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薄膜晶体管（thin film transistor, TFT）是平板显示的核心器件，不论AMLCD显示还是AMOLED显示，其每一个像素都依赖TFT进行开关和驱动。图1所示为底栅结构TFT器件的截面示意图，其中根据TFT有源层半导体材料的不同，当前主流的TFT技术可分为氢化非晶硅（a-Si:H）TFT、低温多晶硅（low -temperature poly-Si, LTPS）TFT和非晶氧化物（AOS）TFT。其中，a-Si:H TFT和poly-Si TFT已经在平板显示面板工艺中实现了大面积产业化。然而，a-Si:H TFT较低的迁移率（<1cm2/Vs）不能满足下一代平板显示的驱动要求，而poly-Si TFT较差的大面积均匀性使其主要面向小尺寸显示的应用中。另一方面，氧化物TFT以其迁移率较高（几~几十cm2/Vs）、大面积均匀性较好、制备工艺温度较低等诸多优势被认为最有可能应用于下一代平板显示中。然而，在氧化物TFT实现应用的过程中面临着重  图1 底栅交错结构TFT器件截面示意图 1、高迁移率氧化物半导体材料的开发 近年来，在消费者更好的观看体验要求的驱动下，对显示器画质的要求越来越高。对显示器而言，分辨率和帧频是其主要参数，其中分辨率代表显示器像素的多少，帧频则表示显示器在每一秒内显示的图像的数量。显然，高分辨率、高帧频下更易获得更好的观看体验。图2(a)所示为分辨率为1024×768的AMLCD像素示意图，以行扫描方式为例，在每一帧内某一行像素的选通阶段内，TFT器件需对像素电容完成充电。因此，随着分辨率的提高，选通时间减少，这就要求TFT能提供更大的驱动电流以完成对电容的充电。同样，随着帧频的提高，对TFT的电流驱动能力要求也越来越高。迁移率是衡量TFT电流驱动能力的关键参数，不同分辨率和帧频下各TFT技术可满足显示要求的情况如图2(b)所示。目前以非晶铟镓锌氧（a-IGZO）为代表的主流金属氧化物TFT迁移率（一般< 30cm2/Vs）虽然可以满足4K×2K等高清显示器的要求，但是随着分辨率和帧频的不断提高，更高迁移率（> 30cm2/Vs）的新型氧化物半导体材料的开发将成为必须。   图2 (a) 分辨率为1024×768的AM显示像素示意图，(b) 不同分辨率和帧频下各TFT技术可满足显示要求的情况[J. Y. Kwon et al., Semicond. Sci. Technol., 30, 024002(2015)] 2、器件制备工艺的优化 氧化物TFT通常采用底栅交错结构（如图1所示），具体的制备工艺又可分为背沟道刻蚀工艺（BCE）和刻蚀阻挡层工艺（ESL），如图3所示。其中，BCE工艺通过直接刻蚀源/漏导电薄膜图形化形成源/漏电极，研究发现不论采用干法刻蚀还是湿法刻蚀，源/漏直接图形化过程中的过刻蚀步骤将会对氧化物半导体有源层带来影响，进而造成器件特性变差。而ESL工艺则通过在有源层之上淀积刻蚀阻挡层使得有源层不受源/漏图形化所带来的影响，因此易得到较好的器件特性。但是刻蚀阻挡层的淀积和图形化将增加器件制备工艺的复杂度，此外对准误差的考虑还使得ESL工艺制备的器件沟道长度无法很短，同时栅电极和源/漏电极之间较大的交叠量将引入较大的寄生电容因而限制器件在高速电路中的应用。近年来，BCE工艺以其工艺更简单以及在scaling down方面的优势受到了较多的关注，但是如何优化源/漏刻蚀工艺以减小过刻蚀对器件特性带来的不利影响成为了其研究重点。此外，如何优化钝化层制备工艺以减小钝化层的淀积给器件带来的不利影响同样是关注点，例如采用PECVD生长二氧化硅钝化层时可能会在有源层中引入过量的氢导致器件无法获得正常关断特性等。另一方面，为了进一步简化工艺同时减小寄生电容，顶栅自对准工艺作为氧化物TFT制备的另一种选择方案同样受到了关注。  图3 底栅交错结构TFT示意图：（a）BCE型，（b）ESL型 3、电学应力下高稳定性的要求 电学应力下器件的稳定性是氧化物TFT在实际应用中必须考虑的问题。TFT为典型的场效应晶体管（field effect transistor, FET），其栅极的电压控制着器件的开启与关断，在开启时，源极和漏极之间的压差决定流经有源层的电流。图4所示为AMLCD和AMOLED显示像素驱动电路的示意图，每一个像素的开关和驱动由TFT控制。对于AMLCD显示而言，在选通阶段，开关管TFT开启进而对液晶电容充电以控制液晶分子的扭转或旋转从而实现显示；对于AMOLED显示而言，在选通阶段，开关管开启从而对CS充电，CS上的电压大小直接决定了驱动管的电流大小，从而通过电流驱动OLED发光。由于氧化物TFT为n型器件，因此在实际应用中开启阶段时栅极处于正电压偏置状态，关断阶段时栅压处于负偏置状态。为了提高显示器的使用寿命，要求氧化物TFT器件在正栅压偏置和负栅压偏置下拥有稳定的电学特性以避免电学特性的退化导致显示器的失效。研究中发现在长时间正栅压应力（positive gate bias stress, PBS）下氧化物TFT器件转移特性将发生退化，即正向漂移，如图5所示；另一方面，在长时间负栅压应力（negative gate bias stress, NBS）下，器件转移特性很稳定。此外，当有电流通过有源层时，电流的自加热效应以及大的源/漏电压下产生的热载流子效应同样会造成器件特性的退化。因此，如何提高氧化物TFT器件在电学应力下的稳定性成为了学术界和产业界共同关注的研究热点。  图4 TFT像素电路示意图（a）TFT-LCD（b）TFT-OLED  图5 a-IGZO TFT在PBS下转移特性随应力时间变化情况（本实验室提供） 4、面向透明显示的挑战：光照的影响 氧化物TFT的有源层氧化物半导体为宽禁带材料，可见光透过率较高，因此当采用透明导电材料作为栅、源、漏电极材料时可以制备近乎透明的TFT器件从而应用与新型的透明显示。图6所示为京东方在2015年深圳高交会上展示的集透明显示和触屏功能的新型显示器。研究中发现，虽然氧化物半导体对可见光透过率较高，但是在关照条件下氧化物TFT器件特性将发生退化，如图7(a)所示。此外，在光照时NBS下器件转移特性将发生明显的负向漂移，如图7(b)所示。其中，光照时NBS下（即negative gate bias illumination stress, NBIS）器件特性的不稳定性受到了极大的关注，如何提高NBIS下器件稳定性成为了研究难点。其实，在传统显示器的应用中，光照对器件的影响同样需要考虑，因此为了避免光照的影响需要在制备过程中增加遮光层，而遮光层的引入不仅会提高工艺成本，还会影响显示面板的开口率，从而影响亮度。但是当氧化物TFT面向透明显示的应用时，NBIS下的氧化物TFT不稳定性可能造成的显示器失效的问题将成无法避开的阻碍。   图7 (a)不同光子能量的光光照下转移特性的变化，(b) NBIS下转移特性随应力时间的变化[K. Nomura et al., J. SID, 18, 789(2010)] 5、面向柔性显示的挑战：机械弯曲的影响 氧化物TFT制备工艺温度低的特点使其可采用不耐高温的柔性材料作为衬底，与传统显示中采用刚性的玻璃衬底相比，采用柔性衬底可以实现新型的柔性显示，具有可卷曲、重量轻等优势。图8所示为LG公司在SID2015上展示的18.8英寸的柔性OLED显示器。对柔性显示而言，由于氧化物TFT可能工作于衬底弯曲的状态下，因此要求器件特性在衬底弯曲状态下不发生退化以保证显示器的正常工作。此外，为了应用与柔性透明显示，光照和弯曲应力下器件特性的退化同样需要关注。已有工作中发现a-IGZO TFT在受到一定的压应力和拉应力时器件特性可能发生退化，而这种退化在光照时将变得更严重。需要指出的是，已有工作中发现柔性的a-IGZO TFT在衬底弯曲至曲率半径为10mm时器件特性仍然未发生明显退化。图9所示为本小组所制备的柔性a-IGZO TFT在曲率半径为12mm时（a）转移特性和（b）器件参数随弯曲次数的变化情况。从图中可以看到，在经过1200次弯曲之后，器件特性未发生明显的退化，证实了a-IGZO作为柔性显示中TFT沟道材料的可行性。  图8 LG在SID 2015上展示的18.8英寸的柔性OLED显示器  图9 柔性a-IGZO TFT在曲率半径为12mm时（a）转移特性和（b）器件参数随弯曲次数的变化情况（本实验室提供） 小结 近年来，氧化物TFT以其诸多优势受到了产业界和学术的高度关注，并被普遍认为是最有希望应用于下一代平板显示中的TFT技术。但是为了面向实际应用，氧化物TFT还面临着种种挑战，本文分别针对高迁移率氧化物半导体材料的开发、器件制备工艺中的关注点、应用时对器件电学应力下的稳定性的要求、以及当氧化物TFT面向透明或柔性等新型显示时需要关注的问题这几个方面进行了讨论。随着研究的进行，相信这些挑战终将得到克服，最终实现氧化物TFT的产业化应用。 |
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