基于双栅结构的非晶硅薄膜晶体管建模及物理效应研究

发布时间：2018-04-20 00:12

  本文选题：非晶硅薄膜晶体管 + 漏电流模型　； 参考：《华南理工大学》2016年博士论文

【摘要】：高性能氢化非晶硅薄膜晶体管(a-Si:H TFT)广泛地应用在以AMOLED为代表的大面积平板显示领域,是相关产业的底层共性技术与核心技术。伴随大尺寸、3D柔性显示、虚拟现实等技术的快速发展,其对TFT电学性能方面的要求也随之越来越高。双栅结构的a-Si:H TFT近年来受到业界的广泛关注,其体现在场效应迁移率更高、更低的泄漏电流、低温工艺环境下均匀的沉积率,并且与现有TFT生产线兼容等方面的显著优势,正成为目前业界的新焦点。系统合理地构建反应载流子输运机理同时适用于电路仿真模块的器件电学模型,对促进大面积平板显示及相关集成电路产业发展具有重要的现实意义。本文围绕建立适用于SPICE电路仿真器的统一的(单栅及双栅结构)a-Si:H TFT器件模型,开展并完成了以下研究工作:第一,a-Si:H带隙中存在的随能级分布复杂的陷阱态密度对a-Si:H TFT电学特性有重要的影响,它使器件呈现出更复杂的非线性电学特性。针对单栅a-Si:H TFT,本文首先给出了一种解析求解a-Si:H薄膜中陷落电荷的计算方法。接着,应用高斯定理,建立了栅压和表面势间的隐含方程,通过荷电分析及数学变换,综合考虑电场在有源层厚度中的连续变化特性,推导并建立了a-Si:H TFT正偏条件下亚阈区、开启区(强积累)漏电流模型,定量分析了不同偏置条件下载流子扩散及漂移运动对a-Si:H TFT电学特性的影响。第二,从陷阱到带发射机制和Poole-Frenkel效应的影响出发,本文对不同场强影响下的载流子产生及输运机理做了详细分析。考虑Dirac与Coulombic陷的影响,提出了考虑连续指数陷阱态密度分布下等效电场的解析计算方法,推导得到了反向偏置下a-Si:H TFT半经验泄漏电流模型,对相关物理效应的影响进行了定量计算。综合第一部分结论得到了单栅a-Si:TFT完整的漏电流模型。模型与不同工艺环境、不同沟长比的转移及输出特性的实验结果进行了比较,验证了模型的有效性。第三,针对对称型本征沟道的非晶硅双栅薄膜晶体管(sDG a-Si:H TFT),考虑a-Si:H带隙中央深能Gaussian分布特性,运用高斯定理和一维泊松方程,建立栅压与表面势及中点电势间的隐含关联方程组。采用分区方法首次给出了一种快速逼近表面势和中点电势的求解策略。通过与数值计算结果的比较,验证了算法的准确性。对不同计算方法在计算效能方面进行了比较,验证了算法的高效性。第四,通过对不同载流子荷电浓度的量化分析,考虑由中点电势带来的耦合影响,在第三部分基础上,推导了对称栅压作用下sDG a-Si:H TFT解析电流模型,通过分别与二维模拟软件及相关实验测量结果获得的I V特性比较,证明了所提出的紧致模型的普适性及有效性。特别地,针对反叠栅型sDG a-Si:H TFT正偏条件下形成的n~+-i-n~+器件结构,推导了电流密度及沟道电势在器件栅-源交叠区域内分布的解析表达式。考虑载流子空间限制电流SCLC的输运机理,推导了对应的隐含关联方程组,建立了n~+-i-n~+结构下本征沟道电流与寄生非线性电流关联的准二维模型,为进一步器件工艺制备及结构优化提供了理论依据第五,在实际应用环境下,无论器件的结构还是偏置条件中的对称性均被打破。针对非对称双栅结构的非晶硅薄膜晶体管,运用高斯定理,从一维泊松方程的求解开始,建立了前、背栅压独立偏置条件下统一的沟道电势模型,研究了不同有源层厚度中表面势及背电势随栅压变化的一般规律。利用数学变换及Lambert W函数给出了一种近似求解模型中关联电势方程组的有效方法。结果表明,给出的近似解与精准数值结果十分接近,大幅降低了模型自洽解的求解时间,证明了所提方法的有效性,为建立与器件工艺紧密关联的紧凑模型提供了重要的物理基础。综上,本文从a-Si:H TFT器件结构及不同偏置下载流子输运机理出发,建立了覆盖全工作区域的单栅及双栅器件电学模型,在物理性及运算效率方面做出了新的平衡。综合采用数值计算,二维器件模拟和实验数据提取等方法,对模型的完整性,普适性和准确性进行了充分的论证,为模型嵌入基于SPICE的电路仿真模块奠定了基础。
[Abstract]:This paper presents a new method for solving the electrical characteristics of a - Si : H TFT with high performance hydrogenated amorphous silicon thin film transistor ( a - Si : H TFT ) , which is widely used in the field of large area flat panel display with AMOLED . 涓嶅悓娌熼暱姣旂殑杞�绉诲強杈撳嚭鐗规�х殑瀹為獙缁撴灉杩涜�屼簡姣旇荆�

本文编号：1775365