薄膜晶体管技术架构与主流工艺路线

文章来源：学习那些事

原文作者：小陈婆婆

导语薄膜晶体管（TFT）作为平板显示技术的核心驱动元件，通过材料创新与工艺优化，实现了从传统非晶硅向氧化物半导体、柔性电子的技术跨越。

本文聚焦分享薄膜晶体管制造技术与前沿发展，分述如下：

• 薄膜晶体管技术架构与主流工艺路线
• 先进制造技术的突破性进展
• 产业应用与前沿趋势

薄膜晶体管技术架构与核心原理

一、薄膜晶体管基础架构与特性

薄膜晶体管（TFT）作为现代显示技术的基石，其技术架构可拆解为三个核心维度：材料体系、器件结构与制造工艺。

在材料创新层面，IGZO（铟镓锌氧化物）的突破尤为关键，其通过调控In、Ga、Zn的原子配比，在非晶态下实现10-30 cm²/V·s的电子迁移率，较传统非晶硅提升20-50倍，同时保持90%以上的可见光透过率。这种材料特性使其在2025年已成为8K超高清显示、Micro-LED背板驱动等高端领域的首选方案。

器件结构设计呈现多元化演进趋势。顶栅共平面式结构通过源漏电极与栅极的共面布局，将寄生电容降低，使开关比突破10⁹，满足OLED像素驱动的严苛要求。而倒栅错位式结构凭借4道光刻工序的极简工艺，在大尺寸液晶面板制造中占据成本优势。最新研发的垂直沟道TFT（VCT）更通过三维结构将有效沟道长度缩短至50nm以下，驱动电流密度大幅提升。

图1 TFT器件基本结构和平板显示中的应用

制造工艺方面，低温多晶硅（LTPS）技术通过准分子激光退火（ELA）实现硅晶粒的受控生长，晶粒尺寸分布系数（GSD）已优化至1.2以下，确保了驱动电路的均一性。在柔性显示领域，聚酰亚胺（PI）衬底上的IGZO-TFT阵列已实现1.5mm弯曲半径下的性能稳定，弯折寿命突破20万次。

二、主流工艺路线对比

根据栅极位置与材料体系，形成三种典型工艺方案：

倒栅错位式a-Si:H TFT

工艺流程：栅金属（Cr）→ 栅绝缘层（SiNx）→ 非晶硅层 → n+掺杂层 → 源漏金属（Al）。

图2 主流工艺路线示意图

特点：工艺温度<350℃，良率>99%，适用于Gen10.5超大尺寸LCD（成本<$100/m²）。

顶栅共面式p-Si TFT

工艺流程：p-Si外延（ELA准分子激光晶化）→ 栅绝缘层→ 栅金属（Mo）→ 源漏自对准注入（B ^+^ ）。

性能：迁移率80cm²/V·s，阈值电压漂移<0.5V/10年，驱动4K AMOLED（刷新率120Hz）。

氧化物半导体TFT（IGZO）

材料优势：电子迁移率10-30cm²/V·s，关态电流<1fA/μm，可见光透过率>90%。

工艺创新：原子层沉积（ALD）生长IGZO薄膜（厚度20nm），氧分压控制实现载流子浓度调控。

先进制造技术的突破性进展

一、IGZO技术深化应用

2025年IGZO技术已进化至3.0代，通过双层绝缘栅结构将亚阈值摆幅（SS）压缩至0.15V/decade，静态功耗降低。在京东方成都B17产线，IGZO-TFT背板已实现3000×2000分辨率的8K面板量产，开口率达68%。

二、有机半导体材料突破

现有的FlexiOM材料体系采用并五苯衍生物与氰基聚合物复合，载流子迁移率突破1.2 cm²/V·s，在100℃以下制程中实现。该材料已应用于Ledger Stax的180度曲面电子纸显示屏，对比度达40:1，响应时间缩短至15ms。国内福州大学研发的红荧烯基OTFT在-40℃至100℃温度范围内保持性能稳定，迁移率衰减率控制在15%以内。

三、三维集成技术

三星显示开发的堆叠式TFT（Stacked TFT）架构，通过垂直互连通道（VIA）实现驱动层与像素层的解耦，将充电率提升至95%。该技术在120Hz刷新率的240Hz VR显示中，有效抑制动态模糊。