端鵬飛，胡永生，郭曉陽，劉星元，范 翊*

(1.發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春 130033;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

1 引 言

有機(jī)薄膜晶體管(OTFT)是有機(jī)電子學(xué)的重要元器件之一，在柔性集成電路、透明顯示等領(lǐng)域具有誘人的應(yīng)用前景。雙極型 OTFT在有機(jī)CMOS集成電路領(lǐng)域更具優(yōu)勢，因而近年來受到越來越廣泛的重視［1-4］。然而，由于分子間相互作用力弱和結(jié)晶性能差的特點(diǎn)，有機(jī)半導(dǎo)體材料的載流子遷移率普遍較低，其中，能同時(shí)具有高空穴遷移率和高電子遷移率的材料則更少見［5-7］。因此，目前普遍的解決方法是分別采用高遷移率的電子和空穴傳輸材料，構(gòu)成混合體異質(zhì)結(jié)或雙層單異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)OTFT的雙極型傳輸［8-12］?；旌象w異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)通常會(huì)降低薄膜的結(jié)晶度，其遷移率會(huì)比各自單層薄膜低幾個(gè)量級。對于雙層單異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，注入勢壘等問題通常也會(huì)造成遷移率低于各自的單層薄膜器件，且由于異質(zhì)結(jié)效應(yīng)在這種結(jié)構(gòu)的器件中起到重要作用，導(dǎo)致器件受有機(jī)層薄膜厚度和形貌影響很大，需要嚴(yán)格地控制生長條件。以空氣穩(wěn)定的F16CuPc和CuPc構(gòu)成的雙層器件為例，其通常只表現(xiàn)出增強(qiáng)的單極傳輸特性［13］。通過優(yōu)化薄膜厚度和襯底溫度，可以表現(xiàn)出一定的雙極特性，一般在10－4～10－3cm2·V－1·s－1量級［14-15］。雖然更高的雙極遷移率也有報(bào)道［16-17］，但都是在特定結(jié)構(gòu)(Bi-channel)或者高的襯底溫度和工作電壓下得到的。

到目前為止，采用p-n-p或n-p-n三層雙異質(zhì)結(jié)來實(shí)現(xiàn)雙極型有機(jī)薄膜晶體管的研究尚鮮有報(bào)道。Li等［18］嘗試了 CuPc/TCNQ/CuPc三明治結(jié)構(gòu)的OTFT，但雙極傳輸性能非常有限。Hu等［19］報(bào)道了pentacene/C60/pentacene結(jié)構(gòu)的雙極型晶體管，但底層很薄的pentacene僅用來作修飾層，是否構(gòu)成雙異質(zhì)結(jié)并不清楚。本文采用F16CuPc/CuPc/F16CuPc雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了雙極型晶體管，與相同結(jié)構(gòu)和工藝的雙單層異質(zhì)結(jié)器件相比，雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了優(yōu)異的雙極傳輸特性。

2 實(shí) 驗(yàn)

圖1 器件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic architecture of the double heterojunction OTFT based on F16 CuPc/CuPc/F16 CuPc

器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。F16CuPc和CuPc分別購自上海翰豐和吉林奧萊德公司，十八烷基三氯硅烷(OTS)購自Sigma-Aldrich公司。襯底為帶有300 nm二氧化硅的硅片(電阻率0.001～0.003 Ω·㎝)。F16CuPc/CuPc/F16CuPc依次通過真空蒸鍍的方法沉積到經(jīng)OTS處理的襯底上，沉積速率為1.5 nm/min，真空度 ＜2 ×10－4Pa，襯底溫度保持在100℃。其中，第一層F16CuPc的厚度為13 nm;第二層 CuPc為30 nm;第三層F16CuPc分為 0，6.5，13，26 nm 幾個(gè)不同厚度(分別記作器件A、B、C、D)。最后通過掩膜蒸鍍50 nm的Au作為源漏電極，溝道寬長比W/L=4 000 μm/200μm。薄膜厚度由表面輪廓儀 (Ambios XP-1，Ambios Technology，USA)測量，蒸發(fā)速率由石英晶振膜厚儀探測，器件電學(xué)參數(shù)由Keithley 4200 SCS半導(dǎo)體特性分析系統(tǒng)在空氣環(huán)境下得到。

3 結(jié)果與討論

圖2為器件A、B、C、D在不同源漏電壓VD下的轉(zhuǎn)移特性曲線(即溝道電流ID隨柵極電壓VG的關(guān)系)?？梢钥吹?，器件A僅表現(xiàn)出電子傳輸特性，這一現(xiàn)象與 Rost等的報(bào)道［13］類似。該文獻(xiàn)指出，當(dāng)?shù)谝粚覨16CuPc超過某個(gè)臨界厚度(～12 nm)時(shí)，由F16CuPc和CuPc組成的雙層結(jié)構(gòu)器件僅表現(xiàn)出電子傳輸特性。器件B、C和D表現(xiàn)出了明顯的雙極傳輸特性，且電子傳輸?shù)玫搅撕艽蟮脑鰪?qiáng)，說明頂層F16CuPc的引入能夠明顯改善雙層結(jié)構(gòu)載流子的傳輸。我們認(rèn)為雙異質(zhì)結(jié)效應(yīng)在其中起到了關(guān)鍵作用。當(dāng)F16CuPc和CuPc形成接觸時(shí)，電子和空穴會(huì)分別聚集在二者界面兩側(cè)，形成由CuPc一側(cè)到F16CuPc一側(cè)的內(nèi)建電場［20］。于是，頂層F16CuPc的引入會(huì)形成如圖3所示的內(nèi)建電場(界面1和2處的內(nèi)建電場分別記為E1和E2，方向?yàn)榧^指向)。當(dāng)外加電場方向與E1相同時(shí)，界面2處的勢壘將降低，導(dǎo)致CuPc中的空穴大量進(jìn)入頂層F16CuPc，從而被Au電極收集，實(shí)現(xiàn)空穴傳輸。當(dāng)外加電場方向與E2相同時(shí)，界面1處的勢壘會(huì)降低，底層F16CuPc中的電子將大量進(jìn)入CuPc層。盡管此時(shí)界面2處的勢壘增加了，但電子從CuPc的LUMO能級進(jìn)入頂層F16CuPc的LUMO能級不會(huì)受到影響，因此也能實(shí)現(xiàn)電子傳輸。同時(shí)，界面2處勢壘的增強(qiáng)能有效減小CuPc中空穴對進(jìn)入頂層F16CuPc中電子的作用，從而增強(qiáng)了電子的傳輸。

圖2 不同頂層F16 CuPc厚度器件的轉(zhuǎn)移特性曲線Fig.2 Transfer characteristics of the devices with different thickness of top F16 CuPc layer

圖3 三層結(jié)構(gòu)能級及內(nèi)建電場示意圖Fig.3 Built-in electric fields of a double heterojunction OTFT

圖4為器件C的典型的傳輸和轉(zhuǎn)移特性曲線。從圖4(a)可以看出，當(dāng)VG＞0時(shí)，器件C即表現(xiàn)出與單極器件相似的電子傳輸特性。當(dāng)VD－VG＞60 V時(shí)，ID在飽和端增強(qiáng)，表現(xiàn)出空穴電流。同樣，從圖4(b)也能觀察到空穴電流的飽和以及電子電流增強(qiáng)的雙極傳輸特性。圖4(c)是器件的轉(zhuǎn)移特性曲線，可以看到，在不同的VD下，ID隨VG出現(xiàn)明顯的雙極傳輸特性。根據(jù)圖4(c)，由式(1)可以計(jì)算出器件的場效應(yīng)遷移率:其中μ為場效應(yīng)遷移率，Ci為柵極絕緣層單位面積電容，W和L分別為器件溝道寬和長，VT為閾值電壓。計(jì)算得到空穴和電子遷移率分別為2.51 ×10－3，5.27 × 10－2cm2·V－1·s－1。其中電子遷移率為由這兩種材料構(gòu)成的雙極薄膜晶體管報(bào)道的最好結(jié)果之一?？昭ㄟw移率雖然不太高，但較之相同結(jié)構(gòu)和工藝的雙層結(jié)構(gòu)器件已有本質(zhì)的改善(見表1)。這些結(jié)果的改善，我們認(rèn)為歸因于前面分析的雙層異質(zhì)結(jié)效應(yīng)。如果能夠在雙極傳輸?shù)碾p層結(jié)構(gòu)上引入頂層F16CuPc，應(yīng)有助于空穴載流子的進(jìn)一步提高。

圖4 器件C的典型的輸出和轉(zhuǎn)移特性曲線。(a)V G=0～50 V時(shí)的輸出特性曲線;(b)V G=－50～－90 V時(shí)的輸出特性曲線;(c)V D=±30 V和V D=±50 V時(shí)的轉(zhuǎn)移特性曲線。Fig.4 Typical output and transfer characteristics of device C.(a)Output characteristics with V G=0－50 V.(b)Output characteristics of device C with V G=－50－ －90 V.(c)Typical transfer characteristics with V G= ±30 V and V D= ±50 V.

表1給出了不同器件的閾值電壓和載流子遷移率?？梢钥吹剑昭ㄟw移率隨著頂層F16CuPc厚度的增加先增加后降低。根據(jù)文獻(xiàn)［20］，F(xiàn)16CuPc和CuPc形成的異質(zhì)結(jié)的作用范圍約為10 nm，當(dāng)頂層F16CuPc厚度小于10 nm時(shí)，進(jìn)入頂層F16CuPc的空穴容易受異質(zhì)結(jié)處電子的影響;而當(dāng)厚度大于10 nm時(shí)，隨著F16CuPc厚度的增大，將會(huì)出現(xiàn)更多的空穴陷阱，因此，器件B的空穴遷移率高于其他器件。對于電子遷移率，其隨頂層F16CuPc厚度的改變變化不大，但器件B、C、D比器件A有了顯著提高，原因前面已提到。同樣，空穴閾值電壓隨頂層F16CuPc厚度的增加出現(xiàn)先減小后增大的變化也能通過異質(zhì)結(jié)的作用范圍和空穴陷阱的增加得到解釋。最后，電子閾值電壓在整個(gè)變化過程中保持基本恒定?？梢灶A(yù)期，通過控制CuPc層的厚度，電子閾值電壓也同樣可以得到調(diào)控。

表1 不同頂層F16 CuPc厚度的器件的主要性能參數(shù)Table 1 Summary of carriermobilities and threshold voltages of different devices

4 結(jié) 論

在F16CuPc/CuPc雙層單異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)薄膜晶體管的基礎(chǔ)上，通過引入額外的F16CuPc層，構(gòu)造出三層雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)器件，使器件由單極傳輸變?yōu)殡p極傳輸，器件的電子遷移率提高了4～5倍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙異質(zhì)結(jié)是改善雙極型OTFT性能的一條有效途徑。更多有機(jī)材料形成的雙異質(zhì)結(jié)OTFT以及薄膜形貌與異質(zhì)結(jié)效應(yīng)的綜合影響將值得更深入的研究。

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