基于InGaZnO沟道的TFT存储器特性仿真研究

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随着科技的发展,人们对于面板的便携性以及小尺寸性有了更高的要求,而In Ga Zn O Thin Film Transistors(IGZO-TFTs)存储器由于其对于显示模块以及存储模块的集合,使得其有了更小的物理尺寸极限,更大的集成度。与此同时,它还具有高分辨率、高刷新率以及低功耗等特性。而对于IGZO-TFTs存储器,有时会出现阈值电压漂移的现象,导致器件性能退化。另外,由于制备工艺以及条件的不同,使得所制备的IGZO具有不同的原子配比。而采用不同原子配比的IGZO作为沟道的器件可能会具有不同的电学特性,因此对不同元素比的IGZO的研究是有必要的。本文通过将第一性原理计算软件VASP与器件特性仿真软件Silvaco结合,从微观层面以及宏观特性上分析IGZO-TFTs存储器的电学特性及规律。首先,对于IGZO材料,由于其四元化合物的特性,具有不同的构型,本文通过构建的虚晶近似模型与传统的原子交错模型以及列交错模型进行比较,分别计算出三者优化之后的结构、能带、态密度、有效质量以及载流子浓度。对比发现,虚晶近似模型在结构、能带、态密度等方面与传统的原子交错、列交错模型并无太大区别。而在同样数量的原子的前提下,虚晶近似模型的晶胞的体系总能要小于其他两种模型,这代表着虚晶近似模型具有更为稳定的结构。因此,在后续的研究中将采用虚晶近似模型作为IGZO的基本结构。其次,通过修改虚晶近似模型的参数,来讨论In3Ga4Zn2O12,In3Ga3Zn3O12,In3Ga2Zn4O12三种配比的IGZO材料。同样,利用VASP软件计算三者的结构、能带、态密度以及电子有效质量。计算结果发现随着Ga含量的增大,体系总能变大,而能带也由2.9 e V增大到3.5 e V,符合理论上的结果。而配比为In3Ga3Zn3O12的晶胞具有最小的体积,推测是由于Ga、Zn含量的不平衡,削弱了晶胞的对称性,使得原子之间的相互作用力减弱,从而使得晶胞体积的增大。另外,氧空位缺陷作为n型半导体IGZO的主要载流子来源,本文也对不同元素比的IGZO的氧空位缺陷进行了计算,通过对比缺陷能带,可以发现在In3Ga2Zn4O12中,氧空位缺陷是作为浅能级存在,而在In3Ga3Zn3O12和In3Ga4Zn2O12中,氧空位缺陷却是作为深能级存在。除此之外,还计算了三者的缺陷形成能,对比发现In3Ga3Zn3O12的缺陷形成能最小,这也印证了晶胞对称性对体系稳定的影响。最后,在Silvaco软件上讨论了三种不同的TFT存储器结构。经过对比,选取了底栅存储器作为后续研究的基本结构。在底栅结构的基础上,通过修改材料参数,将不同原子配比的IGZO材料参数导入到Silvaco中并对比它们的器件电学性能。研究发现,对于IGZO的带隙,随着禁带宽度的增加,器件的阈值电压会出现正向偏移;对于电子有效质量,其主要影响器件的开态电流,二者之间成反比关系;而缺陷态峰值密度的增大会引起阈值电压的负偏移,缺陷能级位置的变化也会影响到器件的阈值电压以及亚阈值斜率。经过材料特性以及器件电学特性的对比发现,采用原子配比为In:Zn:Ga:O=1:1:1:4的IGZO作为沟道的TFT存储器拥有最好的特性。这些结论使得本文工作具有了一定的参考价值。
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