中国科学院微电子所刘明&李泠团队：薄膜晶体管技术发展规律，共性痛点和难点

研究团队 | 作者

酥鱼 | 编辑

近日，中科院微电子所刘明院士和李泠研究员团队在《自然·电子》（Nature Electronics）在线发表了题为“应用于大面积电子学的薄膜晶体管”（Thin Film Transistors for Large Area Electronics）的综述文章。该文章回顾了作为大面积电子学的最基础器件-薄膜晶体管（TFT）的发展历史、重点介绍了其在显示和新型动态随机存储器等领域的应用现状。中科院微电子所耿玓研究员和中山大学王凯教授为共同第一作者。

薄膜晶体管诞生于上个世纪50年代，和MOSFET的本质区别在于它并非基于PN结的沟道调制器件，因此，制作工艺更简单，在大面积基板如玻璃上采用低温薄膜增材工艺制造也相对MOSFET的制备成本要低很多。

图1 MOSFET 和两种主流薄膜晶体管的对比

后来大规模集成电路采用了硅基MOSFET结构，而薄膜晶体管则得益于显示面板行业的蓬勃发展，成为支撑以平板显示为代表的大面积电子学最重要的底层器件技术之一。

一方面，传统薄膜晶体管技术如非晶硅、低温多晶硅以及金属氧化物半导体等不断向高密度、大尺寸和高迁移率方向发展，以满足高分辨率、高对比度和高亮度显示的应用需求；另一方面，诸如传感和人机交互等新兴非显示应用为其提供了更多样的应用场景，迫使学术界和工业界思考如何研发下一代薄膜晶体管技术。

同时，薄膜晶体管的角色也开始从作为驱动显示的单一开关向在大面积电子学中扫描逻辑和模拟前端模拟电路的基本组成单元的转变。对薄膜晶体管性能的要求也随之更加多样化和场景化。

该文章在总结了薄膜晶体管技术发展规律的同时，也提出了目前薄膜晶体管技术发展所面临的共性痛点和难点问题。

图2：薄膜晶体管技术发展过程中所面临的共性痛点和难点问题

随着人工智能和AI芯片对存储容量和算力需求的急速增加，传统动态随机存储器DRAM正逼近密度和工艺的极限，以金属氧化物半导体为代表的新型薄膜晶体管器件由于漏电极低，便于三维堆叠集成的优势，逐渐成为学术界和产业界关注的前沿领域之一，特别是近年来提出的基于2T0C和CAA结构的DRAM使得薄膜晶体管技术有望成为3D DRAM的未来方向之一。

同时，薄膜晶体管的低温集成工艺技术日臻完善，容易与传统CMOS电路实现片上集成，从而在片上实现传感、存储、计算以及通信等功能成为可能，其应用前景将更加广阔和值得期待。

图3：CMOS与TFT实现片上集成的应用领域

论文信息

发布期刊Nature Electronics

发布时间 2023年12月19日

文章标题Thin-film transistors for large-area electronics