异步对称双栅InGaZnO薄膜晶体管表面电势的解析模型
发布时间：2020-12-18 18:38
针对异步对称双栅结构的氧化铟镓锌(InGaZnO)薄膜晶体管(thin film transistors,TFTs),求解泊松方程,并根据载流子在亚阈区、导通区的不同分布特点,在亚阈区引入等效平带电压的概念,在导通区运用Lambert W函数近似,建立异步对称双栅InGaZnO TFT表面电势解析模型。该模型的拟合参数只有2个,能够较好地反映介电层厚度、沟道电压等参数对电势的影响。基于所建模型及TCAD分析,研究InGaZnO层厚度、栅介质层厚度以及缺陷态密度等物理量对独立栅控双栅晶体管表面电势的影响。研究结果表明:在亚阈区,表面电势随着底栅电压增大呈近似线性增大,且在顶栅电压调制作用下平移;在导通区,表面电势随着底栅电压的增加逐步饱和,且电势值与顶栅调制电压作用相关度小。表面电势的解析模型与TCAD数值计算结果对比,具有较高的吻合度;在不同缺陷态密度分布情况下,电势模型的计算值与TCAD分析值相对误差均小于10%。本研究成果有利于了解双栅InGaZnO TFT的导通机制,可用于InGaZnO TFT的器件建模及相关集成电路设计。
【文章来源】：中南大学学报(自然科学版). 2020年09期 北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
异步对称双栅In Ga Zn O TFT的剖面结构
图1 异步对称双栅In Ga Zn O TFT的剖面结构其中：nTA,nDA,nTD和nDD分别为TA,DA,TD和DD这4种缺陷态密度分布的中心浓度；k为玻尔兹曼常数；TTA,TDA,TTD和TD分别为这4种缺陷态密度的有效特征温度；EC和EV分别为导带底(CBM)和价带顶(VBM)的能量。
在TCAD的仿真结果中，当顶栅电压VGT为-5V，底栅电压VGB为15 V时，异步双栅In Ga Zn O TFT沟道载流子浓度和沟道电势分布见图4。从图4(a)可见：In Ga Zn O TFT的底部沟道处自由载流子浓度最高约为1018cm-3，到顶部沟道有规律地逐渐减小为1011cm-3。从图4(b)可见：In Ga Zn O TFT的沟道底部电势约为15 V，从底部到顶部逐渐减小。这是因为当底栅电压VGB为15 V时，大量自由载流子积累在沟道与栅绝缘层之间的界面处，该电子积累层屏蔽了底栅电场的作用，导致异步双栅In Ga Zn O TFT表面势φS随着底栅电压VGB的增加而趋于饱和，该情形与式(9)所示的一致。有源层顶部的表面电势和底部表面势变化趋势一致，只不过数值有少量增大，这是由于沟道电荷积累对电场的屏蔽作用在沟道层顶部和底部存在差异。根据模型表达式计算得到的不同有源层厚度tIGZO和不同氧化层厚度tOX，表面势φS随底栅电压VGB的变化关系见图5。从图5可见：随着有源层厚度tIGZO从30 nm增加至50 nm，φS在亚阈区随着VGB增加更快地接近饱和值；随着氧化层厚度tOX从200 nm增加至220 nm，电势饱和值变小，φS在亚阈区则几乎不变化。这是因为φS的饱和值由边界式(5)决定，而不受有源层厚度的影响；但tIGZO增加会导致沟道内自由载流子数目增加，所以，φS随着VGB增加更快地达到饱和值。另一方面，tOX增加导致单位面积的栅介质电容减少，积累在沟道与栅绝缘层之间的界面处的载流子变少，分压也相应地减少，所以，亚阈区的λ仍为1/2，亚阈区的电势不变，饱和区的电势随之减小。
【参考文献】：
期刊论文
[1]InGaZnO薄膜晶体管泄漏电流模型[J]. 邓小庆,邓联文,何伊妮,廖聪维,黄生祥,罗衡. 物理学报. 2019(05)
[2]同步对称双栅InGaZnO薄膜晶体管电势模型研究[J]. 覃婷,黄生祥,廖聪维,于天宝,邓联文. 物理学报. 2017(09)
本文编号：2924412
【文章来源】：中南大学学报(自然科学版). 2020年09期 北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
异步对称双栅In Ga Zn O TFT的剖面结构
图1 异步对称双栅In Ga Zn O TFT的剖面结构其中：nTA,nDA,nTD和nDD分别为TA,DA,TD和DD这4种缺陷态密度分布的中心浓度；k为玻尔兹曼常数；TTA,TDA,TTD和TD分别为这4种缺陷态密度的有效特征温度；EC和EV分别为导带底(CBM)和价带顶(VBM)的能量。
在TCAD的仿真结果中，当顶栅电压VGT为-5V，底栅电压VGB为15 V时，异步双栅In Ga Zn O TFT沟道载流子浓度和沟道电势分布见图4。从图4(a)可见：In Ga Zn O TFT的底部沟道处自由载流子浓度最高约为1018cm-3，到顶部沟道有规律地逐渐减小为1011cm-3。从图4(b)可见：In Ga Zn O TFT的沟道底部电势约为15 V，从底部到顶部逐渐减小。这是因为当底栅电压VGB为15 V时，大量自由载流子积累在沟道与栅绝缘层之间的界面处，该电子积累层屏蔽了底栅电场的作用，导致异步双栅In Ga Zn O TFT表面势φS随着底栅电压VGB的增加而趋于饱和，该情形与式(9)所示的一致。有源层顶部的表面电势和底部表面势变化趋势一致，只不过数值有少量增大，这是由于沟道电荷积累对电场的屏蔽作用在沟道层顶部和底部存在差异。根据模型表达式计算得到的不同有源层厚度tIGZO和不同氧化层厚度tOX，表面势φS随底栅电压VGB的变化关系见图5。从图5可见：随着有源层厚度tIGZO从30 nm增加至50 nm，φS在亚阈区随着VGB增加更快地接近饱和值；随着氧化层厚度tOX从200 nm增加至220 nm，电势饱和值变小，φS在亚阈区则几乎不变化。这是因为φS的饱和值由边界式(5)决定，而不受有源层厚度的影响；但tIGZO增加会导致沟道内自由载流子数目增加，所以，φS随着VGB增加更快地达到饱和值。另一方面，tOX增加导致单位面积的栅介质电容减少，积累在沟道与栅绝缘层之间的界面处的载流子变少，分压也相应地减少，所以，亚阈区的λ仍为1/2，亚阈区的电势不变，饱和区的电势随之减小。
【参考文献】：
期刊论文
[1]InGaZnO薄膜晶体管泄漏电流模型[J]. 邓小庆,邓联文,何伊妮,廖聪维,黄生祥,罗衡. 物理学报. 2019(05)
[2]同步对称双栅InGaZnO薄膜晶体管电势模型研究[J]. 覃婷,黄生祥,廖聪维,于天宝,邓联文. 物理学报. 2017(09)
本文编号：2924412
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