摘 要

本文研究了非晶铟镓锌氧薄膜晶体管(a-IGZO TFTs)在正偏栅压应力(PGBS)和负偏栅压应力(NGBS)下的退化行为，分析并提出了相应的物理机制来解释退化特征。在PGBS下，器件的阈值电压发生正向漂移，这是由于电荷注入和电荷俘获效应共同造成的；在NGBS下，阈值电压的负向漂移是由电荷俘获效应引起的。

此外，本文还研究了a-IGZO TFTs在恢复阶段电学特性的变化。即施加PGBS后撤除应力，发现器件的阈值电压仍有轻微的正向漂移，这起源于被栅绝缘层中的缺陷所俘获的电子在回到沟道层前会被界面处的缺陷俘获并重新分布。而在施加NGBS后撤除应力的情况下，器件的阈值电压发生了正向漂移，这是因为声子辅助电荷脱陷造成的。

关键词：薄膜晶体管 阈值电压 偏压应力 电荷俘获 电荷注入

Abstract

In this work，we investigate the degradation behaviors of amorphous indium-gallium-zinc-oxide thin-film transistors (a-IGZO TFTs) subjected to positive gate bias stress (PGBS) and negative gate bias stress (NGBS). A proper model was proposed to explain the degradation characteristics. The threshold voltage shifts positively when applying PGBS, which may be attributed to the charge injection and charge trapping jointly. In contrast, the threshold voltage shifts negatively under NGBS which may be due to charge trapping.

In addition, the electrical properties of a-IGZO TFTs during the recovery phase are also studied. After PGBS, the threshold voltage still shifts positively with a small amplitude. This could be ascribed to the electrons trapped by decfects in the gate insulator previously are trapped in the interface and redistribute spatially before tunneling back to the channel layer. However, after NGBS, it is found that the threshold voltage has a large positive shift, which may be due to phonon assisted detrapping.

Keywords: thin-film transistors; threshold voltage; bias stress ;charge trapping; charge injection

目录

摘要 I

Abstract I

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 薄膜晶体管在显示屏中的应用 1

1.3 薄膜晶体管的研究现状 3

第二章 薄膜晶体管的概述 7

2.1 薄膜晶体管的结构 7

2.2 薄膜晶体管的工作原理 8

2.3 薄膜晶体管的重要特性参数 9

2.4 铟镓锌氧的材料特性 12

2.5 实验器件结构及制备工艺 12

第三章 a-IGZO TFTs电性能的稳定性研究 14

3.1 实验平台介绍 14

3.2 器件表征步骤和方法 15

3.2.1 a-IGZO TFTs器件的表征 15

3.2.2 a-IGZO TFTs在直流电应力下的退化研究 18

第四章 结论 33

参考文献 34

致谢 37

绪论

引言

在信息量迅速增长、传播媒体快速进步和多样化的社会里，人们对着显示屏的时间越来越长，因此显示器件的改善越来越受到人们的重视。显示器件作为人机交互的窗口，在信息技术高速发展时期得到了长足的进展，出现了一代又一代新产品^[1]。

从最初的阴极射线管（Cathode Ray Tube, CRT)到现代的平板显示（Flat Panel Display, FPD），各种显示技术百花齐放，如：等离子体显示器（Plasma Display Panel, PDP）、有源矩阵有机发光二极管（Active Matrix Organic Light Emitting Diode, AMOLED）、有机电致发光（Electro Luminescence, EL）、场发射（Field Emission Display, FED）和薄膜晶体管液晶显示器（Thin-film Transistor Liquid Crystal Display, TFT-LCD）等多种新型的显示技术 ^[2]。

而其中，无论是产能规模巨大的薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD），还是发展迅猛、潜力巨大的有源矩阵有机发光二极体面板（AMOLED），薄膜晶体管都在其中发挥着重要的作用^[3]。在TFT-LCD和AMOLED技术中，薄膜晶体管（TFT）是构成显示面板的核心微电子元件，其作用和地位等同于数字集成电路中的金属－氧化物－半导体场效应晶体管（MOSFET）。TFT的阈值电压V_T、电流开关比I_on/I_off、场效应迁移率、亚阈值摆幅S和串联电阻等电学参数在很大程度上影响着平板显示器的开口率、显示分辨率、刷新率、灰阶响应速度、功耗和亮度等宏观性能指标^[4]。因此，研究TFT电学性能在实际电路中的退化行为至关重要。

薄膜晶体管在显示屏中的应用

随着人们对显示器分辨率、对比度和亮度均匀性等性能要求的不断提高，显示器件的驱动方式经历了从无源选址驱动(PM: passive matrix)到有源选址驱动(AM: active matrix) 方式发展的过程。有源矩阵驱动是在显示面板的各像素单元中配置TFT和信号存储电容。相比于无源矩阵驱动中连线复杂、易串扰、效率低和亮度低等缺点，有源矩阵驱动具有更高的分辨率、更好的亮度均匀性和对比度、更强的驱动能力和更高的效率等优点。薄膜晶体管在液晶显示器中的工作方式如图一所示。

取样保持电路

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