非晶IGZO薄膜晶体管与基本电路研究

党晓强

南京中电熊猫液晶显示科技有限公司

非晶IGZO薄膜晶体管与基本电路研究

党晓强

南京中电熊猫液晶显示科技有限公司

自从进入高速信息社会以来，人类各类生产、活动越来越离不开信息。在高速化和频繁化信息交换过程中，人们实现了无处不在的信息化时代，同时也给产业界带来一定挑战。如何将各种信息准确地，快速地转化为人眼所能接受的视频信号，成为现代显示技术发展关键。以平板显示技术为代表的现代显示技术具有功耗低、响应速度快、驱动电压低以及易于和超大规模集成电路相兼容等优势，因此得以迅速发展，平板显示也在显示产业获得主流地位。本文主要就对非晶IGZO薄膜晶体管相关方面进行分析，并且在此基础上对基本电路研究实施研究。

非晶IGZO薄膜晶体管；基本电路；性质

1 a-IGZOTFT的基本性质

透明电子器件是实现隐形电子电路的一个新兴技术，其中透明氧化物薄膜晶体管的技术应用最为广泛。在氧化物半导体多种多样，具有低温制备、高迁移率、较好稳定性、宽禁带((Eg＞3eV)等良好性能，并且在气敏湿敏传感和透明显示等方面有着优越性能而备受瞩目，同时也被进行深入研究和广泛应用。在国际学术领域，尤其是以美国和日本为代表的众多研究小组，尝试利用透明氧化物代替传统硅材料，作为有源层制备TFT器件。透明氧化物TFT作为平板显示器开关驱动电子单元的部分，由于其具备高迁移率，与传统a-Si：HTFT相比较能够显著加快屏幕的响应速度，因而大尺寸的高清高速AMLCD领域应用前景广阔;其次，在可见光照射范围内，氧化物TFT基本可以被全部穿透，基于这个重要优势，再利用透明的OIT电极和氧化层，便可以实现全透明TFT，与上一小节讨论的硅基TFT相比，背光投射面积更大，开口率更高;此外，在工艺制备方法和复杂程度上，透明氧化物TFT也有很大优势，材料的生长技术有MBE，MOCVD、磁控溅射、PLD等，同样，低温生长过程使得可以选用透明低价的玻璃、柔性塑料等作为衬底材料，降低工艺成本，同时推进柔性透明显示发展。

2 a-IGZOTFT的应用前景和存在的科学问题

a-IGZOTFT在各方面表现出强大的优势，如较高的可见光透过率、拥有较高迁移率的载流子输运机制、相对较少的工艺制备步骤和较低的复杂程度等，将会逐步替代Si基TFT，在未来的电子显示领域体现出巨大应用价值。

随着对a-IGZOTFT了解的不断深入，研究重心逐渐转移到器件制备工艺、基本性能和在外界因素干扰下的稳定性，通过薄膜淀积技术方法的创新、参数细节的调整、器件结构的优化设计等，目前己经可以获得性能良好器件，因此在诸如透明电路、探测存储等领域不断开展实际应用。其中，以美日韩为代表的国际课题研究组推动a-IGZOTFT的深入研究，性能上不断突破为a-IGZOTFT的广泛应用打下夯实基础。根据相关研究报道可以了解到，目前较好的a-IGZOTFT电流开关比高达109，0.2V/dec的超低亚阂值摆幅表明器件开关特性非常优秀，场效应迁移率可以达到50cm2N.sa。

3 基本电路研究

2000年以来，随着平板显示技术的快速发展，薄膜晶体管作为像素电路的开关器件和外围驱动电路的重要组成部分(提供驱动信号)，己经在有源矩阵显示器上得到广泛应用。为了开发性能更好、功率更低、成本更低以及兼容行更强的FPD产品，研究人员己经提出面板系统(System-on-panel，SoP的技术概念，即将显示所需的各种功能单元在单块显示面板上集成，如传感器、存储器和控制器。因此，实现SoP技术关键在于，整个面板上电路由相同或者相似的半导体材料、金属材料和绝缘层材料来制备，另外制备工艺和步骤也要尽可能一致，以便工艺简化。

由于具有优良电学特性，透明非晶IGZOTFTs被视为硅基TFTs的替代品，应用在下一代有源矩阵显示器和SoP技术上，因而受到研究人员广泛关注。另外，随着新兴显示技术的出现，如柔性显示和透明显示，对透明集成电路的研究也是必不可少的一部分。

反相器是电路中一种基本功能模块，主要作用是将输入信号进行相位反转。这种电路有很多方面应用，比如音频放大，时钟振荡器等，而且在数字电路设计中，也要经常用到反相器，例如将两个串行反相器输出作为一位寄存器的输入就构成了锁存器。锁存器、数据选择器、译码器和状态机，甚至更复杂的集成电路等精密电路都需要使用基本反相器。为此，我们利用NMOS逻辑原理在玻璃衬底上制备了基于a-IGZOTFTs增强型饱和负载反相器。它是由两个增强型的a-IGZOTFT组成，其中一个a-IGZOTFT作为反相器负载管，另一个a-IGZOTFT作为驱动管。通过对a-IGZOTFT的输出特性和转移特性进行表征，发现制备的分立器件表现出增强型工作模式;之后，我们测试了反相器电压转移特性曲线，发现反相器实现了较好的逻辑转换功能。

反相器是电路中一种基本功能模块，是集成电路基本组成部分，这种电路在模拟电路和数字电路中都有重要应用。我们在玻璃衬底上制各了增强型饱和负载反相器。反相器是由两个增强型的a-IGZOTFT组成，其中一个a-IGZOTFT作为反相器的负载管，沟道区域的宽长比为WLoad/LLoad=40μm/10μm；另一个a-IGZOTFT作为驱动管，沟道区域的宽长比为WLoad/LLoad=200μm/10μm；首先，对a-IGZOTFT分立器件的转移特性和输出特性进行表征，器件开启电压在3V左右，根据转移特性的数据拟合和计算，器件的场效应迁移率为Scm2/Vs，亚阂值摆幅为0.5V/dec，制备的a-IGZOTFT表现出增强型工作模式;接着，测试了基于a-IGZOTFTs制备的反相器的电压传输特性曲线，从电压传输特性曲线我们得知，增强型饱和负载反相器有着较宽输出摆幅范围，较大噪声容限和电压增益，实现了较好的逻辑转换功能。

[1]汤兰凤.非晶IGZO薄膜晶体管的光照特性研究[D].南京大学，2016.

[2]张安，赵小如，段利兵，赵建林，白晓军.基于表面势的非晶IGZO薄膜晶体管分析模型[J].半导体技术，2011，04：257-260.