第一章 序論
1.4 薄膜電晶體
電晶體是由一個閘極、一個源極和一個汲極所構成的三接點電子元件(圖 1-1)。其原 理是利用絕緣層讓閘極和通道的部分隔開，當閘極沒有外加一個電壓時，就沒有電流從 源極流向汲極，呈現「關閉」狀態，此時唯一通過的電流即稱為漏電流。而當閘極加一 夠大的正電壓時，在通道部分會感應出電子來，此時如果再在汲極部分加一電壓，將使 大量電子經由源極流向汲極，使得薄膜電晶體從原本的「關閉」變成「開啟」的狀態。
所以薄膜電晶體可以被視為一個開關[2]。
圖 1-1 底閘極(Bottom Gate)電晶體基本結構
1.4.1 非晶矽薄膜電晶體
非晶矽薄膜電晶體(Amorphous-Si TFT)為 TFT-LCD 中較為成熟的技術，是目前 LCD 市場的主流。主要是因為非晶矽 TFT 有以下優點:為一低溫製程（<350℃），非常適合 製造在玻璃基板上；另一個優點為連續製程，整個製程步驟較為簡化。以底閘極(Bottom Gate)結構的 薄膜電晶 體為例，ㄧ 般多利 用 電漿輔助化學氣相 沉積(PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)的方式，在已定義的閘極上，連續沉積閘極介電層、
主動層和汲/源極層，再回蝕(Etchback)定義所需的元件結構。因此底閘極(Bottom Gate) 結構的薄膜電晶體較符合製程步驟簡單的要求，並且有較低的漏電流。但是非晶矽 TFT 也有著某些無法改進的缺點，如電子遷移率(Mobility)很低（<1cm2/V‧S），開啟電流
（On current）較小。在這些先天缺陷下，非晶矽的 TFT-LCD 有著反應速率慢，解析度 低，開口率較低等缺點。由於不同的應用下，隨著畫素不斷的增加，需要比非晶矽 TFT 電性更好的元件，才能有更好的特性，因此發展出了比非晶矽薄膜電晶體電性更好的複 晶矽薄膜電晶體，來改善上述的缺點。
1.4.2 複晶矽薄膜電晶體
複晶矽薄膜電晶體(Poly-Si TFT)與非晶矽薄膜電晶體的不同在於主動層以複晶矽取 代非晶矽，使得電晶體之驅動能力大大的提升。ㄧ般複晶矽薄膜製作的方法分為直接沉 積複晶矽(As-deposited Polysilicon)及沉積非晶矽再退火(Annealing)兩種。直接沉積複晶 矽製程溫度在 625℃以上，高於ㄧ般玻璃基板的軟化溫度(600℃)，且直接沉積的複晶矽，
其晶粒(Grain)較小，缺陷(Defect)較多，製作出來的薄膜電晶體特性較差，所以通常無人 使用此方式製作。另外一種製作複晶矽的方法為先利用低壓化學氣相沉積(LPCVD, Low Pressure Chemical Vapor Deposition)、PECVD 或濺鍍(Sputtering)的方式沉積非晶矽薄膜，
再利用熱處理的方式使其再結晶為複晶矽薄膜。
再結晶的方式可分為高溫及低溫兩類，以玻璃基板的軟化溫度(600℃)為分界。高溫 再結晶通常以爐管(Furnace)或是快速熱退火(RTA, Rapid Thermal Annealing)的方式進行，
由於使用高溫製程，所以必須使用較昂貴且小尺寸的石英基板，並限制了其應用範圍。
因此低溫再結晶的方式是目前最受矚目並為工業界採用的技術。利用低溫再結晶所製造 的低溫複晶矽(LTPS, Low-Temperature-Poly-Silicon )薄膜電晶體具有較高載子移動率[3]。
而電子與電洞的移動率是決定一個 TFT 元件等效傳導率與尺寸大小的重要參數，而高載 子移動率使得 LTPS TFT-LCD 具有下列的競爭優勢:
A. 可縮小畫素(Pixel)中 TFT 的尺寸，增加透光區域的面積，而達到高開口率(圖 1-2)[4]。
因此在相同的發光亮度下，LTPS TFT-LCD 可採用低瓦數的背光源，達到低耗電量 的要求。另外藉由完全自我對準(Fully Self-Alignment)來形成源/汲極區域，則可降 低寄生與重疊電容所需的儲存電容面積也能因此縮小，讓開口率進一步提高，而能 提供更高精細、高解析度的液晶面板。
B. 可將周邊驅動電路與液晶面板同時製作於玻璃基板上，有利於減少電路板驅動 IC 與面板電極之間的連線，而降低材料成本;同時更可以在後段模組組裝過程中，避 免組裝造成的產品損害，進而提升良率降低製造成本。
C. 可降低顯示器模組的重量與厚度。驅動電路的整合不但能消除驅動 IC 本身的重量 與厚度，也省去的與其相關的 TAB 及 PCB 封裝所增加的厚度與重量，可達到縮小 面板厚度約 10%~20%，達成產品薄型化的要求。
D. 可增加液晶顯示器面板的可靠度。TAB 連接線的故障與鬆脫是面板損壞的主因，
因此省去 TAB 的封裝將使得液晶顯示器面板的可靠度得以提升。
E. 可降低驅動電壓，進而降低液晶面板的功率消耗。LTPS-TFT 具有高載子移動率與 低臨界電壓(Threshold Voltage)的特性，因此在固定驅動電流下，驅動 LTPS-TFT 的電壓可大幅降低，再加上寄生電容的減少，則驅動液晶面板的功率消耗能大幅降 低。表 1-1[5]列出了 a-Si TFT 與 LTPS TFT 的各方面特性比較。
圖 1-2 非晶矽與多晶矽面板之開口率比較[4]
表 1-1 a-Si TFT 與 LTPS TFT 特性比較[5]