薄膜晶体管器件在动态应力下的退化研究

摘要

近几年来，以多晶硅或金属氧化物半导体为沟道材料的薄膜晶体管(TFTs)在面向高清电视和智能化、可触控式多媒体技术等新型平板显示产业中的应用而备受关注。目前，以低温多晶硅和铟镓锌氧(a-IGZO)为基础的TFT技术因为具有较高的迁移率和较低的工艺温度等优势已经成为新一代有源矩阵驱动的平板显示方案的重要研究方向。但是，TFTs的可靠性问题同样也限制着平板产业的进一步发展。在实际的工作电路中，TFTs不仅受到直流偏压的电应力而且还要承受着开关切换脉冲或信号变化等交流电信号的作用。相对而言，直流偏压的影响和作用的物理过程比较清楚，但交流脉冲下的退化现象及退化机制目前均没有统一的退化模型。因此，在本文中，我们分别研究了多晶硅TFTs和a-IGZO TFTs在各种动态应力下的退化现象，并提出了相应的退化机制。本文的主要研究内容和结果可概括如下：
　　（一）多晶硅TFTs在动态应力下的退化
　　在多晶硅 TFTs的栅极施加脉冲电应力的作用下，通过改变栅脉冲的不同应力条件，具体研究了器件的退化与脉冲的上升沿、下降沿、脉冲个数、基准电压和平带电压的关系，在总结得出退化现象发生于脉冲的下降沿并取决于脉冲个数的基础上，提出非平衡态PN结退化模型。该退化模型阐述了器件从开态向关态的快速转换过程中，载流子从深能级缺陷发射出来后，受源/漏极附近高电场的作用之下，形成热载流子，并产生更多的缺陷，导致器件的性能退化。该模型能全面、完整地解释多晶硅 TFTs在栅和漏极处分别施加脉冲应力或施加栅/漏同步脉冲应力所导致的器件退化现象。
　　（二）一种含有载流子注入端的新型TFT及其退化抑制研究
　　在理解退化发生过程的基础上，为提高TFTs的可靠性及驱动电路寿命，我们制备了一种可抑制动态退化的新型TFT，即通过在沟道一侧形成载流子注入端，载流子注入端的注入类型与源/漏导电类型相反。以新制备的n型器件为例，在脉冲下降沿切换时，载流子注入端注入的空穴可使沟道的载流子浓度跟得上栅极脉冲电压的变化速度，从而大幅抑制沟道源/漏区附近的非平衡态的形成以及热载流子的产生，达到抑制动态热载流子效应导致器件退化的目的。
　　（三）a-IGZO TFTs的动态退化研究
　　首先研究了最典型的栅极脉冲应力下a-IGZO TFTs器件的退化特性，比较了不同上升沿和下降沿对器件退化的影响关系。与多晶硅TFT类似的是，当栅脉冲的下降沿较陡时，器件性能的退化与动态热载流子导致的缺陷产生和电荷注入有关，且脉冲个数是导致退化的主要因素；当脉冲的下降沿较为平缓时，可以将脉冲的应力时间折算成“等效的直流应力时间”来衡量器件的退化行为，此时，栅脉冲的高电平时产生的电荷捕获是退化的主要原因，而动态热载流子效应的影响可忽略。根据实验现象，我们提出了由动态热载流子导致的器件退化模型，即在水平瞬态电场的作用下，沟道内来不及返回源、漏极的电子从水平瞬态电场中吸收能量成为热载流子，部分热载流子会越过界面势垒注入栅绝缘层或被界面捕获，导致的器件性能退化，并进一步借助于Silvaco仿真软件验证了提出退化模型的正确性。
　　与栅脉冲下的动态退化不同的是，对于栅/漏同步脉冲应力和漏脉冲下的a-IGZO TFT器件退化，其本质上一个直流偏压导致的结果，它取决于脉冲的高电平时间长短，而与动态效应无关。特别需要指出的是，由于a-IGZO TFT存在着应力撤去后的恢复现象，导致a-IGZO TFT的最终退化量不仅取决直流等效应力，而且还与脉冲的低电平时间长短相关。此时，器件性能退化可归因于电应力作用下与热激发相关的电荷注入栅绝缘层或被界面捕获而产生的结果。

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第一章 薄膜晶体管概述

1.1多晶硅晶体管技术及氧化物晶体管技术

1.2 TFT器件可靠性的研究基础

1.3本文主要研究工作

第二章 多晶硅TFT在栅脉冲应用下的退化研究

2.1 TFT器件及可靠性实验

2.2 非平衡态PN结退化模型

2.3本章结论

第三章 一种新型TFT及其退化抑制研究

3.1 AMOLED的电路补偿技术

3.2 一种具有载流子注入结构的新型TFT

3.3本章结论

第四章 铟镓锌氧化物TFT在栅脉冲下的退化研究

4.1 铟镓锌氧化物TFT器件的制备

4.2 栅脉冲应力下铟镓锌氧化物TFT的退化实验

4.3 栅脉冲应力下的器件退化模型

4.4 动态热载流子和负偏栅应力的混合效应

4.5 铟镓锌氧化物 TFT在栅脉冲应力下的退化仿真

4.6 本章总结

第五章 铟镓锌氧TFT在栅/漏应力共同作用下的退化研究

5.1 铟镓锌氧TFT在栅/漏共同作用下的退化现象

5.2 栅/漏偏压共同作用下的退化模型

5.3 本章总结

第六章 总结及展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及其他研究成果

致谢