Characterization and Compact Modeling of Flicker Noise and Piezoelectric Effect in Advanced Field Effect Transistors

Abstract

El'objectiu d'aquesta tesi és el modelatge compacte basat en la física dels transistors de pel·lícula prima i d'alta mobilitat d'electrons (TFTs, HEMTs). En primer lloc, s'ha realitzat la caracterització del soroll de DC i de baixa freqüència de ESL a-IGZO i TFTs orgànics polimèrics per identificar l'origen físic del soroll 1 / f. L'anàlisi experimental de dades ha revelat un intercanvi aleatori de portadores entre les trampes d'òxid de porta i el canal és la font del soroll Flicker en ambdós tipus de TFTs. Mentre que en les regions d'alta corrent dels TFTs a-IGZO s'ha observat soroll procedent de la dispersió remota de portadors de Coulomb, les resistències de contacte no tenen cap contribució en tots dos dispositius. Basant-se en aquests resultats, es deriven models de soroll DC i 1 / f per als TFTs de a-IGZO utilitzant els mètodes d'extracció de paràmetres UMEM DC i de modelatge de soroll Flicker unificat. En segon lloc, s'ha realitzat el modelatge d'efectes piezoelèctrics en HEMTs de Algan / GaN. Resolent l'equació de Poisson en cada capa de l'estructura de HEMT i assumint que els electrons 2DEG s'originen a partir d'estats superficials presents a la part superior de Algan, s'han desenvolupat les expressions analítiques de l'altura de la barrera Schottky i del llindar de voltatge (Vth). S'han considerat els efectes de la capa d'Algan Contingut d'alumini, la capa GaN-cap i la capa intermèdia de ALN. Els models Vth s'ha implementat en un model I-V prèviament desenvolupat per a la simulació de característiques de DC. Finalment, dispositius diversos a-IGZO TFT i HEMT s'han utilitzat per validar els models proposats de DC, soroll 1 / f i Vth. Les dades dels models experimentals han donat excel·lents resultats en tots els règims de funcionament dels dispositius.

El objetivo de esta tesis es el modelado compacto basado en la física de los transistores de TFTs, y HEMTs. En primer lugar, se ha realizado la caracterización del ruido de DC y de baja frecuencia de ESL a-IGZO y TFTs orgánicos poliméricos para identificar el origen físico del ruido 1/f. El análisis experimental de datos ha revelado un intercambio aleatorio de portadoras entre las trampas de óxido de puerta y el canal es la fuente del ruido Flicker en ambos tipos de TFTs. Mientras que en las regiones de alta corriente de los TFTs a-IGZO se ha observado ruido procedente de la dispersión remota de portadores de Coulomb, las resistencias de contacto no tienen ninguna contribución en ambos dispositivos. Basándose en estos resultados, se derivan modelos de ruido DC y 1/f para los TFTs de a-IGZO utilizando los métodos de extracción de parámetros UMEM DC y de modelado de ruido Flicker unificado. En segundo lugar, se ha realizado el modelado de efectos piezoeléctricos en HEMTs de AlGaN/GaN. Resolviendo la ecuación de Poisson en cada capa de la estructura de HEMT y asumiendo que los electrones 2DEG se originan a partir de estados superficiales presentes en la parte superior de AlGaN, se han desarrollado las expresiones analíticas de la altura de la barrera Schottky y del umbral de voltaje. Se han considerado los efectos de la capa de AlGaN Contenido de aluminio, la capa GaN-cap y la capa intermedia de AlN. Los modelos Vth se han implementado en un modelo I-V previamente desarrollado para la simulación de características de DC. Finalmente, dispositivos varios a-IGZO TFT y HEMT se han utilizado para validar los modelos propuestos de DC, ruido 1/f y Vth. Los datos de los modelos experimentales han dado excelentes resultados en todos los regímenes de funcionamiento de los dispositivos.

Physically-based compact modeling of Thin Film and High Electron Mobility Transistors (TFTs, HEMTs) is targeted in this thesis. Firstly, DC and low-frequency noise characterization of ESL a-IGZO and polymeric organic TFTs have been performed for identifying the physical origin of 1/f noise. The experimental data analysis reveal random carrier exchange between gate oxide traps and the channel is the source of the Flicker noise in both types of TFTs. While noise from remote Coulomb scattering of carriers is observed at high current regions in the a-IGZO TFTs, the contact resistances have no contribution in both devices. Based on these results, DC and 1/f noise models are derived for the a-IGZO TFTs using the UMEM DC parameter extraction and unified Flicker noise modeling approaches. Secondly, piezoelectric effect modeling in AlGaN/GaN HEMTs is performed. By solving Poisson’s equation in each layer of the HEMT structure and assuming that the 2DEG electrons originate from surface states present on the AlGaN top, analytical Schottky barrier height and threshold voltage (Vth) expressions are developed. Effects of the AlGaN layer Aluminum content, GaN-cap layer, and AlN interlayer are considered. The Vth models are implemented in a previously developed I-V model for DC characteristics simulation. Finally, Various a-IGZO TFT and HEMT devices are employed to validate the proposed DC, 1/f noise, and Vth models. Model-experimental data gives excellent results in all operating regimes of the devices.