氧化物TFT陷阱态分布（DOS）提取研究及应用

发布时间：2020-04-25 09:16

【摘要】：氧化物薄膜晶体管(TFT)具有迁移率高、均匀性好、透明度高、制备温度低、工艺兼容性好等优势。随着平板显示产品向大尺寸、全高清、轻薄化、柔性化方向发展,氧化物TFT逐渐成为最潜力的有源驱动显示技术之一,尤其在有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示的应用。而氧化物TFT有源层的界面和体内陷阱态分布(DOS)是构建器件模型和稳定性分析不可缺少的关键参数。因此,需要深入地理解氧化物TFT的器件物理性质,设计一个准确的可靠的陷阱态分布的提取方法变得十分重要。本论文主要研究了氧化物TFT的界面和体内陷阱态提取方法及应用。从基础的半导体器件物理出发,建立氧化物TFT器件的电学特性与DOS分布之间的联系,研究并设计了一种能够同时提取界面和体内的陷阱态分布的提取方法。然后,研究了氧化物TFT器件的陷阱态与平带电压之间的内在联系,并构建一个考虑了DOS分布的平带电容模型。最后,基于提取的DOS分布,研究了不同退火温度、偏压时间、光照下的氧化物TFT器件的DOS分布情况。本论文首先总结了氧化物TFT的能带结构、陷阱效应的理论研究进展,分析了界面和体内陷阱态分布对氧化物TFT电学性能的影响。氧化物半导体材料中相邻金属原子的s轨道之间可以发生直接交叠,从而形成高效的电子输运路径,而价带主要由氧原子的2p轨道构成。氧化物的带隙陷阱态主要由氧空位深陷阱态和浅施主态、以及价带和导带的带尾态组成。同时,由于晶格错配、表面悬挂键、表面吸附的杂质原子、辐射或化学键断裂产生的缺陷,形成了位于禁带内的界面陷阱能级。界面陷阱可以通过俘获或产生电子的形式与半导体有源层进行电荷的扩散与迁移,从而影响TFT器件的性能。其次,基于氧化物TFT器件提出一种能够同时提取体内和界面陷阱态的半解析方法。从泊松方程出发,把沟道感生出的界面和体内电荷密度与栅极电容联系起来,得出一条提取界面和体内陷阱态分布的半解析的表达式。结果表明界面陷阱态密度可以表示为常数的深能态与指数型的带尾态的叠加,导带处的界面陷阱态密度的数量级约为10~(12)cm~(-2)eV~(-1)。而体内陷阱态可以表示为指数型深能态与指数型带尾态的叠加。我们还利用二维器件模拟器ATLAS(Silvaco)进行器件仿真验证,并与实验数据进行对比。基于提取的陷阱态分布,我们提出了一种考虑陷阱态分布效应的氧化物TFT的平带电容模型,同时考虑自由电子和陷阱态电子对平带电容的影响。我们引入了一个类德拜长度的物理参数L_s来表征氧化物半导体中的屏蔽长度。结果表明,在确定金属氧化物薄膜晶体管的平带电容和平带电压时,深能级陷阱态和带尾陷阱态的电子需要同时考虑。最后,探讨了不同退火温度、偏压时间、光照对氧化物TFT陷阱态分布的影响,结果表明,退火处理可以降低薄膜中的陷阱态密度,从而提高氧化物TFT器件的性能。对于偏压稳定性,我们发现IZO TFTs在施加偏压后,陷阱态密度明显增加,自由电子被陷阱俘获的概率增大,使得器件性能退化。而在白光照射下,氧化物TFT器件的转移曲线和电压-电容曲线有明显地向负偏压偏移的现象。由此可以发现,陷阱态的分布对氧化物TFT器件性能具有重要影响。反过来,我们可以通过陷阱态分布,深入理解氧化物TFT的电学特性,优化TFT的制备工艺,从而提高TFT的器件性能。
【图文】：

(a)ESL结构，(b)BCE结构

输出特性曲线,转移特性曲线,输出特性曲线

图1-2 a-IZO TFTs 的(a)转移特性曲线和(b)输出特性曲线Fig. 1-2 The a-IZO TFTs, (a) transfer characteristics (b) out-put characteristics.当 Vgs<Vfb时，TFT 器件工作在泄露区，在栅极上形成负电荷，靠近界面处的半导体薄层中自由电子被耗尽，器件被关断。此时无论 Vds施加多大的电压，Ids都很小，对应器件的泄露电流。需要指出的是，由于氧化物半导体不会出现传统硅材料中的反型现象，所以泄露电路不会随着 Vgs的减小而增加。当 Vfb< Vgs<Vth时，TFT 器工作在亚阈值区，在栅极上形成正电荷，在靠近绝缘层-有源层界面附近感生出电子，由于非晶金属氧化物中的陷阱较多，此时这些电子大部分被陷阱捕获。在 S/D 电极处加一定电压 Vds后，自由电子从 S 极流入，越过 D 极与有源层之间的接触势垒，形成了较小的 Ids。当 Vgs>Vth时，，TFT 处于开启区。我们可以发现，禁带中的陷阱被电子填满，大量的自由电子在绝缘层-有源层的界面附近堆积，形成了电子沟道从而参与导电。此时，Ids随
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN321.5

【参考文献】