1、像素设计中沟道宽和长的选择汪梅林 1，2,3 ，于春崎 1，2,3 ，汪永安 1，3（1中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 长春 130021；2.中国科学院研究生院 长春 130021；3.吉林北方彩晶数码电子有限公司,长春 130031，E-mail: ）摘 要： 讨论了沟道宽（W）和长（L）对薄膜晶体管的开态电流（Ion） ，关态电流（Ioff） 、开口率以及跳变电压（Vp）的影响。关键词：薄膜晶体管；沟道宽（W） ；沟道长（L） ；开态电流（Ion） ；关态电流(Ioff)；开口率；跳变电压（Vp） 。Wang Mei-lin1.2.3,Yu Chun-Qi1.2.3, Wang
2、Yong-an1.3(1. Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences , Changchun, 130021 ;2. Graduate School of Chinese Academy of Sciences ,Changchun 130021 ;3.Jilin Beifang Caijing Digital Electronics Co., Ltd, Changchun ,130031 ,E-mail: )Abstract: Discuss the impact
3、 on Ion, Ioff ,aperture ratio and feed through voltage(Vp)from channel wide and length in this paper.Key words: TFT;channel wide ;channel length ; Ion;Ioff; Aperture ratio;Feed through voltage(Vp)1 引言在实际应用中做为开关器件的 TFT 要满足如下条件：为了保证在行周期内向液晶像素上即时准确的写入图像信号，开态电流（Ion）足够大（一般大于 10-6） ；其次为了加在液晶像素上的电压在一帧的时间内基
4、本保持不变，TFT 的关态电流（ Ioff）要小（一般小于10-11）,且开关比（Ion/Ioff 一般大于 105）要高；另外为了提高图像质量，防止图像闪烁、残像和灰度错乱等情况出现，要求像素在开态和关态转变过程中加在像素两端的电压要一致，即跳变电压要小。最后要求像素的开口率要尽可能的大。而沟道宽和长的选择直接影响上述参数的变化。故在本文中主要讨论了实际应用中沟道宽和长对上述参数的影响及在像素设计中如何合理地选择沟道宽和长。2 实验及分析本次试验中所采用的像素尺寸为 330*110um,存贮电容采用 CS ON COM 方式,TFT 结构是伸出型背沟道保护型 TFT，半导体材料采用 a-si
5、：H，迁移率大小为：0.5cm 2/(V.s), 栅绝缘层材料用 SIOx，成膜方法采用 PECVD。试验用样品是完成整个阵列光刻工艺的 10组具有不同宽和长的单个 TFT 器件。宽长比分别是： 29/324、 29/164、29/70、29/42、 29/24、 29/19、 29/14、29/9、280/14 、35/14；测试设备: Agilent 4155C 半导体参数测试仪。具体参数及结果如下。21 宽和长对 a-si：H TFT 电流电压特性的影响a-si:H TFT 结构和 MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）的结构基本上相似，工作的原理也基本上类似，在线
6、性区和饱和区可以用 MOS 场效应管的漏电流方式近似描述 TFT 的漏电流大小。在栅极上加正电压 VGS 时，半导体表面产生表面反型层(即导电沟道)，此时如果在源漏之间有电压差存在，则之间就有电流流过。当 0VTH 时, 器件工作在线性区，沟道相当于一个电阻,漏电流和漏电压成正比,漏电流大小可用式 1-1 表示:IDS=FECOX ( VGS-VTH ) VDS- V2DS WL 121-1当 VDS 进一步增加到 VDSVGS-VTH, VGSVTH 时,沟道被夹断,器件工作在饱和区,源漏电流的大小用式 1-2 表示:IDS= FECOX ( VGS-VTH ) 2WL121-2当 TFT
7、处于关断状态时，漏电流方程可用 1-3 表示：Ioff= q（ n e+pp） VDSW dsL1-3其中 FE：载流子的迁移率COX：栅氧化膜每单位面积电容W/L：沟道宽度/沟道长度VTH：域值电压Q、n、p、e、e、ds：分别为电子电荷量、电子密度、空穴密度、电子迁移率、空穴迁移率、有源层厚度。图 1 为开态和关态电流大小随宽长比变化的曲线图，其中 Vds=10V，V GS 分别为15V、-7V，从图中看出：沟道宽度为 29um 保持不变，而沟道长度分别为324、164、70、42、24、19、14 时，随着沟道长度的减小，源漏之间的电流在增大；而当沟道长度保持 14um 不变，沟道宽度分
8、别选用 29um、35um、42um 时，随着沟道宽度的增加，源漏之间的电流也在增加。这是因为当 VGS=15V 时，TFT 完全开启，沟道相当于一个电阻，在膜厚一定的前提下，沟道宽长比越大，流过沟道的电流也就越大，但当 VGS=-7V 时，TFT 关断，此时在不考虑 A-SI 材料的性能和膜厚情况下，关态电流 Ioff 的大小与 TFT 器件宽长比有关。宽长比越大，关态电流也就越高。由此可见开态和关态电流随宽长比的增加而增大。所以宽长比的选择即要满足开态电流（Ion） ，也要满足关态电流（Ioff） 。1.00E-125.10E-111.01E-101.51E-102.01E-1029/32
9、429/16429/70 29/42 29/24 29/19 29/14 35/14 42/14W/LIon（）2.00E-081.20E-072.20E-073.20E-074.20E-07Ioff（）-7V 15V1.00E-125.10E-111.01E-101.51E-102.01E-1029/32429/16429/70 29/42 29/24 29/19 29/14 35/14 42/14W/LIn（）2.00E-081.20E-072.20E-073.20E-074.20E-07Ioff（）-7V 15V1.00E-125.10E-111.01E-101.51E-102.01E-
10、1029/32429/16429/70 29/42 29/24 29/19 29/14 35/14 42/14W/LIn（）2.00E-081.20E-072.20E-073.20E-074.20E-07Ioff（）-7V 15V图 1：a-si:H TFT 的电流电压特性与沟道宽长比的关系22 宽长比对像素开口率的影响TFT 沟道宽和长的选择直接影响像素的开口率大小，图 2 为沟道宽和长的变化对开口率和开态电流的影响。从图 2 中看出，沟道宽度保持 29um 不变，沟道长度分别为24、19、14um 时，随着沟道长度的减小，像素开口率和开态电流都增加；但如果沟道长度保持 14um 不变，随着
11、沟道宽度增加像素开态电流增加而像素开口率在减小。所以在实际应用中 TFT 的沟道的长度在保证光刻精度和良率的前提下越短越好，而沟道宽度的选择上要综合考虑像素开口率和开态电流，在要求的范围之内，选择一个合理的值。1.00E-073.00E-075.00E-0729/24 29/19 29/14 35/14 42/14W/LIon()5859606162 口口口(%)Ion 开 口 率图 2 开口率与沟道宽度、开态电流的关系22 宽长比对跳变电压的影响像素的跳变电压产生的主要原因是栅极电压脉冲通过栅源交叠电容耦合到液晶像素上的电压，而栅源交叠电容的大小直接与沟道宽长比有关。其中式 3-1 为跳变电
12、压的计算公式。图 3 为沟道宽长比与栅源交叠电容的关系图。其中单位面积电容=8.91E-9 F/cm2。从图中看出，沟道长度和宽度的增加都会导致交叠电容和跳变电压增加，从这点上讲，沟道宽和长越小越好。 Vg=（ Vgh-Vgl） Cgd/（ Cgd+Clc+Cs） 3-1其中 Vgh：栅级电压的 ON 电平Vgl：栅级电压的 OFF 电平Cgd：栅源交叠电容Clc：像素液晶层电容Cs：存贮电容0.0150.0350.0550.0750.09529/70 29/42 29/24 29/19 29/14 35/14W/LCgs(pf)5001000150020002500Vp(mv)Cgs(pf) Vp(mv)图 3：沟道宽长比与栅源交叠电容和突变电压的关系3 结论综上所述，沟道长度在满足最小工艺特征尺寸和生产良率的前提下越短越好，而沟道宽度的选择要兼顾开态电流、关态电流及开口率、跳变电压的影响。参考文献1. 孟庆巨，刘海波，孟庆辉.半导体器件物理M. 北京:科学出版社,2005,193-197.TFT-LCD 工学入门,内部教育资料.1999,4.Yue Kuo, Larry Antonuk. Thin Flim Transistors Materials and processesM.Texas:Kluwer Academic Publishers ,2004,273-307
