銦鎵鋅氧薄膜晶體管的懸浮柵效應(yīng)研究?

覃婷 黃生祥 廖聰維 于天寶 羅衡 劉勝 鄧聯(lián)文

(中南大學(xué)物理與電子學(xué)院,長(zhǎng)沙 410083)

1 引 言

以有機(jī)矩陣發(fā)光二極管顯示(active matrix organic light emitting diode,AMOLED)為代表的新型顯示技術(shù)發(fā)展迅速,銦鎵鋅氧薄膜晶體管(InGaZnO thin fi lm transistor,IGZO TFT)有利于推動(dòng)AMOLED等新型顯示技術(shù)的大規(guī)模量產(chǎn),成為下一代TFT技術(shù)的主流[1?3].研究者普遍認(rèn)為,相比于傳統(tǒng)的硅基TFT,IGZO TFT具有遷移率較高、均勻性好、成本低等優(yōu)勢(shì)[4?8].但是IGZO TFT的電學(xué)特性容易受到光照的影響,這可能成為影響AMOLED量產(chǎn)的一個(gè)重要技術(shù)問(wèn)題.IGZO層的缺陷態(tài)電子可能受到光的激發(fā)而達(dá)到導(dǎo)帶,從而導(dǎo)致器件泄漏電流的增加[9?12].

增加遮光層(light shielding layer)以減少光照對(duì)IGZO層的影響,是減少IGZO TFT的泄漏電流的主要方法[13].Lim等[14]和Takechi等[15]報(bào)道了增加遮光金屬柵的IGZO TFT特性,證明了對(duì)遮光金屬柵極施加合適的偏置電壓能夠較好地調(diào)控TFT的電學(xué)特性.此外,通過(guò)調(diào)制遮光金屬柵的電壓,還能夠?qū)GZO TFT的閾值電壓進(jìn)行線性調(diào)節(jié)[16?19],這可能用于補(bǔ)償AMOLED像素電路的閾值電壓漂移.但是,在遮光金屬柵上增加偏置電壓或者電路,TFT的面積會(huì)增加,這也限制了高分辨率像素電路的集成[20].另一方面,Zan等[21]發(fā)現(xiàn)如果讓遮光金屬柵處于懸浮狀態(tài),可能提高器件的電學(xué)性能.但是,Zeng等[13]的實(shí)驗(yàn)表明,IGZO TFT的輸出特性在遮光金屬柵極懸浮情況下會(huì)呈嚴(yán)重的不飽和特性.這可能會(huì)嚴(yán)重影響到IGZO TFT在AMOLED像素及驅(qū)動(dòng)電路中的應(yīng)用.懸浮柵IGZO TFT的電學(xué)特性不能簡(jiǎn)單應(yīng)用雙柵極TFT[22]或單柵IGZO TFT[23]器件的機(jī)理來(lái)解釋.然而迄今為止,懸浮柵IGZO TFT電學(xué)特性的機(jī)理解釋尚未見報(bào)道.

本文采用TCAD(technology computer-aided design)研究了懸浮柵IGZO TFT中電勢(shì)分布特點(diǎn).根據(jù)IGZO TFT中電勢(shì)的分布、輸出電學(xué)特性推測(cè)了懸浮柵效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理,并建立了基于等效電容耦合方法的懸浮柵IGZO TFT輸出特性模型.本文將TCAD數(shù)值模擬以及器件模型的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比,較全面地揭示了懸浮柵效應(yīng)的機(jī)制.

2 懸浮柵效應(yīng)的TCAD分析

圖1示意了具有遮光金屬柵(shielding metal,SM)的IGZO TFT的器件剖面. 其中,x軸和y軸分別是沿著IGZO的溝道長(zhǎng)度和厚度方向.IGZO TFT的W/L=25μm/10μm,IGZO層厚度tIGZO=40 nm,頂柵(top gate,TG,即遮光金屬柵)和底柵(bottom gate,BG)介質(zhì)層厚度均為200 nm.溝道長(zhǎng)度L位于x軸15—25μm處,源極和漏極分別位于x軸0—15μm和25—40μm處,頂柵及底柵電極位于x軸0—40μm處.

在SILVACO TCAD分析中,有源層材料為IGZO,其缺陷態(tài)(defects)模型參數(shù)如表1所列.

圖1 懸浮的和固定電位的遮光金屬柵IGZO TFT的橫截面示意圖Fig.1.Cross sectional view of IGZO TFT with a fl oating/ fi xing SM.

表1 IGZO缺陷態(tài)密度模型參數(shù)Table 1.Density of states model parameters for IGZO.

圖2分別是頂柵懸浮和頂柵接固定電位(VTG=0 V)時(shí)IGZO TFT的電勢(shì)剖面圖.如圖2(b)所示,當(dāng)遮光金屬柵極接固定電位時(shí),IGZO TFT的頂部與底部溝道的電勢(shì)變化規(guī)律相同.即電勢(shì)從源端到漏端逐漸增大,且電勢(shì)的值在接近漏端附近陡增.并且電勢(shì)的值在漏端處達(dá)到最大且保持不變.這是因?yàn)橄啾扔贗GZO溝道區(qū),漏端附近的“夾斷區(qū)”等效阻抗較大;于是漏源電壓VDS主要降落在漏端附近的“夾斷區(qū)”.漏端附近的電壓陡增也說(shuō)明漏端附近的“夾斷區(qū)”內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度較大.此時(shí),由于遮光金屬柵極和主柵極的條件完全一致,故IGZO TFT的頂部和底部溝道的電勢(shì)分布也是對(duì)稱的.

圖2(a)表明,IGZO TFT的懸浮柵及其介質(zhì)層中的電勢(shì)明顯高于固定頂柵電位的電勢(shì).同時(shí),頂部溝道與底部溝道的電勢(shì)呈非對(duì)稱變化.這可能是懸浮的遮光金屬柵通過(guò)頂柵介質(zhì)層與漏電極發(fā)生了電容耦合效應(yīng)帶來(lái)的.由于遮光金屬柵電位的抬高,IGZO TFT在有源層頂部也形成了導(dǎo)電溝道,且IGZO層的頂部和底部導(dǎo)電溝道不對(duì)稱,從而使得其電勢(shì)分布也出現(xiàn)了顯著的差異.

圖2 (a)懸浮的,(b)固定電位的遮光金屬柵IGZO TFT的電勢(shì)分布剖面圖(VDS=5 V)Fig.2.Potential distribution for IGZO TFT with(a)a fl oating SM and(b)a fi xing SM(VDS=5 V).

圖3 IGZO層溝道電勢(shì)變化曲線 (a)頂部溝道;(b)底部溝道Fig.3.Potential in the channel fi lm with(a)top channel(b)bottom channel.

圖3示意了IGZO TFT的遮光金屬層懸浮以及固定的狀況下,IGZO的頂部溝道及底部溝道的電勢(shì)值.相較于固定遮光金屬柵的IGZO TFT,遮光金屬柵懸浮的IGZO TFT的頂部溝道電勢(shì)值在漏端附近提高了約1.5 V,底部溝道電勢(shì)值也提高了約0.5 V.這是因?yàn)殡娙蓠詈献饔?遮光金屬柵極電壓被提高.同時(shí),懸浮柵效應(yīng)增加了溝道中電場(chǎng)強(qiáng)度的x軸方向的分量,故IGZO頂部溝道以及底部溝道的電勢(shì)均被抬高.又由于頂部溝道對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的屏蔽作用,底部溝道電勢(shì)的增加量比頂部溝道電勢(shì)增加的量小一些.

圖4 遮光金屬柵懸浮及接固定電位的IGZO TFT的輸出特性曲線比較Fig.4.The output characteristics for IGZO TFT with a fl oating and fi xing SM.

也正是由于遮光金屬柵懸浮時(shí),IGZO TFT的溝道內(nèi)電勢(shì)與常規(guī)單柵器件存在顯著的不同,器件的電學(xué)性能將相應(yīng)地改變.圖4示意了遮光金屬柵懸浮和接固定電位時(shí)IGZO TFT的輸出特性曲線.對(duì)于遮光金屬柵接固定電位的器件而言,在器件的飽和區(qū)(VDS≥VGS?VTH),IDS的值趨于穩(wěn)定且?guī)缀醪浑SVDS發(fā)生變化.但是遮光金屬柵懸浮的IGZO TFT并不具備輸出特性飽和特性,IDS的值在飽和條件(VDS≥VGS?VTH)下仍然不斷地增加.我們稱圖4所示的現(xiàn)象為懸浮柵效應(yīng),即器件在滿足飽和條件(VDS≥VGS?VTH)后電流仍然隨著電壓的增加而持續(xù)增加.

圖5 懸浮遮光金屬柵IGZO TFT的輸出特性曲線的實(shí)驗(yàn)值與仿真值對(duì)比Fig.5.The output characteristics for IGZO TFT with a fl oating shielding metal for measured and simulated results by TCAD.

圖5是遮光金屬柵懸浮的IGZO TFT輸出特性曲線測(cè)試值與TCAD數(shù)值分析結(jié)果的對(duì)比.TCAD數(shù)值分析的參數(shù)的設(shè)置與文獻(xiàn)報(bào)道的工藝過(guò)程保持一致[13].其中,IGZO TFT的W/L=25/12μm,頂柵絕緣層(SiOx)厚度為150 nm,底柵絕緣層(SiOx)厚度為300 nm,IGZO層厚度為40 nm.圖5表明,在遮光金屬柵懸浮時(shí),輸出特性的不飽和現(xiàn)象顯著.從圖5的結(jié)果可看出,器件特性的測(cè)試值和TCAD計(jì)算值符合程度較高.但是,在VDS較小時(shí),器件源漏電流的實(shí)驗(yàn)測(cè)試值相比于TCAD計(jì)算值低5%左右.這可能與測(cè)試過(guò)程的接觸阻抗、TFT樣品的參數(shù)分散性等相關(guān).更長(zhǎng)溝道的TFT的測(cè)試結(jié)果可能與TCAD數(shù)值分析結(jié)果復(fù)合程度更高.

3 懸浮柵效應(yīng)模型

根據(jù)前面的推測(cè),即懸浮柵效應(yīng)由電容耦合引起,這里通過(guò)等效電容的方法建立懸浮柵IGZO TFT的電流模型.圖6示意了遮光金屬柵懸浮時(shí)IGZO TFT的等效電容分布.其中,tTI,tIGZO和tBI分別表示遮光金屬柵絕緣層、IGZO層和底柵絕緣層的厚度.CTI與CBI分別表示單位面積的遮光金屬柵與底柵絕緣層的電容.VFG,VBG分別是遮光金屬柵(頂柵)和底柵上的電壓.

事實(shí)上,遮光金屬柵電極與源漏電極之間的耦合電場(chǎng)分布形狀是非規(guī)則的.為了簡(jiǎn)化模型和計(jì)算,這里近似地采用平板電容來(lái)等效.后續(xù)將通過(guò)與數(shù)值計(jì)算的比較來(lái)檢驗(yàn)該建模方法的準(zhǔn)確性.

圖6 遮光金屬柵極懸浮的IGZO TFT的簡(jiǎn)化模型示意圖Fig.6.Simpli fi ed cross-sectional view of IGZO TFT with a fl oating SM.

根據(jù)電容分壓的原理,可以計(jì)算得到在遮光金屬柵懸浮的情況下的懸浮柵電壓VFG:

根據(jù)圖2中懸浮遮光金屬柵附近電勢(shì)分布的特點(diǎn),懸浮遮光柵極的電壓會(huì)在IGZO層頂部形成新的導(dǎo)電溝道,并且同時(shí)會(huì)影響到IGZO層底部的電勢(shì)分布,IGZO層底部的橫向電場(chǎng)強(qiáng)度分量增強(qiáng).從等效角度而言,懸浮遮光金屬柵極的電壓(VFG)使得IGZO層中的載流子濃度增加(CTIVFG).因此,閾值電壓將在原底柵TFT的值的基礎(chǔ)上近似地減小,可以表示為

其中,VBTH0僅存在底柵金屬層時(shí)的IGZO TFT閾值電壓.CDI=CBI+CTI.由此,懸浮遮光金屬柵IGZO TFT的源漏電流[24]可以推導(dǎo)得到

其中,W,L,μ,VGS分別表示遮光金屬層懸浮IGZO TFT溝道的寬度,溝道長(zhǎng)度、有效遷移率和柵源電壓.

當(dāng)TFT器件工作于線性區(qū)時(shí),即VDS?VGS?VFTH,(3)式可以簡(jiǎn)化為

當(dāng)VDS超過(guò)臨界值(VGS?VFTH)時(shí),源漏電流可以表示為

該模型表明,當(dāng)VDS較小時(shí),源漏電流與VGS仍然保持良好的線性關(guān)系;而VDS超過(guò)臨界值以后,源漏電流與VGS變成二次函數(shù)關(guān)系.為了驗(yàn)證模型的合理性,圖7示意了采用該模型的計(jì)算結(jié)果以及TCAD的數(shù)值計(jì)算結(jié)果.表2列出了模型的參數(shù)取值.

表2 模型參數(shù)的取值Table 2.Model parameters.

圖7 遮光金屬柵懸浮的IGZO TFT輸出特性曲線,模型計(jì)算值與TCAD數(shù)值計(jì)算值的對(duì)比Fig.7.The comparison with calculated results and TCAD simulated results of output characteristics for IGZO TFT with a fl oating SM.

圖7的對(duì)比表明,本文提出的電容耦合等效模型能夠較準(zhǔn)確地測(cè)算遮光金屬柵懸浮時(shí)IGZO TFT的源漏電流特性.該模型的物理意義明顯,表明了懸浮柵對(duì)閾值電壓的調(diào)制作用,反映了懸浮柵控制下IGZO層新產(chǎn)生的導(dǎo)電溝道,能較準(zhǔn)確地預(yù)計(jì)出器件輸出特性由于VDS作用而不飽和的特點(diǎn).

該模型采用等效電容的方法,將懸浮柵與源漏電極間的耦合電容近似認(rèn)為是平板電容.但是這些電容值實(shí)際上并不是常數(shù),而是受到源漏電壓VDS的調(diào)制.另外,遷移率等參數(shù)同樣受到柵源電壓VGS的調(diào)制.這是造成圖7所示解析模型計(jì)算結(jié)果與TCAD計(jì)算結(jié)果差異的根本原因.從圖7來(lái)看,解析模型計(jì)算結(jié)果與TCAD計(jì)算結(jié)果的誤差率小于10%,仍然具有較高的可信度.該模型具有數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、物理意義顯著的優(yōu)勢(shì),適合于手工計(jì)算.

圖8 遮光金屬柵懸浮的IGZO TFT輸出特性曲線在不同λ的取值下的模型計(jì)算值對(duì)比Fig.8.The calculated output characteristics for IGZO TFT with a fl oating SM versus different value of λ.

根據(jù)以上分析可知,當(dāng)電容耦合參數(shù)λ減少時(shí),IGZO TFT的輸出特性的飽和程度將被提升.圖8表示了電容耦合參數(shù)λ取值不同時(shí),懸浮柵IGZO TFT的輸出特性曲線對(duì)比.當(dāng)λ減小時(shí),懸浮柵IGZO TFT的輸出特性曲線“翹尾”程度降低.因此,當(dāng)要求高輸出阻抗的IGZO TFT時(shí)(例如,AMOLED的驅(qū)動(dòng)TFT,或者用于TFT集成傳感的放大器電路),主要手段應(yīng)該是減少電容耦合參數(shù)λ.可能的方法包括,增加懸浮柵與IGZO TFT源極之間的電容、增加懸浮柵側(cè)介質(zhì)層厚度、在懸浮柵側(cè)采用低介電常數(shù)的介質(zhì)層等.

4 結(jié) 論

本文研究了遮光金屬柵極懸浮的IGZO TFT的電學(xué)特性及懸浮柵效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)制.通過(guò)TCAD數(shù)值計(jì)算,展示了懸浮柵IGZO TFT器件內(nèi)的電勢(shì)分布.分析表明,由于漏極電壓對(duì)遮光金屬柵極的耦合,IGZO層的電勢(shì)和載流子濃度重新分配.在較強(qiáng)漏源電壓VDS作用下,器件溝道方向的電場(chǎng)強(qiáng)度分量明顯增強(qiáng),IGZO層形成了頂部和底部?jī)蓷l非對(duì)稱的導(dǎo)電溝道.本文建立了基于等效電容耦合的懸浮遮光金屬柵IGZO TFT的漏源電流模型,該模型物理意義明顯,且數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.本文的研究綜合對(duì)比了懸浮遮光金屬柵IGZO TFT的測(cè)試結(jié)果、TCAD數(shù)值計(jì)算結(jié)果以及模型計(jì)算結(jié)果,三者相互之間能夠較好地符合,證實(shí)了所進(jìn)行的TCAD數(shù)值計(jì)算以及所建立的器件物理模型的合理性.本文較全面地揭示了IGZO TFT懸浮柵效應(yīng)的機(jī)制,對(duì)新型IGZO TFT的開發(fā)具有良好的指導(dǎo)作用.

[1]Arai T 2012J.Soc.Inf.Display20 156

[2]Li X F,Xin E L,Shi J F,Chen L L,Li C Y,Zhang J H 2013Acta Phys.Sin.62 108503(in Chinese)[李喜峰,信恩龍,石繼鋒,陳龍龍,李亞春,張建華2013物理學(xué)報(bào)62 108503]

[3]Xu P R,Qiang L,Yao R H 2015Acta Phys.Sin.64 137101(in Chinese)[徐飄榮,強(qiáng)蕾,姚若河2015物理學(xué)報(bào)64 137101]

[4]Kim Y,Kim Y,Lee H 2014J.Display Technol.10 80

[5]Qian C,Sun J,Zhang L,Huang H,Yang J,Gao Y 2015J.Phys.Chem.C119 14965

[6]Zhang C,Luo Q,Wu H,Li H,Lai J,Ji G,Yan L,Wang X,Zhang D,Lin J,Chen L,Yang J,Ma C 2017Organic Electron.45 190

[7]Zheng Z,Jiang J,Guo J,Sun J,Yang J 2016Organic Electron.33 311

[8]Liu F,Qian C,Sun J,Liu P,Huang Y,Gao Y,Yang J 2016Appl.Phys.A:Mater.Sci.Process.122 311

[9]Chen T C,Chang T C,Hsieh T Y,Tsai C T,Chen S C,Lin C S,Hung M C,Tu C H,Chang J J,Chen P L 2010Appl.Phys.Lett.97 192103

[10]Oh H,Yoon S M,Ryu M K,Hwang C S,Yang S,Park S H K 2010Appl.Phys.Lett.97 183502

[11]Oh H,Yoon S M,Ryu M K,Hwang C S,Yang S,Park S H K 2011Appl.Phys.Lett.98 033504

[12]Chen W T,Hsueh H W,Zan H W,Tsai C C 2011Electrochem.Solid-State Lett.14 H297

[13]Zeng M,Chen S,Liu X D,Zeng L M,Li W Y,Shi L Q,Li S,Chou Y F,Liu X,Lee C 2017Sid Symposium Digest of Technical Papers48 1234

[14]Lim H,Yin H,Park J S,Song I,Kim C,Park J,Kim S,Kim S W,Lee C B,Kim Y C,Park Y S,Kang D 2008Appl.Phys.Lett.93 063505

[15]Takechi K,Nakata M,Azuma K,Yamaguchi H,Kaneko S 2009IEEE Trans.Electron Dev.56 2027

[16]Park J S,Jeong J K,Mo Y G,Kim H D,Kim C J 2008Appl.Phys.Lett.93 033513

[17]Seok M J,Choi M H,Mativenga M,Geng D,Kim D Y,Jang J 2011IEEE Electron Dev.Lett.32 1089

[18]Abe K,Takahashi K,Sato A 2012IEEE Trans.Electron Devi.59 1928

[19]Baek G,Kanicki J 2012J.Soc.Inf.Disp.20 237

[20]Seok M J,Mativenga M,Geng D,Jang J 2013IEEE Electron Dev.Lett.60 3787

[21]Zan H W,Chen W T,Yeh C C,Hsueh H W,Tsai C C,Meng H F 2011Appl.Phys.Lett.98 153506

[22]Qin T,Huang S X,Liao C W,Yu T B,Deng L W 2017Acta Phys.Sin.66 097101

[23]Ning H L,Hu S B,Zhu F,Yao R H,Xu M,Zou J H,Tao H,Xu R X,Xu H,Wang L,Lan L F,Peng J B 2015Acta Phys.Sin.64 126103(in Chinese)[寧洪龍,胡詩(shī)犇,朱峰,姚日暉,徐苗,鄒建華,陶洪,徐瑞霞,徐華,王磊,蘭林鋒,彭俊虎2015物理學(xué)報(bào)64 126103]

[24]Zhao J Q,Yu P F,Qiu S,Zhao Q H,Feng L R,Ogier S,Tang W,Fan J L,Liu W J,Liu Y P,Guo X J 2017IEEE Electron Dev.Lett.64 2030