仿真環(huán)境下探究氫化非晶硅薄膜晶體管原理的教學(xué)實(shí)踐

陳文彬

(電子科技大學(xué) 光電信息學(xué)院， 四川 成都 610054)

仿真環(huán)境下探究氫化非晶硅薄膜晶體管原理的教學(xué)實(shí)踐

陳文彬

(電子科技大學(xué) 光電信息學(xué)院， 四川 成都 610054)

氫化非晶硅薄膜晶體管(α-Si:H TFT)是平板顯示領(lǐng)域的主流技術(shù)，其原理是傳統(tǒng)教學(xué)模式中的難點(diǎn)，相反卻為探究式教學(xué)呈現(xiàn)出了廣闊空間。將α-Si:H TFT的工作狀態(tài)分為四個(gè)區(qū)域，詳細(xì)分析了這四個(gè)區(qū)域的電流-電壓特性，結(jié)合RPI SPICE參數(shù)規(guī)劃了教學(xué)核心內(nèi)容并示例性給出了探究點(diǎn)，通過(guò)參數(shù)調(diào)整-仿真-參數(shù)提取-再仿真的閉環(huán)過(guò)程，可以深入理解α-Si:H TFT的物理機(jī)制。教學(xué)實(shí)踐表明增高了學(xué)生參與度，教學(xué)效果良好。

探究；SPICE；α-Si:H；薄膜晶體管

0 引言

基于TFT的平板顯示技術(shù)是信息產(chǎn)業(yè)的基石之一，涉及技術(shù)面廣，產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)力大，是國(guó)家工業(yè)化能力和競(jìng)爭(zhēng)力的重要體現(xiàn)。α-Si:H TFT是平板顯示技術(shù)的代表，是當(dāng)前平板顯示技術(shù)的主流[1]。平板顯示產(chǎn)業(yè)是技術(shù)、資本和人才密集型產(chǎn)業(yè)，其中人才是關(guān)鍵。京東方科技集團(tuán)股份有限公司董事長(zhǎng)王東升曾談到，顯示相關(guān)專(zhuān)業(yè)的人才較少，特別是頂尖人才更為緊缺[2]。為了配合產(chǎn)業(yè)的發(fā)展升級(jí)，我校建立了薄膜晶體管原理與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室[3，4，5]，并開(kāi)設(shè)了“TFT原理與技術(shù)”專(zhuān)業(yè)課程，采用探究式教學(xué)模式，致力于培養(yǎng)TFT設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域的高級(jí)技術(shù)人才。

1 TFT原理教學(xué)中的問(wèn)題

α-Si:H TFT是一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，由于物理概念抽象，知識(shí)點(diǎn)多，涉及范圍廣，理論推導(dǎo)復(fù)雜，學(xué)生均反映難以掌握它的工作原理，而這直接影響到后續(xù)對(duì)TFT制造和顯示面板設(shè)計(jì)等知識(shí)的理解[6]。因此，需要針對(duì)目前教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題與不足，優(yōu)化和整合教學(xué)內(nèi)容，探索多元化教學(xué)手段，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

作為半導(dǎo)體類(lèi)的課程，文獻(xiàn)[7]提出了用半導(dǎo)體材料和器件模擬平臺(tái)搭建虛擬半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)的半導(dǎo)體基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)的不足。文獻(xiàn)[8]介紹了通過(guò)構(gòu)建集成電路設(shè)計(jì)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，緩解了實(shí)驗(yàn)室資源不足的問(wèn)題，并滿(mǎn)足了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的需求。這些教學(xué)手段的實(shí)施確實(shí)有助于提高教學(xué)質(zhì)量，但是要真正實(shí)現(xiàn)以教為中心向以學(xué)為中心的理念轉(zhuǎn)變，凝練課程的教學(xué)內(nèi)容，啟發(fā)式、探究式問(wèn)題的設(shè)置才是成敗的關(guān)鍵[9,10]。針對(duì)α-Si:H TFT的物理機(jī)制的教學(xué)問(wèn)題，本文結(jié)合α-Si:H TFT的SPICE模型，力求梳理出一條清晰的脈絡(luò)，構(gòu)造出課程教學(xué)的清晰路徑，提升教學(xué)效果。

圖1 α-Si:H TFT典型結(jié)構(gòu)

2 仿真環(huán)境的建立

當(dāng)學(xué)生已經(jīng)具備模擬電路知識(shí)，會(huì)使用SPICE仿真軟件，掌握了半導(dǎo)體物理的基礎(chǔ)知識(shí)并且了解MOSFET的電流電壓特性，這就為仿真環(huán)境下進(jìn)行α-Si:H TFT原理教學(xué)打下了基礎(chǔ)。

教學(xué)過(guò)程依托Silvaco的集成仿真平臺(tái)，采用 MOS FET和TFT的RPI SPICE模型[11]。在該集成仿真環(huán)境下，改變?chǔ)?Si:H TFT SPICE模型相關(guān)參數(shù)觀察I-V曲線(xiàn)的變化情況，從I-V曲線(xiàn)上可以提取出TFT的特性參數(shù)以及模型參數(shù)，進(jìn)而可以再仿真。具體的教學(xué)方法上可以通過(guò)呈現(xiàn)與學(xué)生現(xiàn)有掌握知識(shí)不同或相矛盾的觀點(diǎn)來(lái)喚起學(xué)生探索的興趣與愿望，實(shí)現(xiàn)以教師為中心向以學(xué)生為中心轉(zhuǎn)變。

3 α-Si:H TFT的工作機(jī)理探究

1) α-Si:H TFT的直流特性

學(xué)生熟悉恒定遷移率下的MOSFET 直流I-V特性(LEVEL 1模型)，理論上，當(dāng)柵源電壓小于或等于閾值電壓時(shí)漏極電流為零，漏極電流用3個(gè)經(jīng)典公式來(lái)描述，但是α-Si:H TFT的I-V特性與MOS FET相比有很大不同[12]。

考慮α-Si:H TFT的典型參數(shù)：寬長(zhǎng)比W/L為39 μm /5 μm，絕緣層厚度為350 nm，載流子遷移率為0.8 cm2/V·s， 閾值電壓VTH為2.5 V，絕緣層的相對(duì)介電常數(shù)εr為6.9。學(xué)生可以使用LEVEL61模型(α-Si:H TFT的SPICE模型)參數(shù)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)移特性和輸出特性曲線(xiàn)。典型的掃描條件可以設(shè)定為VDS=0-20 V，增量為1V，VGS=0-20 V，增量為5 V。同時(shí)根據(jù)MOS FET的LEVEL 1模型畫(huà)出α-Si:H TFT 的I-V關(guān)系圖，與LEVEL 61模型產(chǎn)生的曲線(xiàn)作比較。a-Si:H TFT典型的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)如圖2所示，其工作區(qū)可以分為四個(gè)區(qū)域，即：截止區(qū)、亞閾值區(qū)、線(xiàn)性區(qū)以及飽和區(qū)。a-Si:H TFT工作于截止區(qū)時(shí)漏極電流并不為0，TFT的開(kāi)態(tài)電流相對(duì)較小且飽和區(qū)的飽和現(xiàn)象不明顯。提取出TFT的閾值電壓、載流子遷移率后可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)當(dāng)柵源電壓小于或等于閾值電壓時(shí)漏極電流不為零，場(chǎng)效應(yīng)遷移率與柵壓滿(mǎn)足冪律關(guān)系。

2)α-Si:H TFT線(xiàn)性/飽和區(qū)的漏極電流

由美國(guó)的Rensselaer Polytechnic Institute建立的RPI模型中，與線(xiàn)性區(qū)和飽和區(qū)的漏極電流相關(guān)的SPICE 參數(shù)有ALPHASAT(飽和電壓調(diào)節(jié)參數(shù))、EMU(場(chǎng)效應(yīng)遷移率的激活能)、GAMMA(遷移率的冪律參數(shù))、KASAT(ALPHASAT的溫度系數(shù))、KVT(閾值電壓溫度系數(shù))、LAMBDA(輸出電導(dǎo)參數(shù))、MUBAND(導(dǎo)帶遷移率)、TNOM(參數(shù)測(cè)量溫度)、V0(深隙態(tài)的特征電壓)、VAA(場(chǎng)效應(yīng)遷移率特征電壓)、VTO(零偏閾值電壓)等。學(xué)生在這個(gè)區(qū)域中特別需要探究場(chǎng)效應(yīng)遷移率與VGS的關(guān)系并分析表面垂直電場(chǎng)對(duì)遷移率的調(diào)制原因。

圖2 α-Si:H TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)

當(dāng)α-Si:H TFT柵極電壓VGS>VTH時(shí)，源漏間形成電荷積累層，積累層中電荷ΔθS包括自由電子Δθn和陷阱俘獲的固定電荷Δθt，也即

ΔθS=Δθn+Δθt

(1)

其中對(duì)α-Si:H TFT漏極電流有貢獻(xiàn)的是自由電子Δθn。

μFE=Δθn=ΔθS

(2)

從式(2)可知，若溝道中自由載流子居于主導(dǎo)地位時(shí)，μFE與μn近似相等，就正如MOS FET一樣。但是在α-Si:H TFT中由于尾態(tài)的存在使得Δθn<ΔθS，結(jié)果使得μFE<μn，也就是說(shuō)α-Si:H TFT的有效載流子遷移率小于單晶硅的場(chǎng)效應(yīng)遷移率。當(dāng)α-Si:H TFT工作于閾值電壓以上時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)遷移率與柵壓滿(mǎn)足冪律關(guān)系

μFE=μ0[(VGS-VTH)/VAA]y

(3)

其中μ0為導(dǎo)帶遷移率，VAA和y為與尾態(tài)分布有關(guān)的特征電壓和冪律參數(shù)。

當(dāng)柵壓增加到閾值電壓VTH以上時(shí)，費(fèi)米能級(jí)上移到導(dǎo)帶底進(jìn)入導(dǎo)帶尾，漏極電流可以達(dá)到微安量級(jí)，因?yàn)閷?dǎo)帶尾含有大量由弱鍵構(gòu)成以指數(shù)形式分布的缺陷態(tài)，費(fèi)米能級(jí)上升的速度因尾態(tài)缺陷密度的增多而明顯減慢，因此，α-Si:H導(dǎo)帶尾決定了TFT線(xiàn)性區(qū)和飽和區(qū)的漏極電流特性。

3)α-Si:H TFT亞閾值區(qū)的漏極電流

RPI模型中與亞閾值區(qū)的漏極電流相關(guān)的典型參數(shù)有DEF0(無(wú)光照費(fèi)米能級(jí))、EPSI(柵絕緣層的相對(duì)介電常數(shù))、GMIN(最小深隙態(tài)密度)、TOX(絕緣層厚度)、VFB(平帶電壓)等。

當(dāng)給柵極加上正電壓，將在TFT溝道內(nèi)感生出電子，α-Si:H導(dǎo)帶向下彎曲，同時(shí)靠近柵絕緣層的溝道區(qū)域的費(fèi)米能級(jí)上升，隨著柵壓的增加費(fèi)米能級(jí)逐漸移向?qū)?。但是因?yàn)樵跍系赖膸秲?nèi)存在指數(shù)分布的隙態(tài)及在α-Si:H/α-SiNx:H界面處存在界面態(tài)，較低柵壓下，能帶彎曲小，感生的電子大部分要先去填充這些態(tài)，只有少部分電子能夠進(jìn)入導(dǎo)帶，源漏之間形成少量的亞閾值電流。RPI模型中的閾值電壓定義為IDS與VGS不再呈指數(shù)關(guān)系時(shí)對(duì)應(yīng)的VGS，亞閾值區(qū)的漏極值電流為

Isub=qμnηs0[(tm/di)(VgFBe/V2)(εi/εs)](2V2/Ve)(W/L)Vdse

(4)

亞閾值區(qū)域的核心概念是閾值電壓VTH，根據(jù)設(shè)定的SPICE模型參數(shù),學(xué)生可以由TFT的I-V曲線(xiàn)提取閾值電壓，進(jìn)一步可以討論TFT在亞閾值區(qū)的特性與柵極絕緣層、α-Si:H有源層和鈍化層的質(zhì)量的關(guān)系，根據(jù)有源層的厚度、偏壓情況的不同，α-Si:H/α-SiNx:H界面、有源層和背溝道都對(duì)載流子傳輸有影響。在正的偏壓條件下，對(duì)應(yīng)著前溝道導(dǎo)電，前界面和α-Si:H有源層中的深缺陷態(tài)的影響是主要的。隨著柵壓的下降并達(dá)到負(fù)值，背溝道成為載流子的主要通道，亞閾值電流與背溝界面和鈍化層有關(guān)。

4)α-Si:H TFT截止區(qū)的泄漏電流

a-Si:H TFT工作于截止區(qū)時(shí)負(fù)偏壓通常不高，截止區(qū)漏極電流并不為0，泄漏電流為

I1eak=I0Lexp[E1(1/Vtho-1/Vth)][exp(VDS/Vds1)-1]exp(-VGS/Vgst)+σ0VDS

(5)

其中I0L是零偏壓下的最小泄漏電流，σ0與測(cè)試精度有關(guān)。泄漏電流是熱激活的，激活能El在0.5-1.0 eV之間。Vds1和Vgs1是泄漏電流與VDS和VGS的相關(guān)因子，與深隙態(tài)密度有關(guān)。

a-Si:H TFT工作于截止區(qū)時(shí)，α-Si:H TFT泄漏電流隨著負(fù)柵偏壓和正的漏源電壓按照指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)。RPI模型中與泄漏電流相關(guān)的SPICE 參數(shù)有EL(空穴流的激活能)、IOL(零偏壓下的泄漏電流)、VDSL(空穴流與漏極電壓的相關(guān)因子)、VGSL(空穴流與柵壓的相關(guān)因子)等。學(xué)生可以通過(guò)改變模型參數(shù)探究截止區(qū)泄漏電流的特點(diǎn)以及影響的因素。

α-Si:H TFT的泄漏電流來(lái)源于三個(gè)方面：①α-SiNx:H柵極絕緣層的泄漏電流；②α-Si:H薄膜本身的傳導(dǎo)電流；③背溝道導(dǎo)電和前溝道的空穴積累產(chǎn)生的導(dǎo)電。

泄漏電流的大小與柵極偏壓、漏極偏壓、α-Si:H薄膜厚度、柵/漏極交疊程度、背溝鈍化工藝有關(guān)。實(shí)際上α-Si:H TFT，α-Si:H的體電流和α-SiNx:H的泄漏電流很小，主要的泄漏電流來(lái)自于背溝的電子導(dǎo)電和前溝的空穴導(dǎo)電。低柵壓下，背溝電流是由于在溝道背面形成了電子的積累層，如果α-Si:H層足夠薄，這層積累層可以由柵極電壓完全耗盡。如果負(fù)柵壓較大，空穴可以在前溝道處形成積累層，進(jìn)而形成空穴流。但是，由于n+層阻止空穴的流入，空穴只能來(lái)源于α-Si:H層中深陷阱的熱產(chǎn)生，因此空穴流受到溝道內(nèi)空穴產(chǎn)生率的限制。在大的負(fù)向偏壓和漏極偏壓作用下，出現(xiàn)前溝道的Poole-Frenkel發(fā)射電流。

4 教學(xué)效果的評(píng)價(jià)

以30名學(xué)生為一個(gè)教學(xué)班，以2-3人為一個(gè)小組組織教學(xué)。在5個(gè)方面設(shè)置考評(píng)點(diǎn)：①是否能夠在仿真環(huán)境下得到α-Si:H TFT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性曲線(xiàn)，并且能夠提取TFT的閾值電壓和載流子遷移率；②是否能夠說(shuō)明截止區(qū)、亞閾值區(qū)、線(xiàn)性區(qū)和飽和區(qū)的漏極電流特性及與MOS FET的Level 1模型的區(qū)別；③是否能夠正確解讀RPI模型中閾值電壓的物理意義；④是否能夠在參考資料和教師的輔助下用能帶理論解釋?duì)?Si:H TFT在線(xiàn)性區(qū)和飽和區(qū)中的載流子傳輸機(jī)制；⑤是否能夠在參考資料和教師的輔助下分析影響α-Si:H TFT性能的結(jié)構(gòu)、材料和工藝因素。其中前3個(gè)方面采用提交報(bào)告的形式，后2個(gè)方面采用討論發(fā)言的方式，進(jìn)一步考察學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、歸納、聯(lián)想的能力。

5 結(jié)語(yǔ)

本文詳述了α-Si:H TFT的物理模型和SPICE參數(shù)，采用以學(xué)生為中心的探究式教學(xué)方法，設(shè)計(jì)了教學(xué)進(jìn)程和具體的探究點(diǎn)，在教學(xué)實(shí)踐中采用原理教學(xué)與虛擬仿真互動(dòng)的漸進(jìn)式方式。近年來(lái)的教學(xué)實(shí)踐表明，課程教學(xué)內(nèi)容愈加豐富了，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，學(xué)習(xí)興趣更濃，創(chuàng)造了良好的教學(xué)效果。

[1] 應(yīng)根裕，屠彥，萬(wàn)博泉等編著．平板顯示應(yīng)用技術(shù)手冊(cè)[M]． 北京: 電子工業(yè)出版社，2007年2月.

[2] 田民波，葉鋒．TFT LCD面板設(shè)計(jì)與構(gòu)裝技術(shù)[M]．北京: 科學(xué)出版社，2010年.

[3] 陳文彬， 吳援明． 平板顯示技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)[J]．上海：實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30(9) :139-141．

[4] 薛巧巧，吳援明． 光電信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J]. 上海：實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2008， 27( 8)：101-103．

[5] 陳文彬，吳援明． 信息顯示技術(shù)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)[J]．成都：實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2010，8( 2)：161-163．

[6] Kagan C R，Andry P．薄膜晶體管及其在平板顯示中的應(yīng)用[M].北京: 電子工業(yè)出版社，2008年.

[7] 盛威，許英，吳伶錫. 半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐[J]．南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2015，37(2):109-110．

[8] 彭春雨，藺智挺，李正平，吳秀龍. 集成電路設(shè)計(jì)平臺(tái)構(gòu)建與實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索[J]．南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2014，36(8):49-51．

[9] 耿莉, 徐友龍, 張瑞智. 創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式下的半導(dǎo)體物理教學(xué)研究[J]．南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31:85-87．

[10] 陳利，李君， 肖昌雷. 研究型教學(xué)在信息通識(shí)教育實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用[J]．上海：實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32(10):409-411．

[11] WWW.SILVACO.COM.

[12] Betty Lise Anderson，Richard L. Anderson著．半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)[M]．北京:清華大學(xué)出版社，2008年3月.

ExplorationofTeachingPracticefortheα-Si:HTFTPrinciplesWithUsingSimulation

CHENWen-bin

(SchoolofOptoelectronicInformation，UniversityofElectronicScienceandTechnology，Chengdu610054，China)

α-Si:H TFT technology is the dominant technology in the flat panel display. The principles of α-Si:H TFT are the difficulty in the traditional teaching mode, instead this gives rise to a great scope of application to the inquiring teaching mode. The current-voltage characteristic of α-Si:H TFT are deeply analyzed and the 4 working regimes are combined with the RPI SPICE model. Typical inquiring points are discussed，which include leakage drain current，threshold voltage，field effect mobility. Closed loop inquiring process is set up based upon parameter adjustment-simulation-parameter extraction-resimulation, which can make students deeply understand the physical mechanism of α-Si:H TFT. The teaching method and teaching contents for inquiring α-Si:H TFT principles using simulation are presented. Teaching practice shows that students′ participation is higher and the teaching effect is good.

Inquiring; SPICE; α-Si:H; TFT

2016-10-17;

2017-01-06

電子科技大學(xué)本科教學(xué)改革研究項(xiàng)目(Y02012023701215)

陳文彬(1968-)，男，副教授，博士，主要從事平板顯示與成像技術(shù)的教學(xué)和研究,E-mail：chenwb@uestc.edu.cn

G642；G4

A

1008-0686(2017)05-0138-04