氫化非晶硅薄膜晶體管的低頻噪聲特性?

劉遠 何紅宇 陳榮盛 李斌 恩云飛 陳義強

1)(工業和信息化部電子第五研究所,電子元器件可靠性物理及其應用技術國家重點實驗室,廣州 510610)

2)(華南理工大學微電子學院,廣州 510640)

3)(北京大學深圳研究生院信息工程學院,深圳 518005)

4)(南華大學電氣工程學院,衡陽 421001)

氫化非晶硅薄膜晶體管的低頻噪聲特性?

劉遠1)2)何紅宇3)4)陳榮盛2)?李斌2)恩云飛1)陳義強1)

1)(工業和信息化部電子第五研究所,電子元器件可靠性物理及其應用技術國家重點實驗室,廣州 510610)

2)(華南理工大學微電子學院,廣州 510640)

3)(北京大學深圳研究生院信息工程學院,深圳 518005)

4)(南華大學電氣工程學院,衡陽 421001)

非晶硅,薄膜晶體管,低頻噪聲,局域態密度

1 引 言

氫化非晶硅薄膜晶體管(hydrogenated amorphous silicon thin film transistor,a-Si:H TFT)具有成本低廉、均勻性好、開關電流比大等優點,作為尋址開關元件、驅動電路等在大屏顯示領域取得廣泛應用[1],其制備、電學性能與穩定性已成為國內外研究熱點[2,3].

a-Si:H TFT溝道內局域態分布將嚴重影響器件電學性能及穩定性[4,5].業界希望通過改良制程工藝來改善器件溝道內局域態分布并優化其界面性能.作為一種新型無損電學表征方法,低頻噪聲已被引入a-Si:H TFT器件質量及穩定性評價中[6?9].

在低頻噪聲研究與應用過程中,業界常借用金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)的經典理論與模型來描述a-Si:H TFT的噪聲特性,通常不考慮溝道內局域態分布的影響.此外,由于a-Si:H TFT源漏接觸電阻較大[10,11],這不但嚴重影響了器件的電流-電壓(I-V)特性(例如電流擁擠效應),還將對器件低頻噪聲特性產生顯著影響[6,12].因而有必要在考慮局域態分布與接觸電阻影響的情況下,進一步對a-Si:H TFT低頻噪聲特性及其影響機理展開研究.

在器件建模與電路仿真過程中,a-Si:H TFT局域態隨能級的分布是一項重要參數.業界采用數值仿真、I-V與變頻C-V等手段對局域態分布進行參數提取與擬合[13?15].上述方法能較好地提取深能態缺陷的分布,但不能精確提取得到導帶底附近帶尾態缺陷的分布,因而可引入低頻噪聲方法進行數據補充與完善.

本文擬針對a-Si:H TFT的低頻噪聲特性展開實驗與理論研究.在測量器件低頻噪聲功率譜密度后,分析器件低頻噪聲的影響機理,探討接觸電阻對器件低頻噪聲的影響;通過I-V特性提取器件表面能帶彎曲量,并基于低頻噪聲構建器件局域態分布的提取方法;最后,對器件平均Hooge因子進行提取與分析.

2 器件直流特性與表面能帶彎曲量

2.1 器件直流特性

所用樣品為背溝刻蝕、底柵結構的非晶硅薄膜晶體管.首先,在玻璃襯底沉積Al/Mo作為柵電極,并通過濕法刻蝕制作相關圖形.隨后,分別沉積柵絕緣層(a-SiNx:H)、有源層(a-Si:H)以及源漏電極(Mo/Al/Mo).制作器件的結構如圖1所示,其中柵絕緣層厚度為400 nm,有源層厚度為50 nm,器件寬長比(W/L)為3750μm/3.5μm.

圖1 a-Si:H TFT結構示意圖Fig.1.Cross section view of a-Si:H TFTs.

圖2 (網刊彩色)a-Si:H TFT的轉移特性曲線Fig.2.(color online)Transfer characteristics of the a-Si:H TFTs.

為準確測量與分析器件的電學性能,基于半導體器件參數測試儀(Agilent B1500)的SMU單元對a-Si:H TFT進行I-V測試,器件轉移特性、輸出特性曲線如圖2和圖3所示.提取器件閾值電壓Vth約為3.21 V,柵絕緣層電容Cox為5.04 nF/cm2,載流子有效遷移率μeff約為0.14 cm2·V?1·s?1,亞閾斜率SS約為1.03 V/dec,電流開關比約為106.

圖3 (網刊彩色)a-Si:H TFT的輸出特性曲線Fig.3.(color online)Output characteristics of the a-Si:H TFTs.

2.2 表面能帶彎曲量

當器件工作在亞閾區時,柵壓作用下引入溝道內的電荷大部分被陷阱態(包含深能態與帶尾態)所俘獲,亞閾電流Ids將隨柵源電壓Vgs呈指數變化:

式中VT為熱電勢,Ids0為Vgs=Vth時的源漏電流,η為亞閾因子.

由文獻[16,17]可知,亞閾區內器件表面能帶彎曲量φs與柵壓間關系為

式中VFB為平帶電壓,φox為柵絕緣層上的電壓降,Qs為引入溝道的總電荷量.

結合(1)式與(2)式可得表面能帶彎曲量與亞閾電流之間的關系為基于(3)式,采用兩個相近柵壓(Vgs1與Vgs2)時測得源漏電流Ids1與Ids2,對實驗曲線進行非線性擬合[16,18],即可獲得器件表面能帶彎曲量為

基于a-Si:H TFT的轉移特性曲線,提取得到器件表面能帶彎曲量隨柵源電壓的變化趨勢如圖4所示.當器件工作在亞閾區時,引入溝道的電荷大部分被深能態所俘獲,此時表面能帶彎曲量隨柵壓的增加而迅速變化.當器件工作在開啟區時,引入溝道的電荷大部分為被帶尾態俘獲的電荷以及自由載流子;由于費米能級已接近導帶底,因而表面能帶彎曲量隨柵壓的變化較緩慢并呈飽和.

圖4 a-Si:H TFT表面能帶彎曲量隨柵源電壓的變化Fig.4.Band bending versus gate-source voltage in the a-Si:H TFT.

3 器件低頻噪聲特性與分析

噪聲來源于物理量的隨機起伏.半導體器件中閃爍噪聲與產生-復合噪聲的功率譜密度與頻率有關,其在低頻情況下較為顯著,故又統稱為低頻噪聲.本節將針對a-Si:H TFT低頻噪聲特性的影響機理、接觸電阻對低頻噪聲的影響、低頻噪聲與局域態之間的相關性展開測試、參數提取與理論分析研究.

3.1 器件低頻噪聲的影響機理

基于半導體器件參數測試儀(Agilent B1500)與低頻噪聲測試儀(Keysight E4727A)構建a-Si:H TFT的低頻噪聲測試系統;使用B1500的SMU單元監控器件電學參數的變化,采用E4727A構建濾波、低頻噪聲放大及數據采集單元.為使被測器件與低頻噪聲放大單元相匹配,還需在器件柵極與漏極串聯相應電阻,其阻值由軟件系統(Keysight Waferpro)根據器件的輸入、輸出阻抗進行自動匹配.

基于上述軟、硬件測試系統,可在過驅動電壓Vgs?Vth=3 V與不同Vds條件下,測得器件低頻噪聲功率譜密度(SID)隨頻率的變化,如圖5所示.

圖5 (網刊彩色)不同Vds條件下a-Si:H TFT的低頻噪聲功率譜密度SIDFig.5.(color online)Noise spectral densities in the a-Si:H TFTs with varied drain-source voltages.

由圖5可知,受Si/SiNx界面附近缺陷俘獲與釋放載流子效應的影響,a-Si:H TFT溝道電流噪聲功率譜密度SID隨頻率f的變化遵循1/fγ的變化規律,其中γ約為0.92.由文獻[18,19]可知,γ因子反映了Si/SiNx界面附近缺陷態的縱向分布;如果γ＜1,則溝道內缺陷態密度大于柵絕緣層內陷阱密度;如果γ＞1,則溝道內缺陷態密度小于柵絕緣層內陷阱密度.基于γ因子測量,可知a-Si:H TFT溝道內體缺陷密度與柵絕緣層內中立陷阱密度相近,但溝道內局域態密度更大.

由MOSFET低頻噪聲的物理模型可知:1/f噪聲主要由載流子數隨機漲落(ΔN)及遷移率隨機漲落(Δμ)機理所主導,前者主要基于McWhorter模型[20],后者則基于Hooge經驗模型[21].當器件工作在線性區時(溝道內自由電子呈強積累狀態并形成溝道),若器件低頻噪聲特性主要由遷移率隨機漲落機理所主導,則器件歸一化之后的溝道電流噪聲功率譜密度

式中f為頻率;αH為Hooge因子,用于表征器件溝道材料質量與界面處理工藝的優劣.若器件低頻噪聲特性主要由載流子數隨機漲落機理所主導,則器件為[20]

為明確a-Si:H TFT低頻噪聲的來源,可在Vds=0.1 V,Vgs變化條件下對器件低頻噪聲功率譜密度進行測量,并提取隨過驅動電壓的變化,如圖6所示.

圖6 (網刊彩色)器件低頻噪聲隨過驅動電壓的變化Fig.6.(color online)Low frequency noise versus overdrive voltage in the a-Si:H TFT.

由文獻[22,23]可知,若噪聲由載流子數隨機漲落所主導,則隨Vgs?Vth的變化斜率趨向于?2;若噪聲由遷移率隨機漲落所主導,則隨Vgs?Vth的變化斜率趨向于?1.由圖6可知,隨Vgs?Vth的變化斜率約為?1,這表明器件低頻噪聲在線性區內主要受遷移率隨機漲落效應的影響.

與傳統的金屬氧化物半導體(MOS)器件不同,a-Si:H TFT有源層/絕緣層界面附近存在大量體缺陷(局域態),包括深能態與帶尾態.當器件工作在開啟區時,引入溝道的載流子將部分被帶尾態所俘獲,另一部分則成為自由載流子.考慮局域態的影響,被陷阱所俘獲的載流子亦將出現俘獲-釋放等現象,這不但會導致Si/SiNx界面附近載流子數量的漲落,還將進一步引起Si/SiNx界面附近載流子有效遷移率的漲落,這與MOS器件中與遷移率漲落相關的載流子數隨機漲落模型(ΔN-Δμ模型)較為相似.

由文獻[7,24,25]可知,當半導體器件中載流子數的隨機漲落造成有效遷移率的顯著變化時,其低頻噪聲特性可基于ΔN-Δμ模型進行描述.此時,溝道電流的噪聲功率譜密度可表征為[24,25]

式中gm為器件跨導;αs為一常數,表征有效遷移率與界面附近電荷庫侖散射等效應間的相關性;SVfb為平帶電壓噪聲功率譜密度,通?？杀硎緸閇24,25]

式中Nt為界面附近缺陷態密度;λ為載流子在柵絕緣層中的隧穿距離,約為0.1 nm;K為玻爾茲曼常數;T為環境溫度.

護理教師在傳授護理知識、護理技能的同時也應進行護理研究。作為一名護理教師，只有在完成教學任務的基礎上潛心研究，才能達到“以教帶研，以研促教”的目的。護理教師可以把在護理教學、臨床工作中發現的問題、難點、熱點作為科研課題和方向，通過科學、嚴謹的科研方法去分析解決這些問題，不僅促進了護理專業的發展，也促進了教師本人的成長。所以，護理教師不僅要精于教學，也要勤于科研，從而獲得教學和科研雙豐收。

αs與SVfb可根據柵電壓功率譜密度SVg提取得到.當器件工作在開啟區時,柵電壓功率譜密度通?？杀碚鳛閇7,24,25]

圖7為測得的a-Si:H TFT的柵電壓功率譜密度.由圖7可知,當器件工作在閾值電壓附近時,測得的SVg值較相近,因而可提取得到SVfb約為4×10?10V2/Hz,界面附近缺陷態密度Nt約為7.69×1010cm?2·eV?1. 此外,依據SVg的平方根隨過驅動電壓的變化,可提取得到αs的值約為8.38×107V·s·C?1.

圖7 a-Si:H TFT的柵電壓功率譜密度Fig.7.Gate voltage noise spectral density in the a-Si:H TFTs.

基于提取得到的SVfb與αs的相關數據,采用(7)式可對歸一化溝道電流噪聲功率譜密度進行仿真,仿真數據與實測數據如圖8所示.由圖8可知,(7)式的仿真數據與實測數據相符合,但在溝道電流較大時卻存在差異,這主要是受器件漏源接觸電阻的影響[12],下節將對此進行討論與優化.當溝道電流較小時,器件溝道表面電流與體電流較相近;此時,除界面附近缺陷外,器件體內局域態亦將對載流子隨機漲落產生影響,并引起額外的低頻噪聲;該現象使得實測數據與仿真數據間產生誤差,在(7)式中引入額外的噪聲項展開可進行進一步精確表征[26].

圖8 (網刊彩色)a-Si:H TFT低頻噪聲隨溝道電流的變化Fig.8.(color online)Low-frequency noise versus drain current in the a-Si:H TFT.

3.2 接觸電阻對低頻噪聲的影響

與傳統MOS器件不同,a-Si:H TFT通常采用疊柵結構,其源、漏區并不摻雜,因而接觸電阻較大,這對器件電性能、低頻噪聲特性等產生較大影響.當器件工作在深線性區時,可采用外推法[6,7]提取器件接觸電阻,如圖9所示.

與溝道電阻相似,接觸電阻也會對器件低頻噪聲特性產生較大影響.電阻值的漲落將引起電流的漲落,可表征為[27]

圖9 器件總電阻Rtot隨過驅動電壓的變化Fig.9. Extracted total resistance versus overdrive voltage in the a-Si:H TFT.

當器件工作在開啟區時,溝道內載流子數可近似表征為Nch=LCox(Vgs?Vth)/q.溝道電阻Rch隨著Nch的增加而減小,因而Rch∝(Vgs?Vth)?1.結合(10)式,溝道電阻和接觸電阻對低頻噪聲的貢獻可近似表征為[28,29]

基于(11)式和(12)式,a-Si:H TFT中低頻噪聲隨過驅動電壓的變化可能呈現四種情況[28?30]:

1)若器件總電阻值和低頻噪聲均由溝道電阻決定,則

2)若器件總電阻值由溝道電阻決定,而低頻噪聲由接觸電阻決定,則

3)若器件總電阻值由接觸電阻決定,而低頻噪聲由溝道電阻決定,則

4)若器件總電阻值和低頻噪聲均由接觸電阻決定,則

由圖10可知,當過驅動電壓較小時,器件低頻噪聲隨過驅動電壓的變化率為?1,因而器件總電阻值和低頻噪聲此時均由溝道電阻決定;當過驅動電壓較大時,器件低頻噪聲隨過驅動電壓的變化率為2,這表明此時溝道電阻可決定器件總電阻值,但器件低頻噪聲主要由接觸電阻提供.

考慮漏源接觸電阻的影響,器件低頻噪聲可表征為[30]

式中SRC為接觸電阻噪聲功率譜密度.采用(17)式即可很好地擬合器件低頻噪聲實測數據,如圖8所示.

圖10 器件歸一化電流噪聲功率譜密度隨過驅動電壓的變化Fig.10.Low frequency noise versus overdrive voltage in the whole region by considering contact resistance.

3.3 溝道內局域態分布的提取

由上文可知,被測a-Si:H TFT的低頻噪聲特性主要受界面附近局域態俘獲和釋放載流子的影響.基于所測溝道電流噪聲功率譜密度,可提取得到不同過驅動電壓作用下Si/SiNx界面附近的局域態密度為[31,32]

結合上文給出的柵壓與表面能帶彎曲量之間的關系,即可獲得局域態隨能級的變化,如圖11所示.

圖11 a-Si:H TFT局域態密度隨能級的變化Fig.11.Distribution of localized states in the band gap of a-Si:H TFT.

由圖11可知,a-Si:H TFT中局域態分布滿足指數變化規律[4,5]:

式中NT1和NT2為導帶底局域態密度,TT1和TT2為局域態特征溫度(采用該參數可描述局域態隨能級的分布).經過擬合可知,NT1約為6.31×1018cm?3·eV?1,TT1約為192 K;NT2約為1.26×1018cm?3·eV?1,TT2約為290 K.

上述提取的局域態密度及其分布參數與文獻[4,5]報道的帶尾態密度及其特征溫度相近,這表明低頻噪聲適用于提取a-Si:H TFT等器件有源層內的帶尾態等陷阱分布.然而,由于a-Si:H TFT有效遷移率與源漏電流較小,很難測得更小電流下器件的低頻噪聲,因而較難提取得到更靠近禁帶中央處深能態陷阱的密度及其分布.以上參數需采用變頻C-V法亦或其他電學、材料表征方法進行補充與完善.

在靠近導帶底部處,受接觸電阻影響,測得歸一化低頻噪聲功率譜密度上升,使得提取的NT下降,這并不能真實反映缺陷態在導帶底的密度和分布情況,因而實測數據與擬合數據間存在差異.

3.4 平均Hooge因子

當器件工作在開啟區時,基于遷移率隨機漲落模型,可評估器件及所用溝道材料性能的優劣.由(5)式可知,器件Hooge因子可近似表征為[22,23]

基于(20)式可估算得到器件平均Hooge因子αH約為0.011,如圖12所示.

圖12 a-Si:H TFT的平均Hooge因子Fig.12.Extracted average Hooge’s parameters in the a-Si:H TFTs.

由文獻可知:在MOSFET中,αH介于10?6—10?4之間[33];在多晶硅薄膜晶體管中,αH約為10?3—10?2[34];在銦鋅氧化物(IZO)薄膜晶體管中,αH約為10?3—10?1[22,23];在有機薄膜晶體管中,αH約為5—20[35].由此可知,本文所用非晶硅薄膜晶體管的材料性能較有機薄膜晶體管更優,與多晶硅、IZO薄膜晶體管等器件特性相當,適用于驅動電路、傳感器和開關矩陣.

4 結 論

本文針對氫化非晶硅薄膜晶體管的低頻噪聲特性展開實驗與理論研究.基于測得的低頻噪聲功率譜密度隨過驅動電壓的變化趨勢,明確器件低頻噪聲的主導機理為遷移率隨機漲落機理.在考慮接觸電阻影響的情況下,分析低頻噪聲隨溝道電流的變化趨勢,并基于ΔN-Δμ模型進行參數擬合.基于亞閾區I-V特性,提取得到器件表面能帶彎曲量隨柵源電壓的變化,并由此從低頻噪聲特性中提取得到溝道內局域態隨能級的分布情況.最后對器件的平均Hooge因子進行參數提取與分析.

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Low-frequency noise in hydrogenated amorphous silicon thin film transistor?

Liu Yuan1)2)He Hong-Yu3)4)Chen Rong-Sheng2)?Li Bin2)En Yun-Fei1)Chen Yi-Qiang1)

1)(Science and Technology on Reliability Physics and Application of Electronic Component Laboratory,CEPREI,Guangzhou 510610,China)
2)(School of Microelectronics,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)
3)(School of Electronic and Computer Engineering,Peking University Shenzhen Graduate School,Shenzhen 518005,China)
4)(School of Electrical Engineering,University of South China,Hengyang 421001,China)

17 April 2017;revised manuscript

25 August 2017)

Low-frequency noise in the hydrogenated amorphous silicon thin film transistor is investigated in this paper.The drain current noise spectral density shows a 1/fγ(γ ≈0.92,frepresents frequency)behavior which ascribes to fluctuations of the interfacial trapped charges due to the dynamic trapping and de-trapping of free carriers into slow oxide traps and localized traps.The normalized noise has the power law dependence on overdrive voltage,and the power law coefficient is about?1 which illustrates that the flicker noise is dominated by mobility fluctuation mechanism.By considering the contact resistance,and emission and trapping processes of carriers between localized states in the Si/SiNxinterface,the variation of low frequency noise with drain current is analyzed and fitted by use of the theory of carrier number fluctuation with correlated mobility fluctuation(ΔN-Δμmodel).Furthermore,the relationship between surface band-bending and gate voltage is extracted based on subthreshold current-voltage characteristics,and thus the density of localized states is then extracted through the measurement of drain current noise power spectral density.The experimental results show an exponential localized state distribution in the band-gap while densities of two defect modes at the bottom of conduction bandNT1andNT2are about 6.31×1018and 1.26×1018cm?3·eV?1,and corresponding characteristic temperaturesTT1andTT2are about 192 and 290 K,which is similar to the reported distribution of tail states in the amorphous silicon layer.Finally,the average Hooge’s parameter is extracted to estimate the quality of devices and materials.

amorphous silicon,thin film transistor,low-frequency noise,density of localized state

PACS:71.23.Cq,85.30.Tv,73.40.Qv,73.50.DnDOI:10.7498/aps.66.237101

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.61574048),the Science and Technology Research Project of Guangdong,China(Grant No.2015B090912002),and the Pearl River S&T Nova Program of Guangzhou,China(Grant No.201710010172).

?Corresponding author.E-mail:Chenrs@scut.edu.cn

(2017年4月17日收到;2017年8月25日收到修改稿)

針對氫化非晶硅薄膜晶體管(hydrogenated amorphous silicon thin film transistor,a-Si:H TFT)的低頻噪聲特性展開實驗研究.由測量結果可知,a-Si:H TFT的低頻噪聲特性遵循1/fγ(f為頻率,γ≈0.92)的變化規律,主要受遷移率隨機漲落效應的影響.基于與遷移率漲落相關的載流子數隨機漲落模型(ΔN-Δμ模型),在考慮源漏接觸電阻、局域態俘獲及釋放載流子效應等情況時,對器件低頻噪聲特性隨溝道電流的變化進行分析與擬合.基于a-Si:H TFT的亞閾區電流-電壓特性提取器件表面能帶彎曲量與柵源電壓之間的關系,通過溝道電流噪聲功率譜密度提取a-Si:H TFT有源層內局域態密度及其分布.實驗結果表明:局域態在禁帶內隨能量呈e指數變化,兩種缺陷態在導帶底密度分別約為6.31×1018和1.26×1018cm?3·eV?1,特征溫度分別約為192和290 K,這符合非晶硅層內帶尾態密度及其分布特征.最后提取器件的平均Hooge因子,為評價非晶硅材料及其穩定性提供參考.

10.7498/aps.66.237101

?國家自然科學基金(批準號:61574048)、廣東省科技重大專項(批準號:2015B090912002)和廣州市珠江科技新星專項(批準號:201710010172)資助的課題.

?通信作者.E-mail:Chenrs@scut.edu.cn