金属氧化物TFT陷阱态分布（DOS）提取方法研究

发布时间：2017-08-10 11:43

  本文关键词：金属氧化物TFT陷阱态分布（DOS）提取方法研究

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【摘要】：金属氧化物薄膜晶体管(TFT)由于其迁移率高、均匀性好和可低温工艺等优点,在有源矩阵液晶显示(AMLCD)和有源矩阵发光二极管显示(AMOLED)中发挥越来越重要的作用。而金属氧化物有源层的陷阱态分布很大程度上决定了TFT的电学特性和长期稳定性。因此,提出一种合理的可靠的陷阱态提取方法,不仅有助于描述金属氧化物TFT的电特性,构建TFT模型,而且可以帮助我们理解金属氧化物TFT的稳定性机理,并通过优化制备工艺来提高TFT性能。这对促进和发展平板显示(FPD)技术具有深远的意义。本文的研究目标是从固体物理的角度深入理解金属氧化物的带隙能态结构,然后基于半导体器件理论,设计一种合理的提取金属氧化物TFT陷阱态分布的方法,并结合提取的陷阱态分布,分析其对TFT器件点特性的影响。金属氧化物带隙陷阱态主要由氧空位深陷阱态,氧空位浅施主态,以及价带(VB)和导带(CB)的带尾态构成。价带顶(VBM)以上高密度的深缺陷态使TFT的费米能级(EF)很难移动到价带附近,所以只能形成n沟道。对于n沟道TFT来说,导带底(CBM)附近的缺陷态分布更有意义,所以本文提出的DOS提取方法主要针对导带附近的陷阱态。从泊松方程和高斯定理出发,可以推导出TFT沟道中的感生电荷密度与栅电容的关系,从而得出了一种通过TFT的低频C-V特性来提取金属氧化物陷阱态分布的方法,该方法值只需要TFT的低频C-V特性,并通过计算一条解析的表达式即可提取DOS分布。我们利用这种方法来提取金属氧化物TFT的DOS,结果表明CBM附近的陷阱态可以由两个指数函数叠加来表示。CBM处的陷阱态密度的数量级为1018eV-1cm-3,比a-Si:H低2-3个数量级,很好地解释了金属氧化物TFT具有比较小的亚阈值摆幅。然后,把提取结果与其他提取方法的结果进行比较,发现我们提出的方法与其他方法提取的陷阱态分布基本一致。此外,我们将低频C-V特性提取方法提取的DOS分布嵌入二维器件仿真器后得到的转移特性和输出特性与实验测试结果符合得很好,进一步说明该方法用来提取金属氧化物TFT的合理性和有效性。基于提取的陷阱态分布,建立了金属氧化物TFT的表面势模型和阈值电压模型。分析了金属氧化物TFT的弱积累区和强积累区分别被有源层沟道的局域态载流子和自由载流子所主导。泊松方程可以基于金属氧化物TFT的这个特性来进行近似,得到分别代表弱积累区和强积累区的两条表面势方程,并利用Lambert W函数求解。然后,通过一个光滑函数把这两个渐近方程统一起来成为表明势模型,得到表面势和栅压的关系。我们认为这两条渐近线的交点代表了TFT从弱积累区到强积累区的过渡点,所以我们把这个交点所对应的栅压定义为阈值电压。基于这个定义,可以推导出一条含有物理意义的解析的阈值电压模型。用这个模型计算出来的阈值电压与实验数据线性外推法提取的阈值电压基本符合。此外,我们还发现随着表面势的增大,自由载流子密度从这一点开始急剧地上升,有力地证明了我们提出的阈值电压模型的有效性。在阈值电压,绝缘层-有源层界面的nfree是nloc的数倍,刚好可以满足nfree在泊松方程中占主导的条件。我们认为金属氧化物TFT的这种情形定义为阈值电压是比较合理的。综上所述,我们提出了低频C-V特性法来提取金属氧化物TFT陷阱态分布。该方法所需的实验数据量少,并可以简单地解析地计算提取。此外,我们还构建了金属氧化物TFT的阈值电压模型,该模型物理概念清晰,与带尾陷阱态分布紧密联系。基于提取的陷阱态参数计算得到的阈值电压与线性外推法得到的基本相符,证明了低频C-V特性法的有效性。
【关键词】：金属氧化物薄膜晶体管(TFT) 陷阱态密度(DOS) 电容-电压(C-V)特性 表面势 阈值电压 物理模型
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O611.62
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-20
• 1.1 研究背景11-13
• 1.2 金属氧化物TFT特性13-16
• 1.3 陷阱态提取的研究现状16-17
• 1.4 主要研究内容及其意义17-19
• 1.5 本章小结19-20
• 第二章 金属氧化物能态结构简介20-27
• 2.1 引言20
• 2.2 能态结构的定性分析20-23
• 2.3 陷阱态分布对电特性的影响23-26
• 2.4 本章小结26-27
• 第三章 提取陷阱态分布的低频C-V特性法27-46
• 3.1 引言27
• 3.2 低频C-V特性法27-34
• 3.2.1 DOS提取原理28-32
• 3.2.2 提取步骤32
• 3.2.3 实验测试32-34
• 3.3 结果与分析34-44
• 3.4 本章小结44-46
• 第四章 金属氧化物TFT阈值电压模型46-58
• 4.1 引言46
• 4.2 表面势的计算模型46-51
• 4.3 阈值电压模型51-53
• 4.4 结果与讨论53-56
• 4.5 本章小结56-58
• 结论58-60
• 参考文献60-68
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果68-69
• 致谢69-70
• 附件70

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本文编号：650549