CN116381438A - 一种双电层晶体管迁移率的测试方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种双电层晶体管迁移率的测试方法及装置，包括：针对双电层晶体管的栅极和漏极分别施加直流信号，在双电层晶体管的栅极叠加交流信号；在叠加交流信号的前提下测量从栅极漏到源极和漏极的电流以及漏极通过沟道流向源极的电流；基于测量的电流实现对电容和跨导的实时监测，基于实时监测的电容和跨导计算双电层晶体管的迁移率。
Description
技术领域
本发明属于晶体管迁移率的测试技术领域，尤其涉及一种双电层晶体管迁移率的测试方法及装置。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
场效应晶体管(FETs)的栅介质层采用的是二氧化硅、氧化铝和氧化铪等固态绝缘层，其比电容约为10-7F/cm2，诱导载流子密度约为1013cm-2，由于其低电容和低击穿电压，很难再进一步提高载流子密度和降低工作电压。离子液体(ILs)具有电化学窗口大、热稳定性和化学稳定性高、无毒不挥发等优点，用ILs替代传统FETs的固态绝缘层的器件叫做双电层晶体管(EDLTs)。
使用离子液体作为栅介质的双电层晶体管，在沟道/电解质界面和栅极/电解质界面形成亚纳米级双电层(EDLs)，从而具有较大的电容和较低的工作电压，比电容超过10-6F/cm2，载流子密度可达1015cm-2，工作电压低至1V。
基于大电容低电压等优点，双电层晶体管在逻辑电路，神经系统和突触器件，便携式传感器，显示器等领域有广泛的应用。不同于传统固态绝缘层，离子液体中存在大量可移动的阴离子和阳离子，阴阳离子在离子液体中移动需要一定的时间，充放电的过程需要几毫秒，从而导致双电层晶体管的电容与频率有关。
另外，在不同的测试速度下双电层晶体管的转移曲线不同，说明跨导也和频率相关。因为双电层晶体管的电容和跨导都随着频率的变化而变化，而直流下无法获得同一频率下的电容和跨导，但计算迁移率需要同一频率下的电容和跨导，所以双电层晶体管的迁移率不能再按照传统薄膜晶体管(TFTs)的计算方法来计算。
目前，双电层晶体管相关的研究中都选用某一较低频率下的电容和直流下的跨导来计算迁移率，这种方法的缺点在于跨导不是某一特定频率下电容所对应的跨导，且选择不同频率得到的迁移率也将不同，这种方法计算的迁移率只是一个估计值。然而，迁移率在器件性能表征与应用中都有非常重要的意义，是不可或缺的一个参数。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种双电层晶体管迁移率的测试方法，实现了电容和跨导的实时监测，得到被测样品在同一频率下的电容和跨导来准确计算EDLTs迁移率。
为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
第一方面，公开了一种双电层晶体管迁移率的测试方法，包括：
针对双电层晶体管的栅极和漏极分别施加直流信号，在双电层晶体管的栅极叠加交流信号；
在叠加交流信号的前提下测量从栅极漏到源极和漏极的电流以及漏极通过沟道流向源极的电流；
基于测量的电流实现对每个频率下对应的电容和跨导的实时监测，基于实时监测的电容和跨导计算双电层晶体管的迁移率。
作为进一步的技术方案，在栅极和漏极通过直流源提供直流电压，通过交流信号发生器在栅极叠加交流信号，源极和漏极两端通过电流测试仪测量电流。
作为进一步的技术方案，流过两个电流测试仪的电流可分别表示为：
Iin-1＝A·i⊥+C·i||+I||
Iin-2＝-B·il-D·i||+I||；
其中，i⊥是交流信号下通过双电层晶体管产生的90°相位电流；
i||是从栅极漏到源极和漏极的0°相位电流；
I||是漏极通过沟道到达源极的0°相位电流；
A,B,C,D分别表示各部分电流的系数，且A+B＝1，C+D＝1，A＝C，B＝D。
作为进一步的技术方案，基于流过两个电流测试仪的电流的表达式获得i⊥和I||，基于获得的i⊥和I||计算电容及跨导，计算公式为：
电容表示为：
跨导表示为：
作为进一步的技术方案，迁移率包括线性迁移率及饱和迁移率；
所述线性迁移率表示为：
所述饱和迁移率表示为：
作为进一步的技术方案，基于实时监测的被测器件双电层晶体管的电流随时间的变化，得到阈值电压随时间的变化，即可以用来测试器件的偏压稳定性。
第二方面，公开了一种双电层晶体管迁移率的测试装置，包括：
直流源、交流信号发生器及电流测试仪；
所述直流源提供施加于双电层晶体管的栅极和漏极直流电压；
所述交流信号发生器用于在双电层晶体管的栅极叠加交流信号；
所述电流测试仪用于在叠加交流信号的前提下测量从栅极漏到源极和漏极的电流以及漏极通过沟道流向源极的电流；
基于测量的电流实现对每个频率下对应的电容和跨导的实时监测，基于实时监测的电容和跨导计算双电层晶体管的迁移率。
作为进一步的技术方案，还包括处理器，所述处理器接收所述电流测试仪测量的电流并基于该电流值计算得到电容和跨导，然后基于电容和跨导计算出线性迁移率及饱和迁移率。
作为进一步的技术方案，所述电流测试仪为锁相放大器，锁相放大器分离出直流分量和交流分量。
作为进一步的技术方案，所述双电层晶体管的双电层可以是离子液体，有源层可以是氧化物半导体。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
本发明技术方案通过测量和计算得到交流信号下由电容产生的电流，从栅极漏到源极和漏极的电流以及漏极通过沟道流向源极的电流从而实现了电容和跨导的实时监测，得到被测样品在同一频率下的电容和跨导来准确计算EDLTs迁移率。
本发明技术方案将交流信号叠加在直流信号上，测量分析流过两个电流测试仪的各部分电流，就可以直接计算出该频率下的电容和跨导，进而计算出EDLTs的迁移率，该方法解决了在直流下无法获得同一频率下的电容和跨导的问题。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例不同测试速度下EDLTs的转移曲线示意图；
图2为本发明实施例实验测试装置图；
图3为本发明实施例线性区迁移率随频率的变化示意图；
图4为本发明实施例饱和区迁移率随频率的变化示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
不同于传统固态绝缘层，离子液体ILs中存在大量可移动的阴离子和阳离子，当栅极施加正电压时，阴离子向栅极移动，阳离子向栅极反方向移动，加负压时，阳离子向栅极移动，阴离子向反方向移动，因此在一定的反应时间内，栅极和ILs的界面以及ILs和沟道的界面上将形成EDLs。由于阴阳离子在ILs中移动速度较慢，在低频下，离子有充分的反应时间来形成EDLs，而在高频下，离子来不及反应，将无法形成EDLs。因此ILs做栅介质时，由于阴阳离子的移动需要一定的时间，导致EDLTs的电容随频率变化。
图1展示了在不同速度下测量的EDLTs的转移曲线，实验结果表明随着测试速度的减慢转移曲线左移，转移曲线的斜率就是跨导，显然不同的测试速度会得到不同的跨导，即EDLTs的跨导也随频率而变化。
TFTs采用的是固态绝缘层，其电容和跨导不随频率而变化，因此计算TFTs迁移率时可以用直流下的跨导和任一频率下的电容直接计算。而对于使用ILs做绝缘层的EDLTs，由于其电容和跨导都随频率而变化，目前一些研究组基于TFTs迁移率的计算方法，直接采用直流下的跨导和较低频率下的电容来计算EDLTs的迁移率，很明显这组电容和跨导并不处于同一频率下。要准确计算EDLTs的迁移率，就需要求得被测样品在同一频率下的电容和跨导。
实施例一
本实施例公开了一种双电层晶体管迁移率的测试方法，针对EDLTs的电容和跨导随频率变化的特点，在直流信号上叠加交流信号，通过测试各部分电流实时输出每个频率下对应的电容和跨导来计算的EDLTs迁移率，以解决当下无法准确计算EDLTs迁移率的问题。
为了更清楚的阐述本实施例，双电层晶体管迁移率的测试的实现过程可具体描述如下：
如图2所示，本发明提出了一种通过直流信号和交流信号耦合从而探测EDLTs在不同频率下的跨导和迁移率的方法。具体方法包括在栅极和漏极通过直流源分别提供电压VG和电压VD，并通过交流信号发生器在栅极叠加交流信号，这样栅极由于直流源施加电压，已经存在直流信号，在直流信号的基础上实现叠加交流信号，源极和漏极两端通过电流测试仪测量电流。叠加交流信号后的EDLTs的线性区和饱和区电流公式分别表示为公式(1)和(2)，IDS-lin和IDS-sat分别对VGS求微分，得到公式(3)和(4)。根据公式(3)，线性迁移率可表示为公式(5)。公式(4)的gm-sat对VGS求微分，得到的斜率表示为公式(6)，于是饱和迁移率可表示为公式(7)。根据以上公式可以看出要计算迁移率就是要算出电容和跨导，其余参数都已知。
其中IDS-lin和IDS-sat分别表示线性区和饱和区电流，W是沟道宽，L是沟道长,μac-lin和μac-sat分别是线性迁移率和饱和迁移率，Cox-ac是电容，VGS是栅源电压，νac是交流电压，VTH是阈值电压，VDS是源漏电压，gm-lin和gm-sat分别是线性区和饱和区跨导。
其中，叠加交流信号后的线性区电流公式是基于直流下的TFT电流公式
获得的，叠加交流信号体现在公式(1)中的(VGS+vac)，VGS表示直流信号，vac是叠加的交流信号。饱和区电流公式同理。
计算电容和跨导的过程为：
通过本发明提出的方法，被测样品的栅极施加直流电压并叠加正弦交流信号，漏极加直流电压VD，源极接地。流过两个电流测试仪的电流可分别表示为：Iin-1＝A·i⊥+C·i||+I||和Iin-2＝-B·i⊥-D·i||+I||。
其中i⊥是交流信号下通过EDLs产生的90°相位电流；
i||是从栅极漏到源极和漏极的0°相位电流；
I||是漏极通过沟道到达源极的0°相位电流；
A,B,C,D分别表示各部分电流的系数，且A+B＝1，C+D＝1，A＝C，B＝D。
电容可表示为
跨导可表示为/>
因此只需要求得i⊥和I||就可以计算出电容和跨导从而计算得到迁移率，其中Cox-ac是电容，νac是交流电压，gm是跨导，f是频率。
图3、图4分别展示了EDLTs线性区和饱和区的迁移率随频率的变化，垂直于X轴的虚线是截止频率。正方形点线是直流方法计算的迁移率，可以看到无论是线性区还是饱和区迁移率都随频率而变化。三角形点线是本发明提出的交流方法计算的迁移率，结果表明本发明方法得到的电容和对应的跨导计算的迁移率在截止频率内不随频率变化，而在较高频下迁移率随频率快速升高，这是由于EDLTs只在低频下工作，较高频率下离子来不及反应形成EDLs，这部分数据是不可信的，只需关注低频下的数据。
本发明实施例子过直流和交流耦合探测EDLTs在不同频率下的跨导和迁移率，包括直流源给栅极和漏极提供电压，交流信号发生器在栅极叠加交流信号，源极和漏极两端加电流测试仪测量电流。
电流测试仪部分可以是锁相放大器并联电阻(R)，因为是直流信号叠加交流信号，用锁相放大器可以分离出直流分量和交流分量。
具体的，本实施例子利用锁相放大器输出电压和并联电阻(R)的方法求得电流，也可通过其他仪器直接测得电流。这里将电流测试仪1、2分别用锁相放大器1、2替代，锁相放大器1可直接输出所并联的电阻(R)两端的电压包括0°相位(X1)和90°相位(Y1)，同样锁相放大器2也直接输出所并联电阻(R)两端的电压包括0°相位(X2)和90°相位(Y2)，可以分别表示为公式(8)-(11)，公式(8)加(10)易得到
公式(9)加(11)可得/>
公式(9)得/>
由A＝C得/>
即i⊥和I||都可以由锁相放大器的输出和已知阻值的电阻(R)计算出来。
综上，通过本发明提出的实验装置的输出值(X1，Y1，X2，Y2)以及并联的电阻进行计算便可得到同一频率下电容和跨导的值，由这组同一频率下的电容和跨导计算得到准确的EDLTs的迁移率。
X1＝R·(C·i||+I||) (8)
Y1＝R·(A·i⊥) (9)
X2＝-R·(I||-D·i||)＝R·(D·i||-I||) (10)
Y2＝-R·(-B·i⊥)＝R·(B·i⊥) (11)
本发明技术方案还可计算被测样品的截止频率。
交流信号下通过双电层产生的90°相位电流i⊥和漏极通过沟道到达源极的0°相位电流I||的比值为电流增益，即电流增益
由/>
得
其中ω＝2πf。当α＝1时的频率f就是EDLT的截止频率。
本发明技术方案能实时监测被测器件的电流随时间的变化，能够得到阈值电压随时间的变化，电流公式里含有阈值电压，通过测得的电流就可以直接求得阈值电压，阈值电压随时间的变化就是所说的偏压稳定性，即可以用来测试器件的偏压稳定性。
双电层晶体管的双电层可以是离子液体，有源层可以是氧化物半导体。
实施例二
本实施例的目的是提供一种双电层晶体管迁移率的测试装置，包括：
直流源、交流信号发生器及电流测试仪；
所述直流源提供施加于双电层晶体管的栅极和漏极直流电压；
所述交流信号发生器用于在双电层晶体管的栅极叠加交流信号；
所述电流测试仪用于在叠加交流信号的前提下测量从栅极漏到源极和漏极的电流以及漏极通过沟道流向源极的电流；
基于测量的电流实现对电容和跨导的实时监测，基于实时监测的电容和跨导计算双电层晶体管的迁移率。
在具体实施例子中，还包括处理器，所述处理器接收所述电流测试仪测量的电流并基于该电流值计算得到电容和跨导，然后基于电容和跨导计算出线性迁移率及饱和迁移率。
该装置的测试方法具体参见实施例子一中的具体步骤。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种双电层晶体管迁移率的测试方法，其特征是，包括：
针对双电层晶体管的栅极和漏极分别施加直流信号，在双电层晶体管的栅极叠加交流信号；
在叠加交流信号的前提下测量从栅极漏到源极和漏极的电流以及漏极通过沟道流向源极的电流；
基于测量的电流实现对每个频率下对应的电容和跨导的实时监测，基于实时监测的电容和跨导计算双电层晶体管的迁移率。
2.如权利要求1所述的一种双电层晶体管迁移率的测试方法，其特征是，在栅极和漏极通过直流源提供直流电压，通过交流信号发生器在栅极叠加交流信号，源极和漏极两端通过电流测试仪测量电流。
3.如权利要求1所述的一种双电层晶体管迁移率的测试方法，其特征是，流过两个电流测试仪的电流可分别表示为：Iin-1＝A·i⊥+C·i||+1||
Iin-2＝-B·i⊥-D·i||+I||；
其中，i⊥是交流信号下通过双电层晶体管产生的90°相位电流；
i||是从栅极漏到源极和漏极的0°相位电流；
I||是漏极通过沟道到达源极的0°相位电流；
A，B，C，D分别表示各部分电流的系数，且A+B＝1，C+D＝1，A＝C，B＝D。
4.如权利要求1所述的一种双电层晶体管迁移率的测试方法，其特征是，基于流过两个电流测试仪的电流的表达式获得i⊥和I||，基于获得的i⊥和I||计算电容及跨导，计算公式为：
电容表示为：
跨导表示为：
5.如权利要求1所述的一种双电层晶体管迁移率的测试方法，其特征是，迁移率包括线性迁移率及饱和迁移率；
所述线性迁移率表示为：
所述饱和迁移率表示为：
6.如权利要求1所述的一种双电层晶体管迁移率的测试方法，其特征是，基于实时监测的被测器件双电层晶体管的电流随时间的变化，得到阈值电压随时间的变化，即可以用来测试器件的偏压稳定性。
7.一种双电层晶体管迁移率的测试装置，其特征是，包括：
直流源、交流信号发生器及电流测试仪；
所述直流源提供施加于双电层晶体管的栅极和漏极直流电压；
所述交流信号发生器用于在双电层晶体管的栅极叠加交流信号；
所述电流测试仪用于在叠加交流信号的前提下测量从栅极漏到源极和漏极的电流以及漏极通过沟道流向源极的电流；
基于测量的电流实现对每个频率下对应的电容和跨导的实时监测，基于实时监测的电容和跨导计算双电层晶体管的迁移率。
8.如权利要求7所述的一种双电层晶体管迁移率的测试装置，其特征是，还包括处理器，所述处理器接收所述电流测试仪测量的电流并基于该电流值计算得到电容和跨导，然后基于电容和跨导计算出线性迁移率及饱和迁移率。
9.如权利要求7所述的一种双电层晶体管迁移率的测试装置，其特征是，所述电流测试仪为锁相放大器，锁相放大器分离出直流分量和交流分量。
10.如权利要求7所述的一种双电层晶体管迁移率的测试装置，其特征是，所述双电层晶体管的双电层可以是离子液体，有源层可以是氧化物半导体。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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