石墨烯增强的隧穿型薄膜晶体管机理研究

Most of the thin film transistors (TFT) today are operating under the thermionic emission principle. Recently the applicant demonstrated a tunneling contact indium-gallium-zinc-oxide (IGZO) TFT, which has reduced saturation drain voltages and improved output characteristics compared to the traditional IGZO TFTs. It is anticipated that this new kind of device is promising in applications such as the low power display drivers. However, the device’s operation mechanism is still unclear and deserves further study. In this grant proposal we would focus our efforts on the graphene-enhanced tunneling contact TFT. We aim to understand the effects of an interlayer graphene on the metal to semiconductor contact properties in thin film transistors, to figure out the relationships between the graphene-enhanced contact and the tunneling TFT, and to further gain well controls over the proposed tunneling contact TFT and the device design parameter space. Expected results include the device physics of the tunneling type TFT and the device design guideline.

当前绝大多数薄膜晶体管是基于热发射的机理工作的。申请人近期展示出一种隧穿型的氧化铟镓锌薄膜晶体管，较热发射器件有更低的饱和漏电压和更优质的输出特性，有潜力对低功耗的显示驱动等应用产生价值。这种薄膜晶体管的提出应尚属首次，其工作机理还不完全清楚。本项目提出研究该种石墨烯增强的隧穿型薄膜晶体管，旨在揭示石墨烯间层对薄膜晶体管中金属和半导体接触的构型和电学特性的影响，获得石墨烯增强接触与相应的隧穿晶体管电学特性的决定性关系，进而使得操控该种隧穿型晶体管的特性成为可能并提出设计规则。经过项目研究预期将获得这种隧穿型薄膜晶体管的完善的器件物理及器件设计指南。

本项目研究一种新型的石墨烯增强的隧穿型薄膜晶体管器件技术，以实验制备和物理分析相结合的手段，提出该器件的工作机理和设计规则。常规的薄膜晶体管以追求金属与半导体的欧姆型接触为目标。然而，当晶体管的源漏电极接触为肖特基接触，在满足以下两个条件：势垒高度处于某个范围内，以及肖特基的输运为隧穿型输运时，薄膜晶体管即展示出超低的饱和漏电压和超高的输出电阻。项目围绕这类新型的薄膜晶体管技术展开。在器件的实验制备方面，项目关注氧化铟镓锌(IGZO)的薄膜晶体管，采用在金属电极和氧化物半导体中插入石墨烯间层的技术手段。实验结果表明，以钛为代表的金属电极与IGZO形成典型的欧姆接触，而在引入石墨烯间层后转变为隧穿型的肖特基接触，势垒高度为0.2eV左右，接近Schottky-Mott理论的预计结果。进一步的实验表征表明，石墨烯间层的引入阻挡了金属-IGZO界面处的原子扩散，使得界面两侧的材料分布呈现突变特性。应用该石墨烯辅助的界面工程在IGZO薄膜晶体管中，即获得前述超低饱和漏压和超高输出电阻的隧穿型薄膜晶体管。项目研究表明，隧穿型薄膜晶体管器件有更优异的缩微性能，降低薄膜沟道的厚度、0.2-0.3eV的势垒高度，合适的退火条件以及增加源区的长度，是该类器件的优化设计原则。在器件的工作机理方面，项目采用半导体物理理论的数值模拟手段，研究器件的静电势控制。模拟结果表明，隧穿型薄膜晶体管器件的特性，主要来自源区状态受到电极的独特调控。传统薄膜晶体管的漏电压会使得沟道的漏段出现耗尽/夹断，而隧穿型薄膜晶体管在漏段夹断之前会在源端出现耗尽，从而导致低的漏电压引起电流饱和的特性。基于这个工作原理，项目提出隧穿型薄膜晶体管呈现出增强的Miller电容特性。并针对该特性在驱动电路中产生电流过冲的现象，提出采用增加电压信号转变时间的应对方法。理论分析指出的增加源区的长度从而提升驱动电流的方案，也在项目中通过实验的手段进行验证。本项目厘清了隧穿型薄膜晶体管的工作机理，并探索出该类器件的优化设计原则和方向，对隧穿型薄膜晶体管在模拟电路和阵列驱动电路的进一步应用夯实了基础。