关于四端低温多晶硅薄膜晶体管底部栅极影响的研究

《Displays》：Investigation on the bottom gate influence of four-terminal low temperature Poly-silicon thin film transistor

四端低温度多晶硅薄膜晶体管制备及阈值电压调控研究，系统分析了底部栅压与栅绝缘层厚度对阈值电压、温度敏感性和负偏置温度应力稳定性的影响，发现线性关系和优化效果。

　　

高亚娜|彭聪|杨康|李希锋|张建华

教育部先进显示与系统应用重点实验室，上海大学，上海200072，中国

摘要

在本文中，我们制备了具有独立底部屏蔽金属电极和顶部栅电极的四端低温多晶硅薄膜晶体管（TFT），并系统研究了底部栅极偏压（V_BGS）和栅极绝缘层（GI）厚度对器件特性的影响。结果表明，底部栅极电压与TFT阈值电压（V_TH）之间存在线性关系。对于栅极绝缘层厚度为140纳米的器件，V_TH-V_BGS曲线的斜率约为?0.197。可靠性测试表明，将V_BGS从?10伏特提高到10伏特可以减少约30.9%的温控V_TH变化，并提高负偏压温度应力（NBTS）稳定性约17%。这些结果证实，正的V_BGS值通过减少陷阱态来提高TFT的温度敏感性和NBTS稳定性。另一方面，减小栅极绝缘层厚度可以增强顶部栅极的控制能力，包括抑制由V_BGS电压变化引起的VTH变化。当栅极绝缘层厚度降至120纳米时，两种V_BGS条件（?10伏特和10伏特）下的VTH差异减小。

引言

柔性主动矩阵有机发光二极管（AMOLED）显示技术因其高对比度和宽视角等优点而在工业上得到广泛应用[1],[2],[3],[4],[5]。在AMOLED显示器中，OLED作为薄膜晶体管（TFT）的电流驱动器件，其显示性能受到TFT特性的显著影响[1],[6],[7]。因此，基于柔性基板的TFT的研究及其在面板显示器中的应用越来越受到关注[1],[4],[8],[9],[10],[11]。众所周知，TFT的特性（如阈值电压V_TH）的变化容易受到外部电场、光线和温度等因素的影响[10],[11],[12],[13],[14]。这些变化会导致面板补偿电路的驱动电流和移位寄存器电路的输出性能出现差异，从而显著降低AMOLED显示器的图像质量[8],[15],[16]。一种常见的方法是在三端TFT的底部添加底部栅极层（BG）[6],[17],[18],[19],[20]。先前的研究已经广泛探讨了四端TFT的性能，特别是双栅极TFT，研究表明它们可以增强导通电流和迁移率[17],[18],[19],[20]。然而，随着未来对高分辨率显示器（每英寸像素数高且边框极窄）的需求增加，迫切需要大幅压缩像素和驱动电路的空间布局。传统的双栅极结构是通过每个像素中的顶部栅极和底部栅极之间的连接孔实现的，这不仅阻碍了空间布局面积的减小，还增加了掩模和光刻工艺，导致生产成本上升，不符合工业发展的需求[4],[21]。相比之下，独立结构的顶部栅极和底部栅极可以分别独立工作：顶部栅极控制TFT的开关，而底部栅极调节器件的阈值电压。因此，通过顶部栅极和底部栅极电压的协同调节，可以实现高性能和低功耗的器件。迄今为止，关于具有独立栅极的四端TFT的性能的系统研究很少，尤其是在温度应力稳定性方面。因此，我们对TFT的性能进行了详细研究，旨在探索一种能够平衡高集成度和可调器件性能的可行技术路径[17]。

在本文中，我们制备了具有独立顶部和底部栅电极以及不同厚度栅极绝缘层的四端低温多晶硅（LTPS）TFT。我们全面表征了器件在不同底部栅极电压（V_BGS）下的传输特性和输出特性。TFT的V_TH可以通过V_BGS成功控制。最后，评估了TFT的温度敏感性和负偏压应力稳定性，以进一步验证V_BGS对器件可靠性的影响。

部分摘录

实验

首先，通过在玻璃上涂覆聚酰亚胺（PI）并在400℃下固化，制备了厚度为15微米的柔性基板。然后采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方法沉积了70纳米的SiOx作为缓冲层（BL）。接下来，沉积了10纳米厚的Mo作为底部栅极层。随后，依次沉积了430纳米的SiOx、120纳米的SiNx和300纳米的SiOx作为绝缘层（GI1）。紧接着，通过PECVD沉积了45纳米厚的Poly-Si作为有源层

结果与讨论

图2显示了TFT的传输曲线和输出曲线，其中V_BGS设定为0伏特。在漏极电压（V_D）为?0.1伏特的情况下对传输曲线进行了拟合计算，得到了优异的电学性能参数：场效应迁移率高达83厘米²伏特^–1秒^–1，阈值电压为?2.54伏特，亚阈值摆幅为0.58伏特/分贝，电流开/关比为5.4×10⁷。值得注意的是，关断电流低至10^–14安培。此外，当V_D

结论

总之，我们制备了一种具有独立底部屏蔽金属电极和顶部栅电极的四端低温多晶硅薄膜晶体管，并系统研究了V_BGS变化对器件性能的影响规律。研究结果表明，随着V_BGS的增加，V_TH线性降低；同时，界面缺陷的减少导致亚阈值摆幅减小。减小栅极绝缘层的厚度可以增强栅极的控制能力

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。