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        基于有限元方法的有機(jī)場效應(yīng)晶體管特性模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        2016-11-19 07:02:10吳仁磊程曉曼
        發(fā)光學(xué)報(bào) 2016年10期
        關(guān)鍵詞:漏極絕緣層晶體管

        王 倩, 吳仁磊, 吳 峰, 程曉曼

        (天津理工大學(xué) 理學(xué)院, 天津 300384)

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        基于有限元方法的有機(jī)場效應(yīng)晶體管特性模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        王 倩, 吳仁磊, 吳 峰*, 程曉曼*

        (天津理工大學(xué) 理學(xué)院, 天津 300384)

        采用有限元方法,借助多物理場軟件COMSOL模擬了底柵頂接觸結(jié)構(gòu)有機(jī)場效應(yīng)晶體管電位和載流子濃度隨源漏電壓Vds的變化。模擬結(jié)果表明,當(dāng)固定柵壓Vg=-10 V時,改變Vds從0~-10 V,對于電位分布,從柵極到源漏電極豎直方向有漸進(jìn)的變化,而從源極到漏極的水平方向呈現(xiàn)由大到小明顯的梯度變化。對于載流子濃度,觀察到溝道處從源極向漏極逐漸減少,在靠近漏極的區(qū)域減少得尤為明顯,而當(dāng)源漏電壓等于柵極電壓時,產(chǎn)生夾斷現(xiàn)象。進(jìn)一步將模擬結(jié)果與實(shí)際制備的器件性能進(jìn)行了對比,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所顯示的分布趨勢大體相同,印證了模擬的合理性。由此表明,采用模擬方法分析有機(jī)場效應(yīng)晶體管的器件特性,對于實(shí)際制備器件具有重要的指導(dǎo)意義。

        有機(jī)場效應(yīng)晶體管; 有限元方法; 電位; 載流子

        1 引 言

        有機(jī)場效應(yīng)晶體管(Organic field effect transistor,OFET)由于具有成本低、機(jī)械柔性、能夠大面積制備等優(yōu)點(diǎn)[1-3],在有機(jī)存儲器件、柔性平板顯示和大面積傳感陣列等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[4-6]。近年來,OFETs在實(shí)驗(yàn)方面的研究取得可喜的進(jìn)展,用單晶并五苯作有源層制備的OFET遷移率已達(dá)到35 cm2/(V·s)[7],可與氫化非晶硅(α-Si∶H)乃至多晶硅[8]相媲美。相比于OFETs性能的不斷改進(jìn),OFETs理論研究相對進(jìn)展緩慢,很多基本概念都是借鑒無機(jī)半導(dǎo)體的已有成果,尚未建立起自己的理論體系,因而進(jìn)一步開展OFETs理論研究至關(guān)重要。

        對于OFETs理論研究而言,一般是依據(jù)OFET器件的結(jié)構(gòu)構(gòu)建其電路模型[9-10]或依據(jù)OEFT器件的工作原理推導(dǎo)其電特性模型[11-12],分析器件參數(shù)對其性能的影響,但建立模型過程復(fù)雜,參數(shù)獲取比較困難。通過計(jì)算機(jī)的模擬計(jì)算得到OEFT器件的性能參數(shù),可以在不制造出實(shí)際器件的前提下模擬分析器件的物理特性和電學(xué)特性,既節(jié)約成本又能提高效率。目前有限元法是器件模擬的主要方法,主要用于研究器件內(nèi)部載流子的狀態(tài),不僅適用于復(fù)雜的器件邊界,還可以幫助理解器件內(nèi)部的工作原理[13-15]。張成文等[16]基于有限元方法,應(yīng)用COMSOL軟件,對頂柵底接觸并五苯OFET進(jìn)行了模擬,得到一些初步結(jié)果。然而,實(shí)驗(yàn)室制備的OFET大多是底柵頂接觸結(jié)構(gòu),故其對實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)性具有局限性。鑒于OEFT器件模擬尚屬起步階段,如何利用計(jì)算機(jī)軟件模擬得到適用于不同結(jié)構(gòu)、不同材料的器件模型,將模擬結(jié)果用于優(yōu)化實(shí)際器件,對于提高器件性能具有重要意義。

        OFET的基本工作原理是通過控制柵壓調(diào)節(jié)導(dǎo)電溝道中載流子的濃度從而調(diào)節(jié)電流,因而電位和載流子濃度是表征OFET的重要性能參數(shù)。本文借助有限元方法,通過多物理場軟件COMSOL構(gòu)建了底柵頂接觸結(jié)構(gòu)OFET,利用靜電場模塊和對流擴(kuò)散模塊模擬出器件電位和載流子濃度隨源漏電壓的變化。進(jìn)一步改變絕緣層介電常數(shù)ε和厚度d等性能參數(shù)進(jìn)行了模擬,將其結(jié)果與實(shí)際制備的器件性能進(jìn)行了對比,驗(yàn)證了模擬的合理性。

        2 建立模型

        2.1 建立物理模型

        模擬的OFET器件采用底柵頂接觸結(jié)構(gòu),如圖1所示。將器件看成一平板電容器,源漏電極和有源層作一個極板,柵極作另一個極板。溝道中的載流子濃度通過柵壓Vg進(jìn)行調(diào)節(jié)。在外加Vg情況下,絕緣層附近的有源層感應(yīng)出電荷,形成導(dǎo)電溝道。在一定的源漏電壓Vds下,感應(yīng)電荷參與導(dǎo)電,形成源漏電流Ids。Vg不變時,Ids隨著Vds的增大而增大。當(dāng)Vds不斷增大到Vg或大于Vg時,出現(xiàn)夾斷現(xiàn)象,Ids趨于飽和。

        2.2 建立數(shù)學(xué)模型

        考慮OFET器件使用理想的P型材料作有源層,多子為空穴,少子電子可忽略不計(jì),且載流子的產(chǎn)生復(fù)合率(R)對于注入型OFET來說可以忽略,故從Maxwell方程組出發(fā),得到用于模擬器件電位的泊松方程:

        (1)

        載流子濃度的連續(xù)性方程:

        (2)

        電流密度方程:

        Jp=qμppE-qDpp,

        (3)

        其中,φ為電位,q為單位點(diǎn)電荷電量,ε0為真空介電常數(shù),εr為相對介電常數(shù),p為載流子濃度,N為合成負(fù)電中心濃度,μp為空穴遷移率,E為電場強(qiáng)度,Dp為擴(kuò)散系數(shù)。方程(1)、(2)、(3)為模擬所需建立的數(shù)學(xué)模型。

        2.3 確立邊界條件

        模擬時根據(jù)實(shí)際OFET器件情況設(shè)定邊界。

        3 模擬過程

        3.1 選擇模塊及構(gòu)建模型

        采用有限元方法,借助多功能物理場COMSOL軟件,選擇靜電模塊和對流與擴(kuò)散模塊添加到多物理場中,對其屬性作設(shè)定。首先將器件模型在COMSOL中構(gòu)建出來,源漏電極Au為80 nm,有源層并五苯為100 nm,絕緣層PMMA為350 nm,柵極ITO為110 nm,如圖1所示。同時令源漏電極和溝道長度相同,均為L=1 μm,即整個器件的長度為3 μm。

        3.2 設(shè)置常數(shù)和表達(dá)式

        常數(shù)設(shè)置如下:電荷電量q為1.6×10-19C,溫度T為300 K,玻爾茲曼常數(shù)k為1.38×10-23J/K,PMMA相對介電常數(shù)為2.9,并五苯的相對介電常數(shù)為3,空穴遷移率μp為1 cm2/(V·s)。同時,將kT/q設(shè)為表達(dá)式Vt,Dp設(shè)為Vtμp,最后設(shè)表達(dá)式V=Vd·(1-e-x)/(1-e-10-6)[17],其值與邊界條件有關(guān)。

        3.3 設(shè)置求解域

        的系數(shù),ε0值由系統(tǒng)自動設(shè)置[18],d值、p值和εx值則根據(jù)各區(qū)域?qū)嶋H情況做合理設(shè)定。同理,對流與擴(kuò)散模塊確定的電流密度方程為(Dp+pu)=R,由于載流子分布在有源層內(nèi),故區(qū)域啟動只選擇有源層,其他區(qū)域不予考慮。有源層內(nèi),初值設(shè)置為N,D值、R值和載流子的漂移速度u則根據(jù)有源層的實(shí)際情況做設(shè)定。

        3.4 設(shè)置邊界條件

        源漏電極與有源層、柵極與絕緣層的接觸面均設(shè)為理想的歐姆接觸,設(shè)絕緣層和有源層溝道邊界滿足Vs=Vd·(1-e-x)/(1-e-L),與表達(dá)式V相關(guān)。載流子密度的邊界條件設(shè)置僅限于有源層邊界,與空氣接觸邊界均選擇絕緣/對稱。

        3.5 網(wǎng)絡(luò)化及求解

        進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)初始化以及細(xì)化網(wǎng)格,求解器類型選擇參數(shù)型,參數(shù)名設(shè)置為Vd,取值范圍為[0,-10],步值為-1。

        4 模擬結(jié)果與分析

        4.1 電位隨源漏電壓變化的分布

        圖2為固定柵壓Vg=-10V,改變源漏電壓Vds從0~-10V時的COMSOL軟件輸出的模擬電位圖,展示了器件工作過程中各場點(diǎn)的電位變化。由圖2標(biāo)尺所示,模擬電位值大小按照顏色赤橙黃綠青藍(lán)的順序依次表示。當(dāng)Vds=0V時,電位從源漏電極到柵極逐漸減小,如圖2(a)所示。當(dāng)Vds=-4V時,漏極附近等位線抬升并深入到有源層溝道中,如圖2(c)所示。當(dāng)Vds=-7V時,漏極附近等位線深入有源層溝道并開始向溝道中間移動,如圖2(e)所示。當(dāng)Vds=-10V時,漏電極和柵極的電位相同,各數(shù)值等位線把溝道近似均勻分割,此時為線性區(qū)接近飽和區(qū)的臨界工作狀態(tài),如圖2(f)所示。綜上可知,隨著Vds增加,等位線向溝道靠近漏極方向抬升,并按電位值大小依次深入有源層溝道和靠近溝道中間,使電位從源極到漏極呈現(xiàn)由大到小的梯度變化。

        圖2 固定Vg=-10V,不同Vds下的OFET的模擬電位圖。(a) Vds=0V;(b) Vds=-2V;(c) Vds=-4V;(d) Vds=-6V;(e) Vds=-7V;(f) Vds=-10V。

        Fig.2SimulatedpotentialmapofOFETwithdifferentVdswhileVg=-10V.(a) Vds=0V. (b) Vds=-2V. (c) Vds=-4V. (d) Vds=-6V.(e) Vds=-7V. (f) Vds=-10V.

        4.2 載流子濃度隨源漏電壓變化的分布

        圖3為固定柵壓Vg=-10V,改變源漏電壓Vds從0~-10V時的COMSOL軟件輸出的模擬載流子圖,展示了器件工作過程中溝道載流子累積的過程。由圖3標(biāo)尺所示,載流子的濃度大小按照顏色赤橙黃綠青藍(lán)的順序依次表示。當(dāng)Vds=0V時,有源層內(nèi)載流子濃度對稱分布,并從溝道向上逐漸減小,如圖3(a)所示。當(dāng)Vds=-4V時,最大值等濃度線向溝道靠近漏極處彎曲,且最小值等濃度線開始向漏極方向抬升,如圖3(c)所示。當(dāng)Vds=-7V時,彎曲的極值等濃度線深入邊界,如圖3(e)所示。當(dāng)Vds=Vg=-10V時,最大值等濃度線彎曲程度近似為斜線,使得該區(qū)域的載流子濃度與兩側(cè)區(qū)域相同,器件處于臨界狀態(tài),夾斷過程形成,如圖3(f)所示。綜上可知,隨著Vds的增加,最大值等濃度線不斷向下彎曲直至深入溝道,使溝道附近的載流子濃度從源極向漏極逐漸減少,并在靠近漏極的區(qū)域減少得尤為明顯。

        圖3 固定Vg=-10V,不同Vds下的OFET的模擬載流子圖。(a) Vds=0V;(b) Vds=-2V;(c) Vds=-4V;(d) Vds= -6V;(e) Vds=-7V;(f) Vds=-10V。

        Fig.3SimulatedcarriermapofOFETwithdifferentVdswhileVg= -10V. (a) Vds=0V. (b) Vds=-2V. (c) Vds=-4V. (d) Vds=-6V. (e) Vds=-7V. (f) Vds=-10V.

        5 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對比

        為驗(yàn)證模擬的合理性,將改變器件性能參數(shù)絕緣層介電常數(shù)ε和厚度d的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室制備的實(shí)際器件性能進(jìn)行了對比。實(shí)驗(yàn)分別制備了以PMMA和PI為絕緣層的器件,以及PMMA厚度分別為260,310,390,410nm的器件。

        5.1 改變絕緣層介電系數(shù)ε的對比

        圖4為在Vg和Vds不變的情況下,固定絕緣層厚度d為400nm,改變絕緣層參數(shù)ε分別為3,6時輸出的模擬電位圖。由圖4可知,隨著絕緣層ε的增大,代表高電位值的等位線被代表低電位值的等位線取代,各場點(diǎn)的電位值φ減小,即所對應(yīng)的電位絕對值增大。

        圖4 d=400nm、Vg= -10V、Vds=-9V時,不同ε下的OFET的模擬電位圖。 (a) ε=3;(b) ε=6。

        Fig.4SimulatedpotentialmapofOFETwithdifferentεwhiled=400nm, Vg= -10V, Vds=-9V. (a) ε=3. (b)ε=6.

        圖5為固定絕緣層厚度d=400nm時,分別以PMMA(ε=2.9)、PI(ε=3.4)為絕緣層的OFET的實(shí)驗(yàn)輸出特性曲線。由圖5可知,Vg=-40V時,基于PMMA絕緣層的OFET的源漏電流為2.1×10-8A,而基于PI絕緣層OFET的源漏電流為9.3×10-7A,即當(dāng)Vg和Vds固定不變時,PMMA的Ids小于PI的Ids。

        為了理解模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的一致性,分析如下:將器件看成如前所述的平行板電容器,兩極板間電壓值設(shè)為U。一方面,U與C、ε、d、Q存在關(guān)系:

        (4)

        由公式(4)可知,ε增大,C增大,且柵壓Vg固定為-10V時,電荷Q不變,故而導(dǎo)致U值減小。

        而另一方面,當(dāng)施加源漏電壓時,引起注入電荷,導(dǎo)致Q值增大,由關(guān)系式:

        (5)

        (6)

        可知,ε增大,Q增大,面電荷密度σ′增大,載流子濃度p增大,電導(dǎo)率σ增大,最終導(dǎo)致電流密度J增大。而J又與源漏電流Ids成正比,因此,可得出結(jié)論,絕緣層ε增大時,源漏電流Ids隨之增大,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨于一致。

        圖5 并五苯OFET的輸出特性曲線。 (a)PMMA作絕緣層;(b)PI作絕緣層。

        Fig.5OutputcharacteristicsofpentaceneOFET. (a)PMMAasinsulationlayer. (b)PIasinsulationlayer.

        5.2 改變絕緣層厚度d的對比

        圖6為固定Vg和Vds,改變絕緣層厚度d分別為350,400,450,500nm時輸出的模擬載流子分布圖。由圖6可知,隨著絕緣層厚度的增大,代表高濃度載流子的紅色區(qū)域變小,即載流子濃度p減小。

        圖7為不同絕緣層厚度的OFET實(shí)驗(yàn)輸出特性曲線。由圖7可知,在柵電壓為-50V的情況下,以厚度分別為260,310,390,410nm的PMMA為絕緣層的OFET的Ids分別為1.04×10-6,6.2×10-7,8.8×10-8,1.94×10-8A,呈現(xiàn)依次遞減的趨勢。

        從公式(4)、(5)可知,d增大時電容C減小,電荷Q減小,導(dǎo)致載流子濃度p減小。再從公式(6)和(3)可知,p減小,電導(dǎo)率σ減小,導(dǎo)致電流密度J減小。因此可得出結(jié)論,絕緣層厚度d增大時,源漏電流Ids隨之減小,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢大體相同。

        圖6 固定Vg=-10V、Vds=-4V,不同絕緣層厚度d值下的載流子分布模擬圖。(a) d=350nm;(b) d=400nm;(c) d=450nm;(d) d=500nm。

        Fig.6SimulatedcarriermapwithdifferentdwhileVg=-10VandVds=-4V. (a) d=350nm. (b) d=400nm. (c) d=450nm. (d) d=500nm.

        6 結(jié) 論

        基于有限元方法,借助COMSOL軟件,對底柵頂接觸結(jié)構(gòu)的OFET進(jìn)行了模擬,得到了OFET隨Vds變化的電位和載流子濃度分布。對于電位分布,從源漏電極到柵極、從源極到漏極都有由大到小的梯度變化,這種變化隨著Vds的增大越來越明顯。對于載流子濃度,隨著Vds的增大,器件溝道處的載流子濃度從源極向漏極逐漸減少,有源層與空氣接觸處的載流子濃度則由源極向漏極逐漸增大。進(jìn)一步分別模擬了不同絕緣層介電常數(shù)ε和厚度d值的器件,發(fā)現(xiàn)當(dāng)ε增大時φ減小,Ids增大;當(dāng)d增大時p減小,Ids減小,與實(shí)驗(yàn)顯示的分布趨勢一致,印證了模擬的合理性。這表明,模擬方法可以在不制造實(shí)際器件的前提下分析器件特性,對于實(shí)際器件的制備具有有效性和通用性。

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        王倩(1993-),女,內(nèi)蒙古呼倫貝爾人,碩士研究生,2013年于天津理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位,主要從事有機(jī)光電子器件方面的研究。

        E-mail: liukj11@163.com程曉曼(1955-),女,浙江平陽人,博士,教授,碩士生導(dǎo)師,2005年于天津大學(xué)獲得博士學(xué)位,主要從事有機(jī)光電子器件方面的研究。

        E-mail: chengxm@tjut.edu.cn吳峰(1977-),男,河北安國人,博士,副教授,2009年于南開大學(xué)獲得博士學(xué)位,主要從事有機(jī)光電子器件和非線性光學(xué)方面的研究。

        E-mail: wufeng@tjut.edu.cn

        Simulation and Experimental Verification of Organic Field Effect Transistor Characteristic Based on Finite Element Method

        WANG Qian, WU Ren-lei, WU Feng*, CHENG Xiao-man*

        (SchoolofScience,TianjinUniversityofTechnology,Tianjin300384,China)

        *CorrespondingAuthors,E-mail:wufeng@tjut.edu.cn;chengxm@tjut.edu.cn

        The distribution of potential and carrier density under various source drain voltage of organic field effect transistor with bottom-gate top-contact geometry was simulated using the multi-physical field software COMSOL on the basis of the finite element method. The potential has gradually changed from source electrode to gate electrode in the vertical direction with the increase of source drain voltage on the gate voltageVg=-10 V and source drain voltageVdsin the range from 0 to -10 V, while the potential in the horizontal direction is even more obvious, which shows a gradient change from high to low. For the carrier density, the distribution of the carrier density reduces gradually from source electrode to drain electrode in the channel, and an evident reduction can be observed near the drain with the increase of source drain voltage. When the source drain voltage is equal to the gate voltage, the carrier density in the area reduces to a minimum and the phenomenon of pinch-off occurrs. Comparing the simulation results with the performance of devices, it is found that the simulation results have the same variation trend as that of the experimental data, which confirms the rationality of the simulation. In a word, it is instructive that the simulation method can be employed to analyze the characteristics of organic field effect transistor for the practical devices fabrication.

        organic field effect transistor; finite element method; potential; carrier

        1000-7032(2016)10-1245-08

        2016-04-28;

        2016-05-24

        國家自然科學(xué)基金(61076065,11204214)資助項(xiàng)目

        TN386; O47

        A

        10.3788/fgxb20163710.1245

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