金属氧化物薄膜晶体管紧凑模型及参数提取的研究

发布时间：2020-03-22 08:06

【摘要】：跟非晶硅(amorphous Silicon,a-Si)、多晶硅(ploy-Silicon,poly-Si)和有机薄膜晶体管相比,金属氧化物薄膜晶体管(Metal Oxide Thin Film Transistor,MOTFT)有着更高的载流子迁移率、更好的均匀性和弯曲性能及更低的沉积成本等优点。因此,MOTFT有着良好的应用前景,特别是在柔性电路和有源矩阵有机发光二极面板(Active Matrix Organic Light Emitting Diode,AMOLED)上,发挥着越来越重要的作用。未来,MOTFT还将会应用到柔性射频识别电路(Radio Frequency Identification,RFID)、数字混合电路、可吸收的生物传感器等领域。为了推动MOTFT技术更好的发展,建立物理意义明确的紧凑模型必不可少。它能够让我们更好的理解器件电学特性和新型材料对TFT性能的影响,并最终辅助于集成电路的设计。本文的主要内容是基于MOTFT的器件特性,考虑界面电荷的影响,提出了一种界面和体内陷阱态密度(Density of States,DOS)提取方法。同时,提出一种接触电阻提取方法,即接触电压法。基于参数提取的结果,提出了基于表面势并考虑接触效应的MOTFT电流紧凑模型。MOTFT有源层中的陷阱态密度很大程度决定了器件的电学特性和稳定性,因此,提出一种基于物理的可靠的DOS提取方法必不可少。它不仅有助于理解器件特性,还有助于建立更精确的电流模型。金属氧化物带隙陷阱态主要由氧空位陷阱态,氧空位浅施主态,以及价带和导带的带尾态组成。本文考虑了界面电荷,提出了一种DOS提取方法。该方法把栅电容(C_g)等效成有源层电荷电容(C_s)和界面电荷电容(C_(it))并联后再与氧化层电容(C_(ox))的串联,它只需用到器件的C-V特性就可以把DOS提取出来,不仅简单,而且结果更加准确。本文将DOS提取结果代入到器件仿真软件中得到器件的I-V特性并跟实验数据做比较,两者吻合的很好。随着器件尺寸的不断缩小,接触电阻对器件的影响越来越大。特别是对于短沟道器件,接触电阻甚至会比沟道电阻还大。因此,准确的接触电阻提取对于器件建模有着重要的作用。本文提出了接触电压法,这种方法把沟道分成两部分:接触沟道和本征沟道。通过求解接触部分的压降(即接触电压V_c)进而得到接触电阻R_c。这种方法假设源端注入到有源层的电子是通过线性注入的形式来完成。基于上述的参数提取结果,考虑接触效应的影响,本文提出了一种基于表面势的漏电流模型,包括亚阈值区和开启区电流。因为考虑了接触效应,该模型可适用于不同沟道长度的器件。同时,该模型还适用于器件工作在简并状态下。因此,这是一个完整的,符合实际物理意义并能嵌入到电路仿真器中的漏电流模型。本文分别对不同沟道长度的器件进行表征,得到了器件的转移和输出特性曲线。通过跟实验数据比较发现:两者吻合的很好。综上所述,本文先提出DOS和接触电阻的提取方法,基于参数提取的结果建立了基于表面势并考虑接触效应的漏电流模型。通过和实验数据的比较,验证了参数提取方法和漏电流模型的有效性。
【图文】：

路径图,载流子传输,非晶硅薄膜,路径

（a）非晶硅薄膜（b）a-IGZO薄膜的载流子传输路径[7]

霍尔迁移率,载流子浓度,括号,单位

组分比例的 a-IGZO 的霍尔迁移率(cm2/Vs)与载流子浓度(括号内，单位锌是由 In2O3、Ga2O3和 ZnO 三种组分构成，各个组分的性n2O3中的铟离子形成的 5s 轨道是电子传输的主要路径，，而且电子传输轨道的重叠[23]。5s 轨道之间相互交叠共享，增大了的高速传输。Ga2O3中的 Ga3+具有很强的电负性，能够抑制子浓度[24]。因此，Ga 元素的掺入可以提高薄膜的稳定性[2 薄膜的载流子浓度和迁移率减少的越多。ZnO 中的锌离子形a-IGZO 达到稳定结构。同时，Zn 离子还有减少导带底的浅的作用。a-IGZO薄膜的导电机制与薄膜内部的电子浓度密切ZO 薄膜的霍尔迁移率和自由载流子浓度随组分比例 In2O3：从图中可以看出，In 和 Zn 成分越多，Ga 成分越少，a-IG[27]
【学位授予单位】：暨南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN321.5

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