多晶硅薄膜晶体管的泄漏电流和噪声模型

华南理工大学学报(自然科学版)第38卷第10期Journa l o f South C hina U niversity o f Techno l o g y

V o.l 38 N o .102010年10月

(N atura l Science Editi o n)

O ctober 2010

文章编号:1000 565X (2010)10 0024 06

收稿日期:2009 11 23

*基金项目:广东省教育部产学研结合项目(2008A 090400011)

作者简介:黄君凯(1963 ),男,在职博士生,暨南大学教授,主要从事多晶硅薄膜晶体管物理特性和建模研究.E m a i:l h j k196310@

多晶硅薄膜晶体管的泄漏电流和噪声模型

*

黄君凯1

郑学仁1

邓婉玲

2

(1.华南理工大学电子与信息学院,广东广州510640;2.暨南大学信息科学技术学院,广东广州510630)

摘 要:为了建立适用于电路仿真器的泄漏区模型,通过泄漏电流、激活能和低频噪声等研究了多晶硅薄膜晶体管的泄漏产生机制.在不同的电场条件下,基于不同的泄漏产生机

制,提出了产生-复合率的分区近似计算模型,并统一成适用于1 106~5 108

V /m 电场范围的泄漏电流模型.同时,建立了中低电场区的激活能模型和泄漏区低频噪声紧凑模型.将模型仿真结果与实验数据进行了比较,证明了所建立模型的有效性,且模型适用于电路仿真器.

关键词:多晶硅;薄膜晶体管;泄漏电流;激活能;低频噪声模型中图分类号:TN 303 do :i 10.3969/.j issn.1000 565X .2010.10.005

多晶硅薄膜晶体管的应用日益广泛,特别是在

有源液晶显示器、固体图像传感器等领域中的发展极为迅速[1]

.当作为开关元件应用时,器件的电流开关比十分重要,但由于多晶硅薄膜晶体管的关态电流(通常称为泄漏电流)通常比较大,一定程度上限制了其应用范围.因此,对多晶硅薄膜晶体管泄漏电流的产生机制以及建模进行研究具有现实的意义.

高密度的陷阱态对多晶硅薄膜晶体管的泄漏电流特性产生重要的影响.在反向工作区,一般认为陷阱态引起的泄漏电流的产生机制有:载流子热发射[2]、Poole Frenkel (PF)场助热发射[3]、载流子从陷阱的直接隧穿(TAT)

[4]

、热离子场助发射(TFE )

[5]

、

带到带隧穿(BBT)[6]

、多晶硅薄膜的电阻电流[7]

等.

泄漏电流的产生机制依赖于电场和温度,尤其是电场.由于薄膜晶体管反向工作时,漏区和沟道之间形成反偏pn 结,大部分电势都施加在反偏pn 结上,因此存在较大的电场,激发了载流子的产生-复合(G R ).在不同的偏置和温度条件下,占主导地位的发射产生机制将有所不同,一直以来,学者们对泄漏电流的产生机制存在争论.文中从多晶硅薄膜晶体管的

G R 模型[8]

出发,分析了不同电场条件下泄漏电流的

产生机制,分别建立了泄漏区的激活能模型和低频噪

声模型,并通过实验验证了所建模型的有效性.

1 G R 模型分析及泄漏电流的产生机制

文献[8]中综合考虑了泄漏电流的多种产生机制,提出了泄漏区的G R 模型:

U G-R =

E C

E V [R D

(E T )+R A (E T )]d E T

(1)

R A (E T )=(np -n 2

i )N A (E T )

n +n 1c p ( F + Cou l p )+p +p 1

c n (1+ D irac

n )(2)

R D (E T )=

(np -n 2

i )N D (E T )

n +n 1c p (1+ D irac p )+p +p 1

c n ( F + Cou l

n )(3)

N A (E T )=N D eep

A

exp

E T -E C E Deep A +N Ta il

A exp E T -E C E Ta il

A

(4)

N D (E T )=N D eep

D

exp E V -E T E Deep

D

+N Tail

D exp

E V -E T E Tail

D

(5)

式中: F 是PF 效应增强因子; Cou l

n ,p 和 D irac

n ,p 分别是Cou lo mb ic 陷阱和D irac 陷阱在电场作用下的发射率比;N A 和N D 分别代表双指数形式的类受主和类施主陷阱态密度分布;U G R 是总的G R 率;E C 是导带底能级;E V 是价带顶能级;E T 是陷阱能级;n 是导带电子浓度;p 是价带空穴浓度;n i 是本征载流子浓度,其值与温度有关[9]

;n 1和p 1分别是陷阱能级上的电子浓度和空穴浓度;c n 和c p 分别是电子和空穴的俘获系数;N D eep

A

和N Ta il

A 分别是类受主的深能级和

带尾态的陷阱态密度;N D eep

D 和N Tail

D 分别是类施主的

深能级和带尾态的陷阱态密度;E D eep

A

和E Ta il

A 分别是

类受主的深能级和带尾态的特征能量宽度;E D eep

D 和

E Tail

D 分别是类施主的深能级和带尾态的特征能量宽度.

式(1)所描述的G R 率在电场(F,单位为V /m )

为1 106~8 108

V /m 时的数值计算结果如图1所

示,其中m *e 和m *

h 分别是电子和空穴的隧穿有效质量.由于 Cou l

n ,p 和 D irac

n ,p 包含对隧穿几率的积分,因此式(1)的G R 率是一个双积分表达式.双积分的计算不仅需要消耗大量的计算资源,而且无法清晰地表征陷阱态的发射产生机制对泄漏电流的影响.为了进一步揭示泄漏电流产生的主要机制,文中将电场划分成3个区间进行分析,即低电场区(1 0 106

V /m !F <

1 0 107V /m )、中电场区(1 0 107

V /m !F <1 2 108V /m )和高电场区(F ∀1 2 108

V /m

).

图1 U G R 与F 的关系F i g .1 U G R as a f unction o f F

1.1 低电场区

如图2所示,在低电场区,l g U G R 与电场的开方近似呈线性关系,与文献[9]中结果一致,且 F =

exp q 3

F /(p S i )k T

,其中q 是电子电量, S i 是硅的

介电常数,k 是Bo ltz m ann 常数,T 是热力学温度.可

见,在低电场区,PF 效应增强下的热发射是泄漏电

流产生的主要机制.因此,可以导出低电场区U G R 的渐进方程为

U L G-R

=a 1exp a 2

q 3

F /(p S i )k T

(6)式中:a 1和a 2是拟合系数.

从图2中可知,在低场区,式(6)能较好地拟合式(1)的数值仿真结果.同时,如图2所示,采用不同的陷阱参数,式(6)仍有较好的拟合结果.进一步

的计算表明,仿真结果的相对误差(U G R -U L

G R U G R )平均值为0 0315,满足器件应用的要求.存在该误差的主要原因是式(6)中只考虑了 F 因子,而式(1)中则综合考虑了影响泄漏电流的各种因素.图2仿真结果的相对误差最大值约为0 0900,且出现在电场值较大处,这是由于此时电场已接近中电场区范围,热离子场助发射逐渐替代热发射成为主要的泄漏产生机制.另外,在较低的V dg (V dg =V d -V g ,单位为V ,其中V d 是漏电压,V g 是栅电压)下,lg I leak 与

V dg 也近似呈线性关系.这进一步验证了在低电场区泄漏电流的主要产生机制是PF 效应增强下的热发射.

图2 低电场区U G R 与F 、I leak 与

V dg 的关系F i g .2 R e lati onships bet w een U G R and F ,

and bet ween I leak

and

V dg i n l ow i ntensit y electric field

V d =1V;陷阱曲线1参数:a 1=7 4 1018c m -3/s 、a 2=0 7,其它参数与图1相同;陷阱曲线2参数:a 1=2 0

1018c m -3/s 、a 2=0 7、N De ep A =N D eep D =2 1018c m -3#e V -1、N Ta il A =N T ail D =1 1021c m -3#e V -1、E Deep A =E De ep D =0 1610e V 、E T a il A =E Ta il D =0 0166e

V,其它参数与图1相同 另外,G R 率受温度T 的影响较大,特别是在热

发射主导下.当电场固定时,激活能E a 就是曲线ln I leak -1/(k T )的斜率.当E a 减小时,陷阱态的载流子产生率将增加,从而引起泄漏电流的增加,因此E a 反映了U G R 或I leak 随温度的变化情况.考虑式(1)

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