论文摘要
随着多晶硅薄膜晶体管（TFT）技术的不断提高,其应用也日益广泛,特别是在有源液晶显示器,以及新一代有机发光显示器件等领域的应用极为迅速。多晶硅薄膜由大量晶粒组成,各晶粒之间的晶粒间界是一层无序区域,致使多晶硅材料存在十分复杂和较高的晶界带隙能态密度,并对多晶硅TFT的电学特性产生重要的影响。对多晶硅TFT的电学特性进行完整表征和模型研究,必须建立在准确的晶界带隙能态分布信息的基础上。因此,基于准确和完整的晶界带隙能态分布,合理和系统地构建多晶硅TFT器件的电学模型,并使之适用于电路仿真器,对集成电路产业具有重要的现实意义。本文为建立适用于电路仿真器的多晶硅TFT器件模型,开展并完成了以下研究:其一,由于带隙能态对多晶硅材料的特性具有决定性作用,因此,对晶粒间界带隙能态信息的准确获取和分析,是多晶硅薄膜材料和器件研究及其在VLSI中应用的前提,以及亟需解决的核心问题。本文将光电子调制谱技术（OEMS）首次应用于多晶硅薄膜场效应结构,对晶粒间界带隙能态进行了系统的研究,并准确地探测位于多晶硅薄膜材料中带隙能态的完整响应。在对单晶MISFET的OEMS技术及其理论继承基础上,建立适用于多晶硅TFT的OEMS分析方法,通过实验获得的OEMS响应谱和相延谱,分析多晶硅薄膜晶粒间界带隙能态的性质,确定多晶硅晶粒间界带隙能态的能量和空间分布。OEMS的测量及其研究结果表明,多晶硅薄膜材料晶界带隙能态分布的完整形式,在能量分布上应该包括指数型的带尾态和带隙中多个Gaussian型的深能态,在空间分布上则表现为定域性的带尾态和扩展性的深能态。这一结果为单栅和双栅多晶硅TFT器件电流模型以及泄漏电流的研究奠定了基础。其二,对单栅多晶硅TFT,基于OEMS响应谱和相延谱获取的晶界带隙能态的完整分布及其性质,即指数型的带尾态和带隙中多个Gaussian型的深能态,在表面势与栅压之间建立隐含方程,并采用Lambert W函数等数学分析方法,非迭代且准确地求解多晶硅TFT的表面势。无需迭代求解的表面势计算不仅极大地提高了电路仿真器的计算效率,而且所提出的表面势算法与数值计算结果的绝对误差在10-4伏左右。基于这一表面势算法和深入的物理机制分析,完整和统一地建立多晶硅TFT的漏电流解析模型,该模型适用于栅压大于平带电压的多晶硅TFT所有工作区间,包括亚阈值区、开启区（含线性区和饱和区）和kink效应区。所建立漏电流解析模型有别于基于阈值电压的分区模型,无需给出阈值电压的表达式和引入光滑函数,即可准确地描述各个工作区间及其之间过渡区域的电学特性,并综合考虑了DIBL效应、速度饱和效应和kink效应等多晶硅TFT的特殊性质,适合应用到电路仿真器。并且,这一漏电流解析模型与不同沟长的转移和输出特性的实验结果进行了比较,从而验证了模型的有效性。其三,对无掺杂或者轻掺杂的对称双栅多晶硅TFT,由于同时受到两个栅极的作用,因此多晶硅薄膜中心电势与表面势两者之间存在相互影响的关系。提出在一维Poisson方程中基于OEMS测量获取的晶界带隙能态完整的分布规律,建立表面势与薄膜中心电势的隐含方程。分别在亚阈值区和强反型区两种情况下,推导出表面势与薄膜中心电势的近似求解方法;并在弱反型区采用光滑函数统一地获得适用于前后三个工作区间的表面势与薄膜中心电势的快捷迭代算法;同时与数值计算结果进行比较,证明了所提出算法的准确性。在此基础上,建立了适用于对称双栅多晶硅TFT的亚阈值区、开启区（含线性区和饱和区）和kink效应区的漏电流紧致模型,并考虑了相关特殊效应;由于具有仿真时间短等优势,因此这一模型适用于电路仿真器。同时,分别与二维器件仿真结果和实验测量获得的转移和输出特性进行比较,结果证明了提出的漏电流紧致模型可以准确地表征对称双栅多晶硅TFT的漏电流特性。其四,针对多晶硅TFT的泄漏效应,通过泄漏电流、激活能和低频噪声等方法研究了多晶硅TFT的泄漏产生机制。结果表明,异常增大的泄漏电流分别是由低电场区的Poole-Frenkel （PF）场助热发射、中等电场区的热离子场助发射,以及高电场区的隧穿三类产生机制引起。分别在不同的电场条件下,基于上述三类不同的产生机制,提出了产生-复合（G-R）率的分区算法,并统一成可适用于1×106～8×108V/m宽电场范围的泄漏电流紧致模型。同时,考虑到泄漏电流强烈地依赖于温度,相应地提出了适用于各电场区的激活能模型。此外,为了进一步验证泄漏电流的产生机制,推导了泄漏电流的低频噪声频谱密度模型。并且,这些模型的计算结果分别与泄漏电流、激活能和低频噪声的仿真结果和实验数据进行了比较,验证了模型的准确性和有效性;而且由于所建立的这些泄漏区模型均无需进行积分计算,因此适用于电路仿真器。综上所述,本文根据多晶硅薄膜材料的有效介质方法,采用部分耗尽条件和表面势的建模思路,基于OEMS表征的多晶硅材料晶界完整的带隙能态分布,建立适用于电路仿真器并涵盖各个工作区间的单栅和双栅多晶硅TFT模型,并且采用数值计算、仿真工具和实验数据等方法,对成果的完整性、适用性和准确性进行了充分的验证,为模型的实际应用奠定了坚实基础。
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