[发明专利]一种氧化物半导体薄膜晶体管陷阱态密度提取方法

权利要求书

1.一种氧化物半导体薄膜晶体管陷阱态密度提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)给氧化物半导体薄膜晶体管施加不同时长的正向偏压应力，测试相应的转移特性曲线；

2)基于转移特性的变化规律，分析阈值电压漂移机制，确定阈值电压漂移随时间的变化关系式；

3)如果阈值电压漂移与所加应力时间满足扩展指数模型，提取半导体体内陷阱态的特征温度；

4)利用亚阈值摆幅和陷阱态的关系，提取半导体和栅绝缘层界面态密度以及半导体体内陷阱态密度；

在无光照，栅极施加不同时长的正向偏压应力时，氧化物半导体薄膜晶体管转移特性曲线是近似平行移动，亚阈值摆幅大小无明显变化；

在正向偏压应力下，氧化物半导体薄膜晶体管阈值电压漂移机制包括：

1)陷阱态俘获电子，包括界面态及体内陷阱态的俘获和栅绝缘层陷阱态的俘获；此时，薄膜晶体管亚阈值摆幅无变化，阈值电压漂移和所加应力时间满足指数关系；但如果被俘获载流子进入栅绝缘层体内深陷阱态中，薄膜晶体管的阈值电压漂移与所加应力时间则符合扩展指数关系；氧化物半导体薄膜晶体管的栅绝缘层为SiO₂时，阈值电压漂移与所加应力时间满足扩展指数模型；

2)陷阱态的产生；此时，薄膜晶体管的阈值电压漂移与所加应力时间呈对数关系；

正向偏压应力下，氧化物半导体薄膜晶体管阈值电压漂移与所加应力时间满足扩展指数模型时，阈值电压漂移ΔV_th随应力时间t的变化关系可表示为：ΔV_th＝(V_gs-V_th0){1-exp[-(t/τ)^β]}，式中V_gs为栅源电压，V_th0为薄膜晶体管初始阈值电压，τ为特征时间常数，β为离散因子，T_t为半导体体内陷阱态特征温度，T为晶体管工作温度；利用上述关系式，通过拟合曲线提取半导体体内陷阱态的特征温度；

亚阈值摆幅SS可表示为

式中q为基本电荷，k为波尔兹曼常数，C_ox为单位面积栅绝缘层电容，D_it为半导体和栅绝缘层界面态密度，ε₀、ε_s分别为真空介电常数和半导体的相对介电常数，t_d、t_ch分别为耗尽层和沟道层厚度，N_T为外推到导带底E_C处的陷阱态密度。

2.根据权利要求1所述的一种氧化物半导体薄膜晶体管陷阱态密度提取方法，其特征在于：亚阈值摆幅SS的计算方法，其特征在于参数t_d可表示为

式中φ_b为半导体费米能级E_F和本征费米能级E_i之间的差值，N_ch为沟道载流子浓度。

3.根据权利要求2所述的一种氧化物半导体薄膜晶体管陷阱态密度提取方法，其特征在于：亚阈值摆幅SS的计算方法，其特征在于参数N_ch可表示为

式中V_on为氧化物半导体薄膜晶体管的开启电压，定义为晶体管的转移特性曲线中，漏源电流开始增大时所对应的栅源电压。

4.根据权利要求1所述的一种氧化物半导体薄膜晶体管陷阱态密度提取方法，其特征在于：提取半导体体内陷阱态特征温度T_t以及外推到导带底处的陷阱态密度N_T，利用下式得到半导体体内陷阱态密度N_t

式中E为能量，E_C为氧化物半导体导带底最小值。