本文關(guān)鍵詞：非晶銦鎵鋅氧薄膜晶體管在柵壓應(yīng)力下穩(wěn)定性模型的研究

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【摘要】：非晶銦鎵鋅氧薄膜晶體管(a-IGZO TFT)不僅擁有非晶硅TFT的均勻性和多晶硅TFT的高遷移率等優(yōu)點,而且還具備高透光率和低制備溫度。這些特點使得a-IGZO TFT廣泛應(yīng)用于有源矩陣液晶顯示、有源矩陣有機發(fā)光二極管顯示、透明顯示和柔性顯示等領(lǐng)域。同時,由于低成本優(yōu)勢,a-IGZO TFT在射頻識別、可穿戴電子、非揮發(fā)記憶存儲器件以及傳感器等方面的新型應(yīng)用也越來越受到人們重視。a-IGZO薄膜中的陷阱能夠捕獲柵壓誘導(dǎo)的電荷,影響a-IGZO TFT的電學性能。本文基于線性區(qū)溝道遷移率與溝道內(nèi)的自由電荷與總電荷的比值成正比關(guān)系,分離出自由電子濃度和陷阱態(tài)濃度。考慮溝道表面勢與柵壓的非均勻性關(guān)系,通過對溝道層與柵絕緣層界面運用泊松方程及高斯定理,得到自由電子濃度以及陷阱態(tài)濃度與表面勢的關(guān)系,最后通過陷阱態(tài)濃度對表面勢求導(dǎo)得到線性區(qū)對應(yīng)的態(tài)密度。研究了a-IGZO TFT器件在正向柵壓應(yīng)力(PGBS,Positive gate bias stress)下閾值電壓(Vth)發(fā)生偏移的物理過程。通過TCAD軟件模擬了缺陷產(chǎn)生對TFT器件電學穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明,a-IGZO薄膜中產(chǎn)生的淺陷阱態(tài)不僅影響TFT器件閾值電壓,同時還影響器件的遷移率和亞閾值擺幅;而a-IGZO薄膜中的深陷阱態(tài)導(dǎo)致TFT器件的閾值電壓向正柵壓方向平移。針對a-IGZO溝道內(nèi)的電子在PGBS作用下隧穿到柵絕緣層,其中一部分電子又發(fā)生反向隧穿的物理過程,建立了電子在柵絕緣層內(nèi)的動力學方程。當柵壓較小或應(yīng)力施加時間較短時,電子隧穿的長度較短,柵絕緣層內(nèi)能帶彎曲程度較小,柵絕緣層中缺陷態(tài)能級捕獲的電子大部分位于費米能級以上,因此電子很容易發(fā)生反向隧穿。通過分析柵壓大小及應(yīng)力施加時間長短與電子隧穿長度之間的關(guān)系,確定了隧穿到柵絕緣層中的電子分布,建立了a-IGZO TFT器件閾值電壓偏移的模型。研究了a-IGZO TFT器件在負向柵壓應(yīng)力(NGBS,negative gate bias stress)下閾值電壓偏移的物理過程。對于有源層氧空位較多的a-IGZO TFT,器件在NGBS下閾值電壓負向偏移主要是由于a-IGZO薄膜內(nèi)類施主缺陷態(tài)上的電子發(fā)射到導(dǎo)帶。隨著NGBS施加時間的增大,a-IGZO TFT有源層類施主陷阱能級上單位時間發(fā)射的電子逐漸減少,然而隨著應(yīng)力時間的累積,其發(fā)射電子的總數(shù)不斷增加,閾值電壓負向偏移的幅度也越來越大。基于上述物理過程,推導(dǎo)出一個器件模型,較好的反映了在NGBS下a-IGZO TFT閾值電壓Vth的變化規(guī)律。
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN321.5

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本文編號：1293191