【摘要】 为了获得材料的子能隙DOS分布，我们需要知道DOS和相应的能级。

亚能隙态密度 (DOS) 是影响集成电路中基于半导体材料的晶体管电气特性的关键参数。此前，DOS 提取的光谱方法包括静态方法、温度相关光谱和光子光谱。然而，它们可能涉及大量假设、计算、温度或光学对 DOS 沿材料带隙的固有分布的影响。开发了一种直接且更简单的方法，用于基于双栅脉冲光谱 (GPS) 从非晶氧化物基薄膜晶体管 (TFT) 中提取 DOS 分布，与传统方法相比，引入的外在因素（例如温度和繁琐的数值数学分析）更少。从这种直接测量中，子带隙DOS分布在带隙边缘显示出峰值，其数量级为1017–1021/(cm3·eV)，这与之前的结果一致。结果可以用涉及高斯和指数分量的模型来描述。该工具可用于诊断氧化物材料的电性能，这项研究将有利于它们的建模和电性能的改进，从而拓宽它们的应用。

 

为了获得材料的子能隙DOS分布，我们需要知道DOS和相应的能级。如图1a所示，IGZO TFT的测量结果是典型的瞬态电流响应。

 

图 1.(a) 栅极脉冲从 VT 降至 0 后的典型瞬态电流与时间的关系曲线。(b) 从不同间隔（0.01、0.02、0.05 和 0.1V）的双栅极脉冲光谱中提取的 DOS，显示它们之间具有良好的一致性。【1】

 

当VG从VT下降到0时，产生瞬态电流IT，出现峰值，随后缓慢下降。测试中的TFT样品可以被视为集总子晶体管的模型。在模型中，TFT 实际上包含两个子晶体管，以及两个对称电容器和两个电阻器。沟道电容和电阻根据栅极端子VG上的电压而变化。为了将寄生噪声影响消除到可接受的程度，在实验中，我们没有使用单脉冲测量，而是使用两个门脉冲来获得两条I-t曲线。

 

当两个连续脉冲之间的差值为0.1V时，假设除DOS外，两个脉冲引入的系统信号（例如通道电阻和杂散阻抗）相似。这是因为 0.1V 被认为足够小，足以作为标准 CV 测量的交流信号的典型幅度10。通过使用两个连续脉冲之间0.1V的差异，信道载波的增加被认为可以忽略不计，并且系统噪声被认为是相同的。

 

只是两个栅极脉冲扫过的这两个对应的子间隙范围内的缺陷不同。对于 CV，+/-50 mV 应用于每个步骤，因此该 +/-50mV 可以被视为可忽略不计的干扰。这里我们使用0.1V间隔并假设基于间隔比较这也可以被认为是可以忽略不计的。比较了使用不同电压区间（即0.01、0.02、0.05和0.1V）提取的DOS。图1b所示的良好一致性可以作为这一假设的有力支持。

 

当我们获得高度为VT的栅极脉冲之后的信号时，在与VT相对应的能带ET中存在最高电平。这里，瞬态 I-t 曲线的信号积分 Q(VT) 来自 ET 下的 DOS。当我们获得高度为(VT−0.1V)的栅极脉冲之后的信号时，在能带ET’中存在对应于(VT−0.1V)的顶部电平。这里，瞬态 I-t 曲线 Q(VT− 0.1V) 的信号积分归因于 ET' 下 DOS 的电子发射。 Q(VT)和Q(VT− 0.1V)之间的差异主要是由于ΔET= ET− ET’所覆盖的能级内ET处相应DOS的电子发射造成的。

 

【1】Dai, M., Khan, K., Zhang, S. et al. A Direct Method to Extract Transient Sub-Gap Density of State (DOS) Based on Dual Gate Pulse Spectroscopy. Sci Rep 6, 24096 (2016). https://doi.org/10.1038/srep24096

 

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