什麼是非晶矽和非晶矽TFT?

2021-01-17 平板顯示大講堂

之前有聊過金屬氧化物及金屬氧化物TFT,但是目前大家接觸比較多的應該是非晶矽和多晶矽,接下來用三篇小文淺顯的描述一下兩者的定義,在平板顯示中的意義,以及性能比較等等。在描述非晶矽之前,我們要了解一下他的爺爺「晶體矽」。晶體矽的製備方法大致是先用碳還原SiO2成為Si,用HCl反應再提純獲得更高純度多晶矽,單晶矽的製法通常是先製得多晶矽或無定形矽,然後用直拉法或懸浮區熔法從熔體中生長出棒狀單晶矽。矽的單晶體,具有基本完整的點陣結構的晶體。不同的方向具有不同的性質,是一種良好的半導材料。純度要求達到99.9999%,甚至達到99.9999999%以上。用於製造半導體器件、太陽能電池等。用高純度的多晶矽在單晶爐內拉制而成。在我們平常所接觸的集成電路晶片,太陽能電池板都有使用晶體矽,主要原因是非晶矽有很好的摻雜改性性能,其遷移率非常高,並且加工工藝簡單。

在平板顯示中,我們沒有聽說使用單晶矽來做TFT,主要原因是平板顯示是低溫薄膜工藝,無法滿足單晶矽的製備條件。而矽材料之所以會跟平板顯示產業發生聯繫,原因在於在主動式平板顯示面板中,每個像素單元都需要一個薄膜電晶體(TFT),TFT需要半導體層,而最常用到的半導體材料也就是矽材料。由於晶體矽的製備條件不適合於玻璃基板,所以非晶矽在平板顯示行業得到充分發展。非晶矽(a-Si)通常採用氣相澱積的方法來製備,包括真空蒸發、濺射、輝光放電和化學氣相澱積(CVD)等,在400℃下可以得到非晶矽薄膜。採用用分解矽烷(SiH4)而得到的非晶矽,實際上是含有相當大濃度的非晶矽-氫鍵(a-Si∶H)。氫在非晶矽中起著很大的作用,即可降低非晶矽中的局域態密度,使得非晶矽中的載流子遷移率有所提高;在氫含量約為10%的優質a-Si∶H中,主要由懸掛鍵引起的局域態密度很低(小於1016cm-3/eV)。雖然摻氫非晶矽(a-Si∶H)中的載流子遷移率較高於未摻氫的非晶矽,但是總的說來,終究因為a-Si∶H不是晶體,則其中必然存在大量缺陷,它的載流子遷移率還是很低的,特別是與單晶矽比較起來更是如此。因此,a-Si∶H薄膜電晶體的工作電流也比較小,並因而遷移率也較低。此外,也由於存在缺陷的關係,則a-Si∶H薄膜電晶體的漏電流也比較大。

不過,由於a-Si∶H薄膜電晶體的小電流及其可控特性,使得它在對於電流和速度要求不高的某些領域中具有重大的應用價值;例如在大面積顯示中,需要許多電晶體來控制發光管陣列,a-Si∶H薄膜電晶體在這裡即能夠很好地發揮作用。

實際上,非晶矽的應用價值不限於此,因為它可以沉積在各種大面積襯底上,而且成本也較低,所以它在許多重要應用方面可以取代單晶矽,甚至能開闢新的技術領域。例如,非晶矽還可以作為感光材料用於光電子印刷(靜電複印和雷射列印)技術;又如,可以製作成大面積的非晶矽p-n結,作為廉價的太陽電池材料使用。

a-Si∶H TFT存在的一個重要問題就是閾值電壓的穩特性不好,即在較長時間施加柵偏壓以後,其閾值電壓以及亞閾值擺幅都將要發生漂移,導致TFT的電學性質不穩定。造成這種穩定性報告現象的原因認為有兩個:一個是載流子被陷於a-SiNx∶H柵絕緣層裡的缺陷之中(缺陷主要是來源於製備a-SiNx∶H的PECVD工藝);另一個是與a-Si∶H中的新生缺陷有關。

如果a-Si∶HTFT用於有源選址的有機發光顯示器(AM-OLED)中,則將由於a-Si∶HTFT的不穩定性而大大減短壽命(開態工作電流的衰退率達到60%)。但是,發現若採用具有一定結構有序性的微晶矽來代替非晶矽的話,則可改善器件的穩定性(開態工作電流的衰退率可降低到22%,並且還具有一定的自恢復能力)。

總之,非晶矽薄膜電晶體技術是70年代提出的。經過各國科學家近30年的不懈努力,如今第八代以上液晶顯示器(LCD)生產線已全部實現自動化,工業生產技術相當成熟。已經發展成為當今世界液晶顯示器的主流產品,未來發展的目標是更大的屏幕尺寸和更低的生產成本。非晶矽具有成本低廉和大面積製造等優點,因此可用來製作顯示或成像器件中起選址作用的像素矩陣,以及製作與選址矩陣同時製作在玻璃襯底的顯示驅動電路。但是TFT只有N型器件,遷移率只有0.5-25px2/Vs。因此,採用非晶矽TFT工藝,很難製備高性能、全集成的超薄型結構緊湊的顯示器模塊。非晶矽TFT技術不能用於高解析度的有源驅動OLED顯示屏。

最後,非晶矽:即無定型矽,其內部結構存在許多懸掛鍵,也就是沒有和周圍矽原子成鍵的電子。

非晶矽TFT:使用非晶矽材料最為半導體層的薄膜電晶體。

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