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相比于非晶硅(amorphous silicon,a-Si)和多晶硅(polysilicon,poly-Si)薄膜晶体管(Thin-Film Transistors,TFTs),以非晶InGaZnO(a-IGZO)为代表的非晶氧化物半导体TFTs具有能够在室温条件下制备、可高于10 cm~2/Vs的迁移率、较高的器件均一性及较低的制备成本等综合优势。a-IGZO TFTs不仅适用于平面显示技术,还可以实现大面积柔性透明显示以及众多新兴领域的应用,例如嵌入式生物医学技术、可穿戴电子产品、射频识别标签、虚拟和增强现实技术等。基于a-IGZO TFTs的电路设计与仿真需要能够更准确表征器件特性的模型。本论文研究了a-IGZO TFTs的器件结构和沟道层材料物理特性对器件电学性能的影响,并给出了相应的模型,主要研究内容有:1.通过建立器件的二维模型,结合a-IGZO的带隙缺陷态分布特点,研究了单栅和双栅(Dual-Gate,DG)结构a-IGZO TFTs的电学特性以及沟道层厚度和界面耦合效应对器件直流特性的影响。2.通过计算沟道载流子数目波动产生的归一化低频电流噪声功率谱密度,建立了a-IGZO TFTs的亚阈值区低频噪声物理模型。研究了低栅压区a-IGZO导带带尾态对载流子的多重俘获与释放、栅绝缘层边界陷阱与沟道中的载流子交换对a-IGZO TFTs电流低频噪声的影响;由亚阈值区直流特性确定带隙缺陷态分布参数及其造成的低频电流噪声,结合边界陷阱给出了器件在低栅压区的总低频噪声。分析研究表明,带隙缺陷态对器件的亚阈值区低频噪声有显著影响,电流噪声功率谱与带尾态的特征分布温度呈指数关系。3.基于载流子在a-IGZO导带底上方高斯分布势垒区中的渗流输运机制,由玻尔兹曼输运方程推导了与载流子浓度和温度有关的载流子迁移率表达式,建立了包含简并和非简并导电的器件漏极电流物理模型。该模型能够反映a-IGZO TFTs的载流子迁移率和电流-电压特性随温度的变化规律。结果表明,一定载流子浓度和温度下的载流子迁移率受载流子的平均自由程、势垒分布高度的均值以及标准差等的影响。4.基于双栅结构a-IGZO TFTs的电路和系统可实现更加高速、稳定且低功耗的工作性能。通过求解器件沟道中点电势和表面势,建立了一个基于扩散和漂移电流的同步对称DG a-IGZO TFTs直流模型。将阈值电压定义为漏极电流的扩散分量与漂移分量相等时对应的栅极电压,得到一个表征器件电流-电压特性的漏极电流简明表达式。5.基于等效特征温度方法推导了非对称DG a-IGZO TFTs的沟道电势模型及非薄层电荷近似的漏极电流解析表达式,表征了双栅结构和偏置下器件的沟道电势分布及电流-电压特性。针对非对称DG a-IGZO TFTs的次栅极对阈值电压的调控作用,给出了一个基于a-IGZO带隙缺陷态分布特点的阈值电压定义方法,准确反映了阈值电压随次栅偏置以及缺陷态分布参数的变化规律。基于该阈值电压定义,进一步建立了形式简明的紧凑直流模型,并给出了参数提取和确定方法,适用于全部工作区域的非对称DG a-IGZO TFTs。