《薄膜晶体管集成电路》主要介绍薄膜晶体管（TFT）集成电路技术领域的基础知识和作者在该领域的代表性研究成果。内容涵盖图像显示和图像传感器件所需的TFT集成电路技术，如像素TFT电路、行驱动（扫描）TFT电路以及列（数据）驱动TFT电路等。《薄膜晶体管集成电路》共5章，分别为：薄膜晶体管（TFT）概述，有源矩阵液晶显示（AMLCD）TFT电路，有源矩阵有机发光二极管（AMOLED）显示TFT电路，有源矩阵微型发光二极管（AM-MLED）显示TFT电路，以及X射线成像探测器TFT电路。各章均分别以非晶硅TFT、低温多晶硅TFT、氧化物TFT以及低温多晶硅与氧化物混合TFT为集成器件，系统分析和详细讨论相应TFT电路的工作原理和设计 思路，并给出若干电路实例。

第1章薄膜晶体管(TFT)概述
　　薄膜晶体管(Thin-Film Transistor，TFT)是金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)的一种。MOSFET一般制作于硅片（晶圆)上，其有源(沟道)层为单晶半导体材料，而TFT则通常是制作于玻璃或塑料基底上，其有源层为非晶、微晶或多晶的非单晶半导体材料。因此，TFT的电学特性通常要明显劣于单晶的MOSFET，难以成为高性能的半导体器件和构建高性能的集成电路。但是，TFT的低成本和基板可大尺寸化的优势，造就了当今以平板显示为代表的市场规模巨大的大尺寸微电子技术。在大尺寸微电子器件和系统中，TFT不仅作为开关元件，而且还构建具有各种功能的集成电路。当前，随着基于TFT的集成电路技术的不断进步，大尺寸微电子技术得到了快速的发展。
　　TFT按其有源层材料来分类，可分为无机半导体TFT和有机半导体TFT两大类。无机半导体TFT主要有非晶硅(Amorphous Silicon，a-Si)、多晶硅(Poly Silicon，p-Si)和非晶金属氧化物半导体(Amorphous Oxide Semiconductor，AOS)TFT等。这些TFT技术经过多年的研究与开发，目前已经实现了产业化。而有机半导体TFT仍处于研发阶段，离产业化尚有较长的路要走。因此，本章仅对已经在大尺寸微电子技术和产品中得到广泛采用的非晶硅、多晶硅和非晶金属氧化物TFT进行概述。
　　1.1 非晶硅(a-Si)TFT
　　a-SiTFT是指采用非晶硅作为其有源(沟道)层的薄膜晶体管。对非晶硅材料及其器件特性的基础研究始于20世纪60年代。1969年，Chittick等人提出了用辉光放电技术制备非晶硅薄膜[1]。之后，Brodsk和8%31[3]等人分别对非晶硅薄膜的光电特性和掺杂工艺进行了研究。1979年，Comber等人采用等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)技术制备出世界上**个非晶硅薄膜晶体管[4]。这些早期的材料和器件及其相关的研究，特别是薄膜的PECVD制备和掺杂技术，以及对器件应用的探索，为后来a-SiTFT广泛应用于平板显示和X射线医用成像探测器行业奠定了重要的基础。本节将介绍成为实用器件的氢化非晶硅(a-Si:H)TFT的材料特性、器件结构与工艺，以及器件的电学特性与稳定性等。
　　1.1.1材料特性
　　a-Si薄膜的材料特性很大程度决定了a-SiTFT的电学特性。因此，将*先介绍a-Si薄膜的材料特性，包括晶体结构、能带结构与态密度，以及材料中载流子的输运等。
　　1.1.1.1晶体结构
　　硅(Si)的晶体形态一般分为三类：单晶态、多晶态和非晶态。其中单晶硅和多晶硅通常也被统称为晶体硅。单晶硅主要用于半导体器件与集成电路等领域，而其他形态的硅材料则主要用于平板显示和太阳能电池等大尺寸微电子领域。
　　单晶硅的结构为立方金刚石结构，晶胞的边长为0.543nm(温度为300K时），每个硅原子与周围4个硅原子形成共价键，键长为0.235nm，键角为109°28～单晶硅的原子呈现有规律的周期性排列，表现出较高的载流子迁移率，其中电子迁移率约为，而空穴的迁移率约为。通过掺入微量IIIA或VA族元素可在单晶硅中产生大量空穴和电子，从而形成P型或N型半导体材料。单晶硅热氧化后可形成致密的氧化硅薄膜，用作硅晶体管的栅绝缘层和其他绝缘层，这是硅工艺区别于其他半导体工艺的一个重要特征，也是硅工艺的一个重要优势。此外，单晶硅具有较大的禁带宽度，可在较高温度下工作。因此，单晶硅广泛应用于半导体器件和集成电路的制造。
　　与单晶硅相比，非晶硅(a-Si)的主要特征是其原子排列总体上是杂乱无章的，如图1.1所示。但以某个原子为中心的近邻原子排布又与单晶硅类似，呈现Si—Si共价键形成的四面体结构。因此，非晶硅中的原子排列为短程有序但长程无序的无定型结构。非晶硅中Si—Si共价键的键长和键角的数值会相对于单晶硅的值发生波动。并且，相对于键长，键角的波动范围更大。键角偏离109°28'的程度越大，成键的结合力越弱，由此形成“Si——Si”弱键。此外，非晶硅中通常存在大量未成键的Si原子，并因此形成“Si—”悬挂键。这些悬挂键和弱键在材料中形成很高密度的缺陷态[5]，导致a-Si的载流子浓度和迁移率均很低。而且，悬挂键在器件工作过程中会俘获电子或空穴，导致器件在光、热与偏压应力下的稳定性较差。
　　在a-Si薄膜的制备过程以及后续工艺中引入氢(Hydrogen，H)可大大改善a-Si的电学特性。如图1.1所示，引入的氢可与非晶硅中的悬挂键结合形成Si—H键，从而大幅度降低悬挂键的密度。同时Si—H键的形成也使晶格的畸变程度有所降低，弱键的密度也相应减少。实验结果表明，掺氢a-Si的载流子迁移率可达到接近lcmV's-1的水平，从而能满足许多实际应用场合，如平板显示器件和太阳能电池的要求。这种掺氢的非晶硅材料通常称为氢化非晶硅(a-Si:H)。考虑到目前实用化的非晶硅均为a-Si:H，因此本书各章所提到的a-Si，如果没有特别说明均指a-Si:H。
　　a-Si:H薄膜通常采用PECVD法进行制备，如图1.2所示。SiH4和112混合气体在射频电源(Radio Frequency，RF)的作用下分解成SiHf、H等，而SiH3扩散到基板附近，迁移并与表面的Si—形成Si—Si—H3[6]。H除了起钝化悬挂键而减少缺陷的作用外，在a-Si:H中也会以不稳定的“一H—H—”键或“间隙H2”等形式存在，从而引入新的缺陷。因此，控制a-Si:H薄膜中的H含量是极为关键的工艺要素。成膜过程中衬底温度、RF功率、气体比例与流量等参数均有重要影响。如衬底温度过髙会导致成膜过程中H原子过热而逸出，氢气比例过髙会形成过多不稳定的弱键，过低则会导致悬挂键没有充分填补a-Si:H薄膜中的H含量通常控制在10%左右。高质量a-Si:H的PECVD制备工艺的成膜温度一般高于300°C，H2/SiH4气体流量比约为5～10，射频电源的频率通常为13.56MHz。
　　1.1.1.2非晶硅材料能带与态密度
　　图1.3(a)为单晶硅的能带结构示意图。硅原子*外层有4个电子，平均分布于*外层的s轨道和p轨道。当硅原子相结合形成晶体硅时，发生sp3轨道杂化，每个硅原子4个*外层电子均参与成键。在该过程中，电子占满的成键态扩展形成价带，而空的反成键态扩展形成导带。此外，由于导带底和价带顶不在同一波矢位置，因此单晶硅为间接带隙半导体，其禁带宽度(也称“带隙”，EnergyGap)约为。
　　图1.3(b)为非晶硅的能带结构示意图。非晶硅中的Si—Si共价结合过程与单晶硅中类似，同样会扩展形成导带和价带。不同之处为，非晶硅为直接带隙半导体，其禁带宽度相对较大，约为1.7eV。此外，相比于单晶中干净的禁带，非晶硅的禁带中分布着大量的局域态(指电子被束缚在某个点附近，无法自由移动)缺陷。这些局域态源于上述非晶硅中存在的弱键和悬挂键。图1.4示意了非晶硅的态密度分布。上述禁带中的局域态主要呈现为两种形式。其一是与导带和价带扩展态相连接的部分，称之为带尾态，主要由“Si—一Si”弱键引起。其二是位于禁带中部的深能级缺陷态，主要由“Si—”悬挂键所致。
　　1.1.1.3非晶硅中载流子输运
　　上述非晶硅的带隙通常也称为迁移率隙，或迁移率边，即导带底Ec和价带顶A是载流子迁移率突变的分界线。载流子仅在扩展态中输运时具有较高的迁移率，而仅在带尾的深能级局域态输运时迁移率很低，因此将扩展态和带尾态的分界处定义为迁移率边[7]，并由此定义出类似晶体硅中的导带、价带和带隙。非晶硅中，载流子主要沿迁移率边附近输运，呈现跳跃式传输[8，9]。
　　Comber等人于1970年给出了非晶硅中载流子迁移率随温度的变化的规律
　　(1-1)
　　其中，&为带尾局域态载流子迁移率，&为扩展态载流子迁移率，a是导带底态密度爪和缺陷态密度爪的比值。如图1.5所示，a-Si中载流子迁移率随着温度的降低而下降，290K时约时降低到约0.002cm2V-1s-1。
　　1.1.2器件结构与工艺
　　1.1.2.1四种**TFT器件结构
　　以栅和源漏区域相对于有源层的位置进行划分，可将TFT结构分为四类：交错(Staggered)结构、反向交错(Inverted Staggered)结构、共面(Coplanar)结构和反向共面(Inverted Coplanar)结构，如图1.6所示。交错结构是指栅极与源漏极分布在有源层的两侧，如图1.6(a)和(b)所示。共面结构是指栅极与源漏极分布在有源层的同一侧，如图1.6(c)和(d)所示。反向结构是指栅极在器件的底(背)部，一般也称为底(背)栅结构，如图1.6(b)和(d)所示。
　　四种结构中，反向交错及共面结构应用*为广泛。有源矩阵液晶显示器(Active-Matrix Liquid Crystal Display，AMLCD)背板的a-Si:HTFT普遍使用反向交错结构，也就是业界熟知的背沟道刻蚀(Back-Channel Etch，BCE)的背栅结构。而有源矩阵有机发光二极管(Active-Matrix Organic Light Emitting Diode，AMOLED)显示器的背板TFT则采用共面结构，也就是顶栅自对准(Self-Aligned Top-Gate，SATG)结构。BCE结构的TFT背板制造只需要4～5枚掩模(Mask)，成本较低，因
　　此被广泛应用于大尺寸AMLCD产品的制造。而SATG结构的TFT背板制造需要6枚以上的掩模，成本较高，而被广泛使用于AMOLED以及高分辨率的小尺寸AMLCD产品的制造。下面以BCEa-Si:HTFT为例简述TFT背板的工艺流程。
　　1.1.2.2 五掩模BCE-TFT工艺
　　所谓五掩模(5Mask)TFT工艺，是指在BCE-TFT背板的制造中用五枚掩模进行五道光刻工艺，分别用于TFT各层薄膜的图形化。**道为栅电极金属薄膜，第二道为非晶硅有源层/重掺杂非晶硅欧姆接触层，第三道为源漏电极金属薄膜，第四道为氮化硅钝化层(Passivation，PV)，以及第五道为透明导电膜的氧化铟锡(Indium Tin Oxide，ITO)像素电极(Pixel Electrode，IPE)层。
　　在大尺寸AMLCD中，为了减少寄生电阻引起的栅极扫描电压信号延迟，栅极金属一般采用电阻率较低的铝(A1)或铜(Cu)。铝金属成本较低，在小、中、大尺寸显示面板均有应用。然而，A1与玻璃间膨胀系数差异较大，因此A1在成膜过程及后续热制程中易发生膨胀变形，形成表面突起(hilllock)，这会导致栅绝缘层(Gate Insulator，GI)穿刺或GI膜质变差，从而使栅/源间击穿特性恶化，发生静电释放(Electro-Static discharge，ESD)或金属短路等问题。因此，一般需要在A1膜表面沉积一层薄的Ti或Mo来阻挡表面突起的产生。对于55英寸以及更大尺寸的面板，A1线已不能满足驱动速度的要求，需要电阻率更低的铜电极和互连线。但是，铜与玻璃黏附性较差，在生长前需预先沉积一层Mo或Ti来增加金属与基板之间的黏附力。

目录
前言
第1章 薄膜晶体管(TFT)概述 1
1.1 非晶硅(a-Si)TFT 1
1.1.1 材料特性 1
1.1.2 器件结构与工艺 5
1.1.3 器件电学性能 9
1.2 多晶硅(p-Si)TFT 17
1.2.1 材料特性 17
1.2.2 器件结构与工艺 18
1.2.3 器件电学性能 23
1.3 非晶氧化物TFT 30
1.3.1 材料特性 30
1.3.2 器件结构与工艺 34
1.3.3 器件电学性能 38
1.4 本章小结 45
参考文献 46
第2章 有源矩阵液晶显示(AMLCD)TFT电路 50
2.1 AMLCD简介 50
2.2 AMLCD像素电路 52
2.2.1 非晶硅(a-Si)TFT像素电路设计 52
2.2.2 多晶硅TFT像素电路设计 60
2.2.3 氧化物TFT像素电路设计 62
2.3 TFT集成的行驱动电路 64
2.3.1 a-Si TFT集成行驱动电路 65
2.3.2 LTPSTFT集成行驱动电路 85
2.3.3 氧化物TFT集成行驱动电路 89
2.4 TFT集成的列驱动电路 105
2.4.1 非晶硅TFT集成列驱动电路 106
2.4.2 多晶硅TFT集成列驱动电路 109
2.4.3 氧化物TFT集成列驱动电路 113
2.5 本章小结 116
参考文献 116
第3章 有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示TFT电路 120
3.1 AMOLED显示原理 120
3.2 AMOLED像素电路补偿原理 124
3.2.1 电流编程补偿原理 124
3.2.2 电压编程补偿原理 127
3.2.3 电流电压混合编程型补偿原理 131
3.2.4 外部补偿原理 131
3.2.5 不同类型像素电路的比较 132
3.3 AMOLED像素电路 133
3.3.1 多晶硅TFT像素电路 133
3.3.2 氧化物TFT像素电路 142
3.3.3 LTPOTFT像素电路 160
3.4 集成行驱动电路 167
3.4.1 LTPSTFT集成的行驱动电路 168
3.4.2 氧化物TFT集成行驱动电路 172
3.4.3 LTPOTFT集成行驱动电路 183
3.5 集成列驱动电路 189
3.5.1 多晶硅TFT集成列驱动电路 189
3.5.2 多晶硅TFT集成列线选择开关模块 193
3.6 本章小结 194
参考文献 195
第4章 有源矩阵微型发光二极管(AM-MLED)显示TFT电路 198
4.1 AM-MLED 显示简介 198
4.2 AM-MLED显示驱动原理 201
4.2.1 PAM驱动原理 202
4.2.2 PWM驱动原理 204
4.2.3 数字式PWM驱动原理 206
4.2.4 模拟式PWM驱动原理 207
4.2.5 数模混合式PWM驱动原理 208
4.2.6 脉冲混合调制(PHM)驱动原理 210
4.3 AM-MLED显示像素电路 211
4.3.1 LTPSTFT 像素电路 211
4.3.2 非晶氧化物(AOS) TFT像素电路 219
4.3.3 LTPO TFT 像素电路 240
4.4 AM-MLED显示的TFT集成行驱动电路 244
4.4.1 多晶硅TFT集成行驱动电路 245
4.4.2 氧化物TFT集成行驱动电路 248
4.5 本章小结 255
参考文献 255
第5章 X射线成像探测器TFT电路 258
5.1 X射线成像技术概述 258
5.2 X射线成像原理 260
5.2.1 直接与间接探测成像 260
5.2.2 无源和有源像素探测 264
5.2.3 探测器主要性能参数 265
5.3 无源像素探测(PPS) TFT电路 267
5.3.1 基于光电二极管(PD)的PPS电路 267
5.3.2 基于光电晶体管(PT)的PPS电路 274
5.4 有源像素探测(APS) TFT电路 283
5.4.1 基于光电二极管(PD)的APS电路 286
5.4.2 基于光电晶体管(PT)的APS电路 297
5.5 行驱动电路与外围读出电路 304
5.5.1 TFT集成的行驱动电路 304
5.5.2 外围读出电路 307
5.6 本章小结 310
参考文献 310