双栅非晶氧化物薄膜晶体管研究

Amorphous oxide thin film transistors (TFTs) are believed to be the TFT array technology of next generation active matrix displays. The technology issues involved in the production of the present amorphous oxide TFT fabrication are investigated. It is thus proposed that the double-gate configuration will be the ideal solution to amorphous oxide TFT fabrication technology. Based on the detailed analysis of the involved materials, technologies and applications, the following issues are suggested to address: self-aligned double gate implementation scheme; self-aligned and low resistive source-drain doping method; characterization and understanding of carrier transportation under double-gate driving; stability characteristics and major impact factors involved of double-gated oxide TFTs; and construction of double-gated oxide TFT based integrated circuits. For these issues, following investigation methods are drafted, which include: the current production technology compatible self-aligned double gate fabrication method; self-aligned and low resistive source-drain doping method; characterization methods for carrier transportation under double-gate driving and device stability under electrical, optical, thermal and gaseous stresses of double-gate devices; and double-gate oxide TFT based integrated circuit building methods. The proposed technical issues and solutions are original. The applicant has solid research foundation and is well equipped with complete facility.

非晶氧化物薄膜晶体管（TFT）被认为是下一代有源矩阵显示的核心技术。本文分析了目前非晶氧化物TFT技术所面临的主要难题，提出了双栅技术将是非晶氧化物TFT理想的解决方案的论断。通过对材料、工艺和应用等方面的细致分析，提出了如下双栅氧化物TFT的主要研究内容：自对准双栅结构的实现方法；自对准且低寄生电阻源漏的制备方法；双栅驱动下载流子传输的特性表征和机理探究；双栅氧化物TFT的稳定性特征和主要影响因素探明；基于双栅氧化物TFT的集成电路构建等。对上述研究内容分别拟定了翔实的技术实现方案，包括：与主流量产技术兼容的自对准双栅实现方案；自对准且低阻的源漏掺杂方案；双栅驱动下载流子输运特性的系统测试和分析方案；双栅氧化物TFT在电光热气等作用下的器件性能稳定性的系统测试和分析方案；以及双栅氧化物TFT单元集成电路的构建方案。以上研究内容和技术方案均具很强的原创性。申请人研究基础扎实、研究条件完备。

非晶氧化物薄膜晶体管（AOS TFT）被认为是下一代有源矩阵显示和有源矩阵图像传感的核心技术。我们分析了目前非晶氧化物TFT技术所面临的主要难题，提出了双栅技术将是非晶氧化物TFT理想的解决方案的论断。本项目针对双栅氧化物TFT的器件结构、制作工艺、器件物理及基于双栅TFT的单元电路展开了系统研究。.本研究主要内容和取得的成果如下：.1）首次研究了镁、铪、锆、钽等金属对AOS薄膜的反应掺杂效应。在合适的工艺条件下，金属反应掺杂可使得AOS薄膜的载流子浓度达到1E20cm-3以上，电阻率小于3E-3Ω•cm，达到迄今所报导的最高水平。澄清了金属反应方法对AOS的掺杂过程和机理，金属和AOS之间发生氧化还原反应，生成的氧空位和间隙金属均可以作为浅施主提供载流子。建立了可对AOS进行有效反应掺杂的金属选择法则，通过一系列AOS的金属反应掺杂实验证明了所提选择法则的正确性。.2）首次研究了铝反应掺杂源漏区的自对准顶栅（SATG）型双栅a-IGZO和a-IGZO/a-IZO异质结沟道TFT。其中所制备的SATG型双栅a-IGZO/a-IZO TFT展现出约10Ω•cm的RSD•W，以及超过30cm2/Vs的迁移率，约0V的开启电压和低至0.12V/dec的亚阈值摆幅。.3）系统研究了双栅a-IZO TFT的制备工艺，最终获得了电学性能优异的双栅a-IZO TFT的制备方法。所制备的器件在双栅工作模式下，载流子迁移率达到23.91cm2/Vs，阈值电压为0.28V，亚阈值摆幅为0.18V/dec，同时在正负30V栅压、60℃温度、550nm波长光照8种组合的电、光热应力条件下表现出良好的稳定性。.4）研究了基于双栅TFT的有源像素读出（Active Pixel Senser, APS）型图像传感探测电路，提出了电压外部反馈并通过辅助栅外接反馈补偿电压进行双栅TFT阈值电压调制的新型APS像素电路及其驱动方法。研究结果表明，当TFT阈值电压偏移±1.5V时，对比传统的APS电路，本电路输出偏差由传统18.3%降低2.8%以内。