一种有机薄膜晶体管电流-电压仿真模型的参数提取方法

摘要

一种有机薄膜晶体管电流-电压仿真模型的参数提取方法，涉及有机半导体集成电路领域器件模型的参数提取技术，提供了一种有机薄膜晶体管直流电流-电压特性模型的参数提取方法，主要包括以下步骤：1)利用有机薄膜晶体管的直流电流-电压特性模型来准确描述其直流电流-电压特性；2)确定有机薄膜晶体管的直流电流-电压特性模型中需要提取的参数：阈值电压VT，载流子迁移率幂律参数γa，场效应迁移率的特征电压Vaa，迁移率的饱和调制参数αsat，弯曲调制参数m，沟道长度调制参数λ，泄漏电流参数SIGMAA0；3)逐个确定各个参数的提取方法。利用有机薄膜晶体管的直流电流-电压特性模型的参数提取方法准确描述有机薄膜晶体管的电流-电压特性。

说明书

技术领域

本发明涉及有机半导体集成电路领域器件模型的参数提取技术，主要用于 有机薄膜晶体管直流电流-电压特性模型的建立及参数提取。

背景技术

近年来，以有机材料为基础的有机薄膜晶体管(OTFT)的发展非常迅速， 其性能取得了很大的提高。由于其在工艺和成本上的优越性，利用OTFT制作的 以有机射频识别标签(Organic RFID)为典型代表的有机集成电路得到了广泛的 研究和关注。复杂集成电路的设计需要在生产、制造前先对其功能、性能进行 评估，这需要通过电路仿真来完成，而有机电路仿真需要有相应的软件及能够 准确描述OTFT性能的器件模型。因此，建立准确的OTFT器件的模型对于能否 利用通用的电路仿真软件来准确的模拟有机集成电路的性能，能否准确、有效 的设计有机集成电路，最终实现大规模有机集成电路具有非常重要意义。

电路模拟的精确度不仅与器件模型本身有关，还与器件模型参数值的准确 性密切相关。因此，能否准确获得模型中的参数对于准确描述器件的性能起到 至关重要的作用，模型参数的提取也就成为建模中的一个重要环节。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为所建立的OTFT直流电流-电压特性模型提供 一种准确的参数提取方法，以此准确描述OTFT直流电流-电压特性。

为解决上述问题，本发明采取以下技术方案。

一种有机薄膜晶体管电流-电压仿真模型的参数提取方法，包括以下步骤：

第一步利用有机薄膜晶体管的直流电流-电压特性模型来准确描述有机薄 膜晶体管的电流电压特性；

有机薄膜晶体管的直流电流-电压特性模型：

$I_{\mathrm{ds}}=\frac{W/L·({ϵ}_{\mathrm{PSI}}/t_{\mathrm{ox}})·{\mu }_0{(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}^{{\gamma }_a+1}/{V_{\mathrm{aa}}}^{{\gamma }_a}}{1+R·W/L·({ϵ}_{\mathrm{PSI}}/t_{\mathrm{ox}})·{\mu }_0{(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}^{{\gamma }_a+1}/{V_{\mathrm{aa}}}^{{\gamma }_a}}\times V_{\mathrm{ds}}/{[1+{\left(\frac{V_{\mathrm{ds}}}{{\alpha }_{\mathrm{sat}}·(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}\right)}^m]}^{1/m}\times (1+\lambda ·V_{\mathrm{ds}})+\mathrm{SIGMA}0·V_{\mathrm{ds}}$

式中：I_ds为漏源电流，V_ds为器件的漏源电压，V_gs为栅源电压，W和L分 别为OTFT的沟道宽度和长度，R为漏、源接触电阻，ε_PSI为栅绝缘层介电常数， t_ox为栅绝缘层厚度，V_T为阈值电压，μ₀为低场迁移率；

第二步确定有机薄膜晶体管的直流电流-电压特性模型中需要提取的七个 参数：

阈值电压V_T，载流子迁移率幂律参数γ_a，场效应迁移率的特征电压V_aa，迁 移率的饱和调制参数α_sat，弯曲调制参数m，沟道长度调制参数λ，泄漏电流参数 SIGMA0；

第三步逐个确定各个参数的提取方法：

1)根据阈值电压定义，利用OTFT转移特性曲线，根据阈值电压定义，确 定阈值电压V_T；

2)根据OTFT转移特性曲线，将I_ds做如下计算获得载流子迁移率幂律参数 γ_a：

$\frac{{\int }_0^{V_{\mathrm{gs}}}{I}_{\mathrm{ds}}\left(x\right)\mathrm{dx}}{I_{\mathrm{ds}}\left(V_{\mathrm{gs}}\right)}=\frac{1}{{\gamma }_a+2}(V_{\mathrm{gs}}-V_T);$

3)提取场效应迁移率的特征电压V_aa

$V_{\mathrm{aa}}={\left[\frac{{\mu }_0·W/L·C_{\mathrm{DIEL}}·{(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}^{{\gamma }_a+1}·V_{\mathrm{ds}}}{I_{\mathrm{ds}}}\right]}^{{1/\gamma }_a}$

式中：C_DIEL栅绝缘层的单位电容；

4)提取饱和调制参数α：

$\alpha ={S_S}^{{\gamma }_a+2}{V_{\mathrm{aa}}}^{{\gamma }_a}{2}^{1/m}/({\mu }_0·W/L·C_{\mathrm{DIEL}})$

式中：S_S为近饱和区域相对于(V_gs-V_T)的斜率；

5)提取获得弯曲调制参数m：

$m=\log 2/\log [\alpha ·{\mu }_0·C_{\mathrm{DIEL}}·W/(L·{V_{\mathrm{aa}}}^{{\gamma }_a}{S_S}^{{\gamma }_a+2})]$

6)提取沟道长度调制参数λ：

$\lambda =\left[\frac{\frac{I_{\mathrm{ds}}}{{V_{\mathrm{ds}}}^2}{[1+{\left[\frac{V_{\mathrm{ds}}}{\alpha (V_{\mathrm{gs}}-V_T)}\right]}^m]}^{1/m}}{K/{V_{\mathrm{aa}}}^{{\gamma }_a}{(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}^{{\gamma }_a}·(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}\right]-1/V_{\mathrm{ds}};$

7)提取泄漏电流参数SIGMA0：

SIGMA0＝I_leakage/V_ds

式中：I_leakage为泄漏电流。

第二步中的2)中的阈值电压V_T，3)中的迁移率幂率参数γ_a，4)中的场效 应迁移率的特征电压V_aa的参数，6)中的弯曲调制参数m都是在线性工作区提取； 5)中的饱和调制参数α，7)中的沟道长度调制参数λ都是在晶体管工作在饱和 区中提取。

第二步中的1)～7)提取的所有参数都是对实验测试数据进行相应的处理， 然后利用模型计算获得，工艺的影响已包含于参数的具体数值中，不需要再予 以考虑。

本发明的有益效果：本发明的参数提取方法从OTFT直流电流-电压特性模型 入手，利用实验测试曲线来提取获得模型中的所有参数，处理计算的方法和过 程合理准确，并可直接将复杂的难以确定的工艺因素的影响纳入各个参数的具 体数值之中，由此可获得可以准确描述对应OTFT的直流电流-电压特性的模型。 本发明中的参数提取方法对于不同工艺和材料的OTFT具有一定的通用性，利 用本发明提供的参数提取方法获得的模型参数可以准确的描述OTFT的直流电 流电压特性。

附图说明

图1是OTFT参数提取方法的流程图；

图2是OTFT等效电路图；

图3是一种基于并五苯的底栅顶接触OTFT的结构图；

图4是OTFT转移特性曲线的测试曲线和仿真曲线图；

图5是OTFT输出特性曲线的测试曲线和仿真曲线图。

具体实施方式

一种有机薄膜晶体管电流-电压仿真模型的参数提取方法，如图1所示，包 括以下步骤：第一步利用有机薄膜晶体管的直流电流-电压特性模型来准确描述 有机薄膜晶体管的电流电压特性；

第二步确定有机薄膜晶体管的直流电流-电压特性模型中需要提取的七个 参数：

第三步逐个确定各个参数的提取方法：

图2所示的OTFT等效电路图中，其中Gate为栅极，Sourse为源极，Dain 为漏极，RS和RD分别为OTFT的源端和漏端的接触电阻，C_gs和C_gd分别为 OTFT的栅源、漏源寄生电容，I_ds为漏源电流，由泄漏电流I_leakage和工作电流I_ab两部分组成，

I_ds＝I_leakage+I_ab

式中，泄漏电流I_leakage只与源漏电压V_ds有关，其关系表示为

I_leakage＝SIGMA0·V_ds

I_ab为器件的工作电流，其值不仅与有效电导率、源漏电压有关，还受OTFT 器件的载流子迁移速度以及速度饱和的影响。因此，I_ab表示为

$I_{\mathrm{ab}}=\frac{W/L·({ϵ}_{\mathrm{PSI}}/t_{\mathrm{ox}})·{\mu }_{\mathrm{FET}}(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}{1+R·W/L·({ϵ}_{\mathrm{PSI}}/t_{\mathrm{ox}})·{\mu }_{\mathrm{FET}}(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}\times V_{\mathrm{ds}}/{[1+{\left(\frac{V_{\mathrm{ds}}}{{\alpha }_{\mathrm{sat}}·(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}\right)}^m]}^{1/m}\times (1+\lambda ·V_{\mathrm{ds}})$

其中，接触电阻R＝RD+RS，(1+λ·V_ds)是由于器件沟道长度调制效应的影响 而添加的修正项，μ_FET为沟道有效迁移率，与栅源电压和低场迁移率μ₀存在一 定的依赖关系，其关系式为：

${\mu }_{\mathrm{FET}}={\mu }_0{[(V_{\mathrm{gs}}-V_T)/V_{\mathrm{aa}}]}^{{\gamma }_a}$

根据以上关系式本发明最终获得的OTFT直流电流-电压特性模型为：

$I_{\mathrm{ds}}=\frac{W/L·({ϵ}_{\mathrm{PSI}}/t_{\mathrm{ox}})·{\mu }_0{(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}^{{\gamma }_a+1}/{V_{\mathrm{aa}}}^{{\gamma }_a}}{1+R·W/L·({ϵ}_{\mathrm{PSI}}/t_{\mathrm{ox}})·{\mu }_0{(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}^{{\gamma }_a+1}/{V_{\mathrm{aa}}}^{{\gamma }_a}}\times V_{\mathrm{ds}}/{[1+{\left(\frac{V_{\mathrm{ds}}}{{\alpha }_{\mathrm{sat}}·(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}\right)}^m]}^{1/m}\times (1+\lambda ·V_{\mathrm{ds}})+\mathrm{SIGMA}0·V_{\mathrm{ds}}$

第二步确定有机薄膜晶体管的直流电流-电压特性模型中需要提取的七个 参数：

阈值电压V_T，载流子迁移率幂律参数γ_a，场效应迁移率的特征电压V_aa，迁 移率的饱和调制参数α_sat，弯曲调制参数m，沟道长度调制参数λ，泄漏电流参数 SIGMA0；

第三步，逐个确定各个参数的提取方法

1)利用实验得到的OTFT转移特性曲线，根据阈值电压定义提取阈值电压 V_T。

2)根据OTFT转移特性曲线，将I_ds做如下计算获得载流子迁移率幂律参数 γ_a：

$\frac{{\int }_0^{V_{\mathrm{gs}}}{I}_{\mathrm{ds}}\left(x\right)\mathrm{dx}}{I_{\mathrm{ds}}\left(V_{\mathrm{gs}}\right)}=\frac{1}{{\gamma }_a+2}(V_{\mathrm{gs}}-V_T);$

3)根据2)并忽略泄漏电流、沟道长度调制效应和寄生效应的影响，计算 可得：

$V_{\mathrm{aa}}={\left[\frac{{\mu }_0·W/L·C_{\mathrm{DIEL}}·{(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}^{{\gamma }_a+1}·V_{\mathrm{ds}}}{I_{\mathrm{ds}}}\right]}^{{1/\gamma }_a}$

对转移特性曲线进行相应的计算和处理，利用实验数据提取场效应迁移率 的特征电压V_aa；

4)根据实验得到的OTFT转移特性曲线，器件工作在饱和区时， V_dssat＝α(V_gs-V_T)，忽略电阻、沟道长度调制效应及泄漏电流的影响，令S_S为近饱 和区域相对于(V_gs-V_T)的斜率，则饱和调制参数α计算如式：

$\alpha ={S_S}^{{\gamma }_a+2}{V_{\mathrm{aa}}}^{{\gamma }_a}{2}^{1/m}/({\mu }_0·W/L·C_{\mathrm{DIEL}})$

因此，对转移特性曲线饱和点附近作相应的计算，即可得到饱和调制参数α；

5)根据实验得到的OTFT转移特性曲线，忽略沟道长度调制效应影响，提 取弯曲调制参数m：

$m=\log 2/\log [\alpha ·{\mu }_0·C_{\mathrm{DIEL}}·W/(L·{V_{\mathrm{aa}}}^{{\gamma }_a}{S_S}^{{\gamma }_a+2})]$

6)利用模型及以上获得的参数计算得到沟道长度调制参数λ：

$\lambda =\left[\frac{\frac{I_{\mathrm{ds}}}{{V_{\mathrm{ds}}}^2}{[1+{\left[\frac{V_{\mathrm{ds}}}{\alpha (V_{\mathrm{gs}}-V_T)}\right]}^m]}^{1/m}}{K/{V_{\mathrm{aa}}}^{{\gamma }_a}{(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}^{{\gamma }_a}·(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}\right]-1/V_{\mathrm{ds}};$

7)根据实验得到的OTFT转移特性曲线，提取泄漏电流参数SIGMA0：

SIGMA0＝I_leakage/V_ds

由此获取了有机薄膜晶体管直流电流-电压特性模型中的所有参数。利用有 机薄膜晶体管的直流电流-电压特性模型的参数提取方法准确描述有机薄膜晶体 管的电流-电压特性。

对具体实例进行参数提取和直流电流-电压特性模拟，图3为本发明实施时 采用基于并五苯的底栅顶接触OTFT的结构图，该OTFT以重掺杂的硅Si⁺⁺作为 衬底和栅电极，用热氧化生长法在衬底上生长250nm的SiO₂作为栅绝缘层，经 臭氧处理后，在SiO₂上自组织生长一层三氯十八烷基硅烷 (octadecyltrichlorosilane，OTS)作为修饰层，然后用真空蒸镀法沉积50nm的 pentacene作为有源层，最后在pentacene有源层上真空沉积金Au作为源漏电极。 选择该OTFT的沟道长度和宽度分别为30um和220um。

利用本发明参数提取方法对图3所示的OTFT进行参数提取，获得的参数 如下表所示：

表参数列表

利用OTFT的电流-电压特性模型和本发明的参数提取方法对具体实施例的 OTFT进行模拟，模拟结果与测试结果比对，图4为转移特性曲线的测试和仿真 对比图，图5为输出特性曲线的测试和仿真对比图。从图4、图5可以看出，测 试和仿真曲线拟合得很好，由此验证了模型的准确性和提取的参数的准确性。 本发明提出的参数提取方法可以准确的获得模型中的参数，利用OTFT的电流- 电压特性模型和本发明的参数提取方法可以准确模拟OTFT的电流-电压特性。 从而指导基于OTFT的有机集成电路的设计。本发明的参数提取方法不限于说 明书所述的具体实施例。