两种新型结构氧化物薄膜晶体管研究

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非晶铟镓锌氧化物薄膜晶体管(a-IGZO TFT)是一种代表性的氧化物TFT,其应用领域不仅局限于平板显示,也延伸到集成传感器、基于TFT的集成电路等领域,探索具有新原理和新结构的TFT对于扩展其应用领域具有重要意义。本文在电阻栅场效应晶体管(ROS管)启发下,提出一种电阻栅氧化物TFT和一种平面分离双栅氧化物TFT,并对其电特性进行理论和实验研究。论文的主要研究工作和结果包括:(1)设计了电阻栅薄膜晶体管,对该结构器件的工作原理进行分析,利用TCAD-Silvaco工具对电阻栅a-IGZO TFT进行电特性仿真。仿真结果表明,该器件的电特性受两个栅端电极动态调控,可呈现锐截止、遥截止和不截止工作状态,这来源于电阻栅的两个分离栅极之间有分布电场,可调控垂直沟道方向半导体的表面势以及表面电子浓度。随着控制端栅电压VGS2增大(-10 V10 V),阈值电压从5.52 V调控到3.40 V,亚阈值摆幅从1.15 V/dec增大至5.59 V/dec,关态电流从2.66×10-1212 A提升至3.19×10-7A,电子有效迁移率从1.6 cm2 V-1s-1变大至5.5 cm2 V-1s-1。(2)提出一种平面分离双栅结构的薄膜晶体管,以a-IGZO的MTR物理机理为基础,构建“微TFT元并联”的物理模型,运用泊松方程和高斯定理,建立基于表面势的DC模型。采用Matlab仿真,发现其转移特性具有遥截止甚至不截止的特点。相比电阻栅结构,平面分离双栅TFT不存在电阻栅自身的功率消耗,有利于降低器件功耗。(3)采用溅射法成功制备出平面分离双栅a-IGZO TFT,对其电特性进行测试与分析。实验结果表明,两个分离栅电极具有相同地位,其中一个用作控制栅,都可对该器件的电特性动态调控。将建立的基于表面势DC模型与实验数据进行比较,模型与实验数据拟合较好,验证了本模型的准确性。该结构器件可应用于可变增益放大器和逻辑门电路,降低电路复杂程度。
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