非晶硅的结构与特点

2.2　非晶硅TFT的结构与特点

非晶硅TFT是在玻璃基板（非晶体的衬底）上制作的半导体器件，首先是做成各种膜，然后对膜进行加工，形成具有一定功能的半导体器件。非晶硅TFT具有以下特点：

（1）工艺温度低（350℃左右）。

（2）成本低。

（3）适合大面积器件。

（4）阈值电压低，一般在1～4V。

（5）漏电流小，一般在1pA的水平。

（6）载流子迁移率低，只有0.1～1.0cm²·（V·s）^-1。

（7）需要专用栅极与源极驱动电路。

图2.11给出了几种不同结构的TFT的比较；图2.12给出了顶栅型结构和底栅型结构的TFT的比较，图中PEVCD的意义见表2.1。目前大部分采用底栅型结构。因为底栅型结构的金属栅极和绝缘层同时可以作为半导体层的光学保护层，以防止因背光源发出的光照射到非晶硅层产生的光生载流子而破坏半导体层的电学特性。进一步比较见表2.1。

图2.11　几种不同结构的TFT的比较

图2.12　顶栅型结构和底栅型结构的TFT的比较

表2.1　3种型式TFT结构比较

顶栅型结构也有许多优点，通过大幅度改进光刻技术，可以大幅度降低成本，多晶硅TFT基本上都是采用顶栅型结构。但是顶栅型结构必须要为半导体层设置一层保护膜，以防止因背光源的光刺激有源层产生的光生载流子而破坏有源层的电学特性。

在TFT-LCD显示器的设计中，我们不仅要设计一个性能优越的场效应晶体管TFT，同时还要给每个像素设计一个可以在一个帧频周期维持像素信号电压的像素电容器（CS）。大面积的像素电容不仅可以改善像素电压保持率，而且可以改善图像的闪烁和对比度。最简单的办法就是在像素上设计一个独立的电容，但是这样同时也会降低像素的开口率。如果能够找到一种高导电率的透明材料就可以解决问题。图2.13所示是独立存储电容的TFT结构及其等效电路。

图2.13　独立存储电容的TFT

图2.14所示是独立存储电容的TFT的剖面示意。

图2.14　独立存储电容TFT的剖面示意

也可以与栅极集成形成共栅极电容。图2.15所示是具有共栅极存储电容的TFT结构及其等效电路。采用共栅极电容不仅简化了工艺，而且提高了像素的开口率，减低了成本，但同时带来的后果是加大了栅极总线的RC时间常数。栅极信号RC延迟的后果是可能会对TFT开关性能带来一些负面影响。这个问题可以通过采用低阻总线材料如铝或铜来解决。

图2.15　具有共栅极存储电容的TFT结构及其等效电路

图2.16所示是底栅型结构背沟道刻蚀型TFT的立体结构和剖面结构。W是沟道宽度，L是沟道长度，ΔL是漏极、源极和沟道的重叠长度。

图2.16　底栅型结构背沟道刻蚀型TFT的立体结构和剖面结构

图2.17　底栅型结构刻蚀保护型TFT的立体结构和剖面结构

图2.17所示是底栅型结构刻蚀保护型TFT的立体结构和剖面结构。

图2.18所示是底栅型结构背沟道刻蚀型TFT-LCD的剖面示意。

图2.18　底栅型结构背沟道刻蚀型TFT-LCD的剖面示意

虽然底栅型结构的底栅电极可以挡住从背光源直接入射的光线，但是，由液晶盒内部反射的光和来自显示器正面的环境光还是会刺激TFT的有源层，从而形成光敏电流，破坏TFT的电学性能。因此彩膜（color filter，CF）基板在TFT的部位制作了降低环境光干扰的黑矩阵（black matrix，BM）。这样，就基本上消除了光学环境对液晶盒内TFT阵列电学性能的影响。

TFT的输入阻抗非常高，这本来是它的优点，但在使用和制造上却带来新的问题。由于输入阻抗高，TFT的绝缘层又很薄，因此，当带电荷物体一旦靠近栅极时，在栅极感应出来的电荷就很难通过这个电阻释放掉，电荷的累积造成了电压的升高，尤其是在极间电容比较小的情况下，少量的电荷就会产生较高的电压，非常容易击穿损坏栅极，因此在TFT-LCD工艺技术中要特别注意消除静电，工作人员不带除静电环，就不容许其接触TFT器件。