多晶介電層在反射式顯示、集成電路、電容器等多種應用中對器件的可靠性和壽命起著決定性的作用。然而，由于其涉及的復雜物理機制，對介電層的老化失效過程進行準確的物理建模一直是理論研究的難點。近日，華南師范大學華南先進光電子研究院彩色動態電子紙研究所周國富團隊劉飛龍副研究員課題組建立了多晶介電薄膜經時擊穿（TDDB）過程的三維機理模型。
該模型基于電子的多聲子缺陷輔助隧穿理論，考慮了介電層晶粒邊界處缺陷位置與能量的離散性，通過求解描述隧穿電荷動力學的三維主方程和泊松方程，得到穿過介電層的漏電流密度。同時將每個電荷捕獲和發射的凈聲子作為局部點熱源處理，將局部產熱功率導入傅里葉熱流方程進行三維溫度分布計算。新的缺陷態位置由局部溫度和電場確定其概率并由蒙特卡羅算法生成，隨后將其納入下一輪的電熱耦合性質計算。該計算過程形成正反饋回路，逐漸導致陷阱密度、溫度和漏電流密度的增加，最終導致介電擊穿。結合實際材料參數，該模型能較好地近似再現出不同介電層厚度、電壓和溫度下的實驗漏電流密度-電壓特性曲線和擊穿時間的威布爾分布。
基于該模型研究發現，在實際器件中，當介電層接近擊穿時，電子在三維缺陷之間的傳輸過程對漏電流的貢獻不可忽略。同時，該模型的一大特色是識別與每個缺陷相關的漏電流，通過對比TDDB過程中各個部分缺陷對漏電流的貢獻發現，在TDDB的早期階段，電流的增加主要是由于缺陷濃度的增加；在接近擊穿的TDDB的后期，增加的電流是同時由于缺陷濃度的增加和電子在缺陷與缺陷之間跳躍速率的上升造成的電流增加。該模型使用三維主方程方法計算效率高，可以實現在標準臺式機上輕松完成103個缺陷的演化計算。本文提出的關于介電擊穿的物理理論模型，為介電層的可靠性優化提供了新的設計準則。相關成果近期以題為“Three-dimensional mechanistic modeling of time-dependent dielectric breakdown in polycrystalline thin films”發表在應用物理領域頂級期刊Physical Review Applied上。華南師范大學劉飛龍副研究員與周國富教授為共同通訊作者。華南師范大學張青清（2020級碩士生）為本論文的第一作者。于立帥（2020級碩士生）、邊正品（2020級碩士生）、袁冬副研究員、孫海玲副研究員、唐彪研究員、陸旭兵教授為共同作者。論文鏈接： https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.19.024008
OLED為目前重要的顯示技術，其器件由有機分子無序堆積形成，與傳統無機晶體半導體不同。在傳統無機晶體半導體中，材料由較強的共價鍵結合，載流子為離域化的并且通過能帶進行輸運（band transport）。而OLED中分子材料由較弱的范德華力結合形成，載流子為定域化的并且通過非共振躍遷傳輸（hopping transport）。由于其物理本質的區別，傳統無機半導體的理論是否適用于OLED，是一個重要的有待研究的問題。劉飛龍副研究員團隊在該領域深耕多年，近期提出了不同于傳統無機半導體理論的OLED電荷注入新理論，以及OLED與金屬形成肖特基勢壘的新理論。相關論文如下：Schottky-contact formation between metal electrodes and molecularly doped disordered organic semiconductors, Phys. Rev. Applied 19, 024041 (2023)https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.19.024041
劉飛龍課題組使用三維動力學蒙特卡羅（KMC）模擬研究了金屬電極和分子摻雜無序有機半導體之間肖特基接觸的形成在多大程度上可以符合晶體無機半導體的理論，研究了電荷載流子所處的局域化狀態以及在分子間跳躍傳輸的影響。我們發現當忽略能量無序時，肖特基接觸耗盡區的厚度明顯小于預期的厚度；還發現能量無序的存在影響單層雙肖特基器件的電極附近耗盡區寬度的電壓依賴性。我們基于摻雜濃度、能量無序度和電場的影響，精確對遷移率函數進行參數化，通過半解析模型成功地描述了雙肖特基結中兩個耗盡區和它們之間電荷中性層上的電壓降。我們進一步發現耗盡區的遷移率顯著降低，從而導致結果耗盡區形成過程可以是超慢的，具有從微秒到甚至超過毫秒的特征時間尺度。Image-force-stabilized interfacial dipole layer impedes charge injection into disordered organic semiconductors, Phys. Rev. Applied 17, 024003 (2022)https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.17.024003
劉飛龍課題組使用三維動力學蒙特卡羅模擬表明，電荷載流子從金屬電極注入無序有機半導體在標稱歐姆注入條件下受到鏡像力穩定界面偶極層中電荷載流子之間的短程庫侖相互作用的強烈阻礙。相比之下，三維主方程和傳統的一維漂移擴散模擬由于其基于平均場近似而低估了這些庫侖相互作用，所以無法準確包含載流子之間的庫倫耦合效應。我們模擬預測得到當標稱注入勢壘非常小或甚至為負時，有機半導體器件中的電流密度降低，這與最近的實驗結果一致[Kotadiya et al.，Nat. Mater. 17329（2018）]。與該文中對界面附近能級無序程度增強的解釋不同，在本文中，我們發現，不需要對界面附近進行能級無序度增強，僅僅在準確考慮了超越平均場近似的電荷-電荷相互作用之后，已經可以成功地解釋該反常實驗結果。
劉飛龍為華南師范大學在“雙一流”物理學科建設的背景下于2021年引進的應用物理類青年拔尖人才，2022年入選廣東省海外高層次人才引進計劃（青年拔尖），入職后以華南師范大學為第一單位已在Physical Review Applied期刊發表第一/通訊作者論文3篇，已在新型顯示器件物理領域提出多項原創性的新理論、建立新的物理模型，并開發實現原創自主的理論模擬工具。以上工作得到了國家重點研發計劃重點專項項目(No. 2021YFB3600601)、廣東省海外高層次人才引進計劃（青年拔尖）項目、國家自然科學基金項目(No. 62005083,12004119)、廣州市科技計劃項目(No. 2019050001)、“廣東特支計劃”本土創新創業團隊項目(No. 2019BT02C241)，教育部“長江學者和創新團隊發展計劃”資助項目(No. IRT 17R40)、中國博士后科學基金(No. 2020M672667)、廣東省自然科學基金(No. 2021A1515010623)、廣東省光信息材料與技術重點實驗室(No. 2017B030301007)、廣州市類紙顯示材料與器件重點實驗室(No. 201705030007)、教育部光信息國際合作聯合實驗室及國家高等學校學科創新引智計劃111引智基地-光信息引智基地的支持。
（來源：華南師范大學）
