1 绪论
1.1 引言
近年来，人们的物质生活水平在逐年稳步提升，各种琳琅满目的电子消费产品也成为了各类消费人群的必需品。上至老年人，下至儿童，基本上每天都要与电子产品进行交互，而最直接的交互方式无非是视觉交互。说到视觉交互，都是基于电子产品的一大功能——电子显示功能。人们之所以能够获得如此好的视觉交互体验，这主要是源于科研人员在液晶显示领域取得的巨大进展。
液晶显示屏的发展，都是广大消费群体有目共睹的，而最为熟悉的还应当属电视机的发展。电视机刚刚面世的时候，观众便对这个黑匣子般的东西充满了好奇感与新鲜感。实际上，那一代的电视机显示屏用的是阴极射线显像管（CRT），其基本原理是电子在电场中的运动，通过控制电场的大小控制电子投射到屏幕上的位置。这种技术有一个很显著的特点，即电子运动轨迹的控制需要一定的空间，所以最初一代的电视机都是很厚的。到了 21 世纪初，液晶电视慢慢开始进入了人们的生活，人们可以显著地观察到液晶技术带来的变化，电视机的厚度越来越小，尺寸却越来越大了。的确，这便是液晶显示技术带给观众的极佳视觉体验。追根溯源，这一显示技术的出现得益于薄膜晶体管（TFT）技术[1]的发展，所有的大大小小的液晶显示屏，都是基于小小的薄膜晶体管按照一定的方式排列而组成的。
即便薄膜晶体管面世以来，已经取得了不错的成就，但是科研人员从未停止过对于它的研究。特别是在半导体集成度越来越高的今天，有人提出了将更多的器件集成在一块显示面板上，这就是所谓的系统面板技术（SoP）[2,3]。在系统面板中，对于器件的集成度要求是非常高的，这意味在相同大小的显示面板中，能够实现更多的功能。TFT 对于系统面板的重要性是毋庸置疑的，此外，往往这样的面板中也会有用于存储功能的模块，所以，非易失性存储器也不可或缺。试想一下，如果用 TFT 存储器取代上述的两种元器件，器件的集成度将会大大提高，同时还能够降低整个系统的功耗。基于这样的设想，非挥发性 TFT 存储器逐渐进入到研究人员的视野.
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1.2 非晶铟镓锌氧化物
1.2.1导电机理
非晶 IGZO 有着与其他 TOS 材料比较类似的特性，这很大程度上得益于 TOS 晶体的离子性[12]。即当两种电负性差异较大的原子相互靠近时，电子就会进行转移，最终形成金属阳离子和氧阴离子。这样一来，氧原子的能级有所降低，而金属原子的能级则升高了。在电子未发生转移时，金属原子的 ns 轨道的能级和氧原子的2??轨道的能级很接近，但电子发生转移后，两轨道的能级便逐渐远离。因此，离子晶体形成时，其禁带宽度也会相应比较大。
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2 基于 IGZO 沟道的 TFT 存储器
2.1 基本结构
与其它存储器的结构类似，TFT 存储器也是由基板、有源层、隧穿层、电荷存储层、阻挡层堆叠而成，并引出栅极、源极、漏极三个电极[21,22]。由于是用在可供显示的屏幕上，所以基板的选择一般为透明的玻璃基板。有源层是疏通源漏两个电极的沟道，在栅极电压的作用下，载流子会作定向的运动，并伴随沟道电流的产生。在 TFT 存储器中，有源层材料选用非晶 IGZO，能够大大提升其电学性能。隧穿层将有源层与电荷存储层阻断开来，载流子只有获得了足够的能量才能够从有源层隧穿进入到电荷存储层当中。同时，隧穿层的存在又能够阻止电荷存储层中的电荷轻易的进入到有源层。隧穿层材料一般选用高 k 介质材料，如 Al2O3、ZrO2、HfO2等。电荷存储层主要是起到了电荷存储的作用，一般选择陷阱能级较深的材料，有助于电荷的存储。阻挡层则主要是为了阻止电荷从电荷存储层流失，有效的减小栅极漏电流，提升存储器的保持特性。
根据栅电极的位置，可将 TFT 存储器分为顶栅、底栅和双栅三种基本的结构，如图 2-1 所示。其中，2-1(a)为顶栅结构示意图，2-1(b)为底栅结构示意图，2-1(c)为双栅结构示意图。
从结构上可以看出，顶栅结构的栅极位于器件的顶部，而有源层则直接与基板接触，并引出源漏电极。在实际的工艺中，IGZO 沟道能够获得比较平整的表面，因此隧穿层可以做的比较薄，这样器件能够在较低的电压下工作，同时，器件的稳定性也更好[23]。但是这种结构却难以保证沟道不受到基板光照的影响，从而影响其电学性能。
底栅（又称为“背栅”）结构栅电极直接与基板相连，有源层处于最顶层，避免了有源层直接受到基板光照的影响。这种结构的存储器一般而言沟道的有效迁移率较高，因此源漏电流较大，阈值电压的稳定性也相对较好[24]。在实际的工艺过程中，为了获得比较平整的界面，其隧穿层不宜太薄，使得器件的阈值电压会相对提高，相应地会引起器件功耗的增加。
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2.2 TFT 存储器工作原理
TFT 存储器与一般的闪存存储器相比，在结构上拥有很大的相似性，在工作原理上也是大同小异。即二者都是通过改变电荷存储层中的电荷量，从而改变器件的阈值电压，实现“0”和“1”两个状态，达到数据存储的目的[26]。以顶栅结构的 TFT 存储器为例，详细阐述其工作原理。
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3.1 仿真环境 ................................... 14
3.2 TCAD 器件仿真及结果 ............................. 16
3.3 本章小结 ..................................... 32
4 IGZO 沟道迁移率模型 .......................... 34
4.1 引言 ............................... 34
4.2 模型建立 ....................................... 34
4.3 模拟结果及分析 ............................ 41
5 迁移率修正与器件仿真 .................................. 46
5.1 迁移率校正 ............................... 46
5.2 器件仿真 ................................... 47
5 迁移率修正与器件仿真
5.1 迁移率校正
上两个章节中，分别进行了基于 Silvaco 软件的器件的仿真以及沟道迁移率的建模。用 Silvaco 软件进行仿真的过程中，没有考虑到一些潜在因素对迁移率的影响，而事实上，往往这些散射因素对于迁移率的影响是不能忽视的。第四章主要将部分潜在因素考虑进来，从理论上探讨了这些因素对于沟道载流子迁移率的影响规律。本章旨在将两章的内容结合起来，在考虑一些结构因素对沟道载流子迁移率产生影响的前提下，对存储器的电学性能进行进一步探究。
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6 总结与展望
6.1 全文总结
伴随着人类视觉审美的提高，显示技术的突破志在必行。TFT 存储器的出现使得显示模块和存储模块合二为一的设想变为现实，它的出现使得显示器能够在面板尺寸、分辨率、功耗等一些方面迎来重大突破。相信在未来很长一段时间里，它依旧是科研人员在显示领域的一大关注点。本文从理论方面着手，灵活运用了一些专业相关软件对课题展开探讨。纵观全文，主要在两个方面展开了较为深入的研究：一方面是利用Silvaco 软件进行电学性能的仿真，主要考虑了器件的结构以及一些基本的几个参数对于器件性能的影响；另一方面则是从基本的电子输运方程入手，建立存储器的沟道载流子迁移率模型，考虑了一系列结构参数对于沟道载流子的散射作用。主要的工作和结论如下：
⑴利用 Silvaco 软件对 TFT 存储器单元进行了电学性能的仿真，主要考虑了器件的底栅、顶栅、双栅三种结构以及存储层材料、存储层厚度、隧穿层材料、隧穿层厚度、沟道长度、编程电压这几大因素对于存储器电学性能的影响。仿真结果表明：底栅结构相对而言制备工艺成熟，拥有良好的电学特性，并且对光照有着较好的稳定性，所以在 TFT 存储器的选择上，背栅结构是首选；在存储层材料的选择上，以 ZnO 最为存储层得到的存储窗口最大，相应的浮栅中的电荷量也最大；在存储层厚度的选择上，适当增大厚度有助于存储窗口的增大。厚度过大不利于整个器件尺寸的减小，同时还会一定程度的造成存储层中缺陷数量的增多，厚度过小则存储窗口过小，甚至可能达不到存储电荷的目的；隧穿层的选择上，以 Al2O3 作为隧穿层的器件的存储窗口最大，对于编程/擦除电压的响应也最快；隧穿层厚度的选择上，适当减小厚度有助于隧穿电流密度的增大，但是过小则会有电荷发生泄漏的可能性；沟道长度的选择上，一大要点是确保合适的宽长比。沟道长度选的过大会造成存储窗口偏小，难以达到存储器对于存储窗口的要求；在编程过程中，编程电压的选择也很重要。在一定范围内增大编程电压能够增大存储器的存储窗口，但是过大也会造成浮栅电荷从存储层到阻挡层的隧穿，从而产生存储电荷的泄漏，会适得其反。
参考文献（略）