薄膜晶體管（Thin-Film 晶體管，TFT）是一種以沉積形成的半導體、金屬和絕緣體薄膜組成的場效應器件，廣泛應用于顯示領域中的液晶顯示器、有機發光二極管等，傳感領域中的生物傳感器、氣敏傳感器等，以及探測領域中的量子點薄膜晶體管探測器等。
薄膜晶體管的歷史起源于20世紀初，最早由德裔美國物理學家李利費爾于1925年提出場效應晶體管的概念。隨后，約翰·巴丁和布列坦成功制備了點接觸型晶體管，威廉·肖克利在其的基礎上發明了雙極性晶體管和結型場效應晶體管，進一步推動了晶體管技術的發展。直到魏麥于1962年使用多晶硫化鎘薄膜作為溝道層，第一個真正的薄膜晶體管才成功出現。20世紀70年代，學者們對氧化物薄膜晶體管進行研究并嘗試將TFT與LCD結合，在這之后，硅基薄膜晶體管開始迅速發展，但其高成本和不透光特性限制了應用。2003年后，氧化物薄膜晶體管再次嶄露頭角，并被應用于新興領域。
薄膜晶體管通常由三個主要組成部分構成，即導電電極（包括柵電極、源電極和漏電極）、介電層（絕緣層）和溝道層（包括有源層和半導體層），其主要作用是控制電流的流動，從而在液晶顯示屏等設備中實現像素的開關操作，通過在控制柵極上施加電壓，控制源極和漏極之間的電流流動，從而控制像素的亮度和顏色。一般來說，薄膜晶體管主要根據其溝道有源層的類型進行分類，大致可以分為非晶硅薄膜晶體管、多晶硅薄膜晶體管、有機薄膜晶體管和氧化物薄膜晶體管等四種，可以根據其特點應用于不同場合。
發展歷程
歷史起源
薄膜晶體管研究的歷史可追溯至上世紀初，最早由德裔美國物理學家李利費爾（J.E.Lilienfeld）于1925年提出場效應晶體管的概念，并在1930年申請了專利。但由于當時技術的限制，結型場效應晶體管的制備難以實現，此專利只是概念專利。直到1947年，貝爾實驗室的半導體研究小組成員約翰·巴丁（J.Bardeen）和布列坦（W.H.Brattain）成功制備了點接觸型晶體管，用于電信號放大。隨后，威廉·肖克利（W.Shockley）于1948年在巴丁和布列坦的研究基礎上發明了雙極性晶體管（BJT）和結型場效應晶體管（JFET）。在經過數年的發展后，RCA實驗室（Radio Corporation of America，RCA）的魏麥（P.K.Weimer）于1962年使用多晶硫化鎘（cds）薄膜作為溝道層，成功制備了第一個真正的薄膜晶體管（TFT），該TFT的結構包括頂柵底接觸，二氧化硅（SiO2）絕緣層，以及沉積金柵極和源、漏電極，基底為玻璃。
迭代創新
1968年，伯森（Boesen）和雅各比（Jacobs）報道了一種新型薄膜晶體管，其有源層基于鋰摻雜氧化鋅（ZnO），電極仍采用鋁，柵介質為氧化硅（SiOx），然而這些薄膜晶體管性能較差，表現為源漏電流較小且不能飽和。同年，RCA的海爾邁耶（G.Heilmeier）成功研發了世界上第一個液晶面板（LCD），但仍存在一些問題，無法直接應用于顯示器領域。為了有效解決這一技術難題，1971年，萊希納（Lechner）等人首次將TFT與LCD相結合，通過復雜的尋址電路和電容器單元的結構改進，顯著提高了液晶面板的顯示質量。此后，氧化物薄膜晶體管并沒有取得較大進展，而相反，硅基薄膜晶體管開始迅速發展。1979年，雷·康姆伯（LeComber），斯皮爾斯（Spears）和蓋斯（Ghaith）首次報道了非晶硅薄膜晶體管，之后，高性能多晶硅薄膜晶體管在1990年出現。硅基薄膜晶體管雖然表現出良好的電學性能，但高成本和不透光特性限制了其大規模應用，有機薄膜晶體管在同一時期也取得顯著進展，但其相對較差的穩定性未能滿足實際應用需求。1996年，普林斯（Prins）等人制備以氧化物為半導體層的透明薄膜晶體管，再次激起研究者對氧化物半導體的興趣。
逐漸成熟
2003年，首次研制出了氧化鋅薄膜晶體管，其性能甚至超越硅基薄膜晶體管。隨后，卡西亞（Carcia）等人報道了室溫下制備的氧化鋅薄膜晶體管，同樣取得了高載流子遷移率，證明了氧化物薄膜晶體管具有廣泛的應用潛力。 2004年，野村（Nomura）等人首次采用非晶金屬氧化物半導體材料制備了a-IGZO薄膜晶體管，隨后，德胡夫（Dehuff）等人于2005年制備了透明的薄膜晶體管。野村等人的工作開創了新的領域，這標志著基于氧化物的薄膜晶體管成為一個重要的研究方向。如今，氧化物薄膜晶體管的研究逐漸成熟，隨著電子技術的迅速發展，對晶體管載流子遷移率提升和工作電壓降低的需求日益增長，這促使針對氧化物薄膜晶體管的柔性低功耗電子產品應用得到廣泛探索。例如，2017年，天主教魯汶大學的克里斯（Kris）教授等人在國際固態電路會議（ISSCC）上報告了他們制備的柔性RFID標簽，與此前的研究相比，克里斯教授的工作具有較低的邏輯門延時、更高的傳輸速率、含載波分頻電路、符合13.56MHz頻率傳輸協議，以及更高的集成度等優勢，為薄膜晶體管RFID標簽的應用打下了堅實基礎。2021年，美國斯坦福大學的研究人員發明了一種能夠在柔性材料上制造原子級薄晶體管的技術，長度不到100納米。這使得可彎曲、可塑形且高效的計算機電路成為可能，可以應用于可穿戴設備或植入式“柔性電子學”，標志著技術的重大突破。
組成結構
薄膜晶體管（TFT）通常由三個主要組成部分構成，即導電電極（包括柵電極、源電極和漏電極）、介電層（絕緣層）和溝道層（包括有源層和半導體層）。導電電極用于控制電流和電壓的輸入與輸出，溝道層則負責電子傳輸，而介電層則隔絕電子傳輸。可以將薄膜晶體管結構看作一個平板電容器，其中一個極板是由柵電極構成，而半導體層構成了第二個極板，絕緣層位于二者之間，同時源/漏電極又緊挨著半導體層；平板電容器中的移動電荷分布在絕緣層/半導體層界面之間，從而在半導體層中形成導電通道；基底可以是柔性和剛性材料，但在器件運行過程中不起作用。
根據柵電極和源/漏電極的分布不同，當柵電極與基底直接接觸為底柵，而柵電極在器件的最上面為頂柵；源/漏電極在半導體上方直接接觸為頂接觸，半導體在源/漏電極上方直接接觸為底接觸，因此這些組件的排列順序可以分為四種基本結構，分別是：（a）頂柵頂接觸結構，（b）頂柵底接觸結構，（c）底柵頂接觸結構，以及（d）底柵底接觸結構。
工作原理
薄膜晶體管（TFT）的基本工作原理基于外加柵電壓的控制，依靠柵極電壓（VGS）的調節在溝道層中形成導電通路，并在源漏電壓（VDS）恒定的情況下，調節柵極電壓的大小，以改變源漏電流（IDS），最終達到柵壓控流的目的。這里以P型（空穴導電）底柵頂接觸型薄膜晶體管（Top-Gate Top-Contact Thin-Film 晶體管）進行說明，其工作原理如下：
首先，在薄膜晶體的柵電極上施加一個外部電壓，這個電壓通常稱為柵電壓。在外加柵電壓的工作條件下，電場被建立，有源層在外加電壓的誘導下，在靠近介電層一側產生載流子。具體來說，電場誘導了有源層附近的半導體材料中的電子或空穴，形成了一個可導電的通道，這個通道被稱為電子傳導通道。隨著柵電壓逐漸增大，感應出的載流子濃度也隨之增加，這導致電子傳導通道中的載流子數量增多。當柵電壓增大到一定值，即閾值電壓時，電子傳導通道中的載流子足夠多，以至于能夠形成源電極和漏電極之間的電流路徑，允許電流從源電極流向漏電極，使得器件處于開啟狀態。在源電壓和漏電壓的作用下，載流子開始從源電極流向漏電極，形成輸出電流。此時，薄膜晶體管處于開啟狀態，允許電流通過。通過調節柵電極電壓的大小，可以控制薄膜晶體管的導通狀態，從而調整輸出電流的大小。這使得薄膜晶體管可以用作電子開關或放大器，以滿足各種應用需求。
常見分類方式
在生活中，像平板電腦、手機、液晶電視等設備的不斷進步都歸功于平板顯示技術的不斷改進，薄膜晶體管在這方面發揮著關鍵作用，其不僅廣泛應用在有源矩陣驅動液晶顯示器（Active Matrix 羧基液體丁腈橡膠 晶體 Display，AMLCD）領域而且在有源矩陣有機發光二極管（Active Matrix Organic Light Emitting Diode，AMOLED）領域中也扮演著十分重要的角色。一般來說，薄膜晶體管主要根據其溝道有源層的類型進行分類，大致可以分為四種：非晶硅薄膜晶體管（Amorphous 硅 Thin Film Transistor，a-Si TFT）、多晶硅薄膜晶體管（Polycrystalline Silicon Thin Film Transistor，p-Si TFT）、有機薄膜晶體管（Organic Thin Film Transistor，OTFT）和氧化物薄膜晶體管（Oxide Thin Film Transistor，Oxide TFT）。
非晶硅薄膜晶體管
非晶硅薄膜晶體管（a-Si TFT）的核心材料是非晶硅，影響非晶硅薄膜晶體管電學性能的關鍵因素是柵絕緣層 SiNx 與柵有源層a-Si之間的界面質量。截至2022年，非晶硅薄膜晶體管依然是平板顯示方面應用最廣泛的薄膜晶體管，但由于非晶硅材料中存在大量的界面缺陷態，導致其電學特性并不理想，而通過摻雜氫可以解決這個問題，并達到平板顯示的技術要求。摻氫非晶硅材料具有工藝簡單、薄膜均勻性好、且適合大面積的制備等優點，從1979年開始，摻氫非晶硅薄膜晶體管（a-Si HTFT）一直在大尺寸AMLCD中承擔核心器件的作用。
摻氫非晶硅薄膜晶體管是利用氫化非晶硅作為溝道層材料制備的薄膜場效應晶體管。非晶硅薄膜晶體管的優點在于，用于溝道層材料的非晶硅膜制備溫度低，通常不超過350℃，因此可以使用廉價的玻璃襯底，同時制備工藝簡單，對制備設備的要求不高使得其制備成本低。因為是非晶結構，不存在晶界對載流子遷移的影響，制備出來的a-Si膜的均勻性好，可以大面積制備，該TFT早期被廣泛用于LCD的驅動元件。
隨著科技的進步，人們開始追求更大屏幕尺寸、更加高清、高分辨率的顯示屏，但摻氫非晶硅薄膜晶體管的載流子遷移率一般低于1cm2·V-1s-1，光照穩定性較差，無法滿足大尺寸、高分辨率液晶顯示的電流驅動需求，且AMOLED對薄膜晶體管的電學特性提出了更高的要求。此外，硅類材料的能隙較窄，對可見光不透明，需要增加光源的強度來獲得足夠的亮度，相應的能耗也較大。雖然摻氫非晶硅薄膜晶體管能夠滿足基本的平板顯示需求，但是由于其載流子遷移率低和較差的產品穩定性等問題，無法應用于更高需求的顯示設備，因此學者們通過研究多晶硅薄膜晶體管來滿足新的技術要求。
多晶硅薄膜晶體管
多晶硅薄膜晶體管（p-Si TFT）的核心材料是多晶硅，其作為提供載流子的柵有源層。多晶硅薄膜晶體管制備過程是利用真空工藝先生長一定厚度的a-Si薄膜，然后通過準分子激光退火的方式把非晶硅薄膜轉化成多晶硅。多晶硅薄膜晶體管具有特別高的載流子濃度，其飽和載流子遷移率（達到100cm2·V-1s-1）可以達到非晶硅薄膜晶體管的幾十倍，且其器件穩定性較好。
雖然多晶硅薄膜晶體管相對于非晶硅薄膜晶體管來說遷移率提高了很多，并且缺陷較少，穩定性也比較好，但由于其多晶結構的特性和制備工藝的要求，也帶來了薄膜中存在較多的晶界、表面均勻性差、生產合格率低和生產成本高等一系列不利因素，限制了它的大規模生產。
最初多晶硅的制備溫度較高（>625℃），只能在耐熱性較好的石英襯底上制備。隨著快速退火晶化、金屬誘導晶化和激光晶化等一系列低溫技術的出現，大大降低了制備溫度（<150℃），并成功地在玻璃襯底上實現了低溫多晶硅薄膜晶體管的制備。低溫多晶硅薄膜晶體管（LTPS TFT）也是在a-Si基礎上發展起來的一種利用低溫多晶硅薄膜作為溝道層材料的場效應薄膜晶體管，是多晶硅薄膜晶體管中應用最廣泛的一種。低溫多晶硅薄膜晶體管具有較高的場效應遷移率，可以更快速地切換像素，提供更快的響應時間，且低溫多晶硅薄膜晶體管允許制造高分辨率的顯示屏，因為它能夠在小尺寸像素中實現精確的電子控制。
有機薄膜晶體管
有機薄膜晶體管（OTFT）是一種溝道層使用有機材料（通常是共軛聚合物或有機小分子）制備的薄膜場效應晶體管，其基本結構和工作原理類似于傳統的薄膜晶體管。有機薄膜晶體管成膜方法多樣成本低、可低溫制備，一般使用溶液加工的方法制備，包括打印、印刷和旋涂等。制備均勻性好，可以大面積生產，并且柔韌性好，適用于柔性顯示器、傳感器和電子報紙等。但由于有機薄膜晶體管的器件電學特性較差以及性能穩定性差，有機高分子材料性能容易退化、不穩定等問題，并沒有大范圍的投入到現實生產，要將有機薄膜晶體管廣泛用于商業應用，仍然需要解決其穩定性和持久性等致命缺點。
近年來有機薄膜晶體管有了快速的發展，場效應遷移率也有顯著提升，但其內在缺陷，性能仍然難以與低溫多晶硅薄膜晶體管相匹敵，且大多數傳統的有機薄膜晶體管場效應遷移率較低，因此在大面積和高分辨率的新型顯示技術上難以實現應用，仍處于研發階段。
氧化物薄膜晶體管
氧化物薄膜晶體管（Oxide TFT）是一種在合適的襯底上制作介質層，利用氧化物材料充當的有源層和電極而形成的一種特殊類型的場效應晶體管。氧化物薄膜晶體管的關鍵材料是氧化物半導體，如氧化銦鎵鋅（IGZO）等，這些材料在薄膜晶體管制造中具有重要作用，因為它們具有良好的電子遷移率和光學性能。
氧化物薄膜晶體管器件制備方法廣泛，并與傳統工藝線相容，可以低溫制備。氧化物 TFT場效應遷移率高，適用于高分辨率顯示設備；且薄膜大面積均勻性好，電學穩定性高，適用于大尺寸LCD和AMOLED顯示面板。除此之外，金屬氧化物大多禁帶寬度大，可見光透過率高，可用于制造全透明 薄膜晶體管器件。
相關應用
薄膜晶體管在顯示、傳感和探測等領域具有廣泛應用，主要包括在液晶顯示（LCD）中用于像素控制和驅動，以及在有機發光二極管（OLED）和有源矩陣發光二極管（AMOLED）等顯示技術中用于實現高質量圖像。此外，薄膜晶體管在傳感器以及紅外探測領也有關鍵作用，用于生物傳感器和氣敏傳感器等，其中量子點薄膜晶體管的應用改善了紅外探測器的性能。這些應用使薄膜晶體管成為顯示技術和傳感與探測領域的重要組成部分。
顯示領域
液晶顯示（LCD）
液晶顯示器（羧基液體丁腈橡膠 晶體 Display，LCD）是非主動發光器件，因此需要外加背光源，其工作原理是通過薄膜晶體管電場的變化來改變液晶分子的排布，再結合偏振片和彩膜基板，來調整出射光線的強弱與色彩的變化，進而可以顯示不同畫面。薄膜晶體管在LCD中最關鍵的作用是開關和驅動特性，通過使源漏電極的電勢在高低電位之間來回切換，讓薄膜晶體管執行開啟或者關斷指令。
LCD中的每個像素由紅、綠、藍三個基本顏色的子像素組成，每個子像素通過一個薄膜晶體管、液晶電容和存儲電容的組合來驅動。掃描電壓和數據電壓控制薄膜晶體管的開關狀態和液晶電容的電壓，進而決定液晶分子的偏轉角度，影響像素的顏色和亮度。存儲電容減緩泄漏電流，確保顯示畫面保持清晰。該驅動機制使LCD能夠準確顯示多種顏色和圖像，實現高質量的圖像表現。
有機發光二極管（OLED）
有機發光二極管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）與液晶顯示器不同，是主動發光器件，通過改變電流來控制發光亮度和色彩。每個OLED子像素最基本結構的驅動電路包含一個有機發光二極管、一個存儲電容和兩個薄膜晶體管（開關TFT和驅動TFT）。
在OLED中，開關TFT與LCD中TFT的作用一致，能夠實現電路開關功能即可。與之相比，驅動TFT電流的變化直接影響OLED的發光亮度，為了保證顯示屏幕的亮度需求，必須選用具有較大輸出電流和高遷移率性能的TFT。在實際的OLED制造過程中，為了提高生產效率和成品率，通常采用6T1C結構或7T1C結構的等效電路，以確保OLED顯示面板的穩定性和性能。這種結構的使用使得OLED技術能夠在商業領域獲得更廣泛的應用。
有源矩陣發光二極管（AMOLED）
有源矩陣發光二極管（Active-matrix Organic Light Emitting Diode，AMOLED）起源于OLED顯示技術，不同于LCD的電壓驅動，AMOLED采用主動驅動。AMOLED采用的是有機材料涂層，利用薄膜晶體管陣列作開關，當有電流通過時，這些有機半導體材料會直接發光，電流越大發光強度越大，所以不需要背光板。因此AMOLED技術不僅輕薄，節能，可以在低溫下制備，也就是說成本低也具有柔性特征，并且色域廣飽和度高，極大地提升了人們在使用顯示屏的舒適度。有源矩陣驅動顯示技術是實現大尺寸、高分辨率、高亮度和高色彩飽和度的核心發展技術。
傳感與探測領域
傳感器領域
薄膜晶體管在傳感器領域也具有廣泛應用。基于薄膜晶體管的生物傳感器能夠將生物信號有效地轉化為電信號，實現良好的信息放大作用。此外，薄膜晶體管在氣敏傳感器領域也有應用前景，特別是基于晶體管的三端器件氣體傳感器，具備高響應度、強選擇性和高性噪比等優勢。如圖所示為基于薄膜晶體管的氣敏傳感器，氣體分子直接影響晶體管的導電溝道，從而改變其電學性能，實現了信號感知、放大和傳輸等功能。相較于傳統兩端器件，薄膜晶體管氣敏傳感器采用柔性的介電層作為基底，有機大分子聚合物作為活性層，可通過旋涂或刮涂等方法大面積制備，具有極大的應用潛力，這種靈活性和廣泛性使得其應用前景更為廣泛。
紅外探測領域
薄膜晶體管在紅外探測領域的應用備受關注，特別是基于近紅外材料如InGaAs、pbs、PbSe的薄膜晶體管在這個領域的貢獻日益顯著。近年來，中國將紅外探測器企業定義為新型技術企業，加強了對薄膜晶體管陣列短波紅外探測技術的支持，使其成為國家重點發展的高新技術領域。傳統的紅外探測器多采用電阻型和二極管型兩電極器件，存在靈敏度低、響應速度慢等缺點，而基于量子點薄膜晶體管的探測器能夠彌補這些不足。量子點具有粒徑可調特性，可以擴展探測范圍到長波段，表現出響應速度快、高靈敏度，并且在惡劣環境下也能正常工作等優點。因此，量子點薄膜晶體管在紅外探測領域的研究和產業化應用日益廣泛。
主要性能參數
薄膜晶體管的性能參數是判斷器件性能好壞的重要依據，這些相關參數均可從轉移與輸出曲線中得到。其中，閾值電壓（VTH）、載流子遷移率（μ）、亞閾值擺幅（SS）、開關電流比（Ion/Ioff）和最大界面態密度（Dit）是最主要的五個參數。
閾值電壓
閾值電壓（Threshold 電壓，VTH） 是指在薄膜晶體管中，當施加到柵極上的電壓達到一定數值時，使得有源層內的電子能夠穿越柵介電層并形成導電通道，從而使薄膜晶體管進入導通狀態的最小柵極電壓。
以P型薄膜晶體管為例，如果閾值電壓為負值，則被稱為增強型晶體管，稱其為增強型晶體管，器件無法在零柵壓下工作，正常工作的前提是施加絕對值大于閾值電壓絕對值的負柵極電壓；若闕值電壓為正，稱其為耗盡型晶體管，器件可以在零柵壓下工作，要想使其關斷，需要施加大于閾值電壓的正柵極電壓，耗盡其原本存在的空穴。較低的閾值電壓意味著薄膜晶體管器件可以在較低的柵極電壓下開啟，從而降低功耗并提高性能，而較高的閾值電壓則需要更高的電壓才能實現薄膜晶體管器件的導通，可能導致功耗增加。閾值電壓分為線性區和飽和區，可以從相應的公式中提取。
線性區：；飽和區：，其中，公式中的為柵絕緣層單位面積電容；為溝道寬度；為溝道長度，為載流子遷移率。
載流子遷移率
載流子遷移率（Carrier Mobility，μ）是評估薄膜晶體管性能好壞的重要參數，其定義為在單位場強下載流子的平均遷移速度。遷移率高的載流子運動速率相對較快，相反遷移率低則載流子運動速率低，遷移率越高的器件具有更高的效率。
在薄膜晶體管中，遷移率主要取決于有源層半導體材料、材料本身的純度、結晶度，以及分子鏈取向都對半導體的遷移率有影響，但是除了半導體材料本身外，很多半導體器件制備的工藝因素也會影響半導體的遷移率，比如晶體管的溝道長度和寬度，有源層半導體薄膜的成膜性等。
當薄膜晶體管處在線性區時，即VDS<
亞閾值擺幅
亞閾值擺幅（Subthreshold Swing，SS）指的是使漏源電流改變一個量級所需要的柵極電壓。亞閾值擺幅越小，說明只需要越小的柵極電壓就可以將漏源電流改變一個量級，也就說明該器件的柵極控制能力越強，同時具備優異的開關效率，其計算公式為：。另一方面，亞閾值擺幅的大小也反應了器件溝道層內部以及溝道層與絕緣層界面處的缺陷數量，亞閾值擺幅越小，說明器件的溝道層內部以及溝道層與絕緣層界面處的缺陷越少。一般情況下，為了降低電路中的功耗，通常需要盡可能的控制亞閾值擺幅小于0.1V/dec。
開關電流比
開關電流比（Current on/off ratio，Ion/Ioff）是當器件工作在飽和區時，源漏電流的開態電流（Ion）和關態電流（Ioff）的比值。一般而言，電流開關比大于106基本可以滿足電子產品顯示需求，影響電流開關比的因素主要有溝道層和柵介質層厚度、溝道層材料等。開關比反應了柵極電壓對半導體溝道層導電能力的調控。開態電流越大，說明器件驅動能力越強，在平板顯示領域中，電流值的大小對應著顯示器的亮度的強弱；關態電流越小，說明器件關斷能力越強。一般認為開關比越大越好，在顯示領域中，開關比的大小與顯示器的對比度息息相關。
最大界面態密度
最大界面態密度（密度 of Interfacial State，Dit）指的是溝道層與介電層兩個界面之間的狀態其單位為 cm-2，計算公式為：，其中K為玻爾茲曼常數，T為開爾文，C為介電層的單位面積電容器，q為單位電荷量。界面態密度反應的是介電層和溝道層之間界面處的缺陷數，最終得到的數值越小，說明界面處的缺陷越少，載流子的運輸更加順暢，器件的質量就越高，性能越好。
參考資料 >
TFT集成電路的新應用.北京大學.2023-08-04
原子級晶體管制造在柔性材料上實現.中國科學院.2023-08-04