【摘要】：氧化物薄膜晶體管(TFT)具有遷移率高、均勻性好、透明度高、制備溫度低、工藝兼容性好等優(yōu)勢。隨著平板顯示產(chǎn)品向大尺寸、全高清、輕薄化、柔性化方向發(fā)展,氧化物TFT逐漸成為最潛力的有源驅(qū)動顯示技術之一,尤其在有源矩陣有機發(fā)光二極管(AMOLED)顯示的應用。而氧化物TFT有源層的界面和體內(nèi)陷阱態(tài)分布(DOS)是構建器件模型和穩(wěn)定性分析不可缺少的關鍵參數(shù)。因此,需要深入地理解氧化物TFT的器件物理性質(zhì),設計一個準確的可靠的陷阱態(tài)分布的提取方法變得十分重要。本論文主要研究了氧化物TFT的界面和體內(nèi)陷阱態(tài)提取方法及應用。從基礎的半導體器件物理出發(fā),建立氧化物TFT器件的電學特性與DOS分布之間的聯(lián)系,研究并設計了一種能夠同時提取界面和體內(nèi)的陷阱態(tài)分布的提取方法。然后,研究了氧化物TFT器件的陷阱態(tài)與平帶電壓之間的內(nèi)在聯(lián)系,并構建一個考慮了DOS分布的平帶電容模型。最后,基于提取的DOS分布,研究了不同退火溫度、偏壓時間、光照下的氧化物TFT器件的DOS分布情況。本論文首先總結了氧化物TFT的能帶結構、陷阱效應的理論研究進展,分析了界面和體內(nèi)陷阱態(tài)分布對氧化物TFT電學性能的影響。氧化物半導體材料中相鄰金屬原子的s軌道之間可以發(fā)生直接交疊,從而形成高效的電子輸運路徑,而價帶主要由氧原子的2p軌道構成。氧化物的帶隙陷阱態(tài)主要由氧空位深陷阱態(tài)和淺施主態(tài)、以及價帶和導帶的帶尾態(tài)組成。同時,由于晶格錯配、表面懸掛鍵、表面吸附的雜質(zhì)原子、輻射或化學鍵斷裂產(chǎn)生的缺陷,形成了位于禁帶內(nèi)的界面陷阱能級。界面陷阱可以通過俘獲或產(chǎn)生電子的形式與半導體有源層進行電荷的擴散與遷移,從而影響TFT器件的性能。其次,基于氧化物TFT器件提出一種能夠同時提取體內(nèi)和界面陷阱態(tài)的半解析方法。從泊松方程出發(fā),把溝道感生出的界面和體內(nèi)電荷密度與柵極電容聯(lián)系起來,得出一條提取界面和體內(nèi)陷阱態(tài)分布的半解析的表達式。結果表明界面陷阱態(tài)密度可以表示為常數(shù)的深能態(tài)與指數(shù)型的帶尾態(tài)的疊加,導帶處的界面陷阱態(tài)密度的數(shù)量級約為10~(12)cm~(-2)eV~(-1)。而體內(nèi)陷阱態(tài)可以表示為指數(shù)型深能態(tài)與指數(shù)型帶尾態(tài)的疊加。我們還利用二維器件模擬器ATLAS(Silvaco)進行器件仿真驗證,并與實驗數(shù)據(jù)進行對比。基于提取的陷阱態(tài)分布,我們提出了一種考慮陷阱態(tài)分布效應的氧化物TFT的平帶電容模型,同時考慮自由電子和陷阱態(tài)電子對平帶電容的影響。我們引入了一個類德拜長度的物理參數(shù)L_s來表征氧化物半導體中的屏蔽長度。結果表明,在確定金屬氧化物薄膜晶體管的平帶電容和平帶電壓時,深能級陷阱態(tài)和帶尾陷阱態(tài)的電子需要同時考慮。最后,探討了不同退火溫度、偏壓時間、光照對氧化物TFT陷阱態(tài)分布的影響,結果表明,退火處理可以降低薄膜中的陷阱態(tài)密度,從而提高氧化物TFT器件的性能。對于偏壓穩(wěn)定性,我們發(fā)現(xiàn)IZO TFTs在施加偏壓后,陷阱態(tài)密度明顯增加,自由電子被陷阱俘獲的概率增大,使得器件性能退化。而在白光照射下,氧化物TFT器件的轉移曲線和電壓-電容曲線有明顯地向負偏壓偏移的現(xiàn)象。由此可以發(fā)現(xiàn),陷阱態(tài)的分布對氧化物TFT器件性能具有重要影響。反過來,我們可以通過陷阱態(tài)分布,深入理解氧化物TFT的電學特性,優(yōu)化TFT的制備工藝,從而提高TFT的器件性能。
【圖文】：

(a)ESL結構，(b)BCE結構

圖1-2 a-IZO TFTs 的(a)轉移特性曲線和(b)輸出特性曲線Fig. 1-2 The a-IZO TFTs, (a) transfer characteristics (b) out-put characteristics.當 Vgs<Vfb時，TFT 器件工作在泄露區(qū)，在柵極上形成負電荷，靠近界面處的半導體薄層中自由電子被耗盡，器件被關斷。此時無論 Vds施加多大的電壓，Ids都很小，對應器件的泄露電流。需要指出的是，由于氧化物半導體不會出現(xiàn)傳統(tǒng)硅材料中的反型現(xiàn)象，所以泄露電路不會隨著 Vgs的減小而增加。當 Vfb< Vgs<Vth時，TFT 器工作在亞閾值區(qū)，在柵極上形成正電荷，在靠近絕緣層-有源層界面附近感生出電子，由于非晶金屬氧化物中的陷阱較多，此時這些電子大部分被陷阱捕獲。在 S/D 電極處加一定電壓 Vds后，自由電子從 S 極流入，越過 D 極與有源層之間的接觸勢壘，形成了較小的 Ids。當 Vgs>Vth時，，TFT 處于開啟區(qū)。我們可以發(fā)現(xiàn)，禁帶中的陷阱被電子填滿，大量的自由電子在絕緣層-有源層的界面附近堆積，形成了電子溝道從而參與導電。此時，Ids隨
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN321.5

【參考文獻】

相關期刊論文 前2條

1 王磊;徐苗;蘭林鋒;鄒建華;陶洪;徐華;李民;羅東向;彭俊彪;;金屬氧化物TFT驅(qū)動AMOLED顯示研究進展[J];中國科學:化學;2013年11期

2 曹鏞;陶洪;鄒建華;徐苗;蘭林鋒;王磊;彭俊彪;;金屬氧化物薄膜晶體管及其在新型顯示中的應用[J];華南理工大學學報(自然科學版);2012年10期

相關碩士學位論文 前1條

1 陳熾樂;金屬氧化物TFT陷阱態(tài)分布（DOS）提取方法研究[D];華南理工大學;2016年

本文編號：2640071