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2024年6月1日发(作者：岑梅梅)

p型薄膜晶体管(TFT)的研究进展

张世亮

翟荣丽

（1.山东海化股份有限公司纯碱厂，山东，潍坊，262737；2.山东大学微电子学院，山东，济南，250101）

摘要：

薄膜晶体管（TFT）作为平板显示领域的核心技术之一，在电子信息产业中发挥了重要作用。

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。

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/.1006-3676.2020.12.09

Zhang Shiliang

Zhai Rongli

（1. Soda Factory of Shandong Haihua Co. Ltd.， Shandong，Weifang，262737； 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

Research Status of p-type Thin Film Transistor(TFT)

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。

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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

色彩饱和度、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

、In

、IGZO、IGO等制备，其场效应迁

移率

可达90cm

/(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

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：

=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。

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

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表1 n型与p型晶体管对比

晶体管类型ModeVTH正常情况下晶体管结构

n型增强型+断开

n型耗尽型-导通

p型增强型-断开

p型耗尽型+导通

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

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

OFF

。开

关比决定器件的亮暗对比度，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

。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

（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

不断增加，半导体薄膜层将

不断积聚电子，当V

达到V

时，在源漏极间加上电压

，就会有载流子经过。根据漏电流I

随V

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

很小时，导电沟道可以看作恒定电阻，

漏电流随V

的增大而线性增大，I

-V

曲线为斜率大于

器件的功耗大小。关态电流越小，信号的保持时间越长，

零的直线。

同时器件的功耗越小。

3.阈值电压V

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

。通常薄膜晶体管绝缘层的介电

常数越大，V

越小。对于增强型和耗尽型晶体管，其区

别如表1所示。

夹断：V

不断增大，会影响V

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

增加

逐渐变缓，此时开始向饱和区过渡，对应的I

-V

曲线

斜率不断减小。

饱和区：当V

继续增加，I

将不再随V

的增大而

增大，器件进入饱和区，对应的I

-V

曲线斜率趋于零。

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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

二、p型TFT研究进展

（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

表2 2008-2018年来p型薄膜晶体管的制备工艺和性能

年份薄膜种类制备方法衬底退火温度

（cm/V·s）

开关比Ref

2008

PLDMgO—0.2661

2009CuORFMSCu箔200℃2.51002

2010Cu

OPLDSiO

/Si—4.33×10

2012Cu

OMSSiO

/n-Si、ITO—2.43.96×10

2013Cu

O/SnOMSITO400℃、700℃0.661.5×10

2013Cu

OSol-GelSiO

/Si700℃0.1610

2015Cu

OSol-GelSiO

/Si600℃0.291.6×10

2018CuCrO

Sol-GelSiO

/Si800℃0.5910

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薄膜的TFT。Cu

O是立方晶体结构，它的空穴迁移率高于

100cm

/(V·s)，直接带隙为2.17eV，这些特性使其在实

现高迁移率p型TFT方面极具吸引力。Matsuzaki.K利用

脉冲激光沉积外延Cu

O薄膜，并使用外延Cu

O沟道制造

了顶栅MIS-TFT，其场效应迁移率

为0.26cm

/(V·s)，

开关比为6。尽管器件的各种有效参数不够理想，但对p

型TFT的发展起到了良好的开端作用。

2009年，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

/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。

为2

5cm

/(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

O薄膜晶体管。在纯氧中以0.6 Pa的氧

分压，在100nm厚的p型SiO

/Si衬底上沉积Cu

O薄

膜。为制造Cu

O-TFT，首先要通过射频磁控溅射（RFMS）

在Cu

O膜上沉积Pt膜，再通过PLD在Cu

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，

为4.3cm

/(V·s)，开关比高达3×10

。

2012年，Yao

[4]

采用磁控溅射法制备了p型Cu

O薄

膜晶体管。在SiO

/n-Si和掺Sn的In

（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

O薄膜，并

在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基板上制造了p沟道

O-TFT，

为2.4cm

/(V·s)，开关比为3.96×10

。

2013年，Jawhari

[5]

报道了一种利用磁控溅射法制

备的透明p型Cu

O/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

O代替SiO

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。

为0.66cm

/(V·s)，

开关比为1.5×10

。

2013年以前，p型薄膜的制备方法均为磁控溅射、

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PLD以及外延生长等的物理沉积法，得到的TFT大部分

存在场效应迁移率低的缺点。溶液法制备成本低、产量

高，因此研究人员尝试采用溶液法，并不断改进物理沉

积工艺，以制备高性能的p型TFT。

2013年，Kim

[6]

等第一次采用溶胶凝胶法制备了具有

p型特性的Cu

O-TFT。该实验引入两步退火工艺，将Cu

薄膜涂覆在热氧化的SiO

表面并进行烘烤，再放置在N

中并在400℃下退火，Cu

O被还原为Cu。之后将Cu膜放置

在O

氛围中，通过控制氧分压，在700℃下再次退火，最

终得到Cu

O-TFT。最后得出，通过固溶工艺制备的TFT的

最大场效应迁移率

为0.16cm

/(V·s)，开关比为10

。

2015年，Yu

[7]

等采用溶液法，在SiO

/Si衬底上制

备了Cu

O薄膜。他们在400

700℃下处理涂覆的Cu

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

O-TFT具有最佳的电学性能，场效应

迁移率

为0.29cm

/(V·s)，开关比为1.6×10

，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

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

前

体溶液旋涂在SiO

/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

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

-TFT，空穴迁移率为0.59cm

/(V·s)，开关

比为10

。

（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，

在紫外、光电、热电、压电转换及太阳能电池等领域都电性质。此外，低温工艺以及良好的电性能将有助于p

具有广阔的应用前景。目前，研究人员可以通过掺杂N、P、型薄膜与n型薄膜结合成p-n结，集成于互补金属氧化

As等V族元素受主杂质来实现ZnO薄膜的p型掺杂。但

由于ZnO材料本身存在许多本征施主缺陷，会对受主产

生高度的自补偿效应，因此，近年来研究人员开始使用

活性施主和受主共掺杂的技术，以使制备的p型TFT性

能更加稳定。

2.p型铜铁矿系氧化物CuMO

1997年，Kawazoe等成功使用PLD制备了一种新型

的p型薄膜材料CuAlO

[10]

(CAO)。CAO属于铜铁矿结构，

是宽禁带半导体材料，室温下带隙可达3.5eV，其薄膜

材料在可见光范围内具有很高的透过率。目前研究的铜

铁矿系材料还包括CuGaO

、CulnO

、CuAlO

、CuScO

等，

制备工艺包括PLD、溅射、溶液法以及MOCVD等。

3.p型SnO金属氧化物

2008年，Yoichi Ogo

[11]

等发表了一篇关于外延生长

法制备的SnO薄膜的文章，证明了SnO材料的本征p型

导电性质。SnO

[12]

是一种双极性半导体，禁带宽度可达

4.2eV，可作为沟道层应用在薄膜晶体管中。作为金属氧

化物半导体，SnO具有特殊的能带结构，它的O2p能级与

Sn5s能级比较接近，轨道杂化的情况容易发生，这样，

离子键对电子难以发生局域化作用，使得SnO表现出本

征p型导电特性。SnO薄膜具有高可见光透过率、低电阻

率等特点，性能比较稳定，也是制备p型TFT的理想材料。

4.p型NiO金属氧化物

NiO是一种宽禁带直接带隙半导体材料，Eg为

3.6-4.0eV。NiO

[13]

属于立方晶体结构，晶格常数

a=0.4195nm。近年来，NiO凭借其高稳定性、高透过率、

低成本、无污染以及良好的电学性质，被广泛应用于传

感器、电致变色以及太阳能光电器件等领域。

（三）p型氧化物TFT的典型应用

1.互补电路

早期研究阶段，p型导电薄膜同n型透明导电薄膜

一样，可应用于AMOLED、AMLCD、太阳能光电器件、电

热材料等领域。研究工艺逐渐成熟以后，可将p型透明

导电薄膜与p型掺杂薄膜形成欧姆接触，优化器件的光

物半导体（CMOS）电路中，进一步可用于更加灵活、低

成本的集成电路。

2.全透明逻辑电路

通过合适的制备工艺，利用宽禁带半导体材料可实

现全透明TFT

[14]

。大部分的金属氧化物属于宽禁带半导

体材料，可将p型与n型透明导电薄膜结合制成透明p-n

结，进一步制备紫外发光二极管、紫外激光器、透明全

波整流器等，应用于低功耗高性能的透明电子器件领域。

透明晶体管可以提高液晶显示器的显示质量，并可以

附加一系列新功能，使图像信息传递更完美。此外，透

明晶体管可以应用在眼镜镜片、窗户以及汽车挡风玻璃

上，通过显示视频画面拓展应用场景。总而言之，透明

p-n结开启了一个崭新的全透明电子时代，对透明TFT、

透明场效应晶体管以及透明集成电路的研究具有重要意

义。

3.柔性电子器件

柔性电子器件是在柔性基板上制作有机/无机材料

电子器件的技术，广泛应用于显示与照明、生物传感器、

柔性光伏以及可穿戴设备等领域。柔性材料衬底不耐高

温，增加了器件的加工难度。而氧化物TFT的制造工艺

可在低温下完成，兼容柔性电子器件的制造工艺。因此，

具有高迁移率、高光透过率的p型金属氧化物TFT在柔

性电子器件领域受到极大关注。

三、结论

笔者详细阐述了TFT的应用背景、工作原理以及重

要领域。TFT因其出色的性能而被广泛应用于显示器件，

为平板显示器提高像素密度和迁移率。金属氧化物薄膜

晶体管具有较高的载流子迁移率以及高光学透过率，可

以在低温条件下大规模制备，是当前应用前景最广泛的

TFT之一。笔者简述了p型TFT近年来的国内外发展状况，

详细介绍了适于制备p型TFT的半导体材料以及它们的

应用领域。p型金属氧化物半导体材料在平板显示、太

阳能电池、发光器件、透明显示以及柔性等领域有巨大

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的应用潜在优势。但是目前关于p型透明导电氧化物薄

膜晶体管，不管是在材料制备工艺还是器件研究方面，

都还处在基础研究阶段。因此，对于p型半导体材料的

发掘、器件的制备工艺以及光电学性质的优化方面都有

待科学进一步的研究，亟待研究者去探索。

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