非晶硅薄膜晶体管关态电流的物理模型

恩云飞,刘 远,何玉娟,师 谦,郝 跃

(1.西安电子科技大学微电子学院,陕西西安 710071;2.工业和信息化部电子第五研究所电子元器件可靠性物理及其应用技术重点实验室,广东广州 510610)

非晶硅薄膜晶体管关态电流的物理模型

恩云飞1,2,刘 远2,何玉娟2,师 谦2,郝 跃1

(1.西安电子科技大学微电子学院,陕西西安 710071;2.工业和信息化部电子第五研究所电子元器件可靠性物理及其应用技术重点实验室,广东广州 510610)

基于器件有源层内纵向电场变化模型,提出了背沟界面能带弯曲量与栅源电压的近似方程,并针对背沟电子传导机制建立器件反向亚阈电流模型;基于空穴的一维连续性方程,提出有源层内空穴逃逸率的物理模型,并针对前沟空穴传导机制建立器件泄漏电流模型.实验结果验证了所提关态电流物理模型的准确性,曲线拟合良好.

非晶硅;薄膜晶体管;关态电流;泄漏电流;反向亚阈电流

作为开关元件和驱动电路,非晶硅薄膜晶体管(a-Si:H TFT)被广泛应用于有源矩阵液晶显示领域[1].在高清显示应用中,器件关态电流是电学信号衰减的主要原因[2],其退化量取决于外部偏置和环境温度.

a-Si:H TFT关态电流的产生机制包括欧姆传导、前沟空穴传导和背沟电子传导[2-3],其电流组成部分包括反向亚阈电流和泄漏电流[2,4].基于以上电流产生机制,业界对关态电流进行分析与建模.这些模型在描述载流子传导过程时采用大量拟合参数[2,4],对于不同工艺器件,该参数需重新提取后方可使用.因而有必要改进以上模型,来适用于电路仿真器.

笔者首先建立a-Si:H TFT关态电流的物理模型,包括反向亚阈电流模型与泄漏电流模型;随后将仿真结果与实验结果相比较,来验证所提物理模型的准确性.

1 反向亚阈电流的物理模型

反向叠栅a-Si:H TFT的横截面示意图如图1所示.为使器件性能不受外部环境影响,a-Si:H TFT顶端常被钝化层所覆盖[5],其质量直接影响器件有源层内载流子的输运过程.由图1可知,钝化层、器件源漏电极间形成寄生晶体管结构.由于钝化层质量较差,其体内存在的氧化层固定电荷使得器件有源层顶部能带发生弯曲,电子积累并形成导电沟道.由于a-Si:H TFT中包含两个非晶硅/绝缘层界面,这里将有源层顶部的寄生a-Si:H TFT导电沟道定义为背沟道,而原a-Si:H TFT导电沟道则定义为前沟道.

图1 反向叠栅a-Si:H TFT横截面示意图

图2 反向亚阈区a-Si:H TFT能带示意图

由于器件中存在寄生晶体管及背沟道,在前沟道未开启时,电子亦可能在漏源电压作用下流过背沟道以形成电流,该电流即为反向亚阈电流的主要成分.相比于前沟道,背沟界面处存在较多界面态,因此载流子有效迁移率较低.此外,钝化层内固定电荷引起背沟能带弯曲量较小,寄生晶体管将始终工作在亚阈区,引入背沟道的载流子大部分被深能态陷阱所捕获,器件工作在反向亚阈区时能带如图2所示.

当器件工作在反向亚阈区时,随着栅源电压减小,背沟能带弯曲量随之减小,自由载流子数量降低,电流随电压呈指数变化.因为有源层为本征非晶硅层,故前、背沟界面处能带弯曲量[2,6]之间关系为

其中,φsf与φsb分别为前、背沟道界面处的能带弯曲量,tsi为有源层厚度.

在反向亚阈区中,大部分电荷被深能态陷阱捕获,因此可忽略自由载流子与带尾态捕获电荷的影响.前、背沟道处表面电场[7]Esf和Esb可分别近似为

其中,下标n和p分别表示电子与空穴,Td为深能态特征温度,q为电量为导带处的深能态密度.当器件工作在反向亚阈区时,式(2)可简单近似为[2,4]

其中,

式(4)中,ξnd与ξpd为拟合参数将式(3)代入式(1)即可约去前、背沟电场量,即

基于高斯定理,栅源电压与前沟界面处能带弯曲量之间关系为

其中,Cox为单位面积的栅氧化层电容,Vfb为平带电压.将式(3)代入式(6),可得

结合式(5),式(7)可改写为

背沟界面处电子传导电流为

其中,μn为电子带迁移率;Vch为沟道电势;Qf为自由载流子浓度,可表示为

将式(8)和式(10)代入式(9),可得

式(11)中,

其中,Sr为器件反向亚阈斜率,可表征器件反向亚阈电流随前栅电压变化的快慢.沿沟道方向对式(11)积分,可得

其中,Isub,r0=μnqNcSr.采用式(14)即可描述前栅电压与背沟电子传导电流之间的关系.

当漏端电压较大时,受横向电场影响,隧穿效应将使得自由载流子数量增加,并使得器件源漏电流变大.采用碰撞离化参数Ai和Bi,漏源电流增加值[8]可近似为

最终,器件反向亚阈电流模型为

表1 仿真用a-Si:H TFT模型参数值[2,7]

为验证所提出反向亚阈电流模型的准确性,将模型仿真结果(参数如表1所示)与试验结果[2]进行对比.由图3可知,a-Si:H TFT反向亚阈斜率较大,其典型值介于1.1与1.5之间,这是由类施主局域态以及类受主局域态共同作用所引起的.此外,当栅压减小到一定数值后(小于-8 V),仅考虑背沟传导电流已不能正确描述器件关态电流随栅压减小而增加的特性,此时需考虑前沟空穴传导对器件关态电流的影响.

在上述模型中,反向亚阈电流方程(式(14))与文献[2]中所得结果较相似;但相比于文献[2]中所列的亚阈电流模型,文中考虑了深能态陷阱捕获电荷的影响,而并非采用界面态的形式进行拟合,因而更具有物理意义,也更适用于器件参数提取.

图3 a-Si:H TFT反向亚阈电流的仿真与实验结果

2 泄漏电流的物理模型

当a-Si:H TFT外加负栅压较大时,空穴大量积累在前栅表面,并形成导电沟道.因为漏端电压为正,故沟道与漏区之间形成一个反向PN结.基于场助隧穿理论,当该结构上外加电场较大时,漏端附近耗尽区内会产生大量空穴[9].在漏栅电压作用下,空穴会垂直流过本征a-Si: H层到达沟道处;随后,横向流过前沟道到达源栅交叠区内;最后,再纵向流过源栅交叠区到达源端,以形成泄漏电流.

a-Si:H TFT漏端耗尽区内空穴产生机制与多晶硅薄膜晶体管较相似[10-11],均为热载流子场助隧穿.相比于多晶硅薄膜晶体管,a-Si:H TFT禁带宽度较大,泄漏电流较小.此外,a-Si:H材料中存在大量局域态[12],这一方面会增加漏端耗尽区内空穴产生的数量;另一方面却在交叠区内捕获大量空穴,使得泄漏电流减小.因此,建模中需同时考虑以上两种因素,方可求得单位时间内到达源端的空穴数量,并计算器件泄漏电流.

2.1 漏端耗尽区的空穴产生率

其中,gA和gD为器件中类受主与类施主的局域态密度;XF为PF增强效应因子,XF=exp(ΔEC(KT)); ΔEC为势垒降低高度为Dirac阱与Coulombic阱中载流子隧穿比率:

采用式(17)～(19),可计算得到a-Si:H TFT漏端耗尽区的空穴产生率,如图4所示.由图4可知,器件漏端耗尽区空穴产生率与漏栅电压近似呈指数变化.与Poly-Si TFT不同,若仅考虑a-Si:H TFT漏端耗尽区的空穴产生率,将高估器件的泄漏电流.因此,需考虑漏端耗尽区所产生空穴在器件体内传导过程中的损失.

2.2 本征a-Si:H层的空穴逃逸率

图4 a-Si:H TFT漏端耗尽区空穴产生率

部分空穴在传导过程中将被本征a-Si:H层内局域态所捕获,这里将空穴不被局域态捕获的概率定为空穴逃逸率.由前文可知,空穴需纵向流经栅漏、栅源交叠区和前沟道以形成泄漏电流.因为前沟道已有部分空穴积累,其足以让泄漏电流通过,所以仅需要考虑栅-漏/源交叠区内空穴被捕获的数量与概率.

相比于漏端耗尽区,本征a-Si:H层内产生的空穴数量可被忽略.在整个偏置过程中,没有电子流过栅-漏/源交叠区,因此体内陷阱捕获的空穴将不会被电子复合.此外,陷阱释放空穴的过程与环境温度和时间有关,因为器件开关过程中施加偏压时间较短,故可假定很少被局域态捕获的空穴能被释放.基于以上分析,在计算过程中可忽略a-Si:H层内空穴的产生和复合过程.a-Si:H TFT中空穴的连续性方程为

其中,p为价带空穴的浓度,Jp为流经该位置的空穴流量,σp为中性局域态捕获空穴的概率,NT为局域态密度,PT为被局域态捕获的空穴浓度.被局域态所捕获空穴的连续性方程为

求解式(22),可得

其中,Jp0为注入栅漏交叠区的空穴数量.结合式(21),可求得空穴被局域态捕获的数量为

求解式(24),可得

沿沟道垂直方向对式(25)积分,可得

其中,Jp0t为单位时间内注入栅 漏交叠区的空穴数量.基于以上分析,漏 栅交叠区内空穴被捕获的概率为

而空穴逃逸率为

栅-源交叠区内空穴被捕获的概率和逃逸率与其相似,分别为:Tps=1-ex p(-σpNTtsi),Φps= exp(-σpNTtsi).

2.3 泄漏电流模型

基于式(17)与式(29),可计算得到空穴的产生率与总逃逸率.因此,a-Si:H TFT的泄漏电流为

其中,Vol为漏端耗尽区内空穴产生的有效空间体积,Vol=WeffLovXd,式中Weff为有效沟道宽度,Llov为交叠区长度,Xd为耗尽区厚度[11].观察式(17)可知,空穴产生率与背沟面垂直电场有关.当漏源电压较高时,降落在本征非晶硅层的垂直电场也较大,此时,前沟界面处电势被箝制在平带电压附近.背沟表面电场与栅、漏压之间的关系为

采用式(17)、式(29)、式(30)与式(31),即可模拟得到a-Si:H TFT的泄漏电流,如图5所示.仿真(参数如表1所示)与实验结果间取得良好拟合.此外,由式(30)可知,泄漏电流与器件沟道长度L无关,仅取决于器件栅源/漏交叠区长度,该结果与实验结果[2,5]相吻合.相较于文献[2]中所列泄漏电流的拟合模型,文中模型对其中几个关键拟合参数给予了物理解释与描述,并同时考虑了漏源电压及耗尽区厚度对泄漏电流的影响.

图5 a-Si:H TFT泄漏电流的仿真与实验结果

图6 a-Si:H TFT关态电流的仿真与实验结果

3 仿真结果与验证

在考虑器件反向亚阈电流与泄漏电流后,a-Si:H TFT的关态电流可表征为

为验证模型的准确性,将仿真结果与实验数据[2]进行对比,如图6所示,两者间取得了良好拟合.文中模型中所有关键参数(如反向亚阈斜率Sr等)均基于物理推导,并可随器件尺寸的变化而变化,因而无需进行参数拟合,适用于电路仿真器.在以上模型推导过程中,由于未考虑欧姆传导机制,即由本征a-Si:H层与栅绝缘层电阻所决定的泄漏电流,因而在仿真过程中存在少量偏差,后续将针对该问题进行改进.

4 结束语

提出了非晶硅薄膜晶体管的关态电流模型.在考虑深能态陷阱基础上,基于前沟电子传导提出反向亚阈电流模型.随后,提出空穴在有源层内逃逸率的物理模型,并以此建立器件的泄漏电流模型.文中提出的模型与实验结果拟合良好,适用于电路仿真器,为面板工艺优化和可靠性评估奠定了基础.

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(编辑:齐淑娟)

简 讯

2014年6月26日,学校举行了与IBM联合成立分析云联合研究中心的签约仪式.联合研究中心将依托学校综合业务网理论与关键技术国家重点实验室,在IBM提供的platform、symphony等云计算和大数据处理软件平台上,开展大数据分析和技术计算领域的科学研究、大数据典型行业应用、课程开发教学,以及人才培养等相关工作.IBM中国系统与科技开发中心西安实验室将对联合研究中心提供本地化支撑.此外,IBM与国家留学基金委将合作开展大数据领域博士生联合培养项目,将给予联合研究中心等合作平台以重点支持.

(摘自《西电科大报》2014.7.5)

Physical model for the off current in amorphous silicon thin film transistors

EN Yunfei1,2,LIU Yuan2,HE Yujuan2,SHI Qian2,HAO Yue1
(1.School of Microelectronic,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China;2.China Electronic Product Reliability and Environmental Testing Research Institute,Guangzhou 510610,China)

A physical model for the off current in amorphous silicon thin film transistors is proposed. Firstly,an approximation for the band bending in the back interface as a function of the gate-source voltage is derived in the reverse subthreshold region,and then a current model due to electron conduction in the back channel is developed by considering the deep states.Secondly,a rate used to describe the escaping possibility of holes in the bulk a-Si:H layer is proposed based on the one-dimensional continuity equation. By considering the hole generation rate in the drain depletion region and the hole escaping rate in the bulk a-Si:H layer,a leakage current model due to hole conduction in the front channel is developed.The proposed model has been verified using the experimental data.

amorphous silicon;thin film transistors;off current;leakage current;reverse subthreshold current

TN386

A

1001-2400(2014)05-0135-06

2013-05-17< class="emphasis_bold">网络出版时间:

时间:2014-01-12

国家自然科学基金资助项目(61204112);中国博士后科学基金资助项目(2012M521628)

恩云飞(1968-),女,研究员,E-mail:Enyf@ceprei.com.

http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3969/j.issn.1001-2400.2014.05.023.html

10.3969/j.issn.1001-2400.2014.05.023