CN102592014B - 一种有机薄膜晶体管电流-电压仿真模型的参数提取方法 - Google Patents

Abstract

一种有机薄膜晶体管电流-电压仿真模型的参数提取方法，涉及有机半导体集成电路领域器件模型的参数提取技术，提供了一种有机薄膜晶体管直流电流-电压特性模型的参数提取方法，主要包括以下步骤：1)利用有机薄膜晶体管的直流电流-电压特性模型来准确描述其直流电流-电压特性；2)确定有机薄膜晶体管的直流电流-电压特性模型中需要提取的参数：阈值电压V_T，载流子迁移率幂律参数γ_a，场效应迁移率的特征电压V_aa，迁移率的饱和调制参数α_sat，弯曲调制参数m，沟道长度调制参数λ，泄漏电流参数SIGMAA0；3)逐个确定各个参数的提取方法。利用有机薄膜晶体管的直流电流-电压特性模型的参数提取方法准确描述有机薄膜晶体管的电流-电压特性。

Description

一种有机薄膜晶体管电流-电压仿真模型的参数提取方法

技术领域

本发明涉及有机半导体集成电路领域器件模型的参数提取技术，主要用于有机薄膜晶体管直流电流-电压特性模型的建立及参数提取。

背景技术

近年来，以有机材料为基础的有机薄膜晶体管(OTFT)的发展非常迅速，其性能取得了很大的提高。由于其在工艺和成本上的优越性，利用OTFT制作的以有机射频识别标签(Organic RFID)为典型代表的有机集成电路得到了广泛的研究和关注。复杂集成电路的设计需要在生产、制造前先对其功能、性能进行评估，这需要通过电路仿真来完成，而有机电路仿真需要有相应的软件及能够准确描述OTFT性能的器件模型。因此，建立准确的OTFT器件的模型对于能否利用通用的电路仿真软件来准确的模拟有机集成电路的性能，能否准确、有效的设计有机集成电路，最终实现大规模有机集成电路具有非常重要意义。

电路模拟的精确度不仅与器件模型本身有关，还与器件模型参数值的准确性密切相关。因此，能否准确获得模型中的参数对于准确描述器件的性能起到至关重要的作用，模型参数的提取也就成为建模中的一个重要环节。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为所建立的OTFT直流电流-电压特性模型提供一种准确的参数提取方法，以此准确描述OTFT直流电流-电压特性。

为解决上述问题，本发明采取以下技术方案。

一种有机薄膜晶体管电流-电压仿真模型的参数提取方法，包括以下步骤：

第一步利用有机薄膜晶体管的直流电流-电压特性模型来准确描述有机薄膜晶体管的电流电压特性；

有机薄膜晶体管的直流电流-电压特性模型：

$I_{\mathrm{ds}}=\frac{W/L\·({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{PSI}}/t_{\mathrm{ox}})\·{\mathrm{\μ}}_0{(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}^{{\mathrm{\γ}}_a+1}/{V_{\mathrm{aa}}}^{{\mathrm{\γ}}_a}}{1+R\·W/L\·({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{PSI}}/t_{\mathrm{ox}})\·{\mathrm{\μ}}_0{(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}^{{\mathrm{\γ}}_a+1}/{V_{\mathrm{aa}}}^{{\mathrm{\γ}}_a}}\×V_{\mathrm{ds}}/{[1+{\left(\frac{V_{\mathrm{ds}}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{sat}}\·(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}\right)}^m]}^{1/m}\×(1+\mathrm{\λ}\·V_{\mathrm{ds}})+\mathrm{SIGMA}0\·V_{\mathrm{ds}}$

式中：I_ds为漏源电流，V_ds为器件的漏源电压，V_gs为栅源电压，W和L分别为OTFT的沟道宽度和长度，R为漏、源接触电阻，ε_PSI为栅绝缘层介电常数，t_ox为栅绝缘层厚度，V_T为阈值电压，μ₀为低场迁移率；

第二步确定有机薄膜晶体管的直流电流-电压特性模型中需要提取的七个参数：

阈值电压V_T，载流子迁移率幂律参数γ_a，场效应迁移率的特征电压V_aa，迁移率的饱和调制参数α_sat，弯曲调制参数m，沟道长度调制参数λ，泄漏电流参数SIGMA0；

第三步逐个确定各个参数的提取方法：

1)根据阈值电压定义，利用OTFT转移特性曲线，根据阈值电压定义，确定阈值电压V_T；

2)根据OTFT转移特性曲线，将I_ds做如下计算获得载流子迁移率幂律参数γ_a：

$\frac{{\∫}_0^{V_{\mathrm{gs}}}{I}_{\mathrm{ds}}\left(x\right)\mathrm{dx}}{I_{\mathrm{ds}}\left(V_{\mathrm{gs}}\right)}=\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_a+2}(V_{\mathrm{gs}}-V_T);$

3)提取场效应迁移率的特征电压V_aa

$V_{\mathrm{aa}}={\left[\frac{{\mathrm{\μ}}_0\·W/L\·C_{\mathrm{DIEL}}\·{(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}^{{\mathrm{\γ}}_a+1}\·V_{\mathrm{ds}}}{I_{\mathrm{ds}}}\right]}^{{1/\mathrm{\γ}}_a}$

式中：C_DIEL栅绝缘层的单位电容；

4)提取饱和调制参数α：

$\mathrm{\α}={S_S}^{{\mathrm{\γ}}_a+2}{V_{\mathrm{aa}}}^{{\mathrm{\γ}}_a}{2}^{1/m}/({\mathrm{\μ}}_0\·W/L\·C_{\mathrm{DIEL}})$

式中：S_S为近饱和区域

相对于(V_gs-V_T)的斜率；

5)提取获得弯曲调制参数m：

$m=\log 2/\log [\mathrm{\α}\·{\mathrm{\μ}}_0\·C_{\mathrm{DIEL}}\·W/(L\·{V_{\mathrm{aa}}}^{{\mathrm{\γ}}_a}{S_S}^{{\mathrm{\γ}}_a+2})]$

6)提取沟道长度调制参数λ：

$\mathrm{\λ}=\left[\frac{\frac{I_{\mathrm{ds}}}{{V_{\mathrm{ds}}}^2}{[1+{\left[\frac{V_{\mathrm{ds}}}{\mathrm{\α}(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}\right]}^m]}^{1/m}}{K/{V_{\mathrm{aa}}}^{{\mathrm{\γ}}_a}{(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}^{{\mathrm{\γ}}_a}\·(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}\right]-1/V_{\mathrm{ds}};$

7)提取泄漏电流参数SIGMA0：

SIGMA0＝I_leakage/V_ds

式中：I_leakage为泄漏电流。

第二步中的2)中的阈值电压V_T，3)中的迁移率幂率参数γ_a，4)中的场效应迁移率的特征电压V_aa的参数，6)中的弯曲调制参数m都是在线性工作区提取；5)中的饱和调制参数α，7)中的沟道长度调制参数λ都是在晶体管工作在饱和区中提取。

第二步中的1)～7)提取的所有参数都是对实验测试数据进行相应的处理，然后利用模型计算获得，工艺的影响已包含于参数的具体数值中，不需要再予以考虑。

本发明的有益效果：本发明的参数提取方法从OTFT直流电流-电压特性模型入手，利用实验测试曲线来提取获得模型中的所有参数，处理计算的方法和过程合理准确，并可直接将复杂的难以确定的工艺因素的影响纳入各个参数的具体数值之中，由此可获得可以准确描述对应OTFT的直流电流-电压特性的模型。本发明中的参数提取方法对于不同工艺和材料的OTFT具有一定的通用性，利用本发明提供的参数提取方法获得的模型参数可以准确的描述OTFT的直流电流电压特性。

附图说明

图1是OTFT参数提取方法的流程图；

图2是OTFT等效电路图；

图3是一种基于并五苯的底栅顶接触OTFT的结构图；

图4是OTFT转移特性曲线的测试曲线和仿真曲线图；

图5是OTFT输出特性曲线的测试曲线和仿真曲线图。

具体实施方式

一种有机薄膜晶体管电流-电压仿真模型的参数提取方法，如图1所示，包括以下步骤：第一步利用有机薄膜晶体管的直流电流-电压特性模型来准确描述有机薄膜晶体管的电流电压特性；

第二步确定有机薄膜晶体管的直流电流-电压特性模型中需要提取的七个参数：

第三步逐个确定各个参数的提取方法：

图2所示的OTFT等效电路图中，其中Gate为栅极，Sourse为源极，Dain为漏极，RS和RD分别为OTFT的源端和漏端的接触电阻，C_gs和C_gd分别为OTFT的栅源、漏源寄生电容，I_ds为漏源电流，由泄漏电流I_leakage和工作电流I_ab两部分组成，

I_ds＝I_leakage+I_ab

式中，泄漏电流I_leakage只与源漏电压V_ds有关，其关系表示为

I_leakage＝SIGMA0·V_ds

I_ab为器件的工作电流，其值不仅与有效电导率、源漏电压有关，还受OTFT器件的载流子迁移速度以及速度饱和的影响。因此，I_ab表示为

$I_{\mathrm{ab}}=\frac{W/L\·({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{PSI}}/t_{\mathrm{ox}})\·{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{FET}}(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}{1+R\·W/L\·({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{PSI}}/t_{\mathrm{ox}})\·{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{FET}}(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}\×V_{\mathrm{ds}}/{[1+{\left(\frac{V_{\mathrm{ds}}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{sat}}\·(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}\right)}^m]}^{1/m}\×(1+\mathrm{\λ}\·V_{\mathrm{ds}})$

其中，接触电阻R＝RD+RS，(1+λ·V_ds)是由于器件沟道长度调制效应的影响而添加的修正项，μ_FET为沟道有效迁移率，与栅源电压和低场迁移率μ₀存在一定的依赖关系，其关系式为：

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{FET}}={\mathrm{\μ}}_0{[(V_{\mathrm{gs}}-V_T)/V_{\mathrm{aa}}]}^{{\mathrm{\γ}}_a}$

根据以上关系式本发明最终获得的OTFT直流电流-电压特性模型为：

$I_{\mathrm{ds}}=\frac{W/L\·({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{PSI}}/t_{\mathrm{ox}})\·{\mathrm{\μ}}_0{(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}^{{\mathrm{\γ}}_a+1}/{V_{\mathrm{aa}}}^{{\mathrm{\γ}}_a}}{1+R\·W/L\·({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{PSI}}/t_{\mathrm{ox}})\·{\mathrm{\μ}}_0{(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}^{{\mathrm{\γ}}_a+1}/{V_{\mathrm{aa}}}^{{\mathrm{\γ}}_a}}\×V_{\mathrm{ds}}/{[1+{\left(\frac{V_{\mathrm{ds}}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{sat}}\·(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}\right)}^m]}^{1/m}\×(1+\mathrm{\λ}\·V_{\mathrm{ds}})+\mathrm{SIGMA}0\·V_{\mathrm{ds}}$

第二步确定有机薄膜晶体管的直流电流-电压特性模型中需要提取的七个参数：

阈值电压V_T，载流子迁移率幂律参数γ_a，场效应迁移率的特征电压V_aa，迁移率的饱和调制参数α_sat，弯曲调制参数m，沟道长度调制参数λ，泄漏电流参数SIGMA0；

第三步，逐个确定各个参数的提取方法

1)利用实验得到的OTFT转移特性曲线，根据阈值电压定义提取阈值电压V_T。

2)根据OTFT转移特性曲线，将I_ds做如下计算获得载流子迁移率幂律参数γ_a：

$\frac{{\∫}_0^{V_{\mathrm{gs}}}{I}_{\mathrm{ds}}\left(x\right)\mathrm{dx}}{I_{\mathrm{ds}}\left(V_{\mathrm{gs}}\right)}=\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_a+2}(V_{\mathrm{gs}}-V_T);$

3)根据2)并忽略泄漏电流、沟道长度调制效应和寄生效应的影响，计算可得：

$V_{\mathrm{aa}}={\left[\frac{{\mathrm{\μ}}_0\·W/L\·C_{\mathrm{DIEL}}\·{(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}^{{\mathrm{\γ}}_a+1}\·V_{\mathrm{ds}}}{I_{\mathrm{ds}}}\right]}^{{1/\mathrm{\γ}}_a}$

对转移特性曲线进行相应的计算和处理，利用实验数据提取场效应迁移率的特征电压V_aa；

4)根据实验得到的OTFT转移特性曲线，器件工作在饱和区时，V_dssat＝α(V_gs-V_T)，忽略电阻、沟道长度调制效应及泄漏电流的影响，令S_S为近饱和区域

相对于(V_gs-V_T)的斜率，则饱和调制参数α计算如式：

$\mathrm{\α}={S_S}^{{\mathrm{\γ}}_a+2}{V_{\mathrm{aa}}}^{{\mathrm{\γ}}_a}{2}^{1/m}/({\mathrm{\μ}}_0\·W/L\·C_{\mathrm{DIEL}})$

因此，对转移特性曲线饱和点附近作相应的计算，即可得到饱和调制参数α；

5)根据实验得到的OTFT转移特性曲线，忽略沟道长度调制效应影响，提取弯曲调制参数m：

$m=\log 2/\log [\mathrm{\α}\·{\mathrm{\μ}}_0\·C_{\mathrm{DIEL}}\·W/(L\·{V_{\mathrm{aa}}}^{{\mathrm{\γ}}_a}{S_S}^{{\mathrm{\γ}}_a+2})]$

6)利用模型及以上获得的参数计算得到沟道长度调制参数λ：

$\mathrm{\λ}=\left[\frac{\frac{I_{\mathrm{ds}}}{{V_{\mathrm{ds}}}^2}{[1+{\left[\frac{V_{\mathrm{ds}}}{\mathrm{\α}(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}\right]}^m]}^{1/m}}{K/{V_{\mathrm{aa}}}^{{\mathrm{\γ}}_a}{(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}^{{\mathrm{\γ}}_a}\·(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}\right]-1/V_{\mathrm{ds}};$

7)根据实验得到的OTFT转移特性曲线，提取泄漏电流参数SIGMA0：

SIGMA0＝I_leakage/V_ds

由此获取了有机薄膜晶体管直流电流-电压特性模型中的所有参数。利用有机薄膜晶体管的直流电流-电压特性模型的参数提取方法准确描述有机薄膜晶体管的电流-电压特性。

对具体实例进行参数提取和直流电流-电压特性模拟，图3为本发明实施时采用基于并五苯的底栅顶接触OTFT的结构图，该OTFT以重掺杂的硅Si⁺⁺作为衬底和栅电极，用热氧化生长法在衬底上生长250nm的SiO₂作为栅绝缘层，经臭氧处理后，在SiO₂上自组织生长一层三氯十八烷基硅烷(octadecyltrichlorosilane，OTS)作为修饰层，然后用真空蒸镀法沉积50nm的pentacene作为有源层，最后在pentacene有源层上真空沉积金Au作为源漏电极。选择该OTFT的沟道长度和宽度分别为30um和220um。

利用本发明参数提取方法对图3所示的OTFT进行参数提取，获得的参数如下表所示：

表参数列表

利用OTFT的电流-电压特性模型和本发明的参数提取方法对具体实施例的OTFT进行模拟，模拟结果与测试结果比对，图4为转移特性曲线的测试和仿真对比图，图5为输出特性曲线的测试和仿真对比图。从图4、图5可以看出，测试和仿真曲线拟合得很好，由此验证了模型的准确性和提取的参数的准确性。本发明提出的参数提取方法可以准确的获得模型中的参数，利用OTFT的电流-电压特性模型和本发明的参数提取方法可以准确模拟OTFT的电流-电压特性。从而指导基于OTFT的有机集成电路的设计。本发明的参数提取方法不限于说明书所述的具体实施例。

Claims (1)

1.一种有机薄膜晶体管电流-

电压仿真模型的参数提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步利用有机薄膜晶体管的直流电流-

电压特性模型来准确描述有机薄膜晶体管的电流电压特性；

有机薄膜晶体管的直流电流-电压特性模型：

$I_{\mathrm{ds}}=\frac{W/L\·({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{PSI}}/t_{\mathrm{ox}})\·{\mathrm{\μ}}_0{(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}^{{\mathrm{\γ}}_a+1}/{V_{\mathrm{aa}}}^{{\mathrm{\γ}}_a}}{1+R\·W/L\·({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{PSI}}/t_{\mathrm{ox}})\·{\mathrm{\μ}}_0{(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}^{{\mathrm{\γ}}_a+1}/{V_{\mathrm{aa}}}^{{\mathrm{\γ}}_a}}\×V_{\mathrm{ds}}/{[1+{\left(\frac{V_{\mathrm{ds}}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{sat}}\·(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}\right)}^m]}^{1/m}\×(1+\mathrm{\λ}\·V_{\mathrm{ds}})+\mathrm{SIGMA}0\·V_{\mathrm{ds}}$

式中：I_ds为漏源电流，V_ds为器件的漏源电压，V_gs为栅源电压，W和L分别为OTFT的沟道宽度和长度，R为漏源接触电阻，ε_PSI为栅绝缘层介电常数，t_ox为栅绝缘层厚度，V_T为阈值电压，μ₀为低场迁移率；

确定有机薄膜晶体管的直流电流-电压特性模型中需要提取的七个参数：

阈值电压V_T，载流子迁移率幂律参数γ_a，场效应迁移率的特征电压V_aa，迁移率的饱和调制参数α_sat，弯曲调制参数m，沟道长度调制参数λ，泄漏电流参数SIGMAO；

第二步逐个确定各个参数的提取方法：

1）利用OTFT转移特性曲线，根据阈值电压定义，确定阈值电压V_T；

2）根据OTFT转移特性曲线，将I_ds做如下计算获得载流子迁移率幂律参数γ_a：

$\frac{{\∫}_0^{V_{\mathrm{gs}}}{I}_{\mathrm{ds}}\left(x\right)\mathrm{dx}}{I_{\mathrm{ds}}\left(V_{\mathrm{gs}}\right)}=\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_a+2}(V_{\mathrm{gs}}-V_T);$

3）提取场效应迁移率的特征电压V_aa

$V_{\mathrm{aa}}={\left[\frac{{\mathrm{\μ}}_0\·W/L\·C_{\mathrm{DIEL}}\·{(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}^{{\mathrm{\γ}}_a+1}\·V_{\mathrm{ds}}}{I_{\mathrm{ds}}}\right]}^{1/{\mathrm{\γ}}_a}$

式中：C_DIEL栅绝缘层的单位电容；

4）提取饱和调制参数α：

$\mathrm{\α}={S_S}^{{\mathrm{\γ}}_a+2}{V_{\mathrm{aa}}}^{{\mathrm{\γ}}_a}{2}^{1/m}/({\mathrm{\μ}}_0\·W/L\·C_{\mathrm{DIEL}})$

式中：S_S为近饱和区域相对于(V_gs-V_T)的斜率；

5）提取获得弯曲调制参数m：

$m=\log 2/\log [\mathrm{\α}\·{\mathrm{\μ}}_0\·C_{\mathrm{DIEL}}\·W/(L\·{V_{\mathrm{aa}}}^{{\mathrm{\γ}}_a}{S_S}^{{\mathrm{\γ}}_a+2})]$

6）提取沟道长度调制参数λ：

$\mathrm{\λ}=\left[\frac{\frac{I_{\mathrm{ds}}}{{V_{\mathrm{ds}}}^2}{[1+{\left[\frac{V_{\mathrm{ds}}}{\mathrm{\α}(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}\right]}^m]}^{1/m}}{K/{V_{\mathrm{aa}}}^{{\mathrm{\γ}}_a}{(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}^{{\mathrm{\γ}}_a}\·(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}\right]-1/V_{\mathrm{ds}};$

7）提取泄漏电流参数SIGMAO：

SIGMAO＝I_leakage/V_ds

式中：I_leakage为泄漏电流；

第二步中的1）中的阈值电压V_T，2）中的载流子迁移率幂率参数γ_a，3）中的场效应迁移率的特征电压V_aa的参数，5）中的弯曲调制参数m都是在线性工作区提取；4）中的饱和调制参数α，6）中的沟道长度调制参数λ都是在晶体管工作在饱和区中提取。

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