2.6 器件电学性能的不稳定性

氢化非晶硅薄膜晶体管器件电学性能的不稳定性主要是指器件在长时间应力（本节把栅压、温度和光照都定义为应力“Stress”）作用下发生的阈值电压漂移现象，也就是器件 I-V 特性的变化。众多学者研究了栅压的极性、数值和占空比，以及施加栅压时的环境温度、持续时间和有/无光照条件下的阈值电压漂移特性。研究结果表明器件性能的不稳定性与a-Si：H和SiN _x 薄膜本体特性，以及它们之间界面特性的好坏有关。换句话说，就是阈值电压的不稳定性所关系到的薄膜性能和界面特性是可以通过工艺条件来优化的，即通过调整薄膜沉积的工艺条件，能影响薄膜中氢含量和SiH基团的沉积速率、气体流量比、反应功率和衬底温度等以实现改善。

研究表明，器件的不稳定性可以归结于两种机制中的一种：应力导致a-Si：H本体材料悬挂键态密度的改变（如前面所述），或者电荷注入绝缘层中并被捕获。实验中通过光诱发载流子的产生和再分布观察到了 TFT 器件在长时间光照下性能退化是氢化非晶硅中亚稳态悬挂键产生以及深能级态密度增加的结果。这种不稳定的状态可以通过弱Si—Si键的断裂和悬挂键缺陷态的形成来解释。

到了20世纪80年代末期，为了阐明引起TFT器件不稳定性的主要因素是在a-Si：H中产生了深能级态还是电荷注入栅绝缘层SiN _x 中而进行了大量的研究。结果表明：栅偏压应力下a-Si：H中深能级态密度增加，并且在高的正栅偏压应力下，电荷注入栅绝缘层SiN _x 中占主导地位。随着器件环境温度的升高，缺陷态的产生和电荷注入都将加剧。

到了20世纪90年代早期，随着a-Si：H薄膜质量的改善以及新器件结构和工艺技术的应用，尽管深能级态密度增加和电荷注入是导致TFT器件性能不稳定性的两种机制，但其中电荷注入是主要机制。

Powell 提出了多种可能导致 TFT 器件性能不稳定性的电荷注入机制，包括Fowler-Nordheim 注入、陷阱协助注入和电荷从 a-Si：H 导带以恒定能量遂穿注入等。这些电荷注入机制如图2.5所示。

在短时间偏应力和低栅偏压应力，或低的温度偏应力的作用下，载流子跃迁或直接注入a-Si：H/SiN _x 界面中的低能量局域态中，并且靠近界面SiN _x 过渡层。在更长时间偏应力，更高的栅偏压应力和更高的温度偏应力作用下，接近界面处的SiN _x 中的大部分态都被填充满了，导致载流子从这些态的发射几率增加。因为非晶结构的栅绝缘层SiN _x 中含有大量的带尾态，它们对发射进入的或低能量注入的电荷起到一个传输态的作用。

上面所介绍的是在施加直流栅偏压应力条件下器件性能变化，而在 AMLCD中，a-Si：H TFT是在典型的60Hz一定占空比的脉冲栅偏压下工作。研究表明：与施加正/负极性直流栅偏压应力的温度偏应力（Bias Temperature Stress，BTS）相比，施加正/负极性交流栅偏压应力BTS观察到的阈值电压漂移要明显更低，而且阈值电压漂移的数值随着施加负极性交流栅偏压应力 BTS 脉冲宽度的下降而下降。这种交流驱动导致阈值电压漂移更低可能是被捕获的电荷又发生电荷脱捕获的原因。

在AMLCD的TFT寻址中，栅压信号是由连续的不同正负极性宽度的脉冲组成的。因为正、负极性的栅偏压应力BTS引起的TFT器件阈值电压漂移是加成的净增量，因此需要事先进行BTS应力模拟和阈值电压漂移的计算，才能保证显示器在整个寿命期间有足够的栅偏压裕量。这种意义上的裕量可以定义为在像素充电期间，电流已经不能对像素进行充分充电（当前亮度低于规格值）之前的最大可接受的TFT器件阈值电压漂移值。在更高温度和/或不同占空比下，模拟加速阈值电压漂移因子，并在TFT面板正常工作条件下重新模拟，由此能够计算出所设计的TFT是否有足够的裕量来满足特定面板寿命规格，比如工作6万小时（约工作10年）。对于底栅TFT，研究了一种在既有正又有负极性脉冲栅偏压周期作用下评价 a-Si：H TFT 的Δ V _th 的方法。对于典型的SXGA AMLCD驱动条件，工作温度在70℃下，在工作大约6万小时后，阈值电压漂移大约3V。研究表明顶栅a-Si：H TFT阈值电压的漂移比底栅的更大。