薄膜晶体管

薄膜晶体管（Thin-Thin film transistor 3356）是通过沉积形成的半导体、在显示领域中，由金属和绝缘膜构成的场效应器件广泛用于液晶显示器、有机发光二极管等传感领域的生物传感器、气体传感器和量子点薄膜晶体管探测器。

薄膜晶体管的历史起源于20世纪初，场效应晶体管的概念最早是由德裔美国物理学家Lillifell在1925年提出的。随后，巴丁和布里坦成功制备了点接触晶体管，肖克利在此基础上发明了双极晶体管和结型场效应晶体管，进一步推动了晶体管技术的发展。直到1962年威迈用多晶硫化镉薄膜作为沟道层，第一个真正的薄膜晶体管才成功出现。20世纪70年代，学者们研究氧化物薄膜晶体管，试图将TFT与LCD结合起来之后硅基薄膜晶体管开始迅速发展，但其高成本和不透明的特性限制了其应用。2003年后，氧化物薄膜晶体管再次出现，并在新兴领域得到应用。

薄膜晶体管通常由三个主要部件组成，即导电电极（包括栅电极、源电极和漏电极）介电层（绝缘层）和沟道层（包括有源层和半导体层）它的主要作用是控制电流的流动，从而实现液晶显示等器件中像素的开关操作通过向控制栅极施加电压，可以控制源极和漏极之间的电流，从而控制像素的亮度和颜色。一般来说，薄膜晶体管主要是根据其沟道中有源层的类型来分类的，大致可以分为非晶硅薄膜晶体管、多晶硅薄膜晶体管、有机薄膜晶体管和氧化物薄膜晶体管可以根据其特性应用于不同的场合。

薄膜晶体管研究的历史可以追溯到上世纪初，最早是由德裔美国物理学家李利费尔Lee Liffel研究的（J.E.Lilienfeld）1925年提出场效应晶体管的概念，1930年申请专利。但是由于当时技术的限制，很难实现结型场效应晶体管的制备，这个专利只是概念专利。直到1947年，贝尔实验室成员巴丁半导体研究团队（J.Bardeen）和布列坦（W.H.brattain,walter houser）已经成功地制造了用于信号放大的点接触晶体管。随后，肖克利（W.william bradford shockley）1948年，巴丁和布里坦在研究的基础上发明了双极晶体管（BJT）和结型场效应晶体管（JFET）经过几年的发展，美国无线电公司实验室（Radio   RCA, USA）的魏麦（P.K.Weimer）1962年开始使用多晶硫化镉（CdS）作为沟道层，该薄膜成功制造了第一个真正的薄膜晶体管（TFT）该TFT的结构包括顶栅底接触二氧化硅（SiO2）绝缘层和沉积的金栅极和源极、以玻璃为基底的漏电极。

迭代创新

1968年，博曾（Boesen）和雅各比（Jacobs）报道了一种基于掺锂氧化锌有源层的新型薄膜晶体管（ZnO）电极仍然由铝制成，栅极电介质是氧化硅（SiOx）而这些薄膜晶体管性能较差，说明源漏电流小，无法饱和。同年，RCA的Heilmeier（G.海尔迈尔）成功开发了世界 首款液晶面板（LCD）但是还有一些问题不能直接应用到显示领域。为了有效解决这一技术难题，1971年，莱赫纳（Lechner）以及其他人首次将TFT与LCD相结合，改进了复杂寻址电路和电容单元的结构，显著提高了LCD面板的显示质量。此后，氧化物薄膜晶体管并没有取得很大的进展，相反，硅基薄膜晶体管开始迅速发展。1979年，雷·康姆伯（Lekomber），斯皮尔斯（Spears）和盖斯（Ghaith）首次报道了非晶硅薄膜晶体管，随后在1990年出现了高性能多晶硅薄膜晶体管。虽然硅基薄膜晶体管表现出良好的电学性能，但其高成本和不透明的特性限制了其大规模应用同期有机薄膜晶体管也取得了显著进展，但其稳定性相对较差，不能满足实际应用要求。1996年，王子（Prins）由他人制备的以氧化物为半导体层的透明薄膜晶体管再次引起了研究者的关注对氧化物半导体感兴趣。

薄膜晶体管

逐渐成熟

2003年，首次研制出透明氧化锌薄膜晶体管，性能甚至超过了硅基薄膜晶体管。随后，卡西亚（Carcia）据报道，在室温下制备的ZnO薄膜晶体管也实现了高载流子迁移率，证明氧化物薄膜晶体管具有广阔的应用潜力。野村证券 号，2004年（Nomura）等人首次用非晶金属氧化物半导体材料制备了a-IGZO薄膜晶体管，随后，德霍夫（Dehuff）2005年，等人制造了透明薄膜晶体管。野村等人的工作开创了一个新的领域，预示着基于氧化物的薄膜晶体管成为一个重要的研究方向。如今，氧化物薄膜晶体管的研究逐渐成熟随着电子技术的快速发展，提高载流子迁移率和降低晶体管工作电压的需求日益增加，这促进了氧化物薄膜晶体管在柔性低功耗电子产品中的应用得到广泛探索。比如2017年，比利时鲁汶大学的克里斯（Kris）教授等人在国际固态电路会议上（ISSCC）论文报道了他们制备的柔性RFID标签与以往的研究相比，克里斯教授和的工作具有较低的逻辑门延迟、更高的传输速率、含载波分频电路、符合13.56MHz频率传输协议和更高集成度的优势为薄膜晶体管RFID标签的应用奠定了坚实的基础。

2021年，美国斯坦福大学的研究人员发明了一种技术，可以在柔性材料上制造原子薄晶体管，长度小于100纳米。这使得可弯曲、塑料和高效的计算机电路成为可能，并可应用于可穿戴设备或可植入设备“柔性电子学”，标志着技术上的重大突破。

薄膜晶体管（TFT）通常由三个主要部件组成，即导电电极（包括栅电极、源电极和漏电极）介电层（绝缘层）和沟道层（包括有源层和半导体层）导电电极用于控制电流和电压的输入输出，沟道层负责电子传输，介质层与电子传输隔离。薄膜晶体管结构可视为平板电容器，其中一个板由栅电极组成，半导体层构成第二个板，绝缘层位于它们之间，而源极/漏电极与半导体层相邻；平板电容器中的移动电荷分布在绝缘层中/在半导体层的界面之间，从而在半导体层中形成导电沟道；衬底可以是柔性的和刚性的材料，但是它在设备的操作中不起作用。根据栅电极和源/漏电极的分布是不同的当栅电极与衬底直接接触时，它是底栅，而栅电极是器件顶部的顶栅；源/半导体上方的漏极直接接触为顶接触，半导体在源极/漏电极上方的直接接触是底部接触，因此这些部件的排列顺序可以分为四种基本结构，即：a）顶部栅极顶部接触结构，（b）顶栅底部接触结构，（c）底部栅极顶部接触结构，以及（d）底栅底接触结构。

薄膜晶体管（TFT）的基本工作原理是基于外部栅极电压的控制，而外部栅极电压取决于栅极电压（VGS）在沟道层中形成导电路径，并且降低源极漏极电压（VDS）在恒定条件下，调节栅极电压来改变源极和漏电流（IDS）最终达到栅压控制电流的目的。首先，向薄膜晶体的栅电极施加外部电压，该电压通常被称为栅极电压。在外加栅压的工作条件下，电场建立，有源层在外加电压的诱导下在介质层附近产生载流子。具体来说，电场在有源层附近的半导体材料中诱发电子或空穴，形成导电沟道，称为电子传导沟道。随着栅极电压逐渐增加，感应载流子浓度也增加，这导致电子传导沟道中载流子数量的增加。当栅压增加到一定值，即阈值电压时，电子传导通道中有足够的载流子，使得源极和漏极之间可以形成电流通路，允许电流从源极流向漏极，使器件处于导通状态。在源极电压和漏极电压的作用下，载流子开始从源极流向漏极，形成输出电流。此时，薄膜晶体管处于导通状态，允许电流通过。通过调节栅电极电压，可以控制薄膜晶体管的导通状态，从而调节输出电流。这使得薄膜晶体管可以用作电子开关或放大器，以满足各种应用要求。

在生活中，就像平板电脑、手机、液晶电视等设备的不断进步归功于平板显示技术的不断进步薄膜晶体管在这方面起着关键作用，它不仅广泛应用于有源矩阵驱动的LCD（活性 基质 液体 晶体 显示屏，AMLCD）场和有源矩阵有机发光二极管（Active   matrix   organic   light emitting   diode, AMOLED）它在这一领域也发挥着非常重要的作用。

一般来说，薄膜晶体管主要根据其沟道有源层的类型来分类，大致可以分为四种：

非晶硅薄膜晶体管（Amorphous silicon transistor-Si TFT）

多晶硅薄膜晶体管（Polysilicon   Silicon   Thin Film   Transistor, P-Si TFT）

有机薄膜晶体管（OTFT transistor）

和氧化物薄膜晶体管（Oxide   thin film   transistor, oxide   thin film）

非晶硅薄膜晶体管（a-Si TFT）非晶硅薄膜晶体管的核心材料是非晶硅，影响非晶硅薄膜晶体管电学性能的关键因素是栅绝缘层 SiNx 和栅有源层a-Si之间的界面质量。到2022年，非晶硅薄膜晶体管仍然是平板显示中应用最广泛的薄膜晶体管然而，由于非晶硅中存在大量的界面缺陷，其电学特性并不理想通过掺氢可以解决这个问题，满足平板显示器的技术要求。掺氢非晶硅材料工艺简单、薄膜均匀性好、适合大面积制备等优点自1979年以来，掺氢非晶硅薄膜晶体管已被开发出来（a-Si HTFT）在大尺寸AMLCD中一直扮演核心器件的角色。掺氢非晶硅薄膜晶体管是以氢化非晶硅为沟道层材料制成的薄膜场效应晶体管。非晶硅薄膜晶体管的优点是用作沟道层材料的非晶硅薄膜的制备温度低，通常不超过350℃，因此可以使用廉价的玻璃衬底，而且制备工艺简单，对制备设备要求不高，使得其制备成本较低。由于非晶结构，晶界对载流子迁移没有影响，制备的A-硅膜均匀性好，可以大面积制备这种TFT在早期被广泛用作LCD的驱动元件。

随着科技的发展，人们开始追求更大的屏幕尺寸、更加高清、高分辨率显示屏，但掺氢非晶硅薄膜晶体管的载流子迁移率一般小于1cm2·V-1s-1照明稳定性差，无法满足大尺寸、高分辨率液晶显示的电流驱动需求，以及AMOLED对薄膜晶体管的电学特性提出了更高的要求。此外，硅材料的能隙较窄，对可见光不透明，需要增加光源强度才能获得足够的亮度，相应的能耗也较大。虽然掺氢非晶硅薄膜晶体管可以满足基本的平板显示要求，但由于其载流子迁移率低，产品稳定性差，无法应用于更高要求的显示设备，因此学者们研究了多晶硅薄膜晶体管以满足新的技术要求。

多晶硅薄膜晶体管

多晶硅薄膜晶体管（p-Si TFT）的核心材料是多晶硅，作为栅极有源层提供载流子。多晶硅薄膜晶体管的制备工艺是通过真空工艺生长出一定厚度的a-Si薄膜，然后通过准分子激光退火将非晶硅薄膜转变成多晶硅。多晶硅薄膜晶体管具有特别高的载流子浓度和饱和载流子迁移率（达到100平方厘米·V-1s-1）可以达到非晶硅薄膜晶体管的几十倍，器件稳定性好。与非晶硅薄膜晶体管相比，多晶硅薄膜晶体管的迁移率提高，缺陷减少，稳定性更好，但由于其多晶结构的特点和制备工艺的要求，薄膜中的晶界较多、表面均匀性差、生产合格率低生产成本高等一系列不利因素限制了其大规模生产。

起初，多晶硅的制备温度较高（625℃）它只能在耐热性好的应时衬底上制备。随着快速退火结晶、金属诱导晶化激光晶化等一系列低温技术的出现，大大降低了制备温度（150℃）在玻璃衬底上成功制作了低温多晶硅薄膜晶体管。低温多晶硅薄膜晶体管（LTPS TFT英尺英尺）也是在a-基于Si的场效应薄膜晶体管FET使用低温多晶硅薄膜作为沟道层材料，是最广泛使用的多晶硅薄膜晶体管之一。低温多晶硅薄膜晶体管具有高场效应迁移率，可以更快地切换像素并提供更快的响应时间，并且它允许制造高分辨率显示屏，因为它可以在小尺寸像素中实现精确的电子控制。

有机薄膜晶体管

有机薄膜晶体管（OTFT）是用于沟道层有机材料（通常是共轭聚合物或有机小分子）所制备的薄膜场效应晶体管的基本结构和工作原理与传统的薄膜晶体管相似。有机薄膜晶体管成膜方法多样，成本低、它可以在低温下制备，通常通过溶液加工，包括印刷、印刷和旋涂等。制备均匀性好，可规模化生产，柔韧性好，适用于柔性显示器、传感器和电子报纸等。但是，由于有机薄膜晶体管的电学特性差，性能稳定性差，有机高分子材料的性能很容易退化、不稳定等问题没有广泛投入实际生产要在商业应用中广泛使用有机薄膜晶体管，仍然需要解决它们的致命缺点，如稳定性和耐用性。近年来，有机薄膜晶体管发展迅速，其场效应迁移率也得到显著提高但其固有的缺陷和性能仍难以与低温多晶硅薄膜晶体管相媲美，且大多数传统有机薄膜晶体管的场效应迁移率较低，难以在大面积高分辨率的新型显示技术中实现应用，目前仍处于研发阶段。

氧化物薄膜晶体管

氧化物薄膜晶体管（Oxide   ft）它是一种特殊类型的场效应晶体管，通过在合适的衬底上制作电介质层并使用氧化物材料作为活性层和电极而形成。氧化物薄膜晶体管的关键材料是氧化物半导体，如铟镓锌氧化物（IGZO）等等，这些材料由于具有良好的电子迁移率和光学性能，在薄膜晶体管的制造中起着重要的作用。氧化物薄膜晶体管器件的制备方法非常广泛，与传统工艺线兼容，可以在低温下制备。氧化物 TFT具有高场效应迁移率，适用于高分辨率显示器件；适用于大尺寸LCD和AMOLED显示面板。此外，大多数金属氧化物具有较大的带隙和较高的可见光透过率，可用于制造全透明 薄膜晶体管器件。

显示器中的薄膜晶体管、广泛应用于传感和检测领域，主要是液晶显示（LCD）用于像素控制和驱动，以及有机发光二极管（OLED）和有源矩阵发光二极管（AMOLED）用于在显示技术中实现高质量图像，例如。此外，薄膜晶体管在传感器和红外探测器中也起着关键作用，如生物传感器和气体传感器，其中量子点薄膜晶体管的应用提高了红外探测器的性能。这些应用使得薄膜晶体管成为显示技术以及传感和检测领域的重要部分。

液晶显示（LCD）

液晶显示器（LCD）它是一种非有源发光器件，因此需要外部背光其工作原理是通过薄膜晶体管电场的变化来改变液晶分子的排列，然后通过偏振片和彩膜基板的结合来调节出射光的强度和颜色变化，从而显示不同的画面。液晶显示器中薄膜晶体管的关键功能是开关和驱动特性通过在高电位和低电位之间来回切换源电极和漏电极的电位，薄膜晶体管可以执行开或关指令。

LCD中的每个像素由红色组成、绿、蓝色由三种基本颜色的子像素组成，每种颜色都经过一个薄膜晶体管、液晶电容器和存储电容器的组合。扫描电压和数据电压控制薄膜晶体管的开关状态和液晶电容的电压，进而决定液晶分子的偏转角，影响像素的色彩和亮度。存储电容器减缓漏电流，并确保显示屏保持清晰。这种驱动机制使LCD能够精确地显示各种颜色和图像，实现高质量的图像表现。

有机发光二极管（OLED）

有机发光二极管（Organic   l-Emitting   diode, organic light emitting diode）与液晶显示器不同的是，它是一种主动发光器件，通过改变电流来控制光的亮度和颜色。每个有机发光二极管子像素的最基本结构的驱动电路包括有机发光二极管、一个存储电容器和两个薄膜晶体管（开关薄膜晶体管和驱动薄膜晶体管）

在有机发光二极管，开关TFT与LCD中的TFT功能相同，只要能实现电路切换功能即可。相比之下，驱动TFT电流的变化直接影响有机发光二极管的发光亮度为了满足显示屏的亮度要求，必须选择输出电流大迁移率高的TFT。在实际的有机发光二极管制造过程中，为了提高生产效率和成品率，通常采用6T1C结构或7T1C结构的等效电路来保证有机发光二极管显示面板的稳定性和性能。这种结构的使用使得有机发光二极管技术能够更广泛地应用于商业领域。

有源矩阵发光二极管（AMOLED）

有源矩阵发光二极管（Active-Matrix   organic   lightemitting   diode, AMOLED）源自有机发光二极管显示技术，不同于LCD的电压驱动，AMOLED采用有源驱动。AMOLED采用有机材料镀膜，薄膜晶体管阵列作为开关当电流通过时，这些有机半导体材料会直接发光，电流越大，发光强度越大，所以不需要背光源。因此，AMOLED技术不仅轻便节能，而且可以在低温下制备，也就是说，它具有低成本和柔性的特点，并且具有宽色域和高饱和度，大大提高了人们 使用显示屏的舒适性。有源矩阵驱动显示技术是为了实现大尺寸、高分辨率、高亮度高色彩饱和度的核心开发技术。

传感探测领域

传感器领域

薄膜晶体管也广泛应用于传感器领域。基于薄膜晶体管的生物传感器可以有效地将生物信号转化为电信号，实现良好的信息放大。此外，薄膜晶体管在气体传感器领域也有应用前景，尤其是基于晶体管的三端器件气体传感器，具有较高的响应性、选择性强，信噪比高。如图，是基于薄膜晶体管的气体传感器气体分子直接影响晶体管的导电沟道，从而改变其电特性，实现信号传感、放大和传输功能。与传统的双端器件相比，薄膜晶体管气体传感器以柔性介质层为基底，以有机高分子聚合物为活性层，可以通过旋涂或刮涂的方式大面积制备，具有很大的应用潜力这种灵活性和通用性使其应用前景更加广泛。

红外探测领域

薄膜晶体管在红外探测中的应用已经引起了广泛的关注，特别是基于近红外材料如InGaAs、PbS、PbSe 美国的薄膜晶体管在这一领域做出了越来越重要的贡献。近年来，我国将红外探测器企业定义为新技术企业，并加强对薄膜晶体管阵列短波红外探测技术的支持，使其成为国家发展的重点高新技术领域。传统的红外探测器多采用电阻式和二极管双电极器件，灵敏度较低、基于量子点薄膜晶体管的探测器可以弥补这些缺点。量子点具有粒径可调的特点，可以将探测范围扩展到长波段，表现出较快的响应速度、灵敏度高，能在恶劣环境下正常工作。因此，量子点薄膜晶体管在红外探测领域的研究和工业应用日益广泛。