岳致富，吳 勇，李喜峰，楊 祥，姜 姝，許云龍

柔性低溫多晶硅薄膜晶體管的彎曲穩(wěn)定性

岳致富1,2，吳 勇3，李喜峰2*，楊 祥1,2，姜 姝2，許云龍1,2

(1.上海大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072；2.上海大學(xué) 新型顯示技術(shù)及應(yīng)用集成教育部重點實驗室，上海 200072；3.上海天馬微電子有限公司，上海 201201)

研究了以聚酰亞胺為基板的p型低溫多晶硅薄膜晶體管在不同彎曲半徑下的偏壓穩(wěn)定性。當(dāng)曲率半徑從15 mm變到3 mm時，在拉伸彎曲狀態(tài)下，閾值電壓和平坦時保持一致(Vth=-1.34 V)，遷移率μsat從45.65 cm2/(V·s)降到45.17 cm2/(V·s)，開關(guān)比增大；在壓縮彎曲狀態(tài)下，轉(zhuǎn)移特性曲線和平坦?fàn)顟B(tài)保持了非常好的一致性。在最小彎曲半徑為3 mm時，進行了正負偏壓穩(wěn)定性測試，結(jié)果表明，器件依然具有很好的穩(wěn)定性。

柔性； 低溫多晶硅薄膜晶體管； 低溫多晶硅； 彎曲； 穩(wěn)定性

1 引 言

柔性顯示器件因其輕薄、可彎曲、甚至可折疊等特性，得到了廣泛的關(guān)注[1-2]。非晶硅[3]、多晶硅[4-5]、多元氧化物[6-7]、有機物[8]等有源層材料均可用于柔性薄膜晶體管(TFT)的制備。非晶硅和有機物的遷移率較低，而多晶硅雖然有非常高的遷移率，但需要很高的結(jié)晶溫度，和柔性基板的低溫工藝兼容性不好。低溫工藝制備的多晶硅薄膜晶體管可用于柔性TFT，并且具有高遷移率、高集成度等優(yōu)點，可滿足顯示面板高分辨率和高幀率的發(fā)展要求，具有更好的應(yīng)用前景。

在實際應(yīng)用的顯示面板的像素電路中，選擇管和驅(qū)動管會長時間受到柵極偏壓作用，所以需要克服柵極偏壓引起的閾值電壓不穩(wěn)定性。因為閾值電壓的變化會引起源漏電流的變化，從而導(dǎo)致像素點明暗控制不準(zhǔn)確。而且，相較于剛性基板上的薄膜晶體管，柔性薄膜晶體管因其可彎曲的特點，會受到機械彎曲應(yīng)力的影響，因而將面臨更加復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，影響器件不穩(wěn)定的因素更多。Chen等[9]研究了LTPS TFT在柵極負偏壓作用下的穩(wěn)定性，提出導(dǎo)致器件閾值電壓漂移的因素不僅包括有源層/絕緣層界面處的陷阱態(tài)，還包括有源層溝道中晶界處的陷阱態(tài)。Peng[10]和Lee[11]分別研究了以不銹鋼和鎢箔為柔性襯底的LTPS TFT器件在機械彎曲應(yīng)力作用下的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)閾值電壓隨彎曲程度的增大而增大，拉伸彎曲使遷移率降低，而壓縮彎曲使遷移率增大，認為機械應(yīng)力使較弱的硅原子之間的鍵發(fā)生斷裂，產(chǎn)生懸掛鍵，增多了多晶硅中的陷阱態(tài)。

聚酰亞胺(Polyimide,PI)是成本更低的柔性襯底[12-13]，以PI為柔性襯底的LTPS TFT具有重要的應(yīng)用意義。本文重點研究了柔性PI襯底的p型LTPS-TFT器件在拉伸彎曲和壓縮彎曲狀態(tài)下，不同彎曲曲率下的穩(wěn)定性，以及極限彎曲狀態(tài)下的偏壓穩(wěn)定性。

2 實 驗

以聚酰亞胺作為柔性襯底制備頂柵結(jié)構(gòu)LTPS-TFT器件。首先，在玻璃基板上旋涂10 μm厚的PI薄膜。然后，通過等離子體增強化學(xué)氣相沉積法(PECVD)沉積SiO2和SiNx薄膜作為緩沖層，沉積溫度為350 ℃，厚度為200 nm。緩沖層不僅可以作為水汽的阻擋層起保護作用，同時其作為無機材料，和多晶硅有源層有更好的兼容性。采用PECVD沉積非晶硅，然后通過快速激光退火，使非晶硅轉(zhuǎn)化成多晶硅，最終得到厚度為80 nm的多晶硅有源層。接著，在室溫下通過PECVD沉積200 nm厚的SiO2作為柵絕緣層。沉積并刻蝕鉬作為柵電極和源/漏電極。器件的溝道寬/長比為20 μm/10 μm。

本研究中所有彎曲方向均平行于溝道。選取不同半徑的玻璃管，將柔性TFT器件緊貼在玻璃管上，此時器件就發(fā)生了相應(yīng)曲率大小的彎曲，彎曲半徑分別為15，10，5，3 mm。拉伸彎曲測試時，器件緊貼玻璃管外壁，以玻璃管外壁半徑為準(zhǔn)，器件受到拉應(yīng)力的作用；壓縮彎曲測試時，器件緊貼玻璃管內(nèi)壁，以玻璃管內(nèi)壁半徑為準(zhǔn)，器件受到壓應(yīng)力的作用。文中以RS代表拉伸彎曲半徑，RC代表壓縮彎曲半徑。圖1為拉伸彎曲和壓縮彎曲作用示意圖。采用Agilent HP4155C半導(dǎo)體參數(shù)分析儀測試LTPS-TFT 器件的輸出和轉(zhuǎn)移特性曲線。

圖1 (a)拉伸彎曲示意圖；(b)壓縮彎曲示意圖。Fig.1 (a) Stretch bending.(b) Compress bending.

3 結(jié)果與討論

圖2給出了在拉伸彎曲和壓縮彎曲作用下，不同彎曲半徑下的轉(zhuǎn)移特性曲線(Vd=-2 V),圖中插圖為測試裝置照片。從圖2(a)中可以看出，在拉伸彎曲狀態(tài)下，即TFT器件受到拉應(yīng)力的作用，不同彎曲半徑下器件的開態(tài)電流基本一致；但彎曲后的關(guān)態(tài)電流相對于平坦?fàn)顟B(tài)時有所降低。這可能是因為受拉應(yīng)力的影響，溝道形狀發(fā)生了微小的形變，溝道區(qū)被拉長，晶粒間距變大，更易對微小的關(guān)態(tài)電流產(chǎn)生影響。從圖2(b)中可以看出，在壓縮彎曲狀態(tài)下，不同的彎曲曲率下的轉(zhuǎn)移特性曲線和平坦?fàn)顟B(tài)時非常重合，說明壓應(yīng)力對器件影響較小。圖3所示為平坦?fàn)顟B(tài)、拉伸彎曲半徑RS=3 mm、壓縮彎曲半徑RC=3 mm時的器件輸出特性曲線。3種狀態(tài)下的輸出特性曲線基本重合，表明彎曲對器件的輸出特性沒有影響，體現(xiàn)了器件的彎曲穩(wěn)定性。

圖2 不同彎曲半徑下，拉伸彎曲(a)和壓縮彎曲(b)時的轉(zhuǎn)移特性曲線。插圖照片顯示了彎曲測試裝置。Fig.2 Transfer curves under stretch bending (a) and compress bending (b) with different radii.The inset photographs show the test equipment.

圖3 平坦、拉伸彎曲RS=3 mm和壓縮彎曲RC=3 mm 下的輸出特性曲線。Fig.3 Output curves of initial,stretch bending and compress bending.

將輸出電流等于L/W×10 nA時的柵極電壓取為閾值電壓[9]，同時通過公式

(1)

計算飽和遷移率，其中W/L=2，Ci為柵絕緣層的單位電容。

表1給出了不同彎曲半徑下的TFT器件性能。平坦時的閾值電壓和遷移率分別為Vth=-1.34 V，μsat=45.65 cm2/(V·s)。拉伸彎曲和壓縮彎曲時，閾值電壓均和平坦時一致，沒有出現(xiàn)漂移。飽和遷移率均出現(xiàn)小幅降低：當(dāng)拉伸彎曲半徑RS=3 mm時，降低到45.17 cm2/(V·s)；當(dāng)壓縮彎曲半徑RC=3 mm時降到45.06 cm2/(V·s)。機械彎曲應(yīng)力使多晶硅中少量的較弱硅原子間結(jié)合鍵斷裂，從而導(dǎo)致懸掛鍵和缺陷態(tài)的產(chǎn)生，降低了遷移率[14]。拉伸彎曲使器件開關(guān)比從105增大到106，壓縮彎曲時器件開關(guān)比依然保持在105。

表1 不同彎曲半徑下的器件性能Tab.1 Device performance under various bending radii

在極限彎曲條件下對器件進行測試是檢查器件性能的重要方法。 圖4給出了拉伸彎曲半徑等于3 mm時，器件在正負偏壓作用下的轉(zhuǎn)移特性曲線。由圖可見，在負偏壓Vg=-10 V和正偏壓Vg=10 V作用下，器件性能保持了較好的穩(wěn)定性，包括閾值電壓、開態(tài)電流等，只有關(guān)態(tài)電流在負偏壓作用下有輕微的增大，在正偏壓作用下有輕微的降低。因為溝道層是p型LTPS材料，靠空穴導(dǎo)電，所以關(guān)態(tài)下負偏壓吸引了微量空穴的存在，導(dǎo)致關(guān)態(tài)電流輕微增大；相應(yīng)地，關(guān)態(tài)下的正偏壓減少了溝道中的空穴，從而導(dǎo)致關(guān)態(tài)電流輕微降低。

圖4 拉伸彎曲半徑為3 mm時的轉(zhuǎn)移特性曲線。(a)負偏壓Vg=-10 V；(b)正偏壓Vg=10 V。Fig .4 Transfer curves under stretch bending radius of 3 mm.(a) Negative bias stress Vg=-10 V.(b) Positive bias stress Vg=10 V.

圖5 壓縮彎曲半徑為3 mm時的轉(zhuǎn)移特性曲線。(a)負偏壓Vg=-10 V；(b)正偏壓Vg=10 V。Fig.5 Transfer curves under compress bending radius of 3 mm.(a) Negative bias stress Vg=-10 V.(b) Positive bias stress Vg=10 V.

圖5給出了壓縮彎曲半徑等于3 mm時，器件在正負偏壓作用下的轉(zhuǎn)移特性曲線。由圖可見，在負偏壓Vg=-10 V和正偏壓Vg=10 V作用下，器件性能都保持了較好的穩(wěn)定性，只有關(guān)態(tài)電流有輕微的浮動，變化趨勢和拉伸彎曲狀態(tài)下的一致。這說明，即使在半徑為3 mm的極限彎曲狀態(tài)下，拉伸彎曲和壓縮彎曲對器件也只有極小的影響，沒有嚴(yán)重破壞器件的性能，證明了該柔性TFT器件的抗彎曲穩(wěn)定性及抗偏壓穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

本文研究了不同彎曲曲率下，以及在最小彎曲半徑下正負偏壓影響時器件性能的穩(wěn)定性。器件在平坦時的閾值電壓和遷移率分別為-1.34 V和 45.65 cm2/(V·s)。在拉應(yīng)力作用下，閾值電壓不變，飽和遷移率小幅降低到45.17 cm2/(V·s)，器件的關(guān)態(tài)降低，從而導(dǎo)致開關(guān)比增大。在壓應(yīng)力作用下，器件的轉(zhuǎn)移特性曲線和平坦時比較重合，表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。在半徑為3 mm的彎曲狀態(tài)下，器件在正負偏壓的影響下只有關(guān)態(tài)電流有輕微的變化，保持了穩(wěn)定的電學(xué)性能，為LTPS-TFT在柔性顯示、柔性傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了保障。

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岳致富(1986-)，男，河南信陽人，碩士研究生，2008年于河南大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事氧化物薄膜晶體管的研究。

E-mail: zhifu@shu.edu.cn

李喜峰(1979-)，男，山西大同人，博士，教授，2006年于復(fù)旦大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事薄膜晶體管及印刷電子器件的研究。

E-mail: lixifeng@shu.edu.cn

Bending Stability of Flexible Low Temperature Poly-silicon Thin-film Transistors

YUE Zhi-fu1,2,WU Yong3,LI Xi-feng2*,YANG Xiang1,2,JIANG Shu2,XU Yun-long1,2

(1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China; 2.KeyLaboratoryofAdvancedDisplayandSystemApplicationsofMinistryofEducation,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China；3.TianmaMicro-electronicsCo.,Ltd.,Shanghai201201,China)

The bias stability of the flexible thin-film transistors under various bending radii was investigated.The thin-film transistors with p-type low temperature poly-silicon channel layers were fabricated on polyimide substrate.The changing region of the bending radius was from 15 mm to 3 mm.For the stretch bending,the threshold voltage kept the same with the flat(Vth=-1.34 V),the mobility reduced from 45.65 cm2/(V·s) to 45.17 cm2/(V·s),andIon/Ioffincreased.For the compress bending,the transfer curve well kept the same with the flat.When the minimum bending radius was 3 mm,the device was tested under the positive and negative bias stress,and showed good stability.The experiment results indicate that the flexible LTPS-TFTs have fine performance and stability.

flexible; thin-film transistors; LTPS-TFT; bending; stability

1000-7032(2017)09-1205-05

2017-01-24；

2017-03-19

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)(2015AA033406)； 上海科學(xué)技術(shù)委員會項目(16JC1400602)資助

TN321

A

10.3788/fgxb20173809.1205

*CorrespondingAuthor,E-mail:lixifeng@shu.edu.cn

Supported by National High Technology Research and Development Program(863)(2015AA033406)；Shanghai Science and Technology Commission Program(16JC1400602)