铟镓锌氧薄膜晶体管的快速脉冲I-V表征文献综述
2020-06-07 21:26:24
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1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写 2000字左右的文献综述： |
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文 献 综 述 在信息量迅速增长、传播媒体快速进步和多样化的社会里，人们对着显示屏的时间越来越长，因此显示器件的改善越来越受到人们的重视。显示器件作为人机交互的窗口，在信息技术高速发展时期得到了长足的进展，出现了一代又一代新产品[1]。 从最初的阴极射线管（Cathode Ray Tube, CRT ) 到现代的平板显示 ( Flat Panel Display, FPD)，各种显示技术百花齐放，如：等离子体显示器（Plasma Display Panel， PDP）、有源矩阵有机发光二极体面板（Active Matrix Organic Light Emitting Diode, AMOLED）、有机电致发光（Electro Luminescence，EL）、场发射（Field Emission Display, FED）和薄膜晶体管液晶显示器（Thin-film Transistor Liquid Crystal Display, TFT-LCD）等多种新型的显示技术和显示方式[2]。 而其中，无论是产能规模巨大的薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD），还是发展迅猛、潜力巨大的有源矩阵有机发光二极体面板（AMOLED）[3]，薄膜晶体管都在其中发挥着重要的作用。在TFT-LCD和AMOLED技术中，薄膜晶体管（TFT）是构成显示面板的核心微电子元件，其作用和地位等同于数字集成电路中的金属－氧化物－半导体场效应晶体管（MOSFET）。TFT的载流子迁移率、亚阈值摆幅、关态漏电流和串联电阻等器件级电学参数在很大程度上影响着平板显示器的开口率、显示分辨率、刷新率、灰阶响应速度、功耗和亮度等宏观性能指标[4]。因此，研究TFT在实际电路中的退化行为至关重要。 随着人们对显示器分辨率、对比度和亮度均匀性等性能要求的不断提高，显示器件的驱动方式经历了从无源选址驱动( PM: passive matrix)到有源选址驱动(AM: active matrix) 方式发展的过程。有源矩阵驱动也叫开关矩阵驱动，这种驱动方式是在显示面板的各像素配置TFT和信号存储电容。相比于无源矩阵驱动中连线复杂、易串扰、效率低和亮度低等缺点，有源矩阵驱动具有更高的分辨率、更好的亮度均匀性和对比度、更强的驱动能力和更高的效率等优点。薄膜晶体管在液晶显示器中的工作方式如图一所示。
图1 TFT-LCD像素单元电路示意图[5] 图1显示了以TFT为开关组件时的工作原理。在TFT-LCD像素单元中，TFT的栅极与扫描线相连，漏极与信号电极相连，信号存储电容两端电压控制液晶分子的扭转并决定像素的亮度。当像素刷新时，扫描电路通过扫描线逐行给各像素中的TFT栅极提供固定偏置电压使之导通，同时信号电极线上的电压已根据像素所需亮度设定好，此时信号电极线通过TFT漏极对信号存储电容进行充电，直到加在它们两端的电压与数据线上的电压相等。当扫描线上电压恢复零时，TFT关断，此时信号存储电容保持先前的电压，该电压施加于液晶单元上并激励其发光至下一帧扫描时为止[4,5,6]。 而对于OLED有源驱动方式，情况则略微有所不同。TFT在显示器的工作原理如图2显示。由于OLED是电流型器件，需要持续的电流驱动才能保持发光，且信号线只在刷新过程中供电，因此需要为其提供单独的电源，而不能将信号电极线作为驱动源。此外，该驱动电路就需要两个晶体管控制输出电流，其中开关晶体管T1控制像素单元的开或关，驱动晶体管T2与电压源连接，从而为OLED提供恒定电流。同时电路中还需要一个信号存储电容C1来存储数据信号即固定电压，这样当该像素单元的扫描脉冲信号结束后，C1仍能保持T2栅极电压。因此当像素刷新时，扫描线使T1导通，信号电极线对信号存储电容C1充电并对T2栅极施加固定偏置电压，同时电压源为漏极提供固定电压，此时T2输出一个确定的漏电流，使OLED达到所需的亮度，该栅极电压、漏极电压与漏电流符合T2的转移特性。因此，只要事先确定所需亮度、电源电压和T2的转移特性，就可确定OLED所需的驱动电流值和相应的信号电极线上的电压[7]。 |
图2 TFT-OLED像素单元电路示意图[7]
可以看到，这些处于电路中的 TFT不仅受到电压脉冲的影响，同时还要受到光照影响。因此研究TFT在这些情况下的可靠性对于产品使用者和设计者就显得非常重要，这也是本文研究 a-IGZO TFT 在此种应力下的退化的原因。随着高世代平板显示技术的发展，以及高性能显示器的技术需要，TFT 技术也将从传统的非晶硅 TFT (α-Si TFT)向低温多晶硅 TFT(LTPS-TFT) 和氧化物TFT技术演进。结合平板显示的现状和发展趋势，可归纳出如下的几个主流的技术方向：
（1）a-Si:H TFT 技术。它有低温工艺、大面积均匀性、高电流开关比、易实现高集成度[4]、低成本和低泄漏电流的优点，但其缺点同样也很明显，和单晶硅材料不同，其载流子迁移率lt;1 ，不能满足电路驱动，特别是高清显示驱动的电路速度要求；也不能适应 OLED 等电流驱动显示器；同时，由于依赖于氢的钝化作用，而 Si-H 的键能较低，器件的电学性能不稳定，不能适应电路工作的要求[8]。此外，非晶硅的带隙较小(1.12~1.38 e V)，属于光敏材料，光稳定性较差[4]。
（2）低温多晶硅（Low Temperature Poly-Si, LTPS）TFT。与 a-Si:H 相比，多晶硅 TFT 的载流子迁移率高两个数量级，若使器件输出同样的驱动电流，TFT 尺寸可以小两个量级[4]，因此在显示器中，利用多晶硅可以使用尺寸较小的TFT驱动较大的像素电容，从而提高开口率，实现显示器件的高亮度和低功耗[4]。同时，基于高迁移率的多晶硅 TFT，减小电路总的RC延迟，从而提高刷新率和分辨率[4]。更重要的是，基于高迁移率的多晶硅 TFT，可以同时制备有源矩阵和周边驱动电路，实现完整显示系统集成于同一显示基板(System On Panel，SOP)。在SOP中，原有周边器件的板级组装和互连被极大的减少，实现低成本和轻薄化，显著提升了系统性能[8]。但多晶硅的制备工艺较为复杂，成本较高，同时由于其晶界的存在，器件的均匀性较差，一定程度上制约了其应用[9]。
氧化物 TFT：以 a-IGZO为代表的氧化物 TFT 属于透明导电氧化物半导体材料，它有以下明显优势：（a）为非晶材料，具有较好的均匀性；（b）迁移率高于非晶硅，可满足高清显示、OLED 和 SOP 应用的要求；（c）属于宽禁带半导体材料，因此可见光照射对器件性能的影响较小，同时可以制备全透明的新型平板显示器件。（d）薄膜的淀积温度可低至室温-200#176;C 范围，显示基板可以采用成本低廉的材料如玻璃甚至塑料等柔性材质等，满足柔性显示的要求[8]；（5）泄漏电流低、电流的开/关比高[10]。表1从多方面对比了氧化物TFT技术与a-Si:H和LTPS TFT技术。
表1 基于不同有源材料的TFT特性对比[11,12]
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TFT性能 |
a-Si:H |
Poly-Si |
IGZO |
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迁移率(cm^2/Vs) |
＜1 |
50-200 |
5-30 |
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亚阈值摆幅（V/dec） |
0.4-0.5 |
0.2-0.3 |
0.1-0.6 |
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关态漏电流（A） |
gt;10^-12 |
gt;10^-12 |
gt;10^-13 |
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面板像素 |
约200ppi |
300ppi以上 |
300ppi以下 |
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制备温度（℃） |
150-350 |
300-550 |
室温-400 |
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成本 |
低 |
高 |
适中 |
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均匀性 |
好 |
差 |
好 |
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衬底 |
玻璃 |
玻璃 |
玻璃、塑料 |
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可靠性 |
较低 |
较高 |
较高 |
综合来看，a-IGZO 的器件性能几乎满足了所有下一代新型平板显示的要求。目前，世界顶级液晶显示器生产商，如LG、三星、夏普等已经开展了对a-IGZO TFT的研究，并初步应用到了实际的生产中[13]。夏普首款使用IGZO屏幕的32英寸显示器PN-K321在2012年CES上亮相，这款显示器采用4K分辨率，如图三所示。在2013年CES展上，大量采用IGZO-TFT技术的显示产品也被推出。其中包括三星85英寸4K#215;2K超大液晶电视、夏普85英寸8K分辨率液晶电视、友达光电65英寸4K#215;2K电视。在中国大陆地区，IGZO-TFT技术也被广泛关注。2012年3月，京东方研发成功了首块a-IGZO TFT液晶屏，这是一块达到高清(HD)分辨率的18.5英寸液晶显示屏。在CES 2017上中电熊猫推出了全球首台98英寸8K超高清IGZO面板电视 ”天境”(Heaven View)，如图四所示[14]。
图三 IGZO TFT显示屏 图四 98寸IGZO 8K电视
非晶IGZO薄膜晶体管预期将被下一代显示产业所采用，而其中最大的挑战就是提高可靠性和改善不稳定性。因此研究其在电应力下的退化行为至关重要。本文将讨论关于非晶IGZO薄膜晶体管的稳定性问题，包括栅极偏压稳定性，热载流子效应、自热效应和光致不稳定性等问题[15]。
参考文献：
[1]余理富, 汤晓安, 刘雨. 信息显示技术[M]. 电子工业出版社, 2004.
[2]现代显示技术发展与展望_魏文君
[3]陈向真. 平板显示技术现状和发展趋势[J]. 光电子技术, 2008, 28(1):1-6.
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[5]周大鹏. 非晶硅薄膜晶体管在栅漏电应力下的退化研究[D].苏州大学,2011.
[6]苍凯. a-InZnO-TFTs的器件制备、性能和稳定性研究[D]. 南京理工大学, 2013.
[7]朱臻. 多晶硅薄膜晶体管器件模型研究[D]. 华东师范大学, 2011.
[8]王槐生. 薄膜晶体管器件在动态应力下的退化研究[D].苏州大学,2016.
[9]黄晓明. 非晶铟镓锌氧基薄膜晶体管的输运及界面特性研究[D]. 南京大学, 2013.
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[11]周大祥. 非晶铟镓锌氧薄膜晶体管光照稳定性的研究[D].上海交通大学,2015.
[12]张杰. 氧化物半导体薄膜晶体管的若干研究[D].浙江大学,2014.
[13]王雪霞. a-IGZO TFT制备工艺和性能的研究[D]. 山东大学, 2014.
[14]王莉红, 覃正才. IGZO-TFT技术:未来大尺寸平板显示应用发展的助推器[J]. 集成电路应用, 2013(5):18-20.
[15]Hsieh T Y, Chang T C, Chen T C, et al. Review of present reliability challenges in amorphous In-Ga-Zn-O thin film transistors[J]. ECS Journal of Solid State Science and Technology, 2014, 3(9): Q3058-Q3070.
