Delafossite;Semiconductor

    1947年，第一枚场效应晶体管（FET）在美国的贝尔实验室诞生。随后，人们在此基础上制备了薄膜晶体管（TFT）。TFT因其具有高分辨率、高光学透过率、高色彩饱和度、轻质量以及可用于集成电路等优良特性，在显示领域受到广泛关注，在电子信息产业的发展过程中起到了举足轻重的作用。

    随着显示器不断向柔性、全透明以及低功耗等方面的发展，其应用领域逐漸多元。研究人员需要不断提高TFT的性能以实现突破与创新。目前，硅基TFT越来越无法满足庞大的电子市场需求，具有高迁移率和高光学透过率的氧化物TFT逐渐引起人们的关注，并在柔性显示等热门领域发挥了重要作用。

    目前，性能稳定的氧化物TFT多由n型透明导电材料如ZnO、SnO2、In2O3、IGZO、IGO等制备，其场效应迁移率μ可达90cm2/（V·s）。相较而言，基于p型透明导电材料的TFT研究进展缓慢。p型TFT的缺失限制了互补电路、全透明显示器和柔性电子器件的发展。因此，研究并制备具有优良性能的p型TFT意义重大。

    一、薄膜晶体管

    （一）TFT的应用

    基于TFT制造的显示器可以分为薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD）和有机发光二极管（OLED）显示器。其中，TFT-LCD通过薄膜晶体管技术来改变影像的质量，将精细加工技术从小面积单晶扩展到大面积玻璃基板上，最终形成大规模的全集成电路。该技术将液晶显示与微电子巧妙地结合在一起，在液晶显示器中被广泛应用。TFT-LCD被广泛应用于电视、平板显示器、监视器、投影仪和智能手机等领域。

    OLED技术是把有机聚合材料作为半导体材料应用在发光二极管中，广泛应用于照明与显示领域。OLED具有自发光的特性，在外电场的驱动下，载流子会发生注入和复合过程，OLED通过此过程使有机材料发光。OLED显示器相比TFT-LCD显示器，其轻薄度更好、亮度更高、柔性更好、应用领域更广泛，可延伸到交通、商业及医用等领域，应用于ATM机、VR设备、GPS、飞机仪表以及手术屏幕等设备。

    TFT还广泛应用于柔性显示等领域。由于柔性显示器具备体积小便于携带、低功耗、可弯曲、显示方式多样的特点，可进一步广泛应用于便携式电子设备领域。

    （二）TFT结构及性能参数

    薄膜晶体管由源极、漏极、栅极三个电极以及有源层和绝缘层组成。TFT是受电压控制的器件，它通过调节栅极电压的大小来改变源极和漏极之间的沟道电阻，进一步控制源漏极之间的电流大小。根据栅极所在位置，可将器件划分为顶栅结构（top-gated）和底栅结构（bottom-gated），根据有源层和源漏电极的相关位置，可进一步划分为顶接触型（top-contact）和底接触型（bottom-contact），其结构如图1所示：

    TFT的主要性能参数包括以下三点：

    1.场效应迁移率μ

    在外加电场的作用下，晶体管内部的载流子定向运动形成电流。场效应迁移率描述载流子的输运速度，用公式可表示为：

    μ=v/E（eq.1）

    其中v表示载流子的平均漂移速度，E为外加电场强度。μ体现了半导体器件的电导率，进一步决定TFT的开关响应速度。迁移率越大，即单位电场下载流子的平均漂移速度越快，器件的电导率越大，同时器件的电阻率越小。因此，当通过同样大小的电流时，迁移率越大，器件的功耗就会越小，TFT的响应速度越快。

    2.开关电流比ION/IOFF

    源漏电压保持不变时，器件处于开态和关态时流经沟道的电流的比值即开关电流比，表示为ION/IOFF。开关比决定器件的亮暗对比度，ION/IOFF越高，亮暗对比越明显。一般情况下，逻辑电路中器件的开关比要高于106。开态电流与显示信号的写入速度有关，其会影响图像信号的显示。开态电流越大，写入信号的速度越快，同时显示越好。关态电流与信号的保持时间有关，影响器件的功耗大小。关态电流越小，信号的保持时间越长，同时器件的功耗越小。

    3.阈值电压VTH

    薄膜晶体管由截止状态转为导通状态时对应的栅极电压大小即阈值电压VTH。通常薄膜晶体管绝缘层的介电常数越大，VTH越小。对于增强型和耗尽型晶体管，其区别如表1所示。

    （三）TFT工作原理

    栅极电压为正时，绝缘层中会产生电场，此电场以栅极为正极，半导体薄膜为负极，同时绝缘层表面会产生感应电荷。随栅极电压VGS不断增加，半导体薄膜层将不断积聚电子，当VGS达到VTH时，在源漏极间加上电压VDS，就会有载流子经过。根据漏电流ID随VDS的曲线变化情况，可以将工作区域分为三个区域（对应曲线如图2所示）。

    线性区：当VDS很小时，导电沟道可以看作恒定电阻，漏电流随VDS的增大而线性增大，ID-VDS曲线为斜率大于零的直线。

    夹断：VDS不断增大，会影响VGS的变化，从而导致绝缘层中的电场逐渐减弱，沟道电阻不断增大，ID增加逐渐变缓，此时开始向饱和区过渡，对应的ID-VDS曲线斜率不断减小。

    饱和区：当VDS继续增加，ID将不再随VDS的增大而增大，器件进入饱和区，对应的ID-VDS曲线斜率趋于零。

    二、p型TFT研究进展

    （一）p型薄膜晶体管国内外研究现状

    p型半导体材料种类不多，主要可分为四大类。笔者主要以金属铜的相关氧化物为例，回顾了2008—2018年来p型TFT的研究歷程，将各研究团队所采用的制备方法、使用的衬底以及得到的薄膜的场效应迁移率与开关比列总结为表2。

    2008年，Matsuzaki.K[1]等首次报道了基于p型Cu2O薄膜的TFT。Cu2O是立方晶体结构，它的空穴迁移率高于100cm2/（V·s），直接带隙为2.17eV，这些特性使其在实现高迁移率p型TFT方面极具吸引力。Matsuzaki.K利用脉冲激光沉积外延Cu2O薄膜，并使用外延Cu2O沟道制造了顶栅MIS-TFT，其场效应迁移率μ为0.26cm2/（V·s），开关比为6。尽管器件的各种有效参数不够理想，但对p型TFT的发展起到了良好的开端作用。

    2009年，L.Liao等[2]报告了一篇基于CuO纳米线（CuO NM）的p型TFT的文章。CuO带隙约为1.36eV，在许多领域有潜在应用。他们将Cu箔用作CuO NM的生长基质，在500℃下烘烤得到CuO NM，再将CuO NM溶解，滴于SiO2/Si衬底上，最后通过UV光刻和CuO制造100nm厚的Au电极，得到了p型TFT。μ为2～5cm2/（V·s），开关比为100。这项研究为基于半导体纳米线的高性能p型薄膜器件的应用提供了可大规模制造的工艺。

    2010年，Zou[3]报道了一种利用PLD法制备的顶栅结构p沟道Cu2O薄膜晶体管。在纯氧中以0.6 Pa的氧分压，在100nm厚的p型SiO2/Si衬底上沉积CuxO薄膜。为制造CuxO-TFT，首先要通过射频磁控溅射（RFMS）在CuxO膜上沉积Pt膜，再通过PLD在CuxO表面上制备HfON介电层，并将Pt沉积在HfON上，最后制备出顶栅TFT，μ为4.3cm2/（V·s），开关比高达3×106。

    2012年，Yao[4]采用磁控溅射法制备了p型Cu2O薄膜晶体管。在SiO2/n-Si和掺Sn的In2O3（ITO）透明玻璃衬底上，在不进行后退火的情况下，成功地在室温下制备出具有良好P型半导体特性的纳米晶Cu2O薄膜，并在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基板上制造了p沟道Cu2O-TFT，μ为2.4cm2/（V·s），开关比为3.96×104。

    2013年，Jawhari[5]报道了一种利用磁控溅射法制备的透明p型Cu2O/SnO双层TFT。低温条件下，在镀有150nm铟锡氧化物（ITO）栅电极的玻璃上，沉积220nm铝氧化钛（ATO）电介质，并以Cu2O代替SiO2作为SnO薄膜晶体管的覆盖层，制备出Cu2O/SnO叠层，最后得到具有可调器件性能的透明双层晶体管。μ为0.66cm2/（V·s），开关比为1.5×102。

    2013年以前，p型薄膜的制备方法均为磁控溅射、PLD以及外延生长等的物理沉积法，得到的TFT大部分存在场效应迁移率低的缺点。溶液法制备成本低、产量高，因此研究人员尝试采用溶液法，并不断改进物理沉积工艺，以制备高性能的p型TFT。

    2013年，Kim[6]等第一次采用溶胶凝胶法制备了具有p型特性的Cu2O-TFT。该实验引入两步退火工艺，将CuxO薄膜涂覆在热氧化的SiO2表面并进行烘烤，再放置在N2中并在400℃下退火，CuxO被还原为Cu。之后将Cu膜放置在O2氛围中，通过控制氧分压，在700℃下再次退火，最终得到Cu2O-TFT。最后得出，通过固溶工艺制备的TFT的最大场效应迁移率μ为0.16cm2/（V·s），开关比为102。

    2015年，Yu[7]等采用溶液法，在SiO2/Si衬底上制备了CuXO薄膜。他们在400～700℃下处理涂覆的CuxO凝胶膜，随温度升高，所制造的TFT电性能不断改善。在600℃下退火的CuXO-TFT具有最佳的电学性能，场效应迁移率μ为0.29cm2/（V·s），开关比为1.6×104，阈值电压低至-3.2V。若退火温度继续升高，TFT的电学性能会急剧下降，这表明通过一步真空退火技术获得的固溶处理CuxO-TFT可用于高性能p型电子器件，这一发现对进一步发展低成本CMOS产品非常重要。

    2018年，Nie[8]等人采用溶胶凝胶法，将CuCrxOy前体溶液旋涂在SiO2/Si衬底上，并将凝胶膜在400℃的空气中退火2小时，再将样品在N2环境中于500～900℃温度范围内的炉中退火2小时，最后利用热蒸发法在CuCrxOy沟道层上制备得到Ni电极。在800℃下退火得到的CuCrO2-TFT，空穴迁移率为0.59cm2/（V·s），开关比为105。

    （二）p型半导体材料的分类

    获得良好性能的p型TFT，首先必须获得具有良好光电性能的p型光电材料。这也是限制p型TFT发展的关键。目前，被广泛研究的p型光电材料主要分为以下4类。

    1.p型掺杂的普通氧化物

    常见的p型薄膜半导体材料主要是掺杂的主族化合物，其中被研究较多的是ZnO[9]材料。ZnO是一种直接带隙半导体，室温下Eg可达3.37eV，属于六方晶体结构，在紫外、光电、热电、压电转换及太阳能电池等领域都具有广阔的应用前景。目前，研究人员可以通过掺杂N、P、As等V族元素受主杂质来实现ZnO薄膜的p型掺杂。但由于ZnO材料本身存在许多本征施主缺陷，会对受主产生高度的自补偿效应，因此，近年来研究人员开始使用活性施主和受主共掺杂的技术，以使制备的p型TFT性能更加稳定。

    2.p型铜铁矿系氧化物CuMO2

    1997年，Kawazoe等成功使用PLD制备了一种新型的p型薄膜材料CuAlO2（CAO）[10]。CAO属于铜铁矿结构，是宽禁带半导体材料，室温下带隙可达3.5eV，其薄膜材料在可见光范围内具有很高的透过率。目前研究的铜铁矿系材料还包括CuGaO2、CulnO2、CuAlO2、CuScO2等，制备工艺包括PLD、溅射、溶液法以及MOCVD等。

    3.p型SnO金属氧化物

    2008年，Yoichi Ogo[11]等发表了一篇关于外延生長法制备的SnO薄膜的文章，证明了SnO材料的本征p型导电性质。SnO[12]是一种双极性半导体，禁带宽度可达4.2eV，可作为沟道层应用在薄膜晶体管中。作为金属氧化物半导体，SnO具有特殊的能带结构，它的O2p能级与Sn5s能级比较接近，轨道杂化的情况容易发生，这样，离子键对电子难以发生局域化作用，使得SnO表现出本征p型导电特性。SnO薄膜具有高可见光透过率、低电阻率等特点，性能比较稳定，也是制备p型TFT的理想材料。

    4.p型NiO金属氧化物

    NiO是一种宽禁带直接带隙半导体材料，Eg为3.6-4.0eV。NiO[13]属于立方晶体结构，晶格常数a=0.4195nm。近年来，NiO凭借其高稳定性、高透过率、低成本、无污染以及良好的电学性质，被广泛应用于传感器、电致变色以及太阳能光电器件等领域。

    （三）p型氧化物TFT的典型应用

    1.互补电路

    早期研究阶段，p型导电薄膜同n型透明导电薄膜一样，可应用于AMOLED、AMLCD、太阳能光电器件、电热材料等领域。研究工艺逐渐成熟以后，可将p型透明导电薄膜与p型掺杂薄膜形成欧姆接触，优化器件的光电性质。此外，低温工艺以及良好的电性能将有助于p型薄膜与n型薄膜结合成p-n结，集成于互补金属氧化物半导体（CMOS）电路中，进一步可用于更加灵活、低成本的集成电路。

    2.全透明逻辑电路

    通过合适的制备工艺，利用宽禁带半导体材料可实现全透明TFT[14]。大部分的金属氧化物属于宽禁带半导体材料，可将p型与n型透明导电薄膜结合制成透明p-n结，进一步制备紫外发光二极管、紫外激光器、透明全波整流器等，应用于低功耗高性能的透明电子器件领域。透明晶体管可以提高 液晶显示器的显示质量，并可以附加一系列新功能，使图像信息传递更完美。此外，透明晶体管可以应用在眼镜镜片、窗户以及汽车挡风玻璃上，通过显示视频画面拓展应用场景。总而言之，透明p-n结开启了一个崭新的全透明电子时代，对透明TFT、透明场效应晶体管以及透明集成电路的研究具有重要意义。

    3.柔性电子器件

    柔性电子器件是在柔性基板上制作有机/无机材料电子器件的技术，广泛应用于显示与照明、生物传感器、柔性光伏以及可穿戴设备等领域。柔性材料衬底不耐高温，增加了器件的加工难度。而氧化物TFT的制造工艺可在低温下完成，兼容柔性电子器件的制造工艺。因此，具有高迁移率、高光透过率的p型金属氧化物TFT在柔性电子器件领域受到极大关注。

    三、结论

    笔者详细阐述了TFT的应用背景、工作原理以及重要领域。TFT因其出色的性能而被广泛应用于显示器件，为平板显示器提高像素密度和迁移率。金属氧化物薄膜晶体管具有较高的载流子迁移率以及高光学透过率，可以在低温条件下大规模制备，是当前应用前景最广泛的TFT之一。笔者简述了p型TFT近年来的国内外发展状况，详细介绍了适于制备p型TFT的半导体材料以及它们的应用领域。p型金属氧化物半导体材料在平板显示、太阳能电池、发光器件、透明显示以及柔性等领域有巨大的应用潜在优势。但是目前关于p型透明导电氧化物薄膜晶体管，不管是在材料制备工艺还是器件研究方面，都还处在基础研究阶段。因此，对于p型半导体材料的发掘、器件的制备工艺以及光电学性质的优化方面都有待科学进一步的研究，亟待研究者去探索。

    参考文献：

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    [3] Zou. X，Fang. G. J，Yuan. L. Y，et al. Top-Gate Low-Threshold Voltage p-Cu2O Thin-Film Transistor Grown on SiO2/Si Substrate Using a High-k HfON Gate Dielectric[J]. IEEE Electron Device Letters，2010，31（08）：827–829.

    [4] Yao. Z. Q，Liu. S. L，Zhang. L，et al. Room temperature fabrication of p-channel Cu2O thin-film transistors on flexible polyethylene terephthalate substrates[J]. Applied Physics. Letters. 2012，101（04）：42-114.

    [5] Jawhari. H. A. A， Frescas. J. A. C，Hedhili. M. N，et al. P-Type Cu2O/SnO Bilayer Thin Film Transistors Processed at Low Temperatures[J]. ACS Appl. Mater. Interfaces，2013，5（19）：9615–9619.

    [6] Kim. S. Y， Ahn. C. H， Lee. J. H， et al. p-Channel Oxide Thin Film Transistors Using Solution-Processed Copper Oxide[J]. ACS Appl. Mater. Interfaces，2013，5（07），2417–2421.

    [7] Yu J， Liu G， Liu A， et al.Solution-processed p-type copper oxide thin-film transistors fabricated by using a one-step vacuum annealing technique[J].Journal of Materials Chemistry C，2015，3（37）：9509-9513.

    [8] Nie S， Liu A， Meng Y， et al. Solution-processed ternary p-type CuCrO2 semiconductor thin films and their application in transistors[J]. Journal of Materials Chemistry C，2018，6（06）：1393-1398.

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    [10] Kawazoe H，Yasukawa M，Hyodo H，et al. P-type Electrical Conduction in Transparent Thin Films of CuAlO2[J].Nature，1997（389）：939-942.

    [11] Ogo Y ，Hiramatsu H ，Nomura K，et al. p-channel thin-film transistor using p-type oxide semiconductor， SnO[J]. Applied Physics Letters，2008，93（03）：32113-0.

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    [13] 余建敏. p型氧化物薄膜及晶体管的制备与性能研究[D].青岛：青岛大学，2016.

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