近年来，氧化物薄膜晶体管发展迅速，高迁移率、高可见光透过率以及低温加工工艺等优势使其在柔性显示领域占据重要地位。目前关于氧化物TFT 的文章报道大部分是n 型TFT，为进一步提高集成电路的性能，需要制造有稳定性能的p 型TFT。文章对比了4种TFT 器件结构的组成、工作原理以及其在显示器领域中的应用，重点阐述了自1997年起p 型TFT 的研究进展，包括其制备方法、制备原材料以及得到的TFT 的相关性能等；最后详细介绍了制备p 型TFT 的半导体材料和其新型应用领域，表明p 型TFT 在显示领域中具有重要应用前景。
桑叶采摘器关键词：薄膜晶体管；p 型；金属氧化物；铜铁矿；半导体材料中图分类号：TB34 文献标识码：A DOI：10.19881/jki.1006-3676.2020.12.09
Research Status of p-type Thin Film Transistor(TFT)
Zhang Shiliang 1 Zhai Rongli 2
（1. Soda Factory of Shandong Haihua Co. Ltd.， Shandong，Weifang，262737；2.School of
Microelectronics，Shandong University，Shandong，Jinan，250101）
Abstract ：As one of the leading technology in the field of flat panel display，thin-film transistor (TFT) plays an important role in the electronic information industry. In recent years，oxide-based thin-film transistors have developed rapidly，the advantages of high mobility，high transmittance in visible light，and low-temperature fabrication processes make them important in the field of flexible displays. Most of the current reports on oxide TFTs are n-type TFTs，to further improve the performance of integrated circuits，it is necessary to manufacture p-type TFTs with stable performance. Based on the relevant theory of TFT，this paper discusses the four device structures，
working principle and the major applications of TFT in the field of displays，then，through in-depth understanding of p-type TFT，the research progress of p-type TFT since 1997，including its preparation method，preparation raw materials，and related parameters of the obtained TFT，etc.，were reviewed；finally， the semiconductor materials for the preparation of p-type TFTs and their new application fields are also described in detail，indicating that p-type TFTs have made significant contributions in the field of display.
Key words ：Thin film transistor；p-type；Metal oxide；Delafossite；Semiconductor
2
山东大学微电子学院，山东，济南，250101）的研究进展
基金项目：本文系山东省自然科学基金项目（项目编号ZR2018QEM002）研究成果。
作者简介：张世亮，男，1984年生，高级工程师，研究方向：工业设计与化工原料加工。翟荣丽（通讯作者），女，1998年生，硕士，研究方向：微电子。
1947年，第一枚场效应晶体管（FET）在美国的贝尔实验室诞生。随后，人们在此基础上制备了薄膜晶体管（TFT）。TFT 因其具有高分辨率、高光学透过率、高彩饱和度、轻质量以及可用于集成电路等优良特性，在显示领域受到广泛关注，在电子信息产业的发展过程中起到了举足轻重的作用。
随着显示器不断向柔性、全透明以及低功耗等方面的发展，其应用领域逐渐多元。研究人员需要不断提高TFT 的性能以实现突破与创新。目前，硅基TFT 越来越无法满足庞大的电子市场需求，具有高迁移率和高光学透过率的氧化物TFT 逐渐引起人们的关注，并在柔性显示等热门领域发挥了重要作用。
目前，性能稳定的氧化物TFT 多由n 型透明导电材料如ZnO、SnO 2、In 2O 3、IGZO、IGO 等制备，其场效应迁移率μ可达90cm 2/(V·s)。相较而言，基于p 型透明导电材料的TFT 研究进展缓慢。p 型TFT 的缺失限制了互补电路、全透明显示器和柔性电子器件的发展。因此，研究并制备具有优良性能的p 型TFT 意义重大。
一、薄膜晶体管
（一）TFT 的应用
基于TFT 制造的显示器可以分为薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD）和有机发光二极管（OLED）显示器。其中，TFT-LCD 通过薄膜晶体管技术来改变影像的质量，将精细加工技术从小面积单晶扩展到
大面积玻璃基板上，最终形成大规模的全集成电路。该技术将液晶显示与微电子巧妙地结合在一起，在液晶显示器中被广泛应用。TFT-LCD 被广泛应用于电视、平板显示器、监视器、投影仪和智能手机等领域。
OLED 技术是把有机聚合材料作为半导体材料应用在发光二极管中，广泛应用于照明与显示领域。OLED 具有自发光的特性，在外电场的驱动下，载流子会发生注入和复合过程，OLED 通过此过程使有机材料发光。OLED
显示器相比TFT-LCD 显示器，其轻薄度更好、亮度更高、柔性更好、应用领域更广泛，可延伸到交通、商业及医用等领域，应用于ATM 机、VR 设备、GPS、飞机仪表以
及手术屏幕等设备。
TFT 还广泛应用于柔性显示等领域。由于柔性显示器具备体积小便于携带、低功耗、可弯曲、显示方式多样的特点，可进一步广泛应用于便携式电子设备领域。
（二）TFT 结构及性能参数
薄膜晶体管由源极、漏极、栅极三个电极以及有源层和绝缘层组成。TFT 是受电压控制的器件，它通过调节栅极电压的大小来改变源极和漏极之间的沟道电阻，进一步控制源漏极之间的电流大小。根据
栅极所在位置，可将器件划分为顶栅结构（top-gated）和底栅结构（bottom-gated），根据有源层和源漏电极的相关位置，可进一步划分为顶接触型（top-contact）和底接触型（bottom-contact），其结构如图1所示：
图1 TFT 四种器件结构：(a)底栅顶接触，(b)底栅底接触，(c)顶栅顶接触，(d)顶栅底接触
TFT 的主要性能参数包括以下三点：1.场效应迁移率μ
在外加电场的作用下，晶体管内部的载流子定向运动形成电流。场效应迁移率描述载流子的输运速度，用公式可表示为：
μ=v/E（eq.1）
其中v 表示载流子的平均漂移速度，E 为外加电场
强度。μ体现了半导体器件的电导率，进一步决定TFT 的开关响应速度。迁移率越大，即单位电场下载流子的
平均漂移速度越快，器件的电导率越大，同时器件的电
阻率越小。因此，当通过同样大小的电流时，迁移率越大，器件的功耗就会越小，TFT 的响应速度越快。
2.开关电流比I ON /I OFF
源漏电压保持不变时，器件处于开态和关态时流经沟道的电流的比值即开关电流比，表示为I ON /I OFF 。开关比决定器件的亮暗对比度，I ON /I OFF 越高，亮暗对比越明显。一般情况下，逻辑电路中器件的开关比要高于106。开态电流与显示信号的写入速度有关，其会影响图像信号的显示。开态电流越大，写入信号的速度越快，同时显示越好。关态电流与信号的保持时间有关，影响
器件的功耗大小。关态电流越小，信号的保持时间越长，同时器件的功耗越小。
3.阈值电压V TH
薄膜晶体管由截止状态转为导通状态时对应的栅极电压大小即阈值电压V TH 。通常薄膜晶体管绝缘层的介电常数越大，V TH 越小。对于增强型和耗尽型晶体管，其区别如表1所示。
（三）TFT 工作原理
栅极电压为正时，绝缘层中会产生电场，此电场以栅极为正极，半导体薄膜为负极，同时绝缘层表面
会产生感应电荷。随栅极电压V GS 不断增加，半导体薄膜层将不断积聚电子，当V GS 达到V TH 时，在源漏极间加上电压V DS ，就会有载流子经过。根据漏电流I D 随V DS 的曲线变化情况，可以将工作区域分为三个区域（对应曲线如图2所示）。
线性区：当V DS 很小时，导电沟道可以看作恒定电阻，漏电流随V DS 的增大而线性增大，I D -V DS 曲线为斜率大于
零的直线。夹断：V DS 不断增大，会影响V GS 的变化，从而导致绝缘层中的电场逐渐减弱，沟道电阻不断增大，I D 增加逐渐变缓，此时开始向饱和区过渡，对应的I D -V DS 曲线斜率不断减小。
饱和区：当V DS 继续增加，I D 将不再随V DS 的增大而增大，器件进入饱和区，对应的I D -V DS 曲线斜率趋于零。
图2 TFT 工作时三个区域对应的ID-VDS 曲线：(a)线性区，(b)夹断，(c)
饱和区
年份薄膜种类制备方法衬底退火温度
μ（cm 2
/V·s）
开关比Ref
2008
Cu 2O
PLD MgO —0.2661
2009CuO RFMS Cu 箔200℃ 2.51002
2010
Cu 2O
PLD
标定板
SiO 2/Si
— 4.3
3×106
3
2012
Cu 2O
MS
SiO 2/n-Si、ITO
— 2.4
3.96×104
4
2013
Cu 2O/SnO
MS ITO 400℃、700℃0.66
1.5×102
5远程运维
2013
Cu 2O
Sol-Gel
SiO 2/Si患者腕带
700℃0.16水力分级机
102
6
2015
Cu x O
Sol-Gel
SiO 2/Si
600℃0.29
1.6×104
7
2018
CuCrO 2
Sol-Gel
SiO 2/Si
800℃0.59
105
8
二、p 型TFT 研究进展性蚀
（一）p 型薄膜晶体管国内外研究现状
p 型半导体材料种类不多，主要可分为四大类。笔者主要以金属铜的相关氧化物为例，回顾了
2008—2018年来p 型TFT 的研究历程，将各研究团队所采用的制备方法、使用的衬底以及得到的薄膜的场效应迁移率与开关比列总结为表2。
2008年，Matsuzaki.K [1]等首次报道了基于p 型Cu 2O
表2 2008-2018年来p 型薄膜晶体管的制备工艺和性能
型TFT 的发展起到了良好的开端作用。
2009年，L.Liao等[2]报告了一篇基于CuO纳米线（CuO NM）的p 型TFT 的文章。CuO 带隙约为1.36eV，在许多领域有潜在应用。他们将Cu 箔用作CuO NM 的生长基质，在500℃下烘烤得到CuO NM，再将CuO NM 溶解，滴于SiO 2/Si 衬底上，最后通过UV 光刻和CuO 制造100nm 厚的Au 电极，得到了p 型TFT。μ为2~5cm 2/(V·s)，开关比为100。这项研究为基于半导体纳米线的高性能p 型薄膜器件的应用提供了可大规模制造的工艺。
2010年，Zou [3]报道了一种利用PLD 法制备的顶栅结构p 沟道Cu 2O 薄膜晶体管。在纯氧中以0.6 Pa 的氧分压，在100nm 厚的p 型SiO 2/Si 衬底上沉积Cu x O 薄膜。为制造Cu x O-TFT，首先要通过射频磁控溅射（RFMS）在Cu x O 膜上沉积Pt 膜，再通过PLD 在Cu x O 表面上制备HfON 介电层，并将Pt 沉积在HfON 上，最后制备出顶栅TFT，μ为4.3cm 2/(V·s)，开关比高达3×106。
2012年，Yao [4]采用磁控溅射法制备了p 型Cu 2O 薄膜晶体管。在SiO 2/n-Si 和掺Sn 的In 2O 3（ITO）透明玻璃衬底上，在不进行后退火的情况下，成功地在室温下制备出具有良好P 型半导体特性的纳米晶Cu 2O 薄膜，并在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基板上制造了p 沟道Cu 2O-TFT，μ为2.4cm 2/(V·s)，开关比为3.96×104。
2013年，Jawhari [5]报道了一种利用磁控溅射法制备的透明p 型Cu 2O/SnO 双层TFT。低温条件下，在镀有150nm 铟锡氧化物（ITO）栅电极的玻璃上，沉积220nm 铝氧化钛（ATO）电介质，并以Cu 2O 代替SiO 2作为SnO 薄膜晶体管的覆盖层，制备出Cu2O/SnO 叠层，最后得到具有可调器件性能的透明双层晶体管。μ为0.66cm 2/(V·s)，开关比为1.5×102。
2013年以前，p 型薄膜的制备方法均为磁控溅射、
TFT 大部分p 型TFT。
年，Kim [6]等第一次采用溶胶凝胶法制备了具有Cu 2O-TFT。该实验引入两步退火工艺，将Cu x O 薄膜涂覆在热氧化的SiO 2表面并进行烘烤，再放置在N 2
中并在400℃下退火，Cu x O 被还原为Cu。之后将Cu 膜放置在O 2氛围中，通过控制氧分压，在700℃下再次退火，最终得到Cu 2O-TFT。最后得出，通过固溶工艺制备的TFT 的最大场效应迁移率μ为0.16cm 2/(V·s)，开关比为102。
2015年，Yu [7]等采用溶液法，在SiO 2/Si 衬底上制备了Cu X O 薄膜。他们在400~700℃下处理涂覆的Cu x O 凝胶膜，随温度升高，所制造的TFT 电性能不断改善。在600℃下退火的Cu X O-TFT 具有最佳的电学性能，场效应迁移率μ为0.29cm 2/(V·s)，开关比为1.6×104，阈值电压低至-3.2V。若退火温度继续升高，TFT 的电学性能会急剧下降，这表明通过一步真空退火技术获得的固溶处理Cu x O-TFT 可用于高性能p 型电子器件，这一发现对进一步发展低成本CMOS 产品非常重要。
2018年，Nie [8]等人采用溶胶凝胶法，将CuCr x O y 前体溶液旋涂在SiO 2/Si 衬底上，并将凝胶膜在400℃的空气中退火2小时，再将样品在N 2环境中于500~900℃温度范围内的炉中退火2小时，最后利用热蒸发法在CuCrxOy 沟道层上制备得到Ni 电极。在800℃下退火得到的CuCrO 2-TFT，空穴迁移率为0.59cm 2/(V·s)，开关比为105。
（二）p 型半导体材料的分类
获得良好性能的p 型TFT，首先必须获得具有良好光电性能的p 型光电材料。这也是限制p 型TFT 发展的关键。目前，被广泛研究的p 型光电材料主要分为以下4类。
1.p 型掺杂的普通氧化物
常见的p 型薄膜半导体材料主要是掺杂的主族化合物，其中被研究较多的是ZnO [9]材料。ZnO 是一种直接带隙半导体，室温下Eg 可达3.37eV，属于六方晶体结构，
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