氧化物半导体薄膜晶体管的模型及参数提取方法研究

With the development of research and fabrication process in the oxide semiconductor thin-film transistors (TFTs), applications of oxide semiconductor TFTs gradually tend to be popularized. Therefore, theoretical investigations and descriptions on extraction methods can represent useful tools to improve manufacture techniques of integrated circuit (IC) based on oxide semiconductor TFTs. In this project, given the conduction mechanisms in oxide, defect states and gate voltage effect on mobility under different temperatures, as well as the distribution of space charges, models under dc and ac stress conditions that easy to implement circuit simulators have been proposed. Besides, low frequency noise dependence on defect states is also taken into account. The models illustrate the relation among the structure, device parameters and physical effect exhaustively. In addition, with the consideration of heating effect, a degradation model of oxide semiconductor TFTs is developed. Meanwhile, the corresponding technique for model parameter extraction is presented.

随着氧化物半导体薄膜晶体管研究的深入和制备工艺的成熟，氧化物半导体薄膜晶体管器件逐渐推向应用。研究建立氧化物半导体薄膜晶体管的模型及给出相应的参数提取方法对氧化物半导体薄膜晶体管集成电路的设计及制造都具有重要的意义。通过研究载流子在氧化物中的电导机理，分析栅压和温度对载流子迁移率的影响；分析有源层的陷阱态密度，研究其空间电荷的分布；分析陷阱态密度对低频噪声的影响；对氧化物半导体薄膜晶体管器件的结构、参数与物理效应之间的关系进行表征；建立适用于电路仿真器的氧化物半导体薄膜晶体管器件的直流模型和交流模型；建立包括热效应的氧化物半导体薄膜晶体管器件性能退化模型；研究与模型相对应的器件参数提取方法；并通过对典型样品的实际测量数据对模型进行验证和优化。

随着氧化物半导体薄膜晶体管研究制备工艺的成熟，氧化物半导体薄膜晶体管器件逐渐推向应用, 其不仅更适用于平板显示器的背板驱动电路，还可用于印刷电子技术、虚拟现实技术、物联网技术等新兴领域。研究建立氧化物半导体薄膜晶体管的模型及给出相应的参数提取方法对氧化物半导体薄膜晶体管集成电路的设计及制造都具有重要的意义。课题研究了载流子在氧化物中的电导机理及TFT中栅压和温度对载流子迁移率的影响；表征了氧化物半导体薄膜晶体管器件的结构、参数与物理效应之间的关系；根据a-IGZO TFT的电机制，给出a-IGZO TFT的一个新的阈值电压定义；建立适用于电路仿真器的氧化物半导体薄膜晶体管的器件模型及给出了器件参数的提取方法；研究了制备工艺条件与参数对氧化锌薄膜晶体管器件性能的影响及其机理；研究了ZnO TFT在栅应力、源漏电压应力作用下器件不稳定性及其机理，形成了一套获得高性能ZnO TFT的制备技术与方法，揭示了ZnO TFT电应力效应的形成机理，并通过器件结构和工艺优化有效提高了该类器件在电应力作用下的稳定性。