發(fā)布時間：2018-03-24 02:00

  本文選題：非晶銦鎵鋅氧　切入點：薄膜晶體管　出處：《南京大學》2016年博士論文

【摘要】：當前,以非晶銦鎵鋅氧薄膜晶體管(a-IGZO TFT)為代表的非晶氧化物半導體TFT受到了國內外研究者的廣泛關注。a-IGZO TFT與傳統(tǒng)硅基TFT相比,同時具有遷移率高、關態(tài)漏電流低、均勻性好、制造成本低等卓越特性,在新型顯示技術領域極具應用前景。但是,由于a-IGZO的非晶屬性,導致a-IGZO TFT仍存在許多科學問題,限制了其在顯示產業(yè)中的應用。較為突出的問題包括器件微縮化中的接觸電阻問題及器件在偏壓和光照下長時間工作時的可靠性問題等。為了解決這些問題,首先需要對相關的器件物理進行深入的理解。本論文針對a-IGZO TFT的科學問題,綜合運用多種表征方法對器件的接觸特性和界面特性進行了表征,研究了影響器件特性的物理因素。本文主要研究內容及結果如下：1.采用直流磁控濺射技術制備了反交疊公共背柵型a-IGZO TFT,通過優(yōu)化工藝參數(shù),成功制備出具有良好電學性能的器件。通過改變退火溫度,制備了系列具有比較意義的樣品,供器件物理分析使用。為了有效地研究a-IGZOTFT接觸特性和界面特性的器件物理,首先需要準確地提取器件的閾值電壓、有效遷移率等電學參數(shù),為此討論和分析了常用的晶體管電學參數(shù)提取方法對a-IGZO TFT的適用性。進而提出了一種考慮a-IGZO遷移率與柵極電壓非線性依賴關系的電學參數(shù)提取方法,通過對a-IGZO TFT的轉移特性進行擬合,準確地提取了不同退火溫度的a-IGZO TFT的閩值電壓、遷移率等電學參數(shù),并分析了退火溫度影響這些電學參數(shù)的物理本質。2.為了研究a-IGZO TFT的源漏接觸特性,首先需要準確地提取器件的接觸電阻阻值。通過優(yōu)化溝道電阻法,使之適應于a-IGZO TFT接觸電阻隨柵極電壓變化的特性,提取了工作在線性區(qū)的器件在不同柵極電壓下的接觸電阻值和傳輸長度值。進而研究了器件的接觸電阻和傳輸長度與柵極電壓的依賴關系,發(fā)現(xiàn)器件的接觸電阻和傳輸長度均隨柵極電壓的增大而減小。由于接觸電阻與溝道電阻符合相同的柵極電壓依賴關系,說明源漏電極下方區(qū)域內的a-IGZO薄膜的電阻是構成總接觸電阻的重要部分。繼而運用電阻元網絡模型分析了傳輸長度與柵極電壓的依賴關系,發(fā)現(xiàn)接觸電阻元阻值和半導體電阻元阻值的比例隨柵極電壓增大而下降是傳輸長度隨柵極電壓變化的主要原因。3.為了進一步研究影響a-IGZO TFT的源漏接觸特性的物理因素,首次采用掃描開爾文探針顯微鏡(SKPM)法分別提取了器件源極和漏極的接觸電阻。通過測量a-IGZO TFT在不同柵極電壓下的表面勢,分別計算出器件的溝道電阻及源極、漏極接觸電阻,發(fā)現(xiàn)器件的源極、漏極接觸電阻均隨柵極電壓的增大而減小,并且漏極接觸電阻總是小于源極接觸電阻,表明電極下方a-IGZO薄膜的電阻是接觸電阻的組成部分,但并非決定接觸電阻的唯一因素。為了分析導致源極、漏極接觸電阻不對稱性的原因,通過建立Ti-TiOx-IGZO類肖特基接觸的能帶模型,對源極和漏極電極金屬與a-IGZO薄膜界面附近的能帶結構分別進行了研究,發(fā)現(xiàn)源極和漏極界面處的類肖特基結在源漏電壓的作用下處于不同的偏置狀態(tài)是導致源漏接觸電阻不對稱的原因。因此將a-IGZO TFT源漏接觸電阻的產生和變化歸因于電極下方a-IGZO薄膜的體電阻和界面處類肖特基結電阻的共同作用,并據此提出兩種改進器件接觸特性的工藝方案。4.為了通過表征a-IGZO TFT的低頻噪聲特性分析器件中溝道與柵絕緣層的界面性質,首先設計并搭建了一套用于TFT低頻噪聲特性表征的測試系統(tǒng),可在器件電學性能未發(fā)生明顯退化的較短時間內完成低頻噪聲譜的測試�；诒鞠到y(tǒng)對三種退火條件的a-IGZO TFT在不同柵極電壓下的低頻噪聲特性進行了表征,發(fā)現(xiàn)器件的低頻噪聲屬于1/f噪聲。通過測試不同溝道尺寸的器件的噪聲譜,發(fā)現(xiàn)噪聲起源的空間位置在器件的溝道區(qū)域。為了獲取界面附近陷阱物理性質的有關信息,首次運用同時考慮溝道載流子數(shù)漲落和與之相關的遷移率漲落的統(tǒng)一模型對a-IGZO TFT的歸一化源漏電流噪聲譜密度與柵極電壓的關系進行了分析,計算出器件界面附近柵絕緣層中的邊界態(tài)密度及荷電陷阱的空間分布趨勢,發(fā)現(xiàn)退火溫度的升高使邊界態(tài)密度降低,并使荷電陷阱的分布更集中于界面附近。通過綜合考慮器件的噪聲特性和正柵極電壓應力退化特性,可將這一發(fā)現(xiàn)歸因于退火溫度升高對降低邊界陷阱密度和界面陷阱密度的有效性的差異。
[Abstract]:At present, the amorphous indium gallium zinc oxide thin film transistor (a-IGZO TFT) amorphous oxide semiconductor TFT represented by domestic and foreign researchers' attention.A-IGZO TFT compared with the traditional silicon based TFT, and has high transfer rate, low off state leakage current, good uniformity, low manufacturing cost and excellent properties, in model shows very promising technology in the field. However, due to the amorphous nature of a-IGZO, resulting in a-IGZO TFT there are still many scientific problems limit its application in display industry. The outstanding problems include contact resistance device miniaturization in reliability problems and ask devices in bias and light a long time. Etc. in order to solve these problems, we need to in-depth understanding of the device physics related scientific problems. This thesis for a-IGZO TFT and characterization methods of the integrated use of a variety of contact characteristics of the device and interface The characteristics were characterized by physical factors which have impact on device characteristics. The main research contents and results of this paper are as follows: 1. by DC magnetron sputtering technology anti overlapping common back gate type a-IGZO TFT were prepared by optimizing process parameters and successfully fabricated devices with good electrical properties. By changing the annealing temperature, compared with the significance of the series of samples were prepared for analysis. In order to use the physical device physical contact properties and interfacial characteristics of a-IGZOTFT effectively, first need to accurately extract the threshold voltage of the device, the electrical parameters of effective mobility, suitable for discussion and analysis of the transistor electrical parameters commonly used extraction methods on a-IGZO TFT. And then put forward a method for extracting dependencies considering a-IGZO mobility and gate voltage of the nonlinear electrical parameters were proposed by transfer characteristics of a-IGZO TFT Together, accurate extraction of the different annealing temperature a-IGZO TFT threshold voltage, mobility and other electrical parameters, physical nature of the.2. and analyzed the effect of annealing temperature of these electrical parameters in order to study the a-IGZO TFT source and drain contact characteristics, first need to accurately extract the contact resistance of the device. By optimizing the channel resistance method. To adapt to the characteristics in a-IGZO TFT contact resistance with the gate voltage changes, extracting devices working in the linear region of the contact resistance in different gate voltage value and the transmission length value. Then study the dependence of the contact resistance device and the transmission length and gate voltage, found that the contact resistance and the transmission length with the device the increase of the gate voltage decreases. The contact resistance and the channel resistance meets the same gate voltage dependence, indicating resistance source drain a-IGZO film electrode area is below. As an important part of the total contact resistance. And then use the resistance element network model to analyze the dependence of the transmission length and gate voltage, contact resistance and resistance element found in semiconductor resistance resistance element ratio decreases with the gate voltage is mainly due to physical factors.3. transmission length changes with the gate voltage in order to further study the effect of a-IGZO TFT source drain contact characteristics, for the first time using scanning Kelvin probe microscopy (SKPM) method were used to extract the device source and drain contact resistance. Through the measurement of a-IGZO TFT in different gate voltage under the surface potential, calculate the channel resistance and the source device, drain contact resistance, found that the device source, the drain contact resistance decreases with the increase of the gate voltage and the drain contact resistance is smaller than the source contact resistance showed that the resistance of the electrode film is a-IGZO below the contact Part of the resistance, but not the only factor that determines the contact resistance. In order to analyze the cause of source, drain causes contact resistance asymmetry, energy band model through the establishment of Ti-TiOx-IGZO Schottky contact, the source and drain electrodes near the interface between metal and a-IGZO thin film on the band structure, we find that the source drain the interface type Schottky junction in the source drain voltage under different bias in the state is the cause of the source drain contact resistance asymmetry. So will produce and change a-IGZO TFT source drain contact resistance of the electrode is attributed to the a-IGZO film body resistance and interface resistance type Schottky junction interaction, and puts forward two kinds of process for improving the contact characteristics of.4. devices in order to analyze the interfacial properties of the channel layer and the gate insulating device in low frequency noise characterized by a-IGZO TFT, the first And design a testing system for TFT low frequency noise characterization can be set up in the electrical performance is not significantly degraded in low frequency noise spectrum test in a relatively short period of time. The low frequency noise characteristics of a-IGZO TFT on the three annealing condition of this system in different gate voltage based on low frequency were characterized, found the noise device belongs to the 1/f noise. The noise by testing devices with different channel size spectrum, space position noise originated in the channel region of the device. In order to obtain information about physical properties near the interface trap, for the first time by considering the relationship between the normalized source unified model of channel carrier number fluctuation and the relative migration rate the fluctuation of a-IGZO TFT leakage current noise spectral density and gate voltage are analyzed, calculating device near the interface of the gate insulating boundary layer in the density of States and charge trapping The trend of the spatial distribution of wells, found that annealing temperature increases the boundary state density decrease, and make the distribution of charge traps in more concentrated near the interface. By considering the noise characteristics of the devices and positive gate voltage stress degradation characteristics, this can be attributed to the high temperature annealing was found to reduce the differences in the effectiveness of border traps the density and interface trap density.

【學位授予單位】：南京大學
【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：1656178