薄膜晶体管材料与技术

《薄膜晶体管材料与技术》是战略性新兴领域“十四五”高等教育教材体系——“先进功能材料与技术”系列教材之一。本书归纳薄膜晶体管（TFT）材料、器件及制备技术，总结和梳理TFT相关的基础理论知识，包括材料物理与化学、器件物理、工艺原理以及实际应用设计原理，进一步提出新见解，为TFT技术的发展提供理论指导和方向参考。本书以TFT半导体材料作为主线，无机和有机材料相结合、材料与器件相结合、理论和实际应用相结合、经典理论与最新前沿理论相结合，涵盖了TFT的相关理论、研究方向和最新进展。 本书适合作为电子信息类、微电子类、光电工程类、功能材料类等专业的本科生及研究生教材，也适用于显示领域相关工程技术人员作为参考书籍。

兰林锋，华南理工大学教授，国家优秀青年基金获得者，教育部首批全国高校“黄大年式”教师团队成员，华南理工大学发光材料和显示器件国家重点实验室的固定成员；并担任国际信息显示协会（北京分会）技术委员会委员，中国物理学会发光分会委员，广东省材料研究学会青委会副主任，国际期刊Materials编委。长期从事薄膜晶体管及显示技术的研究，开发了高迁移率、高稳定性的稀土掺杂氧化物半导体（Ln-Oxide），并在国内率先实现了基于氧化物TFT的柔性AMOLED彩色显示屏，Ln-Oxide成功实现了驱动柔性显示、透明显示、高分辨率显示等。自主研发的Ln-Oxide把迁移率和稳定性提高至国际领先水平，其靶材制备也已实现了国产化，打破了产线用的氧化物半导体靶材需从国外进口的局面，实现从材料设计到制备全套国产替代。获得广东省技术发明一等奖（2018）、中国光学科技奖三等奖（2019）、广东省材料研究学会青年科技奖（2020）。在薄膜晶体管相关领域发表SCI论文110余篇，被引用3000多次。获授权发明专利30多件（含美国专利6件）。

1 绪论 001 1.1 薄膜晶体管简介 001 1.2 薄膜晶体管发展的历史脉络 002 1.3 薄膜晶体管技术面临的问题及发展趋势 004 1.4 本书的架构及特色 005 习题 006 2 薄膜晶体管工作原理和相关功能材料 007 2.1 薄膜晶体管的工作原理和电学特性 007 2.1.1 薄膜晶体管的基本工作原理 008 2.1.2 薄膜晶体管电学特性曲线 008 2.1.3 薄膜晶体管的主要性能参数 010 2.1.4 薄膜晶体管的稳定性 013 2.2 薄膜晶体管的结构及分类比较 015 2.2.1 顶栅结构 015 2.2.2 底栅结构 015 2.2.3 双栅及其他结构 016 2.3 薄膜晶体管的主要功能材料及分类 016 2.3.1 薄膜晶体管的半导体材料分类比较 017 2.3.2 薄膜晶体管的介电材料 018 2.3.3 薄膜晶体管的电极材料 028 习题 030 3 非晶硅薄膜晶体管 031 3.1 非晶硅材料 031 3.1.1 材料结构 031 3.1.2 氢钝化 035 3.1.3 掺杂 036 3.1.4 输运机理 037 3.2 非晶硅薄膜晶体管器件 040 3.2.1 器件结构 040 3.2.2 器件特性 041 3.3 非晶硅薄膜晶体管器件稳定性 044 3.3.1 偏压稳定性 045 3.3.2 热稳定性 048 习题 049 4 多晶硅薄膜晶体管 050 4.1 多晶硅材料 050 4.1.1 材料结构 050 4.1.2 晶化技术 053 4.1.3 掺杂 057 4.1.4 输运机理 059 4.2 多晶硅薄膜晶体管器件 063 4.2.1 器件结构 063 4.2.2 器件特性 064 4.3 多晶硅薄膜晶体管器件稳定性 068 4.3.1 自加热效应 068 4.3.2 热载流子效应 069 习题 070 5 有机薄膜晶体管 071 5.1 有机半导体材料载流子传导机制及分子设计基本原理 071 5.1.1 有机半导体的分子轨道结构 071 5.1.2 有机半导体的载流子形成机制 075 5.1.3 有机半导体分子间载流子输运机制 077 5.1.4 有机半导体的分子设计基本理论 077 5.2 有机半导体材料及分类 079 5.2.1 有机小分子半导体材料 080 5.2.2 聚合物半导体材料 085 5.3 有机薄膜晶体管的界面工程 090 5.3.1 栅绝缘层/有机半导体层界面工程 090 5.3.2 有机半导体层/源漏电极界面工程 093 习题 095 6 氧化物薄膜晶体管 096 6.1 氧化物薄膜晶体管概述 096 6.1.1 历史及发展阶段 096 6.1.2 优点和挑战 097 6.1.3 应用进展 098 6.2 氧化物半导体材料设计理论及载流子传导机制 099 6.2.1 氧化物半导体的基体元素及电子结构特征 099 6.2.2 氧化物半导体材料的设计理论 101 6.2.3 氧化物半导体的缺陷杂质化学以及载流子形成机理 106 6.2.4 氧化物半导体的载流子传导机制 109 6.2.5 氧化物薄膜晶体管的稳定性 112 6.3 高迁移率氧化物半导体材料和器件设计原理 118 6.3.1 高迁移率氧化物半导体材料设计 118 6.3.2 高迁移率氧化物薄膜晶体管的 制备工艺设计 119 6.3.3 高迁移率氧化物薄膜晶体管的器件结构设计 123 6.4 p型氧化物半导体材料的设计 126 6.4.1 O2p与填满的d轨道杂化对价带的调制 127 6.4.2 O2p与填满的ns2轨道杂化对价带的调制 127 6.4.3 宽带隙非氧化物半导体——卤化铜 128 6.5 氧化物薄膜晶体管的尺寸效应及三维集成电路应用 129 6.5.1 氧化物薄膜晶体管的尺寸效应 129 6.5.2 氧化物薄膜晶体管在三维集成电路中的应用 132 习题 133 7 基于新型半导体的薄膜晶体管 135 7.1 一维半导体材料及其薄膜晶体管 135 7.1.1 碳纳米管及其薄膜晶体管 135 7.1.2 氧化物半导体纳米线及其薄膜晶体管 137 7.2 二维半导体材料及其薄膜晶体管 140 7.2.1 石墨烯及其薄膜晶体管 141 7.2.2 过渡金属二硫族化物及其薄膜晶体管 142 7.3 钙钛矿半导体材料及其薄膜晶体管 144 7.4 新型半导体材料及薄膜晶体管的未来发展方向 145 习题 146 8 薄膜晶体管在显示中的应用 147 8.1 显示基本概念 148 8.2 TFT LCD显示 152 8.2.1 像素电路 153 8.2.2 阵列驱动 156 8.2.3 阵列工程 158 8.2.4 彩膜、成盒和模组工程 163 8.3 AMOLED显示 167 8.3.1 2T1C像素电路 167 8.3.2 LTPS AMOLED像素电路 170 8.3.3 LTPO AMOLED像素电路 175 8.3.4 基于一次锁存驱动架构的AMOLED像素电路 178 8.3.5 AMOLED工艺集成技术 181 8.3.6 柔性AMOLED技术 182 8.3.7 OLED排布 183 8.4 Micro-LED显示 186 8.4.1 PWM驱动 187 8.4.2 数字PWM驱动电路 188 8.4.3 模拟PWM驱动电路 189 8.5 行驱动电路 193 8.5.1 移位寄存器 195 8.5.2 非晶硅TFT行驱动电路 196 8.5.3 非晶氧化物TFT行驱动电路 197 8.5.4 低温多晶硅行驱动电路 200 习题 201 9 薄膜晶体管的新应用及未来展望 203 9.1 TFT在传感中的应用 203 9.1.1 生物传感 203 9.1.2 气体液体传感 205 9.1.3 触觉传感 206 9.2 人工突触及类脑计算 207 9.3 TFT在集成电路中的应用 208 9.3.1 非易失性存储 209 9.3.2 易失性存储 209 9.4 TFT在光电探测中的应用 210 9.5 TFT在超声波指纹识别中的应用 212 9.6 未来展望 212 习题 213 参考文献 214