薄膜晶体管研究进展
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第3期 (总第13期) 光 子 技 术 2006年9月
薄膜晶体管研究进展
许洪华1，徐 征2, 黄金昭2， 袁广才2，孙小斌2，陈跃宁1
（1.辽宁大学 物理系，沈阳 110036 ; 2.北京交通大学 光电子技术研究所，
发光与光信息技术教育部重点实验室，北京 100044 )
摘 要：薄膜晶体管是液晶显示器的关键器件，对显示器件的工作性能具有十分重要的作用。本文论述了薄膜
晶体管的发展历史，描述了薄膜晶体管的工作原理，分析了非晶硅薄膜晶体管、多晶硅薄膜晶体管、有机薄膜晶体
管、ZnO活性层薄膜晶体管的性能结构特点与最新进展，并展望了薄膜晶体管的应用。
关键词：薄膜晶体管；液晶显示；ZnO薄膜
中图分类号: TN304；TQ050；TB742 文献标识码：A
Research Progress on Thin Film Transistor
XU Hong-hua1
, XU Zheng2
, HUANG Jin-zhao2
, YUAN Guang-cai2
, SUN Xiao-bin2
, CHEN Yue-ning1
(1. Department of Physics, Liao-ninUniversity, Shenyang 110036 ; 2. Key Laboratory of Luminescence and Optical
Information , Ministry of Education Institute of Optoelectronics Technology, Beijing Jiaotong University , Beijing 100044 )
Abstract: Thin film transistor（TFT） which is of great importance in the properties of display devices is the key device
of liquid crystal display. In this paper, the research history and the operating principles of TFT are described, meanwhile, the
outstanding properties and recent research progress on thin film transistor such as amorphous silicon TFT, polycrystalline
silicon TFT, organic TFT and ZnO-Based TFT are analyzed. At last, the development trends of thin film transistor are
forecasted.
Key Words: thin film transistor; liquid crystal display; zinc oxide thin film
1 引 言
纵观信息时代迅猛发展的各项技术，不论网络技术与软件，还是通信技术、计算机技术，如果没有TFT-LCD
为代表的平板显示技术做人机交互界面，就构不成现在的信息社会。显示器件作为信息产业的重要组成部分正加速
发展[1]
。传统的阴极射线(CRT)显示器件技术早己成熟，性能较好、价格越来越便宜，但因体积大、重量大、功耗大、
对人的身体辐射较强等方面，限制了在更广泛的领域中应用。目前液晶显示器(LCD)以低电压、低功耗、适宜于电
路集成、轻巧便携等优点而受到广泛的研究与应用。液晶显示技术的发展经历了扭曲向列（TN-LCD）、超扭曲向列
（STN-LCD）和薄膜晶体管阵列（TFT-LCD）三个重要的发展阶段[2]
。进入20世纪90年代后，LCD技术发展开始
进入高画质彩色图像显示的新阶段，有源矩阵的TFT液晶显示技术的性能取得了飞速发展，克服了STN液晶显示
器件在响应速度、视角、灰度调制等方面存在的不足，技术性能接近于CRT。
近年来，各种平板显示技术如等离子体显示（PDP）、发光二极管（LED）、电致发光（EL）、场发射（FED）和
液晶显示（LCD）等已成为研发热点[3]
。由于液晶显示器的性能优点，它被率先投入到市场并应用在不同领域中。
薄膜晶体管寻址的液晶显示器以其大容量、高清晰度和全彩色的视频显示成为液晶乃至整个平板显示技术的主导技
术，相关的高新技术产业也成为目前的主要投资方向[4,5]
。薄膜晶体管制造技术在以其寻址的液晶显示器中处于关键
地位，它的研发历来是研究中的重点。
2 薄膜晶体管（TFT）发展历史及现状
人类对TFT的研究工作已经有很长的历史。早在1925年, Julius Edger Lilienfeld首次提出结型场效应晶体管（FET）
的基本定律，开辟了对固态放大器的研究。1933年，Lilienfeld又将绝缘栅结构引进场效应晶体管(后来被称为
MISFET)。1962年，Weimer用多晶 CaS薄膜做成TFT；随后，又涌现了用CdSe、InSb、Ge等半导体材料做成的
TFT器件。二十世纪六十年代，基于低费用、大阵列显示的实际需求，TFT的研究广为兴起。1973年，Brody等人136 光 子 技 术 2006年9月
首次研制出有源矩阵液晶显示（AMLCD），并用CdSe TFT作为开关单元。随着多晶硅掺杂工艺的发展，1979年
LeComber、 Spear 和Ghaith用a-Si:H做有源层,做成如图1所示的TFT器件[6]
。后来许多实验室都进行了将AMLCD
以玻璃为衬底的研究。二十世纪八十年代，硅基TFT在AMLCD中有着极重要的地位，所做成的产品占据了市场绝
大部分份额。1986年Tsumura等人首次用聚噻吩为半导体材料制备了有机薄膜晶体管（OTFT），OTFT技术从此开
始得到发展。九十年代，以有机半导体材料作为活性层成为新的研究热点。由于在制造工艺和成本上的优势，OTFT
被认为将来极可能应用在LCD、OLED的驱动中。近年来，OTFT的研究取得了突破性的进展。1996年，飞利浦公
司采用多层薄膜叠合法制作了一块15微克变成码发生器（PCG）；即使当薄膜严重扭曲，仍能正常工作。1998年，
IBM[7]
公司用一种新型的具有更高的介电常数（17.3）的无定型金属氧化物锆酸钡作为并五苯有机薄膜晶体管的栅绝
缘层，使该器件的驱动电压降低了4V，迁移率达到0.38cm2
V-1
s-1
。1999年，Bell[8]
实验室的Katz和他的研究小组制
得了在室温下空气中能稳定存在的噻吩薄膜，并使器件的迁移率达到0.1 cm2
V-1
s-1
。Bell实验室[9]
用并五苯单晶制得
了一种双极型有机薄膜晶体管，该器件对电子和空穴的迁移率分别达到2.7 cm2
V-1
s-1
和1.7 cm2
V-1
s-1
，这向有机集成
电路的实际应用迈出了重要的一步。最近几年，随着透明氧化物研究的深入，以ZnO、ZIO等半导体材料作为活性
层制作薄膜晶体管，因性能改进显著也吸引了越来越多的兴趣。器件制备工艺很广泛，比如：MBE、CVD、PLD等，
均有研究。ZnO-TFT技术也取得了突破性进展。2003年，Nomura[10]
等人使用单晶InGaO
3 (ZnO)
5获得了迁移率为
80 cm2
V-1
s-1
的TFT器件。美国杜邦公司采用真空蒸镀和掩膜挡板技术在聚酰亚铵柔性衬底上开发了ZnO-TFT，电
子迁移率为50 cm2
V-1
s-1
。这是在聚酰亚铵柔性衬底上首次研制成功了高迁移率的ZnO-TFT，这预示着在氧化物TFT
领域新竞争的开始。2005年，Chiang H Q [11]
等人利用ZIO作为活性层制得开关比为107
薄膜晶体管。2006年，Cheng
H C[12]
等人利用CBD方法制得开关比为105
、迁移率为0.248cm2
V-1
s-1
的TFT，这也显示出实际应用的可能。
3 薄膜晶体管的工作原理
薄膜晶体管是一种绝缘栅场效应晶体管。它的工作状态可以利用Weimer表征的单晶硅MOSFET工作原理来描
述。以n沟MOSFET为例，物理结构如图2。
当栅极施以正电压时，栅压在栅绝缘层中产生电场，电力线由栅电极指向半导体表面，并在表面处产生感应电
荷。随着栅电压增加，半导体表面将由耗尽层转变为电子积累层，形成反型层。当达到强反型时（即达到开启电压
时），源、漏间加上电压就会有载流子通过沟道。当源漏电压很小时，导电沟道近似为一恒定电阻，漏电流随源漏电
压增加而线性增大。
当源漏电压很大时，它会对栅电压产生影响，使得栅绝缘层中电场由源端到漏端逐渐减弱，半导体表面反型层
中电子由源端到漏端逐渐减小，沟道电阻随着源漏电压增大而增加。漏电流增加变得缓慢，对应线性区向饱和区过
渡。当源漏电压增到一定程度，漏端反型层厚度减为零，电压在增加，器件进入饱和区。在实际LCD生产中，主
要利用a-Si：H TFT的开态（大于开启电压）对像素电容快速充电，利用关态来保持像素电容的电压，从而实现快
速响应和良好存储的统一。
D
n
+
n+ 栅绝缘层
P G
S
图2 MOSFET 结构图
漏极
栅极 源极
SiN
x a-Si:H
图1 薄膜晶体管剖面图
