仿真环境下探究氢化非晶硅薄膜晶体管原理的教学实践

陈文彬

(电子科技大学 光电信息学院， 四川 成都 610054)

仿真环境下探究氢化非晶硅薄膜晶体管原理的教学实践

陈文彬

(电子科技大学 光电信息学院， 四川 成都 610054)

氢化非晶硅薄膜晶体管(α-Si:H TFT)是平板显示领域的主流技术，其原理是传统教学模式中的难点，相反却为探究式教学呈现出了广阔空间。将α-Si:H TFT的工作状态分为四个区域，详细分析了这四个区域的电流-电压特性，结合RPI SPICE参数规划了教学核心内容并示例性给出了探究点，通过参数调整-仿真-参数提取-再仿真的闭环过程，可以深入理解α-Si:H TFT的物理机制。教学实践表明增高了学生参与度，教学效果良好。

探究；SPICE；α-Si:H；薄膜晶体管

0 引言

基于TFT的平板显示技术是信息产业的基石之一，涉及技术面广，产业带动力大，是国家工业化能力和竞争力的重要体现。α-Si:H TFT是平板显示技术的代表，是当前平板显示技术的主流[1]。平板显示产业是技术、资本和人才密集型产业，其中人才是关键。京东方科技集团股份有限公司董事长王东升曾谈到，显示相关专业的人才较少，特别是顶尖人才更为紧缺[2]。为了配合产业的发展升级，我校建立了薄膜晶体管原理与技术实验室[3，4，5]，并开设了“TFT原理与技术”专业课程，采用探究式教学模式，致力于培养TFT设计与制造领域的高级技术人才。

1 TFT原理教学中的问题

α-Si:H TFT是一种场效应晶体管，典型结构如图1所示，由于物理概念抽象，知识点多，涉及范围广，理论推导复杂，学生均反映难以掌握它的工作原理，而这直接影响到后续对TFT制造和显示面板设计等知识的理解[6]。因此，需要针对目前教学过程中存在的问题与不足，优化和整合教学内容，探索多元化教学手段，激发学生的学习兴趣。

作为半导体类的课程，文献[7]提出了用半导体材料和器件模拟平台搭建虚拟半导体实验室，以弥补传统的半导体基础实验室开展实践教学的不足。文献[8]介绍了通过构建集成电路设计环境的网络平台，缓解了实验室资源不足的问题，并满足了学生自主学习的需求。这些教学手段的实施确实有助于提高教学质量，但是要真正实现以教为中心向以学为中心的理念转变，凝练课程的教学内容，启发式、探究式问题的设置才是成败的关键[9,10]。针对α-Si:H TFT的物理机制的教学问题，本文结合α-Si:H TFT的SPICE模型，力求梳理出一条清晰的脉络，构造出课程教学的清晰路径，提升教学效果。

图1 α-Si:H TFT典型结构

2 仿真环境的建立

当学生已经具备模拟电路知识，会使用SPICE仿真软件，掌握了半导体物理的基础知识并且了解MOSFET的电流电压特性，这就为仿真环境下进行α-Si:H TFT原理教学打下了基础。

教学过程依托Silvaco的集成仿真平台，采用 MOS FET和TFT的RPI SPICE模型[11]。在该集成仿真环境下，改变α-Si:H TFT SPICE模型相关参数观察I-V曲线的变化情况，从I-V曲线上可以提取出TFT的特性参数以及模型参数，进而可以再仿真。具体的教学方法上可以通过呈现与学生现有掌握知识不同或相矛盾的观点来唤起学生探索的兴趣与愿望，实现以教师为中心向以学生为中心转变。

3 α-Si:H TFT的工作机理探究

1) α-Si:H TFT的直流特性

学生熟悉恒定迁移率下的MOSFET 直流I-V特性(LEVEL 1模型)，理论上，当栅源电压小于或等于阈值电压时漏极电流为零，漏极电流用3个经典公式来描述，但是α-Si:H TFT的I-V特性与MOS FET相比有很大不同[12]。

考虑α-Si:H TFT的典型参数：宽长比W/L为39 μm /5 μm，绝缘层厚度为350 nm，载流子迁移率为0.8 cm2/V·s， 阈值电压VTH为2.5 V，绝缘层的相对介电常数εr为6.9。学生可以使用LEVEL61模型(α-Si:H TFT的SPICE模型)参数，产生转移特性和输出特性曲线。典型的扫描条件可以设定为VDS=0-20 V，增量为1V，VGS=0-20 V，增量为5 V。同时根据MOS FET的LEVEL 1模型画出α-Si:H TFT 的I-V关系图，与LEVEL 61模型产生的曲线作比较。a-Si:H TFT典型的转移特性曲线如图2所示，其工作区可以分为四个区域，即：截止区、亚阈值区、线性区以及饱和区。a-Si:H TFT工作于截止区时漏极电流并不为0，TFT的开态电流相对较小且饱和区的饱和现象不明显。提取出TFT的阈值电压、载流子迁移率后可以进一步发现当栅源电压小于或等于阈值电压时漏极电流不为零，场效应迁移率与栅压满足幂律关系。

2)α-Si:H TFT线性/饱和区的漏极电流

由美国的Rensselaer Polytechnic Institute建立的RPI模型中，与线性区和饱和区的漏极电流相关的SPICE 参数有ALPHASAT(饱和电压调节参数)、EMU(场效应迁移率的激活能)、GAMMA(迁移率的幂律参数)、KASAT(ALPHASAT的温度系数)、KVT(阈值电压温度系数)、LAMBDA(输出电导参数)、MUBAND(导带迁移率)、TNOM(参数测量温度)、V0(深隙态的特征电压)、VAA(场效应迁移率特征电压)、VTO(零偏阈值电压)等。学生在这个区域中特别需要探究场效应迁移率与VGS的关系并分析表面垂直电场对迁移率的调制原因。

图2 α-Si:H TFT的转移特性曲线

当α-Si:H TFT栅极电压VGS>VTH时，源漏间形成电荷积累层，积累层中电荷ΔθS包括自由电子Δθn和陷阱俘获的固定电荷Δθt，也即

ΔθS=Δθn+Δθt

(1)

其中对α-Si:H TFT漏极电流有贡献的是自由电子Δθn。

μFE=Δθn=ΔθS

(2)

从式(2)可知，若沟道中自由载流子居于主导地位时，μFE与μn近似相等，就正如MOS FET一样。但是在α-Si:H TFT中由于尾态的存在使得Δθn<ΔθS，结果使得μFE<μn，也就是说α-Si:H TFT的有效载流子迁移率小于单晶硅的场效应迁移率。当α-Si:H TFT工作于阈值电压以上时，场效应迁移率与栅压满足幂律关系

μFE=μ0[(VGS-VTH)/VAA]y

(3)

其中μ0为导带迁移率，VAA和y为与尾态分布有关的特征电压和幂律参数。

当栅压增加到阈值电压VTH以上时，费米能级上移到导带底进入导带尾，漏极电流可以达到微安量级，因为导带尾含有大量由弱键构成以指数形式分布的缺陷态，费米能级上升的速度因尾态缺陷密度的增多而明显减慢，因此，α-Si:H导带尾决定了TFT线性区和饱和区的漏极电流特性。

3)α-Si:H TFT亚阈值区的漏极电流

RPI模型中与亚阈值区的漏极电流相关的典型参数有DEF0(无光照费米能级)、EPSI(栅绝缘层的相对介电常数)、GMIN(最小深隙态密度)、TOX(绝缘层厚度)、VFB(平带电压)等。

当给栅极加上正电压，将在TFT沟道内感生出电子，α-Si:H导带向下弯曲，同时靠近栅绝缘层的沟道区域的费米能级上升，随着栅压的增加费米能级逐渐移向导带。但是因为在沟道的带隙内存在指数分布的隙态及在α-Si:H/α-SiNx:H界面处存在界面态，较低栅压下，能带弯曲小，感生的电子大部分要先去填充这些态，只有少部分电子能够进入导带，源漏之间形成少量的亚阈值电流。RPI模型中的阈值电压定义为IDS与VGS不再呈指数关系时对应的VGS，亚阈值区的漏极值电流为

Isub=qμnηs0[(tm/di)(VgFBe/V2)(εi/εs)](2V2/Ve)(W/L)Vdse

(4)

亚阈值区域的核心概念是阈值电压VTH，根据设定的SPICE模型参数,学生可以由TFT的I-V曲线提取阈值电压，进一步可以讨论TFT在亚阈值区的特性与栅极绝缘层、α-Si:H有源层和钝化层的质量的关系，根据有源层的厚度、偏压情况的不同，α-Si:H/α-SiNx:H界面、有源层和背沟道都对载流子传输有影响。在正的偏压条件下，对应着前沟道导电，前界面和α-Si:H有源层中的深缺陷态的影响是主要的。随着栅压的下降并达到负值，背沟道成为载流子的主要通道，亚阈值电流与背沟界面和钝化层有关。

4)α-Si:H TFT截止区的泄漏电流

a-Si:H TFT工作于截止区时负偏压通常不高，截止区漏极电流并不为0，泄漏电流为

I1eak=I0Lexp[E1(1/Vtho-1/Vth)][exp(VDS/Vds1)-1]exp(-VGS/Vgst)+σ0VDS

(5)

其中I0L是零偏压下的最小泄漏电流，σ0与测试精度有关。泄漏电流是热激活的，激活能El在0.5-1.0 eV之间。Vds1和Vgs1是泄漏电流与VDS和VGS的相关因子，与深隙态密度有关。

a-Si:H TFT工作于截止区时，α-Si:H TFT泄漏电流随着负栅偏压和正的漏源电压按照指数规律增长。RPI模型中与泄漏电流相关的SPICE 参数有EL(空穴流的激活能)、IOL(零偏压下的泄漏电流)、VDSL(空穴流与漏极电压的相关因子)、VGSL(空穴流与栅压的相关因子)等。学生可以通过改变模型参数探究截止区泄漏电流的特点以及影响的因素。

α-Si:H TFT的泄漏电流来源于三个方面：①α-SiNx:H栅极绝缘层的泄漏电流；②α-Si:H薄膜本身的传导电流；③背沟道导电和前沟道的空穴积累产生的导电。

泄漏电流的大小与栅极偏压、漏极偏压、α-Si:H薄膜厚度、栅/漏极交叠程度、背沟钝化工艺有关。实际上α-Si:H TFT，α-Si:H的体电流和α-SiNx:H的泄漏电流很小，主要的泄漏电流来自于背沟的电子导电和前沟的空穴导电。低栅压下，背沟电流是由于在沟道背面形成了电子的积累层，如果α-Si:H层足够薄，这层积累层可以由栅极电压完全耗尽。如果负栅压较大，空穴可以在前沟道处形成积累层，进而形成空穴流。但是，由于n+层阻止空穴的流入，空穴只能来源于α-Si:H层中深陷阱的热产生，因此空穴流受到沟道内空穴产生率的限制。在大的负向偏压和漏极偏压作用下，出现前沟道的Poole-Frenkel发射电流。

4 教学效果的评价

以30名学生为一个教学班，以2-3人为一个小组组织教学。在5个方面设置考评点：①是否能够在仿真环境下得到α-Si:H TFT的转移特性和输出特性曲线，并且能够提取TFT的阈值电压和载流子迁移率；②是否能够说明截止区、亚阈值区、线性区和饱和区的漏极电流特性及与MOS FET的Level 1模型的区别；③是否能够正确解读RPI模型中阈值电压的物理意义；④是否能够在参考资料和教师的辅助下用能带理论解释α-Si:H TFT在线性区和饱和区中的载流子传输机制；⑤是否能够在参考资料和教师的辅助下分析影响α-Si:H TFT性能的结构、材料和工艺因素。其中前3个方面采用提交报告的形式，后2个方面采用讨论发言的方式，进一步考察学生主动学习、归纳、联想的能力。

5 结语

本文详述了α-Si:H TFT的物理模型和SPICE参数，采用以学生为中心的探究式教学方法，设计了教学进程和具体的探究点，在教学实践中采用原理教学与虚拟仿真互动的渐进式方式。近年来的教学实践表明，课程教学内容愈加丰富了，调动了学生学习的主动性，学习兴趣更浓，创造了良好的教学效果。

[1] 应根裕，屠彦，万博泉等编著．平板显示应用技术手册[M]． 北京: 电子工业出版社，2007年2月.

[2] 田民波，叶锋．TFT LCD面板设计与构装技术[M]．北京: 科学出版社，2010年.

[3] 陈文彬， 吴援明． 平板显示技术实验平台的建设[J]．上海：实验室研究与探索，2011，30(9) :139-141．

[4] 薛巧巧，吴援明． 光电信息类专业实践教学改革的探索与实践[J]. 上海：实验室研究与探索，2008， 27( 8)：101-103．

[5] 陈文彬，吴援明． 信息显示技术专业实验室建设[J]．成都：实验科学与技术，2010，8( 2)：161-163．

[6] Kagan C R，Andry P．薄膜晶体管及其在平板显示中的应用[M].北京: 电子工业出版社，2008年.

[7] 盛威，许英，吴伶锡. 半导体物理实验教学探索与实践[J]．南京：电气电子教学学报，2015，37(2):109-110．

[8] 彭春雨，蔺智挺，李正平，吴秀龙. 集成电路设计平台构建与实验教学探索[J]．南京：电气电子教学学报，2014，36(8):49-51．

[9] 耿莉, 徐友龙, 张瑞智. 创新型人才培养模式下的半导体物理教学研究[J]．南京：电气电子教学学报，2009，31:85-87．

[10] 陈利，李君， 肖昌雷. 研究型教学在信息通识教育实践教学中的应用[J]．上海：实验室研究与探索，2013，32(10):409-411．

[11] WWW.SILVACO.COM.

[12] Betty Lise Anderson，Richard L. Anderson著．半导体器件基础[M]．北京:清华大学出版社，2008年3月.

ExplorationofTeachingPracticefortheα-Si:HTFTPrinciplesWithUsingSimulation

CHENWen-bin

(SchoolofOptoelectronicInformation，UniversityofElectronicScienceandTechnology，Chengdu610054，China)

α-Si:H TFT technology is the dominant technology in the flat panel display. The principles of α-Si:H TFT are the difficulty in the traditional teaching mode, instead this gives rise to a great scope of application to the inquiring teaching mode. The current-voltage characteristic of α-Si:H TFT are deeply analyzed and the 4 working regimes are combined with the RPI SPICE model. Typical inquiring points are discussed，which include leakage drain current，threshold voltage，field effect mobility. Closed loop inquiring process is set up based upon parameter adjustment-simulation-parameter extraction-resimulation, which can make students deeply understand the physical mechanism of α-Si:H TFT. The teaching method and teaching contents for inquiring α-Si:H TFT principles using simulation are presented. Teaching practice shows that students′ participation is higher and the teaching effect is good.

Inquiring; SPICE; α-Si:H; TFT

2016-10-17;

2017-01-06

电子科技大学本科教学改革研究项目(Y02012023701215)

陈文彬(1968-)，男，副教授，博士，主要从事平板显示与成像技术的教学和研究,E-mail：chenwb@uestc.edu.cn

G642；G4

A

1008-0686(2017)05-0138-04