デバイスシミュレーションを用いた欠陥解析

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ほぼ平行に正方向にシフトしているが、460nm の場合は正方向にシフトしているだけでなく、

ON電流が大きく低下している。これは図8.13のSS1とSS2を比較すると、Darkと590nm の波長ではは SS1も SS2も大きく変化していない。しかし、460nm の場合、SS2 は 1,000s を越えたあたりより、劣化している。さらに、図8.14に示したしきい値電圧シフトのΔVg1とΔVg2

は530nmでは1,000sを越えたときから負から正方向に、460nmでは100s を越えたときから 正方向にシフトしている。530nm では 1,000s を越えた時から正孔の捕獲準位から電子の捕 獲準位が支配的になり始めたことを示唆している。

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(Ev)から離れたミッドギャップ近くの捕獲準位を、深い準位(deep state)といい、それぞれの近く に分布した捕獲準位を、浅い準位(shallow state)という。また、あるエネルギーにピークを持ち、

ガウス型に分布した準位をガウス型準位(Gaussian state)といい、Ec や Ev から指数関数 的に減少していく捕獲準位を、裾状準位(tail state)という。

次に、伝達特性と捕獲準位の関係を明らかにするために、捕獲準位密度(DOS: Density of state)モデル^16-17)に基づくデバイスシミュレーションソフトウェアATLAS(Silvaco, Inc)を用い て、劣化原因の解析を行った。TFT 中に生成される捕獲準位を仮定し、伝達特性実測値と の比較を行うことでバンドギャップ内の捕獲準位の状態を解析することで伝達特性の変化の原 因を推定することを目的とした。仮定した捕獲準位は、バンドギャップ端にみられる裾状態および バンドギャップ中にみられるガウス分布を持った準位であり、それぞれドナー型，アクセプタ型捕獲 準位を用いた。非晶質の構造不規則性に起因する裾状態は，アクセプタ・ドナー型でそれぞ れ、

ｇ𝑇𝐴 = 𝑁_𝑇𝐴𝑒𝑥𝑝 (^{𝐸−𝐸𝑐}_𝐸

𝑇𝐴) (8.2)

ｇ_𝑇𝐷 = 𝑁_𝑇𝐷𝑒𝑥𝑝 (^𝐸_𝐸^𝑉−𝐸

𝑇𝐷 ) (8.3)

と表される。このうち、E は捕獲準位のエネルギー，EC と EV は伝導帯と価電子帯のエネルギ ー、NTAはアクセプタ型捕獲密度、NTDはドナー型捕獲密度、ETAおよび ETDはそれぞれ裾状 態の減衰長を示す。ガウス分布準位は、アクセプタ型の捕獲準位密度およびドナー型捕獲準 位密度を用いる。これらガウス分布の捕獲準位密度は、

ｇ_𝐺𝐴 = 𝑁_𝐺𝐴exp [− (^𝐸_𝑊^{𝐺𝐴−𝐸}

𝐺𝐴 )²] (8.4)

ｇ_𝐺𝐷 = 𝑁_𝐺𝐷𝑒𝑥𝑝 [− (^𝐸−𝐸_𝑊 ^𝐺𝐷

𝐺𝐷 )²] (8.5)

と表現することができる。ここで、EGA および EGD はアクセプタ型およびドナー型ガウス分布捕 獲準位密度のエネルギー準位、NGA, NGD は捕獲準位密度の最大値、WGA, WGD はガウス 分布の半値幅を示す。これらの下付き文字はそれぞれ、T, G, A, そしてD が裾状態(Tail)、

ガウス分布(Gaussian)、アクセプタ(Acceptor)、ドナー(Donor)を表している。

H.Hsiehらによれば、活性層の捕獲準位密度に関してのIGZO-TFTにおけるシミュレーショ

ン結果から、アクセプタ型捕獲準位が伝導帯(Ec)から裾状に形成されると、TFT の伝達特性 に於けるS値の劣化やON電流の低下が起こると報告されている。¹⁷⁾ また、伝導帯から深い 準位でガウシアン分布をとる欠陥準位は、伝達特性に於ける立ち上がり電圧を正にシフトさせ

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る事が報告されている。またnチャネルモードで酸化物TFTが動作することも考慮して、伝導帯 近傍のアクセプタ型のガウス分布捕獲準位を変化させて、DOS分布と伝達特性の変化を調べ た。

Symbol Value Unit Description

N_C 5.0×10¹⁸ cm^-3 Effective Conduction band DOS N_v 5.0×10¹⁸ cm^-3 Effective Valence band DOS

N_GA variable cm^-3eV^-1 Total density for acceptor-like states in a Gaussian distribution N_GD 1.3×10¹¹ cm^-3eV^-1 Total density for donor-like states in a Gaussian distribution N_TA 1×10¹⁸ cm^-3eV^-1 Density of tail state at E c

N_TD 9×10¹⁹ cm^-3eV^-1 Density of tail state at E v

W_GA variable eV Decay energy for acceptor-like states W_GD 0.3 eV Decay energy for donor-like states

E_GA variable eV Peak energy for acceptor-like states E_GD 0.5 eV Peak energy for donor-like states E g 2.8 eV Band gap at the 300 K

表8.1 シミュレーションに用いたパラメータ 1.E-14 1.E-12 1.E-10 1.E-08 1.E-06 1.E-04 1.E-02

-10 -5 0 5 10 15 20

Ids(A)

Vgs(V) 10^-4

10^-6 10^-8 10^-10 10^-12 10^-14 10^-2

Ids(A)

①

②

③

④

(b) Vds=0.1V

1E+14 1E+15 1E+16 1E+17 1E+18 1E+19 1E+20

0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8

DOS(cm-3 eV-1)

Ec-E(eV) 10¹⁹

10¹⁵ 10¹⁴ 10¹⁸

DOS(cm-3eV-1) 10¹⁷ 10¹⁶ 10²⁰

①

③ ②

④ (a)

アクセプタ型 捕獲準位

ドナー型 捕獲準位

（共通）

CASE NGA(cm^-3) E_GA(eV) W_GA(eV)

① 3.0×10¹⁶ 0.5 0.3

② 8.0×10¹⁷ 0.5 0.04

③ 8.0×10¹⁷ 0.3 0.04

④ 8.0×10¹⁷ 0.2 0.04

図8.16 (a)アクセプタ型捕獲準位を変化させた場合のバンドギャップ内のDOS分布図 (b)シミュレーションで計算された伝達特性

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図8.16(a)にアクセプタ型ガウス分布捕獲準位を変化させた場合の DOS分布、図8.16(b) にDOS分布に基づき得られた、Vds=0.1Vの時の伝達特性を示す。また、シミュレーションで共 通に用いた捕獲準位設値を表8.1に示した。CASE③〜④の結果から、伝導帯近傍にアクセ プタ型ガウス分布捕獲準位が形成されると伝達特性ではON電流が低下することが分かる。そ れゆえ、Vds=0.1Vの時のIZTO-TFTの伝達特性は530nm(2.34eV)では1000s以上、さ らにフォトンエネルギーが高い460nm(2.69eV)では100s以上の負バイアスストレス印加状態で の光照射により、伝導帯近傍にアクセプタ型捕獲準位が生成されて、伝達特性ではON電流 が低下し、伝達特性曲線が大きく変形したと推定される。