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非晶硅与多晶硅薄膜晶体管技术发展

点击次数:1107    发布日期:2013-12-23   本文链接:http://www.pibomo.com/news/204.html

      近年来,由于非晶硅薄膜晶体管(a-Si/poly-Si)本身具有 低温工艺及低成本制造等优势,不论在产业或实验室方面皆有 相当丰富的研究成果,其研究不仅可以用来控制画面灰阶的变 化,甚至可以应用在主动式有机发光显示器,来做为驱动 OLED元件的驱动元件,或使用在有机电路(Organic Electron- ic)产品上,也显得相当有市场潜力。 本文将介绍台湾大学非晶硅暨多晶硅薄膜晶体管实验室 的创新研究与发展技术,并专访台湾大学校长也是台湾大学非 晶硅暨多晶硅薄膜晶体管实验室的主要推手-李嗣涔博士,来 畅谈台湾大学非晶硅暨多晶硅薄膜晶体管实验室发展中的技 术,以及未来在非晶硅薄膜晶体管这方面的研究与计划。
      李嗣涔博士表示,台湾非晶硅暨多晶硅薄膜晶体管实验室 *大的愿景,希望能充实从事基础研究的能力,熟悉固态物理 及半导体元件物理等基础知识;另一方面熟悉各项半导体工艺 与设备,并充分了解各种元件的结构与设计原理,进而设计出 创新技术,以期能对学术界及产业界能有*大的贡献。 液晶平板电视热门 带动薄膜制备技术研究 一般来说,在非晶硅、多晶硅及相关的薄膜制备技术,大部 分都应用在超大规模集成电路、微机电感测元件、显示器、及光 电元件等领域。除了大家所熟知的LCD面板、太阳电池、感光 元件与发光二极管之外,近年来诸多学术单位或者是相关产业 界,也积极地将相关的薄膜晶体管技术应用在有机发光或场发 射显示器,并尝试将面板导入系统化阶段;因为它主要的优势, 不仅能够大幅降低成本,还可方便运用在大尺寸面板上。换句 话说,就是利用现有的非晶硅TFT-LCD工艺及生产设备,即可 将OLED大量商品化,打破目前一般认为OLED需与低温多晶 硅(LTPS)技术搭配的想法。
      另外,在微机电与生化传感器的应用方面,也可发现有越来越多的相关研究发表。由此可见,此 类技术发展朝向多样化,其潜力和重要性不可言喻。 基本上,氢化非晶硅材料本身就是一种具有光导电物质, 主要的缺陷,就是在光的照射之下,容易产生衰退现象,若经由 电子电洞的大量产生下,使它的暗导电度及光导电度均下降, 容易造成的薄膜晶体管漏电流提高,使得储存电容中的画素因 为电荷作用而有所流失,导致画面质量不佳等缺点。因此,如何 避免薄膜晶体管在光照射下,减少漏电流情况,以及提升晶体 管元件的效能,将是一项重要的技术问题。 因此,可以利用垂直通道的有机薄膜晶体管的特殊结构, 产生出新型的结构方式,用来改善原始结构中的寄生电阻问 题;另一方面,也可采用这类元件的特殊结构的通道长度,再经 由薄膜厚度来加以定义,也不需要高分辨率的微影工艺,便能 达到低成本屏蔽(shadow mask)的工艺技术,甚至在未来也能 利用印刷工艺来完成。*后,由于垂直结构元件具有和OLED、 有机存储器、有机传感器等垂直堆叠结构的整合能力,可以用 来发展有机面板或有机电路的技术潜力。 在过去常用的主动矩阵式有机发光显示器中,薄膜晶体管 一直以来就是TFT-LCD为控制写入信号及电流输出的重要元 件之一,不过在实际制作过程中,因为元件在使用过一段时间 之后,TFT便很容易产生漂移的情况,换句话说,在每一像素电 路中,TFT的特性不尽相同。
      因此,为了克服这个现象,“电流驱 动”型式的像素电路技术,已经陆续被许多研究单位提出来,并 作为补偿特性的飘移问题。不过,随着有机发光材料效率的提 升,在固定亮度的条件下,驱动电流已降低至1uA以下的等级, 在此低电流的驱动之下,像素电路中存在于电极上的寄生电 容,将会严重影响信号写入的充放电时间,造成影像质量下降 之问题。 技术要能广泛运用 层层问题尚待突破 首先,在金属的光子晶体部分,由于金属跟介电材料之间 的介电系数,“ε”有相当大的差异,因此当电磁波在金属与介 电材料界面之间进行传递时,为了能够满足界面具有的电荷中 性,才能使表面产生等离子。在今日的研究中,由于表面等离子 的传递动力学及设计,在作为滤波器的同时,也可将其制作成 可调式的发光元件或是侦测器,不但能够作为金属光子晶体结 构,以研制出同调热放射性的红外线光源,还能做作为植物生 长的基因调节与控制之用。
      其次,从量子点与量子环侦测器的角度来分析,也就是用 在污染控制及夜视用的InGaAs/GaAs量子点红外线发光及侦 测元件,或者是用于量子点成长动力学,可以设计运作在室温 的红外光侦测器,都能够利用量子点发光及侦测元件,加上光 子晶体滤波器,以制作波长可调的发光元件或多尖峰响应的红 外线侦测器。 *后,在非晶硅(碳)氢合金材料部分,由测量合金材料的 导电度、光学带沟、光激放光频谱、红外线吸收频谱及理论来加 以计算,并对非晶硅(碳)氢合金内之硅氢(Si-H)及碳氢键的 微观,所建构出来的模型可知,位于红外线吸收尖峰2000 cm-1 是位于“单硅空隙”内的硅氢键所提供, 而2080 cm-1吸收尖 峰则是由“双硅(或以上)空隙”内的硅氢键所提供,就能解决 材料微观结构上的基本征结。另外,可经由高温退火的实验过 程,再搭配上红外线频谱测试,不论是由甲烷,或者是乙烯混合硅烷,其生长的非晶硅碳氢材料中所有可能出现的硅氢级碳氢 分子结构一一找出,这将可对材料的微观物理化学结构,有一 番全面性的了解。
      另一方面,也可证实这类型的材料电子结构 确实能够由Brodsky的量子井模型来加以描述。 不过,非晶硅氢材料有一极严重的缺点,就是在光照下容 易产生衰退现象,暗导电度还是光导电度会因此而下降,导致 硅悬垂键数目提高,而在1996年由贝尔实验室发现在硅MOS- FET元件的界面中,以氢的同位素“氘”来取代氢,使半导体元 件的热电子衰退效应能够大幅减少,在当时的集成电路领域中 造成了不小的震撼。而台湾大学非晶硅暨多晶硅薄膜晶体管实 验室,也开始也以“氘”来取代氢,并制作成非晶硅氘材料,并 在实验后发现,在光照下光导电度的衰退情形能大幅降低。另 一方面,也建置了微观模型来加以解释,认为是硅氘分子 (Si-D)键的摆动振荡模式频率与非晶硅晶格振荡模式频率相 近的因素。台湾大学非晶硅暨多晶硅薄膜晶体管实验室将 “氘”用到非晶硅薄膜晶体管的制作过程中,并证实以氘代替 氢的确可以改善非晶硅薄膜晶体管的电性,不但能够使场效移 动率(field-effect mobility)有显著的提升(约提升70%左 右),借以提升较大的转导值及高电子移动率,如此一来,不但可以获得高电流密度、高闸极电压摆幅,更可增加电压的容忍 度,适用于高速、高功率,以及大输入讯号电路的系统。 创新研究 以学术界角度创造更多富有建设性的技术 目前液晶平面显示器已经取代电视阴极射线管,成为目前 *重要的显示技术之一,而较高端的液晶显示器中液晶的驱动 装置,就是非晶硅氢薄膜晶体管。
      台湾大学非晶硅暨多晶硅薄 膜晶体管实验室,也自行研发出一种闸极平坦化工艺,称之为 “二氧化硅的液相沉积法(低温■50℃)”,借此来提高元件的 生产合格率,目前已取得专利。 其主要原理是在制作完成金属闸极后,在闸极周围附近运 用二氧化硅来加以补平,使接下来的元件符合平坦的需求,如 此一来便能降低尖锐转角所生成的高电场问题,还可以降低漏 电流,提高晶体管特性。利用创新低温液相沉积技术所长的二 氧化硅作为非晶硅氢薄膜晶体管中的闸极氧化层也获得成功, 可以取代传统所使用之氮化硅(a-SiNx:H),借以提高工艺更 具有多方弹性的重要需求。 站在学术研究角色 培养人才与协助产业界发展并重 这几年来,薄膜晶体管显示器产业的蓬勃发展,这是众所 皆知的;而台湾大学非晶硅暨多晶硅薄膜晶体管实验,早在之 前已经了解到它的重要性,希望在未来能以学术界的角度,可 以培养出更多具有独立思考能力、以及突破限制尝试新创意的 技术人才,除了一方面充实从事基础研究的能力,了解近代物 理、固态物理与半导体元件物理等基础知识;另一方面,还必须 要能熟悉各项半导体工艺与设备,并充分了解各种元件的结构 与设计原理,进而设计、创新,以期能对学术界与产业界尽*大 贡献。


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