JP5906079B2 - Drain current simulation apparatus and drain current simulation program - Google Patents

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Description

本発明は、半導体中にキャリアを捕獲する欠陥を含む蓄積型の薄膜トランジスタについて、ドレイン電流を計算するシミュレーション装置及びそのプログラムに関する。   The present invention relates to a simulation apparatus for calculating a drain current and a program for the storage type thin film transistor including a defect that traps carriers in a semiconductor.

半導体トランジスタの構造設計では、ゲート絶縁膜厚や半導体膜厚といったデバイスパラメータの値を決める必要がある。また、サブスレッショールド係数(S値)や閾値電圧(Vth)といったトランジスタの重要な性能指標に対して、開発目標値が設定されている場合には、それらの性能指標及び目標を満たすように、デバイスパラメータの値を決めなければならない。そして、一般的に、こうしたトランジスタの構造設計には、シミュレーション技術が用いられる。効率的にデバイスパラメータの値を決めるためには、高速かつ高精度なドレイン電流特性のシミュレーションが必要であり、通常、市販の二次元デバイスシミュレータ(例えば、SILVACO社の二次元デバイスシミュレータ「ATLAS」)が用いられる。 In the structural design of a semiconductor transistor, it is necessary to determine values of device parameters such as a gate insulating film thickness and a semiconductor film thickness. In addition, when development target values are set for important performance indicators such as a subthreshold coefficient (S value) and threshold voltage (V th ), the performance indicators and targets should be satisfied. In addition, the value of the device parameter must be determined. In general, a simulation technique is used for the structural design of such a transistor. In order to determine device parameter values efficiently, high-speed and high-accuracy simulation of drain current characteristics is required, and usually a commercially available two-dimensional device simulator (for example, two-dimensional device simulator “ATLAS” manufactured by SILVACO). Is used.

具体的な構造設計法としては、まず、シミュレーションにより、ドレイン電流特性を計算し、そこから、サブスレッショールド係数(S値)や閾値電圧(Vth)といったトランジスタの性能指標を得る。そして、もし、それらが予め設定した条件を満たさなければ、デバイスパラメータの値を変更し、再び、シミュレーションを行う。これを繰り返すことで、ドレイン電流特性が条件を満たすように、デバイスパラメータの値を決めることができる。こうした方法により、トランジスタの構造設計のための実際の素子の試作回数を減らすことができ、トランジスタの開発期間やコストの削減が可能となる。 As a specific structure design method, first, drain current characteristics are calculated by simulation, and transistor performance indicators such as a subthreshold coefficient (S value) and a threshold voltage (V th ) are obtained therefrom. If they do not satisfy the preset conditions, the device parameter values are changed and the simulation is performed again. By repeating this, the value of the device parameter can be determined so that the drain current characteristic satisfies the condition. By such a method, the number of trials of actual elements for transistor structure design can be reduced, and the transistor development period and cost can be reduced.

一方、アモルファスシリコンTFTに比べて移動度が高く、また、多結晶シリコンTFTに比べて均一性が高いことで、アモルファスInGaZnO(IGZO;インジウム・ガリウム・亜鉛酸化物)などの酸化物半導体を用いたTFTが現在、注目されている。こうした酸化物半導体TFTの開発においても、前記したように、シミュレーション技術を用いたドレイン電流特性の計算が重要である。   On the other hand, an oxide semiconductor such as amorphous InGaZnO (IGZO; indium gallium zinc oxide) is used because of its high mobility compared to amorphous silicon TFT and high uniformity compared to polycrystalline silicon TFT. TFTs are currently attracting attention. Also in the development of such an oxide semiconductor TFT, as described above, calculation of drain current characteristics using a simulation technique is important.

そして、近年、市販の二次元デバイスシミュレータを用いて、IGZO−TFTのドレイン電流特性を計算した例が報告されている(非特許文献1、2参照)。   In recent years, examples of calculating drain current characteristics of IGZO-TFT using a commercially available two-dimensional device simulator have been reported (see Non-Patent Documents 1 and 2).

Hsing-Hung Hsieh, Toshio Kamiya, Kenji Nomura, Hideo Hosono, and Chung-Chih Wu, Appl. Phys. Lett. 92, 133503 (2008)Hsing-Hung Hsieh, Toshio Kamiya, Kenji Nomura, Hideo Hosono, and Chung-Chih Wu, Appl. Phys. Lett. 92, 133503 (2008) Tze-Ching Fung, Chiao-Shun Chuang, Charlene Chen, Katsumi Abe, Robert Cottle, Mark Townsend, Hideya Kumomi, and Jerzy Kanicki, J. Appl. Phys. 106, 084511 (2009)Tze-Ching Fung, Chiao-Shun Chuang, Charlene Chen, Katsumi Abe, Robert Cottle, Mark Townsend, Hideya Kumomi, and Jerzy Kanicki, J. Appl.Phys. 106, 084511 (2009)

ところが、前記したような二次元デバイスシミュレータを用いた計算では広範囲な条件で高精度にドレイン電流特性が得られる一方で、シミュレーションに長時間を要し、また、シミュレーションを実行させるためにハイスペックなコンピュータが必要である、といった問題がある。   However, in the calculation using the two-dimensional device simulator as described above, the drain current characteristic can be obtained with high accuracy under a wide range of conditions. On the other hand, the simulation takes a long time, and a high specification is required to execute the simulation. There is a problem that a computer is necessary.

また、酸化物半導体を用いたTFTは、半導体膜中にキャリアを捕獲する欠陥を含む、多数キャリアを使う蓄積型のトランジスタである。このため、このようなTFTには、アモルファスシリコンTFTや多結晶シリコンTFTに用いられる、従来からあるシミュレーション方法をそのまま適用することはできない。   A TFT using an oxide semiconductor is an accumulation-type transistor using a majority carrier that includes a defect of trapping carriers in a semiconductor film. For this reason, a conventional simulation method used for an amorphous silicon TFT or a polycrystalline silicon TFT cannot be directly applied to such a TFT.

そこで、本発明は、酸化物半導体TFTのように、半導体膜中にキャリアを捕獲する欠陥を含む蓄積型のTFTに適用可能であり、かつ、高速にドレイン電流のシミュレーションを行うことができるシミュレーション装置及びシミュレーションプログラムを提供することを課題とする。   Therefore, the present invention can be applied to a storage type TFT including a defect that traps carriers in a semiconductor film, such as an oxide semiconductor TFT, and can simulate a drain current at high speed. An object is to provide a simulation program.

前記した課題を解決するために、請求項1に記載のドレイン電流のシミュレーション装置(以下、適宜シミュレーション装置という)は、半導体膜中にキャリアを捕獲する欠陥を含む蓄積型の薄膜トランジスタであって、半導体膜と絶縁膜とゲート電極とをこの順で積層した構造を有する電界効果型の薄膜トランジスタについて、ドレイン電極とソース電極との間の電圧であるドレイン−ソース間電圧が低いときに、ドレイン電極とソース電極との間の電流であるドレイン電流を計算するドレイン電流のシミュレーション装置であって、ポテンシャル分布演算手段と、キャリア密度分布演算手段と、キャリア面密度演算手段と、ドレイン電流演算手段と、フェルミ準位演算手段と、電荷担体密度演算手段と、を備えて構成した。 In order to solve the above-described problem, a drain current simulation apparatus according to claim 1 (hereinafter, referred to as a simulation apparatus as appropriate) is a storage-type thin film transistor including a defect that traps carriers in a semiconductor film, and includes a semiconductor In a field effect thin film transistor having a structure in which a film, an insulating film, and a gate electrode are stacked in this order, when the drain-source voltage, which is the voltage between the drain electrode and the source electrode, is low, the drain electrode and the source A drain current simulation device for calculating a drain current which is a current between electrodes, a potential distribution calculation unit, a carrier density distribution calculation unit, a carrier surface density calculation unit, a drain current calculation unit, a Fermi quasi A position calculating means and a charge carrier density calculating means are provided .

かかる構成によれば、シミュレーション装置は、ポテンシャル分布演算手段によって、半導体膜の電荷密度として、電子密度、ホール密度、ドナー密度、及びバンドギャップ中に指数関数型の状態密度を持つアクセプタ型欠陥とドナー型欠陥の密度を考慮して、一次元ポアソン方程式を解くことにより半導体膜中の深さ方向のポテンシャル分布を計算する。これによって、シミュレーション装置は、ポテンシャル分布を高速に算出する。   According to such a configuration, the simulation apparatus uses the potential distribution calculation means to accept the electron defect, the hole density, the donor density, and the acceptor type defect and the donor having an exponential state density in the band gap as the charge density of the semiconductor film. Considering the density of mold defects, the potential distribution in the depth direction in the semiconductor film is calculated by solving the one-dimensional Poisson equation. Thereby, the simulation apparatus calculates the potential distribution at high speed.

次に、シミュレーション装置は、キャリア密度分布演算手段によって、ポテンシャル分布演算手段により算出したポテンシャル分布を用いて半導体膜中の深さ方向のキャリア密度分布を算出する。次に、シミュレーション装置は、キャリア面密度演算手段によって、キャリア密度分布演算手段により算出したキャリア密度分布を半導体膜の深さ方向の全範囲について積分して半導体膜中のキャリア面密度を算出する。そして、シミュレーション装置は、ドレイン電流演算手段によって、キャリア面密度演算手段が算出したキャリア面密度に、移動度、電気素量、ドレイン−ソース間電圧、及びチャネル幅とチャネル長との比を乗じてドレイン電流を算出する。
これによって、シミュレーション装置は、ポテンシャル分布を高速に算出するため、結果的にドレイン電流を高速に算出する。
Next, the simulation apparatus calculates the carrier density distribution in the depth direction in the semiconductor film by using the potential distribution calculated by the potential distribution calculating means by the carrier density distribution calculating means. Next, the simulation apparatus calculates the carrier surface density in the semiconductor film by integrating the carrier density distribution calculated by the carrier density distribution calculating unit over the entire range in the depth direction of the semiconductor film by the carrier surface density calculating unit. The simulation apparatus multiplies the carrier surface density calculated by the carrier surface density calculating unit by the drain current calculating unit by the mobility, the elementary charge, the drain-source voltage, and the ratio of the channel width and the channel length. Calculate the drain current.
As a result, the simulation apparatus calculates the potential distribution at high speed, and as a result, calculates the drain current at high speed.

また、シミュレーション装置は、フェルミ準位演算手段によって、半導体膜のフラットバンド条件でのフェルミ準位を、フェルミ準位についての方程式である式(18)から算出する。次に、シミュレーション装置は、電荷担体密度演算手段によって、フェルミ準位演算手段により算出したフェルミ準位を、式(5)、式(6)、式(A9)、式(B10)及び式(C9)に代入して、半導体膜のフラットバンド条件での、それぞれホール密度、電子密度、正に帯電したドナー型欠陥のディープステート(Deep state)における密度、負に帯電したアクセプタ型欠陥のディープステート(Deep state)における密度及び負に帯電したアクセプタ型欠陥のテールステート(Tail state)における密度を、電荷担体密度として算出する。 Further , the simulation apparatus calculates the Fermi level under the flat band condition of the semiconductor film from the equation (18) which is an equation for the Fermi level by the Fermi level calculation means. Next, the simulation apparatus calculates the Fermi level calculated by the Fermi level calculation means by the charge carrier density calculation means by using the expressions (5), (6), (A9), (B10), and (C9). ), The hole density, the electron density, the density of positively charged donor-type defects in the deep state (Deep state), and the deep state of negatively-charged acceptor-type defects (in the flat band condition of the semiconductor film) The density in the deep state and the density in the tail state of the negatively charged acceptor type defect are calculated as the charge carrier density.

次に、シミュレーション装置は、ポテンシャル分布演算手段によって、一次元ポアソン方程式である式(1)を差分化し、ゲート電極におけるポテンシャルがゲート電極及びソース電極の間の電圧とフラットバンド電圧との差に等しいことを境界条件として、数値解析することでポテンシャル分布を算出する。また、ポテンシャル分布を算出する際に、電荷担体密度演算手段が算出した半導体膜のフラットバンド条件における電荷担体密度が用いられる。   Next, the simulation apparatus differentiates Equation (1), which is a one-dimensional Poisson equation, by the potential distribution calculation means, and the potential at the gate electrode is equal to the difference between the voltage between the gate electrode and the source electrode and the flat band voltage. With this as a boundary condition, the potential distribution is calculated by numerical analysis. Further, when calculating the potential distribution, the charge carrier density in the flat band condition of the semiconductor film calculated by the charge carrier density calculating means is used.

次に、シミュレーション装置は、キャリア密度分布演算手段によって、キャリア密度分布を、式(19)から算出し、更に、キャリア面密度演算手段によって、キャリア密度分布を、式(20)によって算出する。そして、シミュレーション装置は、ドレイン電流演算手段によって、ドレイン電流を算出する。   Next, the simulation apparatus calculates the carrier density distribution from the equation (19) by the carrier density distribution calculating unit, and further calculates the carrier density distribution by the equation (20) by the carrier surface density calculating unit. The simulation apparatus calculates the drain current by the drain current calculation means.

ここで、式(18)は、   Here, the equation (18) is

Figure 0005906079
である。
Figure 0005906079
It is.

また、式(5)、式(6)、式(A9)、式(B10)及び式(C9)は、   Moreover, Formula (5), Formula (6), Formula (A9), Formula (B10), and Formula (C9) are:

Figure 0005906079
である。
Figure 0005906079
It is.

また、式(1)は、   Moreover, Formula (1) is

Figure 0005906079
Figure 0005906079

である。ここで、半導体膜の電荷密度ρは式(2)のように表され、更に、半導体膜のホール密度p、電子密度n、正に帯電したドナー型欠陥のディープステートにおける密度Ndd 、負に帯電したアクセプタ型欠陥のディープステートにおける密度Nad 及び負に帯電したアクセプタ型欠陥のテールステートにおける密度Nat は、それぞれ、式(3)、式(4)、式(10)、式(13)及び式(16)のように表すことができる。なお、式(10)、式(13)及び式(16)は、近似式であるため、ポテンシャル算出の高速化に寄与する。 It is. Here, the charge density ρ of the semiconductor film is expressed by the formula (2), and further, the hole density p, the electron density n of the semiconductor film, the density N dd + in the deep state of the positively charged donor type defect, and negative The density N ad in the deep state of the acceptor type defect charged in the negative state and the density N at in the tail state of the acceptor type defect negatively charged are respectively expressed by the equations (3), (4), (10), and (13) and equation (16). In addition, since Formula (10), Formula (13), and Formula (16) are approximate formulas, they contribute to speeding up of potential calculation.

Figure 0005906079
Figure 0005906079

また、式(19)及び式(20)は、次のように与えられる。   Moreover, Formula (19) and Formula (20) are given as follows.

Figure 0005906079
Figure 0005906079

以上において、β=q/kT、γ=q/Edd、γ=q/Eadである。
また、kはボルツマン定数、Tは絶対温度、qは電気素量である。
更に、ρは半導体膜の電荷密度、pは半導体膜のフラットバンド条件におけるホール密度、nは半導体膜のフラットバンド条件における電子密度、Ndd0 は半導体膜のフラットバンド条件における正に帯電したドナー型欠陥のディープステートにおける密度、Nad0 は半導体膜のフラットバンド条件における負に帯電したアクセプタ型欠陥のディープステートにおける密度、Nat0 は半導体膜のフラットバンド条件における負に帯電したアクセプタ型欠陥のテールステートにおける密度、gdd0は半導体膜の価電子帯上端でのドナー型欠陥のディープステートにおける状態密度、gad0は半導体膜の伝導帯下端でのアクセプタ型欠陥のディープステートにおける状態密度、gat0は半導体膜の伝導帯下端でのアクセプタ型欠陥のテールステートにおける状態密度、Eは半導体膜の価電子帯上端のエネルギー、Eは半導体膜の伝導帯下端のエネルギー、Eは半導体膜のフラットバンド条件でのフェルミ準位、Eddは半導体膜のドナー型欠陥のディープステートにおける状態密度分布の傾きの逆数、Eadは半導体膜のアクセプタ型欠陥のディープステートにおける状態密度分布の傾きの逆数、Eatは半導体膜のアクセプタ型欠陥のテールステートにおける状態密度分布の傾きの逆数、nは半導体膜の真性キャリア密度、Eは半導体膜の真性フェルミ準位、εscは半導体膜の誘電率、tscは半導体膜の膜厚、φはポテンシャル、φ(x)はポテンシャル分布、n(x)はキャリア密度分布、Nはキャリア面密度、Nは半導体の実効的なドナー密度である。また、xは半導体膜の厚さ方向の位置を示す。
In the above, β = q / kT, γ d = q / E dd , and γ a = q / E ad .
K is a Boltzmann constant, T is an absolute temperature, and q is an elementary electric quantity.
Furthermore, ρ is the charge density of the semiconductor film, p 0 is the hole density in the flat band condition of the semiconductor film, n 0 is the electron density in the flat band condition of the semiconductor film, and N dd0 + is positively charged in the flat band condition of the semiconductor film. The density of donor-type defects in the deep state, N ad0 is the density of negatively charged acceptor-type defects in the flat band condition of the semiconductor film, and N at0 is the negatively charged acceptor in the flat band condition of the semiconductor film. Density in the tail state of the type defect, g dd0 is the density of states in the deep state of the donor type defect at the upper end of the valence band of the semiconductor film, and g ad0 is the density of states in the deep state of the acceptor type defect in the lower end of the conduction band of the semiconductor film. , Gat0 is the value at the bottom of the conduction band of the semiconductor film. State density at the tail state of Kuseputa type defects, E v is the valence band upper end of the energy of the semiconductor film, E c is the conduction band minimum energy of the semiconductor film, E f is the Fermi level of a flat band condition of the semiconductor film, E dd is the reciprocal of the slope of the state density distribution in the deep state of the donor-type defect of the semiconductor film, E ad is the reciprocal of the slope of the state density distribution in the deep state of the acceptor-type defect of the semiconductor film, and E at is the acceptor type of the semiconductor film. The reciprocal of the slope of the state density distribution in the defect tail state, n i is the intrinsic carrier density of the semiconductor film, E i is the intrinsic Fermi level of the semiconductor film, ε sc is the dielectric constant of the semiconductor film, and t sc is the film of the semiconductor film thickness, phi is the potential, φ (x) is the potential distribution, n (x) is the carrier density distribution, n is the carrier surface density, n d is the semiconductor An effective donors density. X indicates the position in the thickness direction of the semiconductor film.

請求項に記載のシミュレーション装置は、請求項に記載のシミュレーション装置において、計算範囲設定手段を更に備えて構成した。 A simulation apparatus according to a second aspect is the simulation apparatus according to the first aspect , further comprising calculation range setting means.

かかる構成によれば、シミュレーション装置は、計算範囲設定手段によって、所定の範囲における複数のゲート電圧をポテンシャル分布の計算条件として順次にポテンシャル分布演算手段に設定する。次に、シミュレーション装置は、ポテンシャル分布演算手段によって、当該ゲート電圧におけるポテンシャル分布を算出する。そして、シミュレーション装置は、前記したドレイン電流演算手段によってドレイン電流を算出する。また、シミュレーション装置は、計算範囲設定手段によって、所定の範囲におけるゲート電圧を逐次変化させ、前記したドレイン電流演算手段によって、順次に設定されたゲート電圧に対応するドレイン電流を算出する。これによって、シミュレーション装置は、ドレイン電流と、その計算の基になったポテンシャル分布の計算条件としたゲート電圧とを対応付けたドレイン電流のゲート電圧依存性を計算する。   According to such a configuration, the simulation apparatus sequentially sets a plurality of gate voltages in a predetermined range as potential distribution calculation conditions in the potential distribution calculation unit by the calculation range setting unit. Next, the simulation apparatus calculates a potential distribution at the gate voltage by the potential distribution calculation means. Then, the simulation apparatus calculates the drain current by the drain current calculation means described above. The simulation apparatus sequentially changes the gate voltage in a predetermined range by the calculation range setting means, and calculates the drain current corresponding to the sequentially set gate voltage by the drain current calculation means. Thus, the simulation apparatus calculates the gate voltage dependency of the drain current in which the drain current is associated with the gate voltage as the calculation condition of the potential distribution that is the basis of the calculation.

請求項に記載のドレイン電流のシミュレーションプログラムは、コンピュータを、請求項1又は請求項2に記載のシミュレーション装置として機能させるためのプログラムである。 Simulation program of the drain current according to claim 3, a computer, a program to function as the simulation apparatus according to claim 1 or claim 2.

請求項1又は請求項に記載の発明によれば、半導体膜中にキャリアを捕獲する欠陥を含む蓄積型のTFTについて、半導体膜の深さ方向についてのポテンシャル分布を算出し、その一次元ポテンシャル分布に基づいてドレイン電流を算出するため、ハイスペックなコンピュータを用いることなく、高速かつ高精度にドレイン電流の基本特性を計算することができる。更に、バンドギャップ中に指数関数型の状態密度を持つドナー型欠陥のディープステートにおける密度と、アクセプタ型欠陥のディープステートにおける密度と、アクセプタ型欠陥のテールステートにおける密度とを考慮に含めて一次元ポアソン方程式を数値解析してポテンシャル分布を計算し、その結果を用いてドレイン電流を計算するようにしたため、半導体膜中にキャリアを捕獲する欠陥を含む蓄積型のTFTについて、ドレイン電流の基本特性を高速かつ高精度に計算することができる。
請求項2又は請求項3に記載の発明によれば、半導体膜中にキャリアを捕獲する欠陥を含む蓄積型のTFTについて、ドレイン電流のゲート電圧依存特性を計算することができる。
According to the first or third aspect of the present invention, the potential distribution in the depth direction of the semiconductor film is calculated for the storage type TFT including the defect that traps carriers in the semiconductor film, and the one-dimensional potential is calculated. Since the drain current is calculated based on the distribution, the basic characteristics of the drain current can be calculated at high speed and with high accuracy without using a high-spec computer. Furthermore , one-dimensional including the density of donor-type defects with exponential state density in the band gap in the deep state, the density of acceptor-type defects in the deep state, and the density of acceptor-type defects in the tail state Since the potential distribution was calculated by numerical analysis of the Poisson equation and the drain current was calculated using the result, the basic characteristics of the drain current for the storage type TFT including defects that trap carriers in the semiconductor film were obtained. It is possible to calculate with high speed and high accuracy.
According to the invention described in claim 2 or claim 3 , the gate voltage dependence characteristic of the drain current can be calculated for the accumulation type TFT including the defect that traps carriers in the semiconductor film.

本発明の実施形態における計算対象であるTFTの構造を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows the structure of TFT which is calculation object in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における計算対象であるTFTにおける半導体膜の欠陥のバンドギャップ中の状態密度分布を示す図である。It is a figure which shows the state density distribution in the band gap of the defect of the semiconductor film in TFT which is calculation object in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における計算対象であるTFTについて、フラットバンド条件を説明するための図である。It is a figure for demonstrating flat band conditions about TFT which is the calculation object in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における計算対象であるTFTについて、ポアソン方程式を解く際の境界条件を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the boundary condition at the time of solving a Poisson equation about TFT which is a calculation object in embodiment of this invention. 本発明の実施形態におけるドレイン電流のシミュレーション装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the simulation apparatus of the drain current in embodiment of this invention. 本発明の実施形態におけるドレイン電流のシミュレーション装置の処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of a process of the simulation apparatus of the drain current in embodiment of this invention. 本発明の実施形態におけるドレイン電流のシミュレーション装置を用いたドレイン電流特性の計算結果の一例と実測値とを示す図であり、(a)及び(b)は、それぞれ異なるデバイスパラメータを用いて計算した例である。It is a figure which shows an example of the calculation result of a drain current characteristic using the simulation apparatus of the drain current in embodiment of this invention, and an actual value, (a) And (b) was calculated using different device parameters, respectively. It is an example. 本発明の実施形態におけるドレイン電流のシミュレーション装置を用いたドレイン電流特性の計算結果の他の例を示す図であり、(a)及び(b)は、それぞれ異なるデバイスパラメータを用いて計算した例である。It is a figure which shows the other example of the calculation result of the drain current characteristic using the simulation apparatus of the drain current in embodiment of this invention, (a) and (b) are the examples calculated using different device parameters, respectively. is there.

以下、本発明の実施形態について、適宜に図面を参照して説明する。ここでは、n型の蓄積型TFTについて説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings as appropriate. Here, an n-type storage TFT will be described.

[ドレイン電流の計算方法]
まず、ドレイン電流を計算方法について説明する。
図1は本発明におけるドレイン電流の計算方法を説明するためのTFTの断面を模式的に示したものである。このTFTは、図面において半導体膜SCの左右方向の両端にそれぞれソース電極Sとドレイン電極Dとが設けられ、図面において半導体膜SCの下方向には、ゲート絶縁膜INを挟んでゲート電極Gが設けられているボトムゲート、トップコンタクト型の電界効果型トランジスタ(FET)である。なお、本実施形態では、ボトムゲート、トップコンタクト型のTFTを例に説明するが、本発明が適用できるTFTは、この構造に限定されるものではない。
[Drain current calculation method]
First, a method for calculating the drain current will be described.
FIG. 1 schematically shows a cross section of a TFT for explaining a drain current calculation method in the present invention. In the TFT, a source electrode S and a drain electrode D are provided at both ends in the left-right direction of the semiconductor film SC in the drawing, respectively. In the drawing, a gate electrode G is formed below the semiconductor film SC with a gate insulating film IN interposed therebetween. This is a bottom-gate, top-contact type field effect transistor (FET) provided. In this embodiment, a bottom gate and top contact type TFT will be described as an example. However, a TFT to which the present invention can be applied is not limited to this structure.

ここで、tscは半導体膜SCの厚さであり、Lは半導体膜SCのチャネル長であり、tinはゲート絶縁膜INの厚さである。また、座標系は、半導体膜SCの厚さ方向(深さ方向ともいう)である図面の上下方向をx方向とし、チャネル長方向である図面の左右方向をy方向とする。x方向の座標は、半導体膜SCのゲート絶縁膜INとの界面をx=0とし、上端面はx=tscとする。また、y方向の座標は、半導体膜SCがソース電極Sの右端部と接触する位置をy=0とし、半導体膜SCがドレイン電極Dの左端部と接触する位置をy=Lとする。 Here, t sc is the thickness of the semiconductor film SC, L is the channel length of the semiconductor film SC, t in is the thickness of the gate insulating film IN. In the coordinate system, the vertical direction of the drawing, which is the thickness direction (also referred to as the depth direction) of the semiconductor film SC, is the x direction, and the horizontal direction of the drawing, which is the channel length direction, is the y direction. The coordinates in the x direction are x = 0 at the interface between the semiconductor film SC and the gate insulating film IN, and x = tsc at the upper end surface. The coordinates in the y direction are y = 0 when the semiconductor film SC is in contact with the right end of the source electrode S and y = L when the semiconductor film SC is in contact with the left end of the drain electrode D.

[ポアソン方程式]
ここで、半導体膜SC中のポアソン方程式は、式(1)のように、一次元の方程式で表すことができる。
[Poisson equation]
Here, the Poisson equation in the semiconductor film SC can be represented by a one-dimensional equation as shown in Equation (1).

Figure 0005906079
Figure 0005906079

式(1)において、φは静電ポテンシャル(以下、適宜単に「ポテンシャル」という)、xは半導体膜SCの厚さ方向の位置、ρは電荷密度であり、εscは半導体膜SCの誘電率である。 In Expression (1), φ is an electrostatic potential (hereinafter simply referred to as “potential” as appropriate), x is a position in the thickness direction of the semiconductor film SC, ρ is a charge density, and ε sc is a dielectric constant of the semiconductor film SC. It is.

ここで、一次元のポアソン方程式を用いることについて説明する。
TFTの基本的な特性(閾値電圧VthやS値)を評価することで、ゲート絶縁膜INと半導体膜SCとの界面や半導体膜SC中に存在する欠陥の量や、固定電荷の量などを推定することができる。従って、基本特性の評価はTFTの開発時に極めて重要である。
Here, the use of a one-dimensional Poisson equation will be described.
By evaluating the basic characteristics (threshold voltage Vth and S value) of the TFT, the amount of defects present in the interface between the gate insulating film IN and the semiconductor film SC, the semiconductor film SC, the amount of fixed charges, etc. Can be estimated. Therefore, evaluation of basic characteristics is extremely important when developing TFTs.

しかし、チャネル長Lが短いTFTでは、ドレイン電極Dとソース電極Sとの間の電圧であるドレイン電圧Vdsが大きくなると、その影響により、閾値電圧Vthが低下したり、S値が大きくなったりしてしまう現象が生じる。こうした現象が生じると、そこで観測される閾値電圧VthやS値は、ドレイン電圧Vdsの影響を強く受けたものであり、本来のTFTの基本特性を反映した閾値電圧VthやS値とは違うものになってしまう。 However, in a TFT having a short channel length L, when the drain voltage Vds, which is the voltage between the drain electrode D and the source electrode S, increases, the influence causes the threshold voltage Vth to decrease or the S value to increase. Phenomenon occurs. When such a phenomenon occurs, the threshold voltage V th and S value observed there are strongly influenced by the drain voltage V ds , and the threshold voltage V th and S value reflecting the original basic characteristics of the TFT are obtained. Will be different.

従って、TFTの基本特性として、ドレイン電圧Vdsの違いによる影響を大きく受けずに、安定して閾値電圧VthやS値を評価するためには、ドレイン電圧Vdsが低い条件で、ドレイン電流特性を評価する必要がある。そして、このTFTの基本特性を評価することは、TFTのデバイスパラメータを定めるために有用である。 Accordingly, as the basic characteristics of the TFT, without greatly influenced by the difference of the drain voltage V ds, and stable in order to evaluate the threshold voltage V th and S value is, the condition drain voltage V ds is low, the drain current It is necessary to evaluate the characteristics. The evaluation of the basic characteristics of the TFT is useful for determining the device parameters of the TFT.

そこで、本発明は、TFTの基本特性を計算するために、ドレイン電圧Vdsが小さい条件(例えば、1(V)程度から数V程度)で、ドレイン電流Iを高速かつ高精度に計算するシミュレーションモデルを用いることとした。ここで、ドレイン電圧Vdsが1(V)程度と低い場合には、チャネル長方向(図1のy方向)の変化については、考慮することが不要である。従って、厚さ方向(図1のx方向)についての一次元ポアソン方程式を用いて良好なシミュレーションモデルを構築することができる。 Therefore, the present invention calculates the drain current I d at high speed and with high accuracy under the condition that the drain voltage V ds is small (for example, about 1 (V) to several V) in order to calculate the basic characteristics of the TFT. A simulation model was used. Here, when the drain voltage Vds is as low as about 1 (V), it is not necessary to consider the change in the channel length direction (y direction in FIG. 1). Therefore, a good simulation model can be constructed using the one-dimensional Poisson equation in the thickness direction (x direction in FIG. 1).

式(1)についての説明を続ける。
式(1)において、キャリアを捕獲する欠陥を含む半導体膜SCにおける電荷密度ρは、キャリアを捕獲する欠陥の密度を考慮して、式(2)で与えられる。
The description of Expression (1) will be continued.
In the equation (1), the charge density ρ in the semiconductor film SC including a defect that captures carriers is given by the equation (2) in consideration of the density of defects that capture carriers.

Figure 0005906079
Figure 0005906079

ここで、qは電気素量、pはホール密度、nは電子密度、Nは酸素欠損や不純物水素などに由来する実効的なドナー密度、Ndd は正に帯電したドナー型欠陥のディープステート(Deep state)における密度、Nad は負に帯電したアクセプタ型欠陥のディープステート(Deep state)における密度、Nat は負に帯電したアクセプタ型欠陥のテールステート(Tail state)における密度である。また、ドレイン電流特性に対するドナー型欠陥のテールステート(Tail state)の影響は小さいため、それに関する項はここでは無視している。なお、Ndd は正に帯電したドナー型欠陥のディープステート(Deep state)における密度などは、適宜「Ndd は正に帯電したドナー型欠陥(Deep state)の密度」のように記載する。
また、「ディープステート(Deep state)」及び「テールステート(Tail state)」についての説明は後記する。
Here, q is the elementary charge, p is the hole density, n is the electron density, N d is the effective donor density derived from oxygen deficiency, impurity hydrogen, etc., and N dd + is the deep depth of the positively charged donor type defect. The density in the state (Deep state), N ad is the density in the deep state of the negatively charged acceptor type defect, and N at is the density in the tail state of the negatively charged acceptor type defect. is there. In addition, since the influence of the tail state of the donor-type defect on the drain current characteristics is small, the related item is ignored here. Note that N dd + is a density in a deep state of a positively charged donor type defect or the like, and “N dd + is a density of a positively charged donor type defect (Deep state)” as appropriate. .
Further, “Deep state” and “Tail state” will be described later.

ここで、ホール密度p及び電子密度nは、それぞれ式(3)及び式(4)のように与えられる。   Here, the hole density p and the electron density n are given by the equations (3) and (4), respectively.

Figure 0005906079
Figure 0005906079

ここで、p及びnは、それぞれ、フラットバンド条件における半導体膜SCのホール密度及び電子密度であり、βは熱電圧の逆数である。ここで、β=q/kTであり、kはボルツマン定数、Tは絶対温度である。
また、フラットバンド条件における半導体膜SCのホール密度p及び電子密度nは、それぞれ、式(5)及び式(6)のように与えられる。
Here, p 0 and n 0 are the hole density and electron density of the semiconductor film SC under flat band conditions, respectively, and β is the reciprocal of the thermal voltage. Here, β = q / kT, k is a Boltzmann constant, and T is an absolute temperature.
Further, the hole density p 0 and the electron density n 0 of the semiconductor film SC under the flat band condition are given by the equations (5) and (6), respectively.

Figure 0005906079
Figure 0005906079

ここで、nは真性キャリア密度、Eは真性フェルミ準位、Eはフラットバンド条件でのフェルミ準位である。 Here, n i is the intrinsic carrier density, E i is the intrinsic Fermi level, and E f is the Fermi level under flat band conditions.

また、本実施形態における計算方法では、酸素欠損や不純物水素などに由来する実効的なドナー密度Nは、ポテンシャルφに依存せずに、熱処理の温度や熱処理の雰囲気(例えば、窒素ガス雰囲気、大気など)などの製造プロセスによって定められる所定値をとるものと近似する。この所定値としては、実験結果に基づいて定められる経験値を固有パラメータとして用いることができる。 In the calculation method according to the present embodiment, the effective donor density N d derived from oxygen deficiency, impurity hydrogen, or the like does not depend on the potential φ, and the heat treatment temperature or heat treatment atmosphere (for example, a nitrogen gas atmosphere, Approximate to take a predetermined value determined by the manufacturing process such as air). As this predetermined value, an empirical value determined based on an experimental result can be used as a specific parameter.

次に、キャリアを捕獲する欠陥の密度について詳しく説明する。図2はバンドギャップ中のドナー型欠陥(Deep state)とアクセプタ型欠陥(Deep state, Tail state)の状態密度を表わした図である。なお、「Deep state」とは、価電子帯上端のエネルギーEと伝導帯下端のエネルギーEとの間のエネルギー状態において、中央部のエネルギー状態をいうものである。また、「Tail state」とは、前記したエネルギー間で、価電子帯上端のエネルギーEの近傍又は伝導帯下端のエネルギーEの近傍のエネルギー状態をいうものである。 Next, the density of defects that capture carriers will be described in detail. FIG. 2 is a diagram showing the density of states of a donor type defect (Deep state) and an acceptor type defect (Deep state, Tail state) in the band gap. The “Deep state” refers to the energy state at the center in the energy state between the energy E v at the upper end of the valence band and the energy E c at the lower end of the conduction band. Further, the "Tail state", among the above-mentioned energy, is intended to refer to energy state in the vicinity of the energy E c of the near or bottom of the conduction band energy E v of the valence band upper end.

ここで、ドナー型欠陥(Deep state)の状態密度gddは、バンドギャップ中のエネルギーEの関数として、式(7)のように与えられる。 Here, the state density g dd of the donor-type defect (Deep state) is given as a function of the energy E in the band gap as shown in Expression (7).

Figure 0005906079
Figure 0005906079

ここで、gdd0は価電子帯上端のエネルギーEでのドナー型欠陥(Deep state)の状態密度である。また、Eddはドナー型欠陥(Deep state)の状態密度分布の傾きの逆数で、「Edd>kT」である。なお、kTは、室温で26meVである。 Here, g dd0 is the density of states of the donor type defects in the energy E v of the valence band maximum (Deep state). Further, E dd is the reciprocal of the gradient of the state density distribution of the donor type defect (Deep state), and “E dd > kT”. Note that kT is 26 meV at room temperature.

また、正に帯電したドナー型欠陥(Deep state)の密度Ndd は、式(8)に示すように、欠陥準位の占有確率をf(E)として、式(7)に(1−f(E))を掛けて、価電子帯上端のエネルギーEから伝導帯下端のエネルギーEまで積分することにより求めることができる。なお、欠陥準位の占有確率f(E)は、式(9)のように与えられる。 Further, the density N dd + of the positively charged donor-type defect (Deep state) is expressed by (1-) in Equation (7), where f (E) is the defect level occupation probability, as shown in Equation (8). multiplied by f (E)), it can be determined by integrating the energy E v of the valence band upper end to the energy E c of the conduction band. The defect level occupation probability f (E) is given by equation (9).

Figure 0005906079
Figure 0005906079

ここで、Efeはフェルミ準位である。
次に、式(8)の積分計算は数値的に行う必要があるが、「Edd>kT」であることを考慮することにより、解析的な近似解が得ることができる。この近似解の導出について説明する。
Here, E fe is the Fermi level.
Next, the integral calculation of Expression (8) needs to be performed numerically, but an analytical approximate solution can be obtained by considering that “E dd > kT”. Derivation of this approximate solution will be described.

まず、式(8)に式(7)及び式(9)を代入し、積分範囲の上端を伝導帯下端のエネルギーEから無限大に変えることで、近似式である式(A1)が得られる。 First, Expression (7) and Expression (9) are substituted into Expression (8), and the upper end of the integration range is changed from the energy E c at the lower end of the conduction band to infinity, thereby obtaining Expression (A1) which is an approximate expression. It is done.

Figure 0005906079
Figure 0005906079

ここで、式(A2)のように、z、αをおくと、式(A1)は、式(A3)のように表すことができ、更に式(A4)のように近似することができる。   Here, when z and α are set as in the formula (A2), the formula (A1) can be expressed as in the formula (A3) and further approximated as in the formula (A4).

Figure 0005906079
Figure 0005906079

ここで、α>1(Edd>kT)のとき、式(A5)の関係が成立するから、式(A4)は、式(A6)のようになる。 Here, when α> 1 (E dd > kT), since the relationship of the equation (A5) is established, the equation (A4) becomes the equation (A6).

Figure 0005906079
Figure 0005906079

ここで、式(A6)に、式(A7)に示した関係式を代入することで、式(A8)が得られる。   Here, the formula (A8) is obtained by substituting the relational expression shown in the formula (A7) into the formula (A6).

Figure 0005906079
Figure 0005906079

また、式(A9)に示すように、式(A8)において、ポテンシャルφ=0とした場合が、半導体膜SCのフラットバンド条件での正に帯電したドナー型欠陥(Deep state)の密度Ndd0 である。 Further, as shown in the formula (A9), in the formula (A8), when the potential φ = 0, the density N dd0 of the positively charged donor-type defect (Deep state) under the flat band condition of the semiconductor film SC. + .

Figure 0005906079
Figure 0005906079

従って、式(A9)を用いることにより、式(A8)は式(10)のように表すことができる。本実施形態では、式(8)に示した正に帯電したドナー型欠陥(Deep state)の密度Ndd の近似式として、式(10)を用いるものである。 Therefore, by using the formula (A9), the formula (A8) can be expressed as the formula (10). In this embodiment, Expression (10) is used as an approximate expression of the density N dd + of the positively charged donor-type defect (Deep state) shown in Expression (8).

Figure 0005906079
Figure 0005906079

また、アクセプタ型欠陥(Deep state)の状態密度gadは、式(11)のように与えられる。 Further, the state density g ad of the acceptor type defect (Deep state) is given by the equation (11).

Figure 0005906079
Figure 0005906079

ここで、gad0は伝導帯下端のエネルギーEでのアクセプタ型欠陥(Deep state)の状態密度、Eadはアクセプタ型欠陥(Deep state)の状態密度分布の傾きの逆数であり、「Ead>kT」である。 Here, g ad0 is the state density of the acceptor type defect (Deep state) at the energy E c at the lower end of the conduction band, E ad is the reciprocal of the slope of the state density distribution of the acceptor type defect (Deep state), and “E ad > KT ”.

また、負に帯電したアクセプタ型欠陥(Deep state)の密度Nad は、式(12)に示すように、式(11)に欠陥準位の占有確率f(E)を掛けて、価電子帯上端のエネルギーEから伝導帯下端のエネルギーEまで積分することにより求めることができる。 Further, the density N ad of acceptor defects (Deep state) charged negatively is obtained by multiplying the equation (11) by the defect level occupation probability f (E) as shown in the equation (12). it can be determined by integrating the energy E v band upper end to the energy E c of the conduction band.

Figure 0005906079
Figure 0005906079

式(8)に示した積分計算と同様に、式(12)の積分計算も数値的に行う必要があるが、「Ead>kT」であることを考慮することにより、解析的な近似解を得ることができる。この近似解の導出について説明する。 Similar to the integral calculation shown in equation (8), the integral calculation in equation (12) also needs to be performed numerically, but by considering that “E ad > kT”, an analytical approximate solution Can be obtained. Derivation of this approximate solution will be described.

まず、式(12)に式(9)及び式(11)を代入することで、式(B1)が得られ、更に、積分範囲の下端を価電子帯上端のエネルギーEからマイナス無限大に変えることで、近似式である式(B2)が得られる。 First, by substituting Equation (9) and Equation (11) into Equation (12), Equation (B1) is obtained, and further, the lower end of the integration range is changed from the energy E v at the upper end of the valence band to minus infinity. By changing, the approximate expression (B2) is obtained.

Figure 0005906079
Figure 0005906079

ここで、式(B3)に示すように、z、αをおくと、式(B2)は、式(B4)のように表すことができ、更に、積分範囲の上端を無限大に変えることで、近似式である式(B5)が得られる。なお、式(B3)のz及びαは、前記した式(A2)のz及びαとは異なるものである。   Here, as shown in Expression (B3), when z and α are set, Expression (B2) can be expressed as Expression (B4), and further, by changing the upper end of the integration range to infinity. Then, an approximate expression (B5) is obtained. Note that z and α in the formula (B3) are different from z and α in the formula (A2).

Figure 0005906079
Figure 0005906079

ここで、α>1(Ead>kT)のとき、式(B6)の関係が成立するから、式(B5)は、式(B7)のようになる。 Here, when α> 1 (E ad > kT), since the relationship of the equation (B6) is established, the equation (B5) becomes the equation (B7).

Figure 0005906079
Figure 0005906079

ここで、式(B7)に、式(B8)に示した関係式を代入することで、式(B9)が得られる。   Here, the formula (B9) is obtained by substituting the relational expression shown in the formula (B8) into the formula (B7).

Figure 0005906079
Figure 0005906079

また、式(B10)に示すように、式(B9)において、ポテンシャルφ=0とした場合が、半導体膜SCのフラットバンド条件での負に帯電したアクセプタ型欠陥(Deep state)の密度Nad0 である。 Further, as shown in the formula (B10), in the formula (B9), when the potential φ = 0, the density N ad0 of the negatively charged acceptor type defect (Deep state) under the flat band condition of the semiconductor film SC. - .

Figure 0005906079
Figure 0005906079

従って、式(B10)を用いることにより、式(B9)は式(13)のように表すことができる。本実施形態では、式(12)に示した負に帯電したアクセプタ型欠陥(Deep state)の密度Nad の近似式として、式(13)を用いるものである。 Therefore, by using the formula (B10), the formula (B9) can be expressed as the formula (13). In this embodiment, Expression (13) is used as an approximate expression of the density N ad of the negatively charged acceptor type defect (Deep state) shown in Expression (12).

Figure 0005906079
Figure 0005906079

また、アクセプタ型欠陥(Tail state)の状態密度gatは、式(14)のように与えられる。 Further, the state density g at the acceptor-type defects (Tail state) is given by equation (14).

Figure 0005906079
Figure 0005906079

ここで、gat0は伝導帯下端でのアクセプタ型欠陥(Tail state)の状態密度、Eatはアクセプタ型欠陥(Tail state)の状態密度分布の傾きの逆数であり、「Eat<kT」である。 Here, g at0 is the state density of the acceptor type defect (Tail state) at the lower end of the conduction band, E at is the reciprocal of the slope of the state density distribution of the acceptor type defect (Tail state), and “E at <kT” is there.

また、負に帯電したアクセプタ型欠陥(Tail state)の密度Nat は、式(15)に示すように、式(14)に、式(9)に示した欠陥準位の占有確率f(E)を掛けて、価電子帯上端のエネルギーEから伝導帯下端のエネルギーEまで積分することにより求めることができる。 Further, the density N at of the negatively charged acceptor type defect (Tail state) is expressed by the equation (14), the occupation probability f () of the defect level shown in the equation (9), as shown in the equation (15). E) the multiplied, it can be determined by integrating the energy E v of the valence band upper end to the energy E c of the conduction band.

Figure 0005906079
Figure 0005906079

式(8)及び式(12)に示した積分計算と同様に、式(15)の積分計算も数値的に行う必要があるが、「Eat<kT」であることを考慮することにより、解析的な近似解を得ることができる。この近似解の導出について説明する。 Similar to the integral calculation shown in equations (8) and (12), the integral calculation in equation (15) also needs to be done numerically, but by considering that “E at <kT”, An analytical approximate solution can be obtained. Derivation of this approximate solution will be described.

まず、式(15)に式(9)及び式(14)を代入することにより式(C1)が得られ、更に、積分範囲の下端を価電子帯上端のエネルギーEからマイナス無限大に変えることで、近似式である式(C2)が得られる。 First, formula (C1) is obtained by substituting equation (9) and (14) into equation (15), further changes to minus infinity to the lower end of the integration range from the energy E v of the valence band maximum Thus, an expression (C2) that is an approximate expression is obtained.

Figure 0005906079
Figure 0005906079

ここで、アクセプタ型欠陥のTail stateの状態密度は、伝導帯下端のエネルギーEの近くでのみ高い値をとるので、式(C2)の積分を行う際は、式(9)で表わされる占有確率f(E)を式(C3)のように近似することができる。 Here, since the state density of the tail state of the acceptor type defect takes a high value only near the energy E c at the bottom of the conduction band, when the integration of the equation (C2) is performed, the occupation represented by the equation (9) Probability f (E) can be approximated as in equation (C3).

Figure 0005906079
Figure 0005906079

従って、式(C2)は、更に、式(C4)に示すように近似でき、その結果として式(C5)が得られる。   Therefore, the equation (C2) can be further approximated as shown in the equation (C4), and as a result, the equation (C5) is obtained.

Figure 0005906079
Figure 0005906079

ここで、式(C5)に式(C6)の関係式を代入することで、式(C7)が得られ、更に、変形すると式(C8)が得られる。   Here, by substituting the relational expression of the formula (C6) into the formula (C5), the formula (C7) is obtained, and further transformed, the formula (C8) is obtained.

Figure 0005906079
Figure 0005906079

また、式(C9)に示すように、式(C8)において、ポテンシャルφ=0とした場合が、半導体膜SCのフラットバンド条件での負に帯電したアクセプタ型欠陥(Tail state)の密度Nat0 である。 Further, as shown in the formula (C9), in the formula (C8), when the potential φ = 0, the density N at0 of the negatively charged acceptor type defect (Tail state) under the flat band condition of the semiconductor film SC. - .

Figure 0005906079
Figure 0005906079

従って、式(C9)を用いることにより、式(C8)は式(16)のように表すことができる。本実施形態では、式(15)に示した負に帯電したアクセプタ型欠陥(Tail state)の密度Nat の近似式として、式(16)を用いるものである。 Therefore, by using the formula (C9), the formula (C8) can be expressed as the formula (16). In the present embodiment, Expression (16) is used as an approximate expression of the density N at of the negatively charged acceptor type defect (Tail state) shown in Expression (15).

Figure 0005906079
Figure 0005906079

[フラットバンド条件でのフェルミ準位の計算]
次に、半導体膜SCの電気的中性条件に基づいて、フラットバンド条件でのフェルミ準位Eを計算するプロセスについて説明する。
[Calculation of Fermi level under flat band condition]
Next, a process for calculating the Fermi level E f under the flat band condition based on the electrical neutral condition of the semiconductor film SC will be described.

ここで、図3を参照して、フラットバンド条件について説明する。フラットバンド条件とは、図3に示すように、TFTのエネルギーバンド図において、半導体膜SCにおけるエネルギーバンドが曲がらず、フラットになる条件のことである。ゲート電極Gである金属の仕事関数と半導体膜SCの仕事関数とが等しく、かつ、ゲート絶縁膜IN中に電荷が存在しない場合、フラットバンド条件においては、ゲート電極Gである金属のフェルミ準位Efmと、半導体膜SCのフェルミ順位Efsとが等しくなる。 Here, the flat band condition will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 3, the flat band condition is a condition in which the energy band in the semiconductor film SC does not bend and becomes flat in the TFT energy band diagram. When the work function of the metal that is the gate electrode G is equal to the work function of the semiconductor film SC and no electric charge is present in the gate insulating film IN, the Fermi level of the metal that is the gate electrode G is obtained under flat band conditions. E fm is equal to the Fermi rank E fs of the semiconductor film SC.

また、ゲート電極Gである金属の仕事関数と半導体膜SCの仕事関数との間に差がある場合や、ゲート絶縁膜IN中に電荷がある場合に、これらによって生じる半導体膜SC中のエネルギーバンドの曲がりを補償して、エネルギーバンドをフラットにするのに必要なゲート電圧Vがフラットバンド電圧Vfbである。 Further, when there is a difference between the work function of the metal that is the gate electrode G and the work function of the semiconductor film SC, or when there is a charge in the gate insulating film IN, the energy band in the semiconductor film SC that is generated by these. bending to compensate for the gate voltage V g necessary for the energy band in the flat is flat band voltage V fb.

フェルミ準位Eを計算するプロセスについて説明を続ける。
式(2)に、式(3)、式(4)、式(10)、式(13)及び式(16)を代入して、フラットバンド条件「φ=0」において、半導体膜SCにおける電気的中性条件である「ρ=0」とすることで、式(17)が得られる。
The process of calculating the Fermi level E f will be continued.
By substituting Equation (3), Equation (4), Equation (10), Equation (13), and Equation (16) into Equation (2), the electric current in the semiconductor film SC is obtained under the flat band condition “φ = 0”. By setting “ρ = 0” which is a neutral condition, Expression (17) is obtained.

Figure 0005906079
Figure 0005906079

そして、式(17)に、式(5)、式(6)、式(A9)、式(B10)及び式(C9)を代入すると、式(18)が得られる。   Then, when Expression (5), Expression (6), Expression (A9), Expression (B10), and Expression (C9) are substituted into Expression (17), Expression (18) is obtained.

Figure 0005906079
Figure 0005906079

ここで、価電子帯上端のエネルギーEでのドナー型欠陥(Deep state)の状態密度gdd0、ドナー型欠陥(Deep state)の状態密度分布の傾きの逆数Edd、伝導帯下端のエネルギーEでのアクセプタ型欠陥(Deep state)の状態密度gad0、アクセプタ型欠陥(Deep state)の状態密度分布の傾きの逆数Ead、伝導帯下端のエネルギーEでのアクセプタ型欠陥(Tail state)の状態密度gat0、アクセプタ型欠陥(Tail state)の状態密度分布の傾きの逆数Eat、実効的なドナー密度N、真性キャリア密度n、真性フェルミ準位E、価電子帯上端のエネルギーE及び伝導帯下端のエネルギーEは、デバイスの設計値であるデバイスパラメータ又は用いる材料に固有の固有パラメータとして与えられる。また、絶対温度Tは、任意の値(例えば、300K)を設定することができる。従って、式(18)において未知数はフェルミ準位Eのみである。 Here, the state density g dd0 of the donor type defect (Deep state) at the energy E v at the upper end of the valence band, the reciprocal number E dd of the state density distribution of the donor type defect (Deep state), and the energy E at the lower end of the conduction band the state density g ad0 of the acceptor-type defects in the c (Deep state), the acceptor-type defects (Deep state) inverse of the slope E ad state density distribution, the acceptor-type defects in the energy E c of the conduction band minimum (Tail state) State density g at0 , acceptor type defect (Tail state) state density distribution reciprocal number E at , effective donor density N d , intrinsic carrier density n i , intrinsic Fermi level E i , top of valence band The energy E v and the energy E c at the lower end of the conduction band are given as device parameters that are design values of the device or intrinsic parameters specific to the material used. The absolute temperature T can be set to an arbitrary value (for example, 300K). Therefore, in Equation (18), the only unknown is the Fermi level E f .

そこで、フェルミ準位Eの方程式である式(18)について、例えば、反復計算を用いた求根アルゴリズムであるニュートン法や二分法などの公知の手法により数値解析することで、フラットバンド条件でのフェルミ準位Eを算出することができる。 Therefore, by performing numerical analysis on the equation (18), which is an equation of the Fermi level E f , for example, by a known method such as Newton method or bisection method, which is a root finding algorithm using iterative calculation, under flat band conditions The Fermi level E f of can be calculated.

[フラットバンド条件での電荷担体密度の計算]
次に、式(18)から算出したフェルミ準位Eを、式(5)、式(6)、式(A9)、式(B10)及び式(C9)に代入することで、半導体膜SCのフラットバンド条件での電荷担体密度として、ホール密度p、電子密度n、正に帯電したドナー型欠陥(Deep state)の密度Ndd0 、負に帯電したアクセプタ型欠陥(Deep state)の密度Nad0 、負に帯電したアクセプタ型欠陥(Tail state)の密度Nat0 が得られる。そして、これらの電荷担体密度を用いて、ポテンシャル分布の計算を行う。
[Calculation of charge carrier density under flat band conditions]
Next, by substituting the Fermi level E f calculated from the equation (18) into the equations (5), (6), (A9), (B10), and (C9), the semiconductor film SC As the charge carrier density under the flat band condition, the hole density p 0 , the electron density n 0 , the positively charged donor type defect (Deep state) density N dd0 + , the negatively charged acceptor type defect (Deep state) Density N ad0 and negatively charged acceptor type defect (Tail state) density N at0 are obtained. The potential distribution is calculated using these charge carrier densities.

[ポテンシャル分布の計算]
式(1)に示したポアソン方程式は、差分化することで、例えば、直接法であるガウスの消去法や、反復法であるヤコビ法などの公知の手法を用いた数値解析によって、その解を求めることができる。これによって、x方向(深さ方向)のポテンシャル分布の算出を行うことができる。
[Calculation of potential distribution]
The Poisson equation shown in the equation (1) is differentiated, and the solution is obtained by numerical analysis using a known method such as a Gaussian elimination method that is a direct method or a Jacobian method that is an iterative method. Can be sought. Thereby, the potential distribution in the x direction (depth direction) can be calculated.

ここで、差分化するために、半導体膜SCにおいて、数値解析をする際に、例えば等間隔メッシュを仮定して、そのメッシュ幅をΔxとして、ポテンシャル分布φ(x)を、Δx単位で離散化した数値関数として取り扱うこととする。その結果、数値解析によって、ポテンシャル分布φ(x)は、{φ(0),φ(Δx),φ(2Δx),・・・,φ(tsc)}という数値関数(数列)として算出される。 Here, in order to make a difference, when performing numerical analysis in the semiconductor film SC, for example, assuming an equally spaced mesh, the mesh width is Δx, and the potential distribution φ (x) is discretized in units of Δx. Will be treated as a numerical function. As a result, the potential distribution φ (x) is calculated as a numerical function (sequence) of {φ (0), φ (Δx), φ (2Δx),..., Φ (t sc )} by numerical analysis. The

ここで、図4を参照して、ポアソン方程式を解く際の境界条件について説明する。
まず、ゲート電極Gにおけるポテンシャルφは、ゲート−ソース間電圧Vgsとフラットバンド電圧Vfbとの差「Vgs−Vfb」とする。また、ゲート絶縁膜INと半導体膜SCとの界面(x=0)において、電束密度が連続となるようにする。更にまた、「x>tsc」となる領域、すなわち半導体膜SCの上面側(図1参照)に、十分に厚い絶縁膜層があるものと仮定し、x=tscにおいて電界Eがほぼゼロとなるようにする。
Here, with reference to FIG. 4, the boundary condition at the time of solving a Poisson equation is demonstrated.
First, the potential φ at the gate electrode G is defined as a difference “V gs −V fb ” between the gate-source voltage V gs and the flat band voltage V fb . In addition, the electric flux density is made continuous at the interface (x = 0) between the gate insulating film IN and the semiconductor film SC. Furthermore, assuming that there is a sufficiently thick insulating film layer in a region where “x> t sc ”, that is, the upper surface side of the semiconductor film SC (see FIG. 1), the electric field E is almost zero at x = t sc . To be.

[キャリア密度分布の計算]
半導体膜SC中のキャリア密度分布は、ポアソン方程式を解いて得られるポテンシャル分布から計算することができる。
式(4)において、位置xにおけるポテンシャルをφ(x)とすると、位置xにおけるキャリア密度(電子密度)n(x)は、式(19)で与えられる。
[Calculation of carrier density distribution]
The carrier density distribution in the semiconductor film SC can be calculated from the potential distribution obtained by solving the Poisson equation.
In the equation (4), when the potential at the position x is φ (x), the carrier density (electron density) n (x) at the position x is given by the equation (19).

Figure 0005906079
Figure 0005906079

[キャリア面密度の計算]
キャリア面密度Nは、式(20)に示すように、キャリア密度n(x)を、厚さ方向にx=0からx=tscまで積分することにより算出することができる。
[Calculation of carrier surface density]
The carrier surface density N can be calculated by integrating the carrier density n (x) from x = 0 to x = tsc in the thickness direction, as shown in Expression (20).

Figure 0005906079
Figure 0005906079

実際には、ポテンシャル分布は数値計算より得られるので、式(20)における積分は解析的には行うことができない。従って、半導体膜SCにおいて、数値計算をする際に等間隔メッシュを仮定して、そのメッシュ幅をΔxとすると、キャリアの面密度Nは、式(21)のようにして算出することができる。   Actually, since the potential distribution is obtained by numerical calculation, the integration in Expression (20) cannot be performed analytically. Therefore, in the semiconductor film SC, assuming an equally spaced mesh when performing numerical calculation, and assuming that the mesh width is Δx, the surface density N of carriers can be calculated as shown in Equation (21).

Figure 0005906079
Figure 0005906079

[ドレイン電流の計算]
チャネル長Lが長く、また、ドレイン−ソース間電圧Vdsが小さいときは、チャネル方向(y方向)のキャリア密度分布は一定であると近似することができる。従って、ドレイン電流Iは、式(20)(または式(21))によって算出されるキャリア面密度Nを用いて、式(23)のように、キャリア面密度Nに、移動度μ、電気素量q、ドレイン−ソース間電圧Vds及びチャネル幅Wとチャネル長Lとの比(W/L)を乗じることで算出することができる。
[Calculation of drain current]
When the channel length L is long and the drain-source voltage Vds is small, it can be approximated that the carrier density distribution in the channel direction (y direction) is constant. Therefore, the drain current I d is obtained by using the carrier surface density N calculated by the equation (20) (or the equation (21)), the carrier surface density N, the mobility μ, It can be calculated by multiplying the element q, the drain-source voltage Vds, and the ratio (W / L) of the channel width W to the channel length L.

Figure 0005906079
Figure 0005906079

以上の計算プロセスにより、ドレイン電流Iを算出することができる。 By the above calculation process, it is possible to calculate the drain current I d.

また、このドレイン電流Iを算出の際に設定するゲート電圧Vの値を、様々に変えて、対応するドレイン電流Iを算出することにより、ドレイン電流Iのゲート電圧依存性(ドレイン電流特性)を計算することができる。
なお、ゲート電圧Vgの値は、ドレイン電流計算プロセスにおいて、ポテンシャル分布φ(x)を計算する際の境界条件を定めるために用いられる。すなわち、ゲート電極Gにおけるポテンシャルφ=Vgs−Vfb=(V−V)−Vfbを算出するために用いられる。
In addition, by changing the value of the gate voltage V g set when calculating the drain current I d in various ways and calculating the corresponding drain current I d , the gate voltage dependence of the drain current I d (drain Current characteristics) can be calculated.
Note that the value of the gate voltage Vg is used to determine a boundary condition when calculating the potential distribution φ (x) in the drain current calculation process. That is, it is used to calculate the potential φ = V gs −V fb = (V g −V s ) −V fb at the gate electrode G.

次に、図5を参照(適宜図1参照)して、前記した本発明におけるドレイン電流の計算方法を用いて、ドレイン電流のシミュレーションを行うドレイン電流のシミュレーション装置(以下、適宜シミュレーション装置という)について説明する。   Next, referring to FIG. 5 (refer to FIG. 1 as appropriate), a drain current simulation apparatus (hereinafter referred to as a simulation apparatus as appropriate) that performs drain current simulation using the drain current calculation method of the present invention described above. explain.

[シミュレーション装置の構成]
図5に示すように、本実施形態におけるシミュレーション装置(ドレイン電流のシミュレーション装置)1は、デバイスパラメータ入力手段10、フェルミ準位演算手段11、電荷担体密度演算手段12、計算範囲設定手段13、ポテンシャル分布演算手段14、キャリア密度分布演算手段15、キャリア面密度演算手段16、ドレイン電流演算手段17、パラメータ記憶手段18、電荷担体密度記憶手段19及びドレイン電流記憶手段20を備えて構成されている。
[Configuration of simulation device]
As shown in FIG. 5, a simulation apparatus (drain current simulation apparatus) 1 in this embodiment includes a device parameter input means 10, a Fermi level calculation means 11, a charge carrier density calculation means 12, a calculation range setting means 13, a potential. A distribution calculating means 14, a carrier density distribution calculating means 15, a carrier surface density calculating means 16, a drain current calculating means 17, a parameter storing means 18, a charge carrier density storing means 19 and a drain current storing means 20 are provided.

なお、シミュレーション装置1は、専用のハードウェアによって構成することもできるが、パソコン(パーソナルコンピュータ)などの一般的なコンピュータに、ドレイン電流を計算するための前記した各手段を実現するプログラム(ドレイン電流のシミュレーションプログラム)を実行させることによって実現することができる。本実施形態は、パソコンにドレイン電流のシミュレーションプログラムを実行させてドレイン電流のシミュレーション装置1を実現するものである。
以下、各手段について詳細に説明する。
The simulation apparatus 1 can be configured by dedicated hardware, but a program (drain current) that realizes the above-described means for calculating the drain current in a general computer such as a personal computer (personal computer). This can be realized by executing the simulation program. In the present embodiment, a drain current simulation apparatus 1 is realized by causing a personal computer to execute a drain current simulation program.
Hereinafter, each means will be described in detail.

デバイスパラメータ入力手段10は、不図示のキーボードなどの入力手段を介して、ドレイン電流Iの計算に必要なデバイスの構成や特性値を示すパラメータであるデバイスパラメータを入力するものである。デバイスパラメータ入力手段10は、入力したデバイスパラメータを、パラメータ記憶手段18に記憶する。 Device parameter input means 10, via an input means such as a keyboard (not shown), and inputs the device parameters is a parameter indicating the structure and characteristic values of the devices required for the calculation of the drain current I d. The device parameter input unit 10 stores the input device parameters in the parameter storage unit 18.

入力するデバイスパラメータとしては、半導体膜SCの厚さtsc、ゲート絶縁膜INの厚さtin、チャネル長L、チャネル幅W、価電子帯上端のエネルギーEでのドナー型欠陥(Deep state)の状態密度gdd0、ドナー型欠陥(Deep state)の状態密度分布の傾きの逆数Edd、伝導帯下端のエネルギーEでのアクセプタ型欠陥(Deep state)の状態密度gad0、アクセプタ型欠陥(Deep state)の状態密度分布の傾きの逆数Ead、伝導帯下端のエネルギーEでのアクセプタ型欠陥の状態密度(Tail state)gat0、アクセプタ型欠陥(Tail state)の状態密度分布の傾きの逆数Eat、フラットバンド電圧Vfb及び実効的なドナー密度Nが挙げられる。 The device parameters to be input, the thickness t sc of the semiconductor film SC, the gate thickness t in the insulating film IN, the channel length L, the channel width W, the donor type defects (Deep state of the energy E v of the valence band maximum ) State density g dd0 , donor-type defect (Deep state) state density distribution reciprocal E dd , acceptor-type defect state density g ad0 at the conduction band bottom energy E c , acceptor-type defect (Deep state) inverse of the slope E ad state density distribution of the slope of the density of states distribution in the density of states of the acceptor-type defects in the energy E c of the conduction band minimum (Tail state) g at0, the acceptor-type defects (Tail state) inverse E at the include flat band voltage V fb and effective donor density N d.

また、本実施形態では、半導体膜SCについての真性フェルミ準位E、真性キャリア密度n、価電子帯上端のエネルギーE、伝導帯下端のエネルギーE、移動度μ、誘電率εsc及びゲート絶縁膜INの誘電率εinは、用いる材料に固有の固有パラメータとして、固定値を予めパラメータ記憶手段18に記憶しておく。更に、計算条件の一つであるソース電圧Vは、例えば、予め定められた値(例えば、0[V])を、パラメータ記憶手段18に記憶しておく。更にまた、ドレイン電流Iの計算に用いられるソース電圧V(またはドレイン−ソース間電圧Vds)は、例えば、予め定められた値(例えば、1[V])を、パラメータ記憶手段18に記憶しておく。
以下、デバイスパラメータ、固有パラメータなどを合わせて、適宜「デバイスパラメータ等」という。
In the present embodiment, the intrinsic Fermi level E i , intrinsic carrier density n i , valence band upper end energy E v , conduction band lower end energy E c , mobility μ, dielectric constant ε sc for the semiconductor film SC. The dielectric constant ε in of the gate insulating film IN is stored in advance in the parameter storage means 18 as a unique parameter unique to the material used. Further, for the source voltage V s which is one of the calculation conditions, for example, a predetermined value (for example, 0 [V]) is stored in the parameter storage unit 18. Furthermore, for the source voltage V d (or the drain-source voltage V ds ) used for the calculation of the drain current I d , for example, a predetermined value (for example, 1 [V]) is stored in the parameter storage unit 18. Remember.
Hereinafter, the device parameters, unique parameters, and the like are collectively referred to as “device parameters”.

また、デバイスパラメータ入力手段10は、デバイスパラメータを、前記したキーボードのほか、光ディスクや磁気ディスク、フラッシュメモリなどの記憶媒体を介して入力するようにしてもよいし、LAN(Local Area Network)などの通信回線を介して入力するようにしてもよい。   The device parameter input means 10 may input device parameters via a storage medium such as an optical disk, a magnetic disk, or a flash memory in addition to the keyboard described above, or a LAN (Local Area Network) or the like. You may make it input via a communication line.

フェルミ準位演算手段11は、パラメータ記憶手段18に記憶されているデバイスパラメータ等を用いて、半導体膜SCのフラットバンド条件でのフェルミ準位Eを算出し、算出したフェルミ準位Eを電荷担体密度演算手段19に出力するものである。 The Fermi level calculation means 11 calculates the Fermi level E f under the flat band condition of the semiconductor film SC using the device parameters and the like stored in the parameter storage means 18, and uses the calculated Fermi level E f This is output to the charge carrier density calculating means 19.

具体的には、フェルミ準位演算手段11は、前記した式(18)にデバイスパラメータ等を代入し、式(18)をニュートン法や二分法などにより数値解析することによって、半導体膜SCのフェルミ準位Eを算出する。 Specifically, the Fermi level calculation means 11 substitutes device parameters and the like into the above equation (18), and numerically analyzes the equation (18) by the Newton method, the bisection method, or the like, thereby obtaining the Fermi level of the semiconductor film SC. The level E f is calculated.

電荷担体密度演算手段12は、フェルミ準位演算手段11から入力したフェルミ準位Eを用いて、半導体膜SCのフラットバンド条件における正に帯電したドナー型欠陥(Deep state)の密度Ndd0 、負に帯電したアクセプタ型欠陥(Deep state)の密度Nad0 、負に帯電したアクセプタ型欠陥(Tail state)の密度Nat0 、ホール密度p及び電子密度nを算出し、算出したこれらの電荷担体密度を電荷担体密度記憶手段19に記憶する。 The charge carrier density calculating means 12 uses the Fermi level E f input from the Fermi level calculating means 11, and the density N dd0 + of a positively charged donor-type defect (Deep state) in the flat band condition of the semiconductor film SC. The negatively charged acceptor type defect (Deep state) density N ad0 , the negatively charged acceptor type defect (Tail state) density N at0 , the hole density p 0 and the electron density n 0 were calculated. These charge carrier densities are stored in the charge carrier density storage means 19.

具体的には、電荷担体密度演算手段12は、フェルミ準位Eを前記した式(5)、式(6)式(A9)、式(B10)及び式(C9)、に代入することで、半導体膜SCのフラットバンド条件における、それぞれ、ホール密度p、電子密度n、正に帯電したドナー型欠陥(Deep state)の密度Ndd0 、負に帯電したアクセプタ型欠陥(Deep state)の密度Nad0 及び負に帯電したアクセプタ型欠陥(Tail state)の密度Nat0 を算出する。なお、これらの電荷担体密度の算出にデバイスパラメータ等が必要な場合は、電荷担体密度演算手段12は、適宜にパラメータ記憶手段18に記憶されているデバイスパラメータ等を参照する。 Specifically, the charge carrier density calculating means 12 substitutes the Fermi level E f into the above-described formula (5), formula (6), formula (A9), formula (B10), and formula (C9). In the flat band condition of the semiconductor film SC, the hole density p 0 , the electron density n 0 , the positively charged donor-type defect (Deep state) density N dd0 + , and the negatively charged acceptor-type defect (Deep state), respectively. Density N ad0 and negatively charged acceptor type defect (Tail state) density N at0 are calculated. When device parameters or the like are required for calculating these charge carrier densities, the charge carrier density calculation unit 12 refers to the device parameters stored in the parameter storage unit 18 as appropriate.

計算範囲設定手段13は、ポアソン方程式を解いてポテンシャル分布を計算する際の、ゲート電圧Vの範囲を不図示のキーボードなどを介して入力し、ポテンシャル分布を計算する際に、入力したゲート電圧Vの範囲における様々なゲート電圧Vを計算条件として設定するものである。計算範囲設定手段13は、ゲート電圧Vを計算条件として、ポテンシャル分布演算手段14に設定する。 Calculation range setting means 13, when calculating a potential distribution by solving the Poisson equation, the range of the gate voltage V g was entered via a keyboard (not shown), in calculating the potential distribution, entered the gate voltage They are for setting various gate voltage V g in the range of V g as calculation conditions. The calculation range setting unit 13 sets the gate voltage Vg in the potential distribution calculation unit 14 as a calculation condition.

具体的には、計算範囲設定手段13は、ゲート電圧Vの設定範囲として、ゲート電圧の初期値Vと、ゲート電圧の最大値Vmaxと、ゲート電圧を変化させる間隔ΔVとを入力する。そして、計算範囲設定手段13は、入力した初期値Vと、最大値Vmaxと、間隔ΔVとに基づいて、順次、V,V+ΔV,V+2×ΔV,・・・,Vmaxをゲート電圧Vとしてポテンシャル分布演算手段14に設定する。 Specifically, the calculation range setting means 13 inputs the initial value V 0 of the gate voltage, the maximum value V max of the gate voltage, and the interval ΔV for changing the gate voltage as the setting range of the gate voltage V g. . Then, the calculation range setting means 13 sequentially V 0 , V 0 + ΔV, V 0 + 2 × ΔV,..., V based on the input initial value V 0 , maximum value V max , and interval ΔV. max setting the potential distribution calculating means 14 as the gate voltage V g.

ポテンシャル分布演算手段14は、電荷担体密度記憶手段19に記憶されている電荷担体密度及びパラメータ記憶手段18に記憶されているデバイスパラメータ等に基づいて、計算範囲設定手段13により設定されたゲート電圧Vにおける半導体膜SCの深さ方向のポテンシャル分布φ(x)を算出し、算出したポテンシャル分布φ(x)をキャリア密度分布演算手段15に出力するものである。 The potential distribution calculation unit 14 is configured to determine the gate voltage V set by the calculation range setting unit 13 based on the charge carrier density stored in the charge carrier density storage unit 19 and the device parameters stored in the parameter storage unit 18. The potential distribution φ (x) in the depth direction of the semiconductor film SC at g is calculated, and the calculated potential distribution φ (x) is output to the carrier density distribution calculating means 15.

具体的には、ポテンシャル分布演算手段14は、電荷担体密度として正に帯電したドナー型欠陥(Deep state)の密度Ndd0 、負に帯電したアクセプタ型欠陥(Deep state)の密度Nad0 、負に帯電したアクセプタ型欠陥(Tail state)の密度Nat0 、ホール密度p及び電子密度nと、必要なデバイスパラメータ等と、計算条件であるゲート電圧Vとを用いて式(1)を計算する。このとき式(2)から式(4)、式(10)、式(13)及び式(16)も利用する。更に、式(1)に示したポアソン方程式を差分化し、この差分化したポアソン方程式を、ガウスの消去法やヤコビ法などにより数値解析することによって、ポテンシャル分布φ(x)を算出する。 Specifically, the potential distribution calculating means 14 has a positive charge donor density (Deep state) density N dd0 + as a charge carrier density, a negative charge acceptor type defect (Deep state) density N ad0 , Using the density N at0 , the hole density p 0 and the electron density n 0 of the negatively charged acceptor type defect (Tail state), necessary device parameters, and the gate voltage V g which is a calculation condition, the equation (1 ). At this time, equations (2) to (4), (10), (13), and (16) are also used. Further, the Poisson equation shown in the equation (1) is differentiated, and the potential distribution φ (x) is calculated by numerically analyzing the differentiated Poisson equation by the Gaussian elimination method, the Jacobian method, or the like.

ここで、ポテンシャル分布演算手段14は、ゲート電極Gにおけるポテンシャルφ(−tin)が、ゲート−ソース間電圧Vgs(Vgs=V−V)とフラットバンド電圧Vfbとの差(Vgs−Vfb)に等しいことを境界条件として、ポテンシャル分布φ(x)を算出する。 Here, the potential distribution calculation means 14 indicates that the potential φ (−t in ) at the gate electrode G is the difference between the gate-source voltage V gs (V gs = V g −V s ) and the flat band voltage V fb ( The potential distribution φ (x) is calculated with a boundary condition equal to V gs −V fb ).

キャリア密度分布演算手段15は、式(19)に、ポテンシャル分布演算手段14から入力したポテンシャル分布φ(x)、電荷担体密度記憶手段19に記憶されている電子密度n及びパラメータ記憶手段18に記憶されているデバイスパラメータ等を代入して、キャリア密度分布(電子密度分布)n(x)を算出する。
キャリア密度分布演算手段15は、算出したキャリア密度分布n(x)を、キャリア面密度演算手段16に出力する。
The carrier density distribution calculating unit 15 stores the potential distribution φ (x) input from the potential distribution calculating unit 14, the electron density n 0 stored in the charge carrier density storing unit 19, and the parameter storing unit 18 in Expression (19). By substituting the stored device parameters and the like, the carrier density distribution (electron density distribution) n (x) is calculated.
The carrier density distribution calculating unit 15 outputs the calculated carrier density distribution n (x) to the carrier surface density calculating unit 16.

キャリア面密度演算手段16は、キャリア密度分布演算手段15から入力したキャリア面密度n(x)を、式(20)に従って、半導体膜SCの深さ方向の全範囲である下端(x=0)から上端(x=tsc)まで積分することでキャリア面密度Nを算出する。 The carrier surface density calculating unit 16 uses the carrier surface density n (x) input from the carrier density distribution calculating unit 15 as the lower end (x = 0) that is the entire range in the depth direction of the semiconductor film SC according to the equation (20). To the upper end (x = t sc ) to calculate the carrier surface density N.

具体的には、キャリア面密度演算手段16は、式(21)に示したように、メッシュ幅をΔxとして数値積分によりキャリア面密度Nを算出する。
キャリア面密度演算手段16は、算出したキャリア面密度Nをドレイン電流演算手段17に出力する。
Specifically, the carrier surface density calculating unit 16 calculates the carrier surface density N by numerical integration with the mesh width as Δx, as shown in Expression (21).
The carrier surface density calculating unit 16 outputs the calculated carrier surface density N to the drain current calculating unit 17.

ドレイン電流演算手段17は、キャリア面密度演算手段16から入力したキャリア面密度Nと、パラメータ記憶手段18に記憶されているデバイスパラメータ等を、式(23)に代入して、ドレイン電流Iを算出する。 The drain current calculation means 17 substitutes the carrier surface density N input from the carrier surface density calculation means 16 and the device parameters stored in the parameter storage means 18 into the equation (23), and calculates the drain current I d . calculate.

ドレイン電流演算手段17は、算出したドレイン電流Iを、計算条件であるゲート電圧Vに対応付けて、ドレイン電流記憶手段20に記憶する。
なお、ドレイン電流演算手段17は、ドレイン電流Iを、ゲート電圧Vに代えて、ゲート−ソース間電圧Vgsに対応付けてドレイン電流記憶手段20に記憶するようにしてもよい。
The drain current calculation unit 17 stores the calculated drain current I d in the drain current storage unit 20 in association with the gate voltage V g which is a calculation condition.
The drain current calculation unit 17, the drain current I d, instead of the gate voltage V g, the gate - may be in association with the source voltage V gs is stored in the drain current storage means 20.

パラメータ記憶手段18は、デバイスパラメータ入力手段10が入力したデバイスパラメータである半導体膜SCの厚さtsc、ゲート絶縁膜INの厚さtin、チャネル長L、チャネル幅W、価電子帯上端のエネルギーEでのドナー型欠陥(Deep state)の状態密度gdd0、ドナー型欠陥(Deep state)の状態密度分布の傾きの逆数Edd、伝導帯下端のエネルギーEでのアクセプタ型欠陥(Deep state)の状態密度gad0、アクセプタ型欠陥(Deep state)の状態密度分布の傾きの逆数Ead、伝導帯下端のエネルギーEでのアクセプタ型欠陥(Tail state)の状態密度gat0、アクセプタ型欠陥(Tail state)の状態密度分布の傾きの逆数Eat、フラットバンド電圧Vfb及び実効的なドナー密度Nを記憶するものである。 Parameter storage means 18, the device parameter input unit 10 is a device parameters entered semiconductor film SC thickness t sc, the thickness t in the gate insulating film IN, the channel length L, the channel width W, of the valence band maximum The state density g dd0 of the donor type defect (Deep state) at the energy E v , the reciprocal E dd of the state density distribution of the donor type defect (Deep state), and the acceptor type defect (Deep) at the energy E c at the bottom of the conduction band state density g ad0 , acceptor-type defect (Deep state) state density distribution reciprocal number E ad , acceptor-type defect (Tail state) state density g at0 , acceptor-type energy density E c It stores the reciprocal number E at of the state density distribution of the defect (Tail state), the flat band voltage V fb, and the effective donor density N d .

また、パラメータ記憶手段18は、他のパラメータである半導体膜SCについての真性フェルミ準位E、真性キャリア密度n、価電子帯上端のエネルギーE、伝導帯下端のエネルギーE、移動度μ、誘電率εsc及びゲート絶縁膜INの誘電率εinを、用いる材料に固有の固有パラメータとして、それぞれに対応する固有値を予め記憶することとする。 Further, the parameter storage means 18 includes intrinsic Fermi level E i , intrinsic carrier density n i , valence band upper end energy E v , conduction band lower end energy E c , mobility of the semiconductor film SC as other parameters. It is assumed that μ, the dielectric constant ε sc, and the dielectric constant ε in of the gate insulating film IN are stored in advance as eigenvalues specific to the material to be used.

また、パラメータ記憶手段18は、他の計算条件であるソース電圧V及び絶対温度Tとして、それぞれ予め定められた値を予め記憶することとする。更にまた、定数であるボルツマン定数k及び電気素量qを予め記憶することとする。 The parameter storage unit 18 stores in advance predetermined values as the source voltage V s and the absolute temperature T, which are other calculation conditions. Furthermore, a Boltzmann constant k and an electric elementary quantity q which are constants are stored in advance.

パラメータ記憶手段18に記憶されているデバイスパラメータ等は、フェルミ準位演算手段11、電荷担体密度演算手段12、ポテンシャル分布演算手段14、キャリア密度分布演算手段15、キャリア面密度演算手段16及びドレイン電流演算手段17によって、適宜参照される。   The device parameters and the like stored in the parameter storage means 18 are Fermi level calculation means 11, charge carrier density calculation means 12, potential distribution calculation means 14, carrier density distribution calculation means 15, carrier surface density calculation means 16, and drain current. Referenced by the arithmetic means 17 as appropriate.

電荷担体密度記憶手段19は、電荷担体密度演算手段12によって算出された電荷担体密度である、正に帯電したドナー型欠陥(Deep state)の密度Ndd0 、負に帯電したアクセプタ型欠陥(Deep state)の密度Nad0 、負に帯電したアクセプタ型欠陥(Tail state)の密度Nat0 、ホール密度p及び電子密度nを記憶するものである。これらのデータは、ポテンシャル分布演算手段14、及びキャリア密度分布演算手段15によって参照される。 The charge carrier density storage means 19 is a charge carrier density calculated by the charge carrier density calculation means 12, which is a positively charged donor type defect (Deep state) density N dd0 + , a negatively charged acceptor type defect (Deep). state) density N ad0 , negatively charged acceptor type defect (Tail state) density N at0 , hole density p 0, and electron density n 0 are stored. These data are referred to by the potential distribution calculation means 14 and the carrier density distribution calculation means 15.

ドレイン電流記憶手段20は、ドレイン電流演算手段17によって算出されたドレイン電流Iを、ドレイン電流Iの計算条件であるゲート電圧Vに対応付けて記憶するものである。 Drain current storage means 20, the drain current I d calculated by the drain current calculation unit 17 is configured to store in association with the gate voltage V g is the calculation conditions of the drain current I d.

ドレイン電流記憶手段20に記憶されたドレイン電流Iは、例えば、TFTの特性値である閾値電圧Vthやサブスレッショールド係数(S値)などの計算のために利用される。また、不図示のグラフ描画手段によって、コンピュータに接続された表示手段や印刷手段に出力され、ドレイン電流特性としてグラフ表示することもできる(例えば、図7及び図8参照)。 The drain current I d which are stored in the drain current storage means 20, for example, the threshold voltage V th and the sub-threshold coefficient which is a characteristic value of the TFT (S value) is utilized for the calculation of such. In addition, the graph drawing means (not shown) can output the data to a display means or printing means connected to the computer and display it as a drain current characteristic (for example, see FIGS. 7 and 8).

なお、本実施形態では、デバイスパラメータ入力手段10で入力したデバイスパラメータをパラメータ記憶手段18に一旦記憶して、フェルミ準位演算手段11などの演算手段によって適宜読み出されるようにしたが、デバイスパラメータ入力手段10は、入力したデバイスパラメータを直接に必要とする演算手段に出力するようにしてもよい。   In the present embodiment, the device parameters input by the device parameter input means 10 are temporarily stored in the parameter storage means 18 and read out as appropriate by calculation means such as the Fermi level calculation means 11. The means 10 may output the input device parameters directly to the necessary calculation means.

また、固有パラメータは、デバイスパラメータとともにデバイスパラメータ入力手段10によって入力するようにしてもよい。更にまた、計算条件の一つであるソース電圧Vは、デバイスパラメータ入力手段10又は計算範囲設定手段13によって入力するようにしてもよい。 The unique parameter may be input by the device parameter input unit 10 together with the device parameter. Furthermore, the source voltage V s, which is one of the calculation conditions, may be input by the device parameter input unit 10 or the calculation range setting unit 13.

また、本実施形態では、電荷担体密度演算手段12で算出した正に帯電したドナー型欠陥(Deep state)の密度Ndd0 などの電荷担体密度を、電荷担体密度記憶手段19に一旦記憶して、ポテンシャル分布演算手段14などによって適宜読み出されるようにしたが、電荷担体密度演算手段12は、算出したこれらの電荷担体密度を直接にポテンシャル分布演算手段14などに出力するようにしてもよい。 In the present embodiment, the charge carrier density such as the density N dd0 + of the positively charged donor-type defect (Deep state) calculated by the charge carrier density calculating unit 12 is temporarily stored in the charge carrier density storage unit 19. However, the charge carrier density calculating means 12 may output the calculated charge carrier density directly to the potential distribution calculating means 14 or the like.

[シミュレーション装置の動作]
次に、図6を参照(適宜図1及び図5参照)して、本実施形態におけるドレイン電流のシミュレーション装置1の動作について説明する。
[Operation of simulation device]
Next, the operation of the drain current simulation apparatus 1 in this embodiment will be described with reference to FIG.

まず、シミュレーション装置1は、デバイスパラメータ入力手段10によって、シミュレーション対象となるTFTについてのデバイスパラメータを入力し、パラメータ記憶手段18に記憶する(ステップS10)。   First, the simulation apparatus 1 inputs device parameters for a TFT to be simulated by the device parameter input unit 10 and stores the device parameters in the parameter storage unit 18 (step S10).

次に、シミュレーション装置1は、フェルミ準位演算手段11によって、パラメータ記憶手段18に記憶されているデバイスパラメータ等を用いて、式(18)により、フラットバンド条件での半導体膜SCのフェルミ準位Eを算出し、算出したフェルミ準位Eを電荷担体密度演算手段12に出力する(ステップS11)。 Next, the simulation apparatus 1 uses the device parameters stored in the parameter storage unit 18 by the Fermi level calculation unit 11 to calculate the Fermi level of the semiconductor film SC under the flat band condition according to the equation (18). E f is calculated, and the calculated Fermi level E f is output to the charge carrier density calculating means 12 (step S11).

次に、シミュレーション装置1は、電荷担体密度演算手段12によって、フェルミ準位演算手段11により算出されたフェルミ準位E及びパラメータ記憶手段18に記憶されているデバイスパラメータ等を用いて、式(5)、式(6)式(A9)、式(B10)及び式(C9)により、半導体膜SCのフラットバンド条件における電荷担体密度として、それぞれ、ホール密度p、電子密度n、正に帯電したドナー型欠陥(Deep state)の密度Ndd0 、負に帯電したアクセプタ型欠陥(Deep state)の密度Nad0 及び負に帯電したアクセプタ型欠陥(Tail state)の密度Nat0 を算出し、算出したこれらの値を電荷担体密度記憶手段19に記憶する(ステップS12)。 Next, the simulation apparatus 1 uses the Fermi level E f calculated by the Fermi level calculation unit 11 and the device parameters stored in the parameter storage unit 18 by the charge carrier density calculation unit 12 and the formula ( 5), Formula (6), Formula (A9), Formula (B10), and Formula (C9), respectively, as the charge carrier density in the flat band condition of the semiconductor film SC, the hole density p 0 , the electron density n 0 , calculated - charged density N dd0 + donor type defects (Deep state), negatively charged acceptor-type defects (Deep state) density N ad0 - and density N at0 negatively charged acceptor-type defects (Tail state) Then, these calculated values are stored in the charge carrier density storage means 19 (step S12).

次に、シミュレーション装置1は、計算範囲設定手段13によって、ポテンシャル分布φ(x)を算出する際の、ゲート電圧Vの設定範囲を定めるデータとして、ゲート電圧の初期値Vと、ゲート電圧の最大値Vmaxと、ゲート電圧を変化させる間隔ΔVとを、不図示のキーボードなどから入力し、初期値Vをゲート電圧Vとしてポテンシャル分布演算手段14に設定する(ステップS13)。 Then, the simulator 1, the computation range setting means 13, when calculating potential distribution φ a (x), as data defining the setting range of the gate voltage V g, the initial value V 0 which is the gate voltage, the gate voltage and the maximum value V max of the interval ΔV changing the gate voltage, entered from the keyboard (not shown), it sets the initial value V 0 in the potential distribution calculating means 14 as the gate voltage V g (step S13).

次に、シミュレーション装置1は、ポテンシャル分布演算手段14によって、電荷担体密度記憶手段19に記憶されている正に帯電したドナー型欠陥(Deep state)の密度Ndd0 、負に帯電したアクセプタ型欠陥(Deep state)の密度Nad0 、負に帯電したアクセプタ型欠陥(Tail state)の密度Nat0 、ホール密度p、電子密度n、及びパラメータ記憶手段18に記憶されているデバイスパラメータ等を用いて、式(1)に示したポアソン方程式を差分化して、計算範囲設定手段13により設定されたゲート電圧Vにおけるポテンシャル分布φ(x)を算出し、算出したポテンシャル分布φ(x)をキャリア密度分布演算手段15に出力する(ステップS14)。 Next, the simulation apparatus 1 uses the potential distribution calculation unit 14 to store the positively charged donor-type defect ( Neep state) density N dd0 + stored in the charge carrier density storage unit 19 and the negatively charged acceptor-type defect. (Deep state) density N ad0 , negatively charged acceptor type defect (Tail state) density N at0 , hole density p 0 , electron density n 0 , device parameters stored in parameter storage means 18, etc. Is used to calculate the potential distribution φ (x) at the gate voltage V g set by the calculation range setting means 13 by differentiating the Poisson equation shown in the equation (1). Is output to the carrier density distribution calculating means 15 (step S14).

次に、シミュレーション装置1は、キャリア密度分布演算手段15によって、ポテンシャル分布演算手段14により算出したポテンシャル分布φ(x)、電荷担体密度記憶手段19に記憶されている電荷担体密度及びパラメータ記憶手段18に記憶されているデバイスパラメータ等を用いて、式(19)により、キャリア密度分布n(x)を算出し、算出したキャリア密度分布n(x)を、キャリア面密度演算手段16に出力する(ステップS15)。   Next, the simulation apparatus 1 uses the carrier density distribution calculation means 15 to calculate the potential distribution φ (x) calculated by the potential distribution calculation means 14, the charge carrier density and parameter storage means 18 stored in the charge carrier density storage means 19. Is used to calculate the carrier density distribution n (x) according to the equation (19), and outputs the calculated carrier density distribution n (x) to the carrier surface density calculating means 16 ( Step S15).

次に、シミュレーション装置1は、キャリア面密度演算手段16によって、キャリア密度分布演算手段15により算出したキャリア密度分布n(x)及びパラメータ記憶手段18に記憶されているデバイスパラメータ等を用いて、式(20)により、キャリア面密度Nを算出し、算出したキャリア面密度Nをドレイン電流演算手段17に出力する(ステップS16)。   Next, the simulation apparatus 1 uses the carrier surface density calculation unit 16 to calculate the equation using the carrier density distribution n (x) calculated by the carrier density distribution calculation unit 15 and the device parameters stored in the parameter storage unit 18. The carrier surface density N is calculated by (20), and the calculated carrier surface density N is output to the drain current calculation means 17 (step S16).

次に、シミュレーション装置1は、ドレイン電流演算手段17によって、キャリア面密度演算手段16により算出したキャリア面密度N及びパラメータ記憶手段18に記憶されているデバイスパラメータ等を用いて、式(23)により、ドレイン電流Iを算出し、算出したドレイン電流Iを、計算条件であるゲート電圧Vに対応付けて、ドレイン電流記憶手段20に記憶する(ステップS17)。 Next, the simulation apparatus 1 uses the carrier surface density N calculated by the carrier surface density calculation unit 16 and the device parameters stored in the parameter storage unit 18 by the drain current calculation unit 17 and the equation (23). calculates a drain current I d, the calculated drain current I d, in association with a computing condition gate voltage V g, and stored in the drain current storage unit 20 (step S17).

次に、シミュレーション装置1は、計算範囲設定手段13によって、計算条件を、次のドレイン電流Iを算出する際のゲート電圧Vに変更するために、前回のゲート電圧Vに、計算の間隔ΔVを加算し、ポテンシャル分布演算手段14に設定する(ステップS18)。 Then, the simulator 1, the computation range setting unit 13, the calculation conditions, in order to change the gate voltage V g at the time of calculating the next drain current I d, the previous gate voltage V g, the calculated The interval ΔV is added and set in the potential distribution calculating means 14 (step S18).

ここで、シミュレーション装置1は、計算範囲設定手段13によって、ステップS18で条件変更したゲート電圧Vが、計算範囲の最大値Vmaxより大きいかどうかを判断し(ステップS19)、大きい場合は(ステップS19でYes)、所定の計算範囲におけるドレイン電流Iの計算が終了したため、シミュレーション装置1は、処理を終了する。 Here, in the simulator 1, the computation range setting means 13, when the gate voltage V g was condition changed in step S18 is to determine whether the maximum value greater than V max calculation range (step S19), large ( Since the calculation of the drain current I d in the predetermined calculation range is completed, the simulation apparatus 1 ends the process.

一方、ステップS18で条件変更したゲート電圧Vが、計算範囲の最大値Vmax以下の場合は(ステップS19でNo)、シミュレーション装置1は、ステップS14に戻り、ステップS18で設定したゲート電圧Vについて、ポテンシャル分布演算手段14によるポテンシャル分布φ(x)の算出を繰り返す。 On the other hand, the gate voltage V g was condition changed in step S18 is equal to or smaller than the maximum value V max of the calculation range (No in step S19), the simulation apparatus 1 returns to step S14, the gate voltage V set in step S18 For g , the calculation of the potential distribution φ (x) by the potential distribution calculating means 14 is repeated.

また、得られたドレイン電流特性は、例えば、不図示の表示装置にグラフ表示することができる(例えば、図7及び図8参照)。そして、ドレイン電流特性が所望の特性であるかを、例えば閾値電圧VthやS値を算出して確認し、所望の特性でなければ、ゲート絶縁膜厚tinや半導体膜厚tscなどのデバイスパラメータを変更し、前記した手順を繰り返してドレイン電流特性を計算し、所望のドレイン電流が得られるようにデバイスパラメータを決め、TFTのデバイス構造を決定することができる。 Further, the obtained drain current characteristic can be displayed in a graph on a display device (not shown), for example (see, for example, FIGS. 7 and 8). Then, whether the drain current characteristic is desired properties, for example, to calculate the threshold voltage V th and S value check, if the desired properties, such as the gate insulating film thickness t in and the semiconductor film thickness t sc The device parameters are changed, the above procedure is repeated, the drain current characteristics are calculated, the device parameters are determined so as to obtain a desired drain current, and the device structure of the TFT can be determined.

次に、本発明の実施形態に係るドレイン電流のシミュレーション装置の実施例について説明する。
図7及び図8に、TFTのドレイン電流のゲート電圧依存性の計算結果(実線、□、△)及び実測値(○)を示す。半導体膜はIGZO、ゲート絶縁膜はSiOとし、半導体膜厚tsc、ゲート絶縁膜厚tinを様々に変えて計算及び実測を行った。ここでチャネル長L=80[μm]であり、チャネル幅W=130[μm]である。また、前記したように、TFTの基本特性を評価するために、ドレイン−ソース間電圧Vdsは、1[V]の条件で測定を行った。なお、図7及び図8に示した計算結果では、ゲート絶縁膜厚tin及び半導体膜厚tsc以外は、全て共通のデバイスパラメータを用いて計算を行った。
Next, an example of the drain current simulation apparatus according to the embodiment of the present invention will be described.
7 and 8 show the calculation results (solid line, □, Δ) and measured values (◯) of the gate voltage dependence of the drain current of the TFT. Semiconductor film IGZO, gate insulating film and SiO 2, the semiconductor film thickness t sc, calculations and measured variously changing the thickness of the gate insulating film t in Been. Here, the channel length L = 80 [μm] and the channel width W = 130 [μm]. In addition, as described above, in order to evaluate the basic characteristics of the TFT, the drain-source voltage Vds was measured under the condition of 1 [V]. Incidentally, the calculation results shown in FIGS. 7 and 8, other than the gate insulating film thickness t in and the semiconductor film thickness t sc performed a calculation using all common device parameters.

図7において、縦軸はドレイン電流Iを示し、左側に対数スケール(Lのグラフ)、右側にリニアスケール(Rのグラフ)を示している。また、横軸は、ゲート−ソース間電圧Vgsを示している。また、図8において、縦軸はドレイン電流Iを対数スケールで示しており、横軸は、ゲート−ソース間電圧Vgsを示している。 7, the vertical axis represents the drain current I d, (graph L) log scale on the left shows a linear scale (graph R) on the right. The horizontal axis indicates the gate-source voltage Vgs . In FIG. 8, the vertical axis represents the drain current Id on a logarithmic scale, and the horizontal axis represents the gate-source voltage Vgs .

図7(a)は、ゲート絶縁膜厚tin=10[nm]、半導体膜厚tsc=30[nm]のときのドレイン電流特性を示している。図7(a)に示すように、立ち上りが急峻なサブスレッシュホールド係数(S値=92[mV/dec]、すなわちS値が小さい)を示しており、計算結果は実測値を良好に再現していることが分かる。 FIG. 7A shows drain current characteristics when the gate insulating film thickness t in = 10 [nm] and the semiconductor film thickness t sc = 30 [nm]. As shown in FIG. 7A, the subthreshold coefficient (S value = 92 [mV / dec], that is, the S value is small) having a steep rise is shown, and the calculation result reproduces the measured value well. I understand that

また、図7(b)は、ゲート絶縁膜厚tin=100[nm]、半導体膜厚tsc=30[nm]のときの、ドレイン電流特性を示しており、図7(a)に示した場合に比べてゲート絶縁膜tinが10倍厚いため、立ち上りが緩やかなサブスレッショールド係数(S値=339[mV/dec]、すなわちS値が大きい)を示している。こうした緩やかなドレイン電流特性も、図7(b)に示したように、計算結果は実測値(○)を精度よく再現していることが分かる。 FIG. 7B shows drain current characteristics when the gate insulating film thickness t in = 100 [nm] and the semiconductor film thickness t sc = 30 [nm], and are shown in FIG. since 10 times thicker gate insulating film t in compared to if, rising indicates a gradual subthreshold coefficient (S value = 339 [mV / dec], i.e. larger S value). It can be seen that such a gentle drain current characteristic also accurately reproduces the actual measurement value (O) as shown in FIG. 7B.

ここで、サブスレッシュホールド係数(S値)の計算方法について説明する。サブスレッシュホールド係数は、ドレイン電流Iが一桁変化するのに必要なゲート電圧V(ゲート−ソース間電圧Vgs)の変化量を示すものである。従って、S値は式(24)のように表すことができる。 Here, a method of calculating the subthreshold coefficient (S value) will be described. The subthreshold coefficient indicates the amount of change in the gate voltage V g (gate-source voltage V gs ) necessary for the drain current I d to change by one digit. Therefore, the S value can be expressed as in Expression (24).

Figure 0005906079
Figure 0005906079

本実施例では、計算したすべてのゲート−ソース間電圧Vgs(ゲート電圧V)について、隣接するゲート−ソース間電圧のとの差分と、それぞれのドレイン電流Iの間の差分とから、式(24)に従ってS値を算出し、その中の最小値を、その構造のTFTにおけるS値とした。 In this embodiment, for all the calculated gate-source voltages V gs (gate voltage V g ), the difference between the adjacent gate-source voltages and the difference between the respective drain currents I d The S value was calculated according to the equation (24), and the minimum value among them was set as the S value in the TFT having the structure.

また、一般的なデスクトップコンピュータ(インテル社製のCPU(Central Processing Unit)Intel Core 2 Duo E8400 3.00GHzを搭載)を用いて計算した際に、本発明のシミュレーション方法での計算時間は、図7に示した半導体膜厚tsc=30[nm]のTFTにおいて、半導体膜SC中におけるメッシュのサイズをΔx=0.5[nm]とした場合、250点のゲート電圧Vについて計算に要した時間は10秒程度であった。通常、市販の二次元デバイスシミュレータ(例えば、SILVACO社の二次元デバイスシミュレータ「ATLAS」)を用いた際のドレイン電流特性の計算時間は、数分から数十分であることから、本発明のシミュレーション方法による計算は、十分に高速であり、かつ高精度であることが分かる。 Further, when the calculation is performed using a general desktop computer (equipped with Intel CPU 2 (Central Processing Unit) Intel Core 2 Duo E8400 3.00 GHz), the calculation time in the simulation method of the present invention is as shown in FIG. In the TFT having the semiconductor film thickness t sc = 30 [nm] shown, when the mesh size in the semiconductor film SC is Δx = 0.5 [nm], the time required for the calculation for the gate voltage V g of 250 points Was about 10 seconds. Usually, the calculation time of drain current characteristics when using a commercially available two-dimensional device simulator (for example, two-dimensional device simulator “ATLAS” manufactured by SILVACO) is several minutes to several tens of minutes. It can be seen that the calculation by is sufficiently fast and accurate.

以上から、本発明のシミュレーション方法により、半導体膜SC中にキャリアを捕獲する欠陥を含む蓄積型のTFTにおいて、高速かつ高精度なドレイン電流Iの計算が実現されていることが分かる。 From the above, it can be seen that, by the simulation method of the present invention, high-speed and high-precision calculation of the drain current I d is realized in a storage-type TFT including a defect that captures carriers in the semiconductor film SC.

図8は、TFTのドレイン電流特性の半導体膜厚tscの依存性の計算結果である。図8(a)は、ゲート絶縁膜厚tin=10[nm]の場合の計算結果であり、半導体膜厚tscを10[nm]、30[nm]及び50[nm]とし、他のパラメータは、図7に示した計算に用いたものと同じものを用いている。同様に、図8(b)は、ゲート絶縁膜厚tin=100[nm]の場合の計算結果であり、他のパラメータは、図8(a)に示した計算に用いたものと同じものを用いている。 FIG. 8 shows the calculation result of the dependency of the TFT drain current characteristic on the semiconductor film thickness t sc . FIG. 8A shows a calculation result when the gate insulating film thickness t in = 10 [nm]. The semiconductor film thickness t sc is 10 [nm], 30 [nm], and 50 [nm]. The same parameters as those used in the calculation shown in FIG. 7 are used. Similarly, FIG. 8B shows a calculation result when the gate insulating film thickness t in = 100 [nm], and other parameters are the same as those used in the calculation shown in FIG. Is used.

なお、本実施例においては、閾値電圧Vthは、ドレイン電流I=10−7[A]となるゲート電圧Vであると定義する。図8に示したように、半導体膜SCの膜厚が薄くなるにつれて、グラフの立ち上りが急峻になるためS値は小さくなり、また閾値電圧Vthも小さくなることが分かる。また、図8(b)に示したように、ゲート絶縁膜INが厚い方(tin=100[nm])が、図8(a)に示したように、ゲート絶縁膜INが薄い方(tin=10[nm])よりも、ドレイン電流特性の半導体膜厚tscの依存性が大きく、ゲート絶縁膜厚tinの違いにより、S値や閾値電圧Vthの半導体膜厚tscの依存性が大きく異なることが分かる。 In the present embodiment, the threshold voltage V th is defined as the drain current I d = 10 -7 [A] to become the gate voltage V g. As shown in FIG. 8, it can be seen that as the film thickness of the semiconductor film SC becomes thinner, the rise of the graph becomes steeper, so that the S value becomes smaller and the threshold voltage Vth also becomes smaller. Further, as shown in FIG. 8B, the thicker gate insulating film IN (t in = 100 [nm]) is thinner than the thinner gate insulating film IN as shown in FIG. t in = 10 [nm]) than in the semiconductor film thickness t sc drain current characteristics dependent large, the difference in the gate insulating film thickness t in, the semiconductor film thickness t sc of S values and the threshold voltage V th It can be seen that the dependencies are very different.

以上に示したように、ゲート絶縁膜厚tinや半導体膜厚tscなどのデバイスパラメータを変更することで、ドレイン電流特性は大きく変わり、それにより、S値や閾値電圧Vtの値が変化する。本発明によるドレイン電流のシミュレーション方法を用いることで、所望のドレイン電流特性が得られるように、膜厚などのデバイスパラメータを決定することができ、これにより、TFTの構造設計が可能となる。 As shown above, by changing the device parameters such as the gate insulating film thickness t in and the semiconductor film thickness t sc, drain current characteristics vary greatly, whereby the value of the S value and the threshold voltage Vt h is changed To do. By using the drain current simulation method according to the present invention, device parameters such as film thickness can be determined so that desired drain current characteristics can be obtained, thereby enabling the structural design of the TFT.

1 ドレイン電流のシミュレーション装置(シミュレーション装置)
10 デバイスパラメータ入力手段
11 フェルミ準位演算手段
12 電荷担体密度演算手段
13 計算範囲設定手段
14 ポテンシャル分布演算手段
15 キャリア密度分布演算手段
16 キャリア面密度演算手段
17 ドレイン電流演算手段
18 パラメータ記憶手段
19 電荷担体密度記憶手段
20 ドレイン電流記憶手段
S ソース電極
D ドレイン電極
G ゲート電極
SC 半導体膜
IN ゲート絶縁膜
1 Drain current simulation device (simulation device)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Device parameter input means 11 Fermi level calculation means 12 Charge carrier density calculation means 13 Calculation range setting means 14 Potential distribution calculation means 15 Carrier density distribution calculation means 16 Carrier surface density calculation means 17 Drain current calculation means 18 Parameter storage means 19 Charge Carrier density storage means 20 Drain current storage means S Source electrode D Drain electrode G Gate electrode SC Semiconductor film IN Gate insulating film

Claims (3)

シミュレーションの対象が半導体膜中にキャリアを捕獲する欠陥を含む蓄積型の薄膜トランジスタであって、前記半導体膜と絶縁膜とゲート電極とをこの順で積層した構造を有する電界効果型の前記薄膜トランジスタについて、ドレイン電極とソース電極との間の電圧であるドレイン−ソース間電圧が低いときに、前記ドレイン電極と前記ソース電極との間の電流であるドレイン電流を計算するドレイン電流のシミュレーション装置であって、
前記半導体膜の電荷密度として、電子密度、ホール密度、ドナー密度、及びバンドギャップ中に指数関数型の状態密度を持つアクセプタ型欠陥とドナー型欠陥の密度を考慮して、一次元ポアソン方程式を解くことにより半導体膜中の深さ方向のポテンシャル分布を計算するポテンシャル分布演算手段と、
前記ポテンシャル分布演算手段により算出したポテンシャル分布を用いて前記半導体膜中の深さ方向のキャリア密度分布を算出するキャリア密度分布演算手段と、
前記キャリア密度分布演算手段により算出したキャリア密度分布を前記半導体膜の深さ方向の全範囲について積分して前記半導体膜中のキャリア面密度を算出するキャリア面密度演算手段と、
前記キャリア面密度演算手段が算出したキャリア面密度に、移動度、電気素量、ドレイン−ソース間電圧、及びチャネル幅とチャネル長との比を乗じてドレイン電流を算出するドレイン電流演算手段と、
前記半導体膜のフラットバンド条件でのフェルミ準位を、前記フェルミ準位についての方程式である式(18)から算出するフェルミ準位演算手段と、
前記フェルミ準位演算手段により算出したフェルミ準位を、式(5)、式(6)、式(A9)、式(B10)及び式(C9)に代入して、前記半導体膜のフラットバンド条件での、それぞれホール密度、電子密度、正に帯電したドナー型欠陥のディープステート(Deep state)における密度、負に帯電したアクセプタ型欠陥のディープステート(Deep state)における密度及び負に帯電したアクセプタ型欠陥のテールステート(Tail state)における密度を、電荷担体密度として算出する電荷担体密度演算手段と、を備え、
前記ポテンシャル分布演算手段は、前記一次元ポアソン方程式である式(1)を差分化し、前記ゲート電極におけるポテンシャルが前記ゲート電極及び前記ソース電極の間の電圧とフラットバンド電圧との差に等しいことを境界条件として、数値解析することで算出し、
前記キャリア分布密度演算手段は、前記キャリア密度分布を、式(19)から算出し、
前記キャリア面密度演算手段は、前記キャリア密度分布を、式(20)によって算出し、
前記式(18)は、
Figure 0005906079
であり、
ここで、前記式(5)、式(6)、式(A9)、式(B10)及び式(C9)は、
Figure 0005906079
であり、
前記式(1)は、
Figure 0005906079
であり、
ここで、
Figure 0005906079
であり、
前記式(19)は、
Figure 0005906079
であり、
前記式(20)は、
Figure 0005906079
であり、
ここで、
β=q/kT、
γ=q/Edd
γ=q/Ead
であり、
kはボルツマン定数、
Tは絶対温度、
qは電気素量、
ρは前記半導体膜の電荷密度、
pは前記半導体膜のホール密度、
nは前記半導体膜の電子密度、
dd は前記半導体膜の正に帯電したドナー型欠陥のディープステートにおける密度、
ad は前記半導体膜の負に帯電したアクセプタ型欠陥のディープステートにおける密度、
at は前記半導体膜の負に帯電したアクセプタ型欠陥のテールステートにおける密度、
は前記半導体膜のフラットバンド条件におけるホール密度、
は前記半導体膜のフラットバンド条件における電子密度、
dd0 は前記半導体膜のフラットバンド条件における正に帯電したドナー型欠陥のディープステートにおける密度、
ad0 は前記半導体膜のフラットバンド条件における負に帯電したアクセプタ型欠陥のディープステートにおける密度、
at0 は前記半導体膜のフラットバンド条件における負に帯電したアクセプタ型欠陥のテールステートにおける密度、
dd0は前記半導体膜の価電子帯上端でのドナー型欠陥のディープステートにおける状態密度、
ad0は前記半導体膜の伝導帯下端でのアクセプタ型欠陥のディープステートにおける状態密度、
at0は前記半導体膜の伝導帯下端でのアクセプタ型欠陥のテールステートにおける状態密度、
は前記半導体膜の価電子帯上端のエネルギー、
は前記半導体膜の伝導帯下端のエネルギー、
は前記半導体膜のフラットバンド条件でのフェルミ準位、
ddは前記半導体膜のドナー型欠陥のディープステートにおける状態密度分布の傾きの逆数、
adは前記半導体膜のアクセプタ型欠陥のディープステートにおける状態密度分布の傾きの逆数、
atは前記半導体膜のアクセプタ型欠陥のテールステートにおける状態密度分布の傾きの逆数、
は前記半導体膜の真性キャリア密度、
は前記半導体膜の真性フェルミ準位、
εscは前記半導体膜の誘電率、
scは前記半導体膜の膜厚、
φはポテンシャル、
φ(x)はポテンシャル分布、
n(x)はキャリア密度分布、
Nはキャリア面密度、
は前記半導体膜の実効的なドナー密度、
xは前記半導体膜の厚さ方向の位置、
であることを特徴とするドレイン電流のシミュレーション装置。
The field effect type thin film transistor having a structure in which the object of simulation is a storage type thin film transistor including defects that trap carriers in the semiconductor film, and the semiconductor film, the insulating film, and the gate electrode are stacked in this order. A drain current simulation device for calculating a drain current which is a current between the drain electrode and the source electrode when a drain-source voltage which is a voltage between the drain electrode and the source electrode is low,
Taking into account the electron density, hole density, donor density, and the density of acceptor-type defects and donor-type defects having an exponential density of states in the band gap as the charge density of the semiconductor film, the one-dimensional Poisson equation is solved. A potential distribution calculating means for calculating a potential distribution in the depth direction in the semiconductor film,
Carrier density distribution calculating means for calculating a carrier density distribution in the depth direction in the semiconductor film using the potential distribution calculated by the potential distribution calculating means;
A carrier surface density calculating unit that calculates the carrier surface density in the semiconductor film by integrating the carrier density distribution calculated by the carrier density distribution calculating unit over the entire range in the depth direction of the semiconductor film;
A drain current calculating means for calculating a drain current by multiplying the carrier surface density calculated by the carrier surface density calculating means by a ratio of mobility, elementary charge, drain-source voltage, and channel width and channel length;
Fermi level calculation means for calculating the Fermi level of the semiconductor film under a flat band condition from Equation (18) which is an equation for the Fermi level;
By substituting the Fermi level calculated by the Fermi level calculation means into Equation (5), Equation (6), Equation (A9), Equation (B10), and Equation (C9), the flat band condition of the semiconductor film Hole density, electron density, density of positively charged donor-type defects in deep state, density of negatively-charged acceptor-type defects in deep state, and negatively-charged acceptor type e Bei density in the tail state of the defect (tail state), the charge carrier density calculating means for calculating a charge carrier density, and
The potential distribution calculation means differentiates the equation (1) which is the one-dimensional Poisson equation, and the potential at the gate electrode is equal to a difference between a voltage between the gate electrode and the source electrode and a flat band voltage. Calculate by numerical analysis as the boundary condition,
The carrier distribution density calculating means calculates the carrier density distribution from the equation (19),
The carrier surface density calculating means calculates the carrier density distribution by the equation (20),
Formula (18) is
Figure 0005906079
And
Here, Formula (5), Formula (6), Formula (A9), Formula (B10), and Formula (C9) are
Figure 0005906079
And
The formula (1) is
Figure 0005906079
And
here,
Figure 0005906079
And
The formula (19) is
Figure 0005906079
And
Formula (20) is
Figure 0005906079
And
here,
β = q / kT,
γ d = q / E dd ,
γ a = q / E ad ,
And
k is the Boltzmann constant,
T is the absolute temperature,
q is the elementary charge,
ρ is the charge density of the semiconductor film,
p is the hole density of the semiconductor film,
n is the electron density of the semiconductor film,
N dd + is the density in the deep state of positively charged donor-type defects in the semiconductor film,
N ad is the density in the deep state of the negatively charged acceptor type defect of the semiconductor film,
N at is the density in the tail state of the negatively charged acceptor type defect of the semiconductor film,
p 0 is the hole density in the flat band condition of the semiconductor film,
n 0 is the electron density in the flat band condition of the semiconductor film,
N dd0 + is the density in the deep state of positively charged donor-type defects in the flat band condition of the semiconductor film,
N ad0 is the density in the deep state of the negatively charged acceptor type defect in the flat band condition of the semiconductor film,
N at0 is the density in the tail state of the negatively charged acceptor type defect in the flat band condition of the semiconductor film,
g dd0 is the density of states in the deep state of the donor-type defect at the top of the valence band of the semiconductor film,
g ad0 is the density of states in the deep state of the acceptor type defect at the lower end of the conduction band of the semiconductor film,
g at0 is the density of states in the tail state of the acceptor type defect at the lower end of the conduction band of the semiconductor film,
Ev is the energy at the top of the valence band of the semiconductor film,
E c is the energy at the lower end of the conduction band of the semiconductor film,
E f is the Fermi level under the flat band condition of the semiconductor film,
E dd is the reciprocal of the gradient of the state density distribution in the deep state of the donor-type defect of the semiconductor film,
E ad is the reciprocal of the slope of the state density distribution in the deep state of the acceptor type defect of the semiconductor film,
E at is the reciprocal of the slope of the state density distribution in the tail state of the acceptor type defect of the semiconductor film,
n i is the intrinsic carrier density of the semiconductor film,
E i is the intrinsic Fermi level of the semiconductor film,
ε sc is the dielectric constant of the semiconductor film,
t sc is the film thickness of the semiconductor film,
φ is potential,
φ (x) is the potential distribution,
n (x) is the carrier density distribution,
N is the carrier surface density,
N d is the effective donor density of the semiconductor film,
x is a position in the thickness direction of the semiconductor film,
Simulation device drain current you wherein a is.
所定の範囲における複数の前記ゲート電圧を前記ポテンシャル分布の計算条件として順次に前記ポテンシャル分布演算手段に設定する計算範囲設定手段を更に備え、
前記ポテンシャル分布に基づいて算出されたドレイン電流と、当該ポテンシャル分布の計算条件とした前記ゲート電圧とを対応付けたドレイン電流のゲート電圧依存性を計算することを特徴とする請求項に記載のドレイン電流のシミュレーション装置。
A calculation range setting means for sequentially setting a plurality of the gate voltages in a predetermined range as the potential distribution calculation conditions in the potential distribution calculation means;
According to claim 1, characterized in that to calculate the gate voltage dependence of the potential and the drain current calculated based on the distribution, the drain current that associates said gate voltage and the calculated condition of the potential distribution Drain current simulation device.
ンピュータを、請求項1又は請求項2に記載のドレイン電流のシミュレーション装置として機能させるためのドレイン電流のシミュレーションプログラム。 The computer simulation program of the drain current for causing functioning as the simulation apparatus of the drain current according to claim 1 or claim 2.
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