"栅控源"薄膜晶体管工艺、性能及应用的研究

此申请项目针对薄膜晶体管尺寸缩小化以满足高性能集成发展的需要而面临的短沟道效应问题，探讨一种全新的晶体管结构设计。这种"栅控源"结构用栅极对载流子在源极的注入的控制来代替栅极对沟道的控制，即使在缩短源、漏极的距离来提高器件速度的情况下，载流子在源极的注入仍能处于栅极的完全控制下。这种器件结构在用于设计短沟道薄膜晶体管器件时，不需要很薄的栅绝缘层就可以有效地抑制短沟道效应，从而能够提供优越的器件模拟/数字特性。此项目将深入地研究基于半导体表面参杂形成势垒的"栅控源"晶体管的工艺技术，以及载流子运输的物理机制，建立用于器件性能优化的分析模型，探讨 "栅控源"晶体管的电路设计方法和应用。

随着新材料、新工艺的不断涌现，和信息电子器件向大尺寸、柔性发展的需求，薄膜晶体管的应用已不局限于平板显示中的像素开关，而在更多功能的数字/模拟电路中得到应用。此项目以探讨栅控源结构薄膜晶体管的器件工艺、物理机制和电路应用为主线，研究了基于不同半导体材料（低温多晶硅及氧化物半导体）的栅控源晶体管器件的实现及其在模拟电路、有源矩阵选址有机发光二极管(AMOLED)显示驱动像素电路中的应用。结果表明栅控源晶体管能够有效地降低饱和电压，提高输出阻抗，在短沟道情况下更有优势。因而用于模拟电路中的电流镜和有源负载时，不需要额外的级联晶体管，而能够实现高精度的电流复制、高增益和低功耗；在用于AMOLED显示驱动像素电路可以有效地降低驱动晶体管上所需的电压降，从而降低功耗，同时也能减小器件的尺寸，提高开口率。在器件物理机制方面，结合栅控源晶体管中源级接触势垒的控制问题，主要研究对比了不同器件结构下接触电阻对器件性能的影响，提取了一种排除接触电阻影响的关键器件参数（阈值电压）的提取方法。考虑到在器件工艺条件的限制和针对印刷电子应用溶液法工艺制备薄膜晶体管的发展趋势，进一步研究的重点放在了基于溶液法的低电压薄膜晶体管器件。结合低温分解的ZnO前驱体材料和低温溶液法加工的ZrOx绝缘层材料，实现了低电压（< 3V）的溶液法ZnO薄膜晶体管器件，并提出了一种低温溶液法的封装方法，研究了相关的器件稳定性机制。通过溶液法工艺降低有机晶体管半导体/绝缘层界面和半导体有源层中的缺陷态，在采用较厚栅绝缘层的情况下，实现了低电压（< 2 V）工作的有机薄膜晶体管器件，器件迁移率达到1.0 cm2/V.s，电流开关比105。这方面的工作为发展低电压、低功耗可印刷晶体管电路打下基础。相关成果已发表于 IEEE Transaction on Electron Devices, IEEE Electron Device Letters和Applied Physics Letters上，和国际会议上。通过这个项目的研究，发展了可提高薄膜晶体管模拟性能，实现低电压、低功耗应用的器件结构体系、理解了相关物理机制；同时发展了可印刷的低电压薄膜晶体管器件工艺方法，以发展低功耗印刷电路。