非晶铟镓锌氧薄膜晶体管在栅压应力下稳定性模型的研究

发布时间：2017-12-15 19:36

  本文关键词：非晶铟镓锌氧薄膜晶体管在栅压应力下稳定性模型的研究

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【摘要】：非晶铟镓锌氧薄膜晶体管(a-IGZO TFT)不仅拥有非晶硅TFT的均匀性和多晶硅TFT的高迁移率等优点,而且还具备高透光率和低制备温度。这些特点使得a-IGZO TFT广泛应用于有源矩阵液晶显示、有源矩阵有机发光二极管显示、透明显示和柔性显示等领域。同时,由于低成本优势,a-IGZO TFT在射频识别、可穿戴电子、非挥发记忆存储器件以及传感器等方面的新型应用也越来越受到人们重视。a-IGZO薄膜中的陷阱能够捕获栅压诱导的电荷,影响a-IGZO TFT的电学性能。本文基于线性区沟道迁移率与沟道内的自由电荷与总电荷的比值成正比关系,分离出自由电子浓度和陷阱态浓度。考虑沟道表面势与栅压的非均匀性关系,通过对沟道层与栅绝缘层界面运用泊松方程及高斯定理,得到自由电子浓度以及陷阱态浓度与表面势的关系,最后通过陷阱态浓度对表面势求导得到线性区对应的态密度。研究了a-IGZO TFT器件在正向栅压应力(PGBS,Positive gate bias stress)下阈值电压(Vth)发生偏移的物理过程。通过TCAD软件模拟了缺陷产生对TFT器件电学稳定性的影响。结果表明,a-IGZO薄膜中产生的浅陷阱态不仅影响TFT器件阈值电压,同时还影响器件的迁移率和亚阈值摆幅;而a-IGZO薄膜中的深陷阱态导致TFT器件的阈值电压向正栅压方向平移。针对a-IGZO沟道内的电子在PGBS作用下隧穿到栅绝缘层,其中一部分电子又发生反向隧穿的物理过程,建立了电子在栅绝缘层内的动力学方程。当栅压较小或应力施加时间较短时,电子隧穿的长度较短,栅绝缘层内能带弯曲程度较小,栅绝缘层中缺陷态能级捕获的电子大部分位于费米能级以上,因此电子很容易发生反向隧穿。通过分析栅压大小及应力施加时间长短与电子隧穿长度之间的关系,确定了隧穿到栅绝缘层中的电子分布,建立了a-IGZO TFT器件阈值电压偏移的模型。研究了a-IGZO TFT器件在负向栅压应力(NGBS,negative gate bias stress)下阈值电压偏移的物理过程。对于有源层氧空位较多的a-IGZO TFT,器件在NGBS下阈值电压负向偏移主要是由于a-IGZO薄膜内类施主缺陷态上的电子发射到导带。随着NGBS施加时间的增大,a-IGZO TFT有源层类施主陷阱能级上单位时间发射的电子逐渐减少,然而随着应力时间的累积,其发射电子的总数不断增加,阈值电压负向偏移的幅度也越来越大。基于上述物理过程,推导出一个器件模型,较好的反映了在NGBS下a-IGZO TFT阈值电压Vth的变化规律。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN321.5

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本文编号：1293191