虞舒寧 王浩楠 曹家榮 蔣 瑞 陸浩東 奚璀璐 姚 博

(紹興文理學(xué)院 數(shù)理信息學(xué)院，浙江 紹興 312000)

0 引言

有機場效應(yīng)晶體管(organic field-effect transistor,OFET)分類成單極型OFET和雙極型OFET.單極型OFET只能工作在p溝道或n溝道模式，而雙極型OFET可以通過改變柵極電壓的極性實現(xiàn)p溝道和n溝道模式的轉(zhuǎn)變[1].在p型器件中，場效應(yīng)電流主要由空穴的輸運產(chǎn)生，主要是受空穴密度和空穴遷移率的影響， 同理n型器件中場效應(yīng)電流主要由電子的輸運產(chǎn)生.相比無機的n型晶體管和p型晶體管只能依靠電子或空穴來進行工作[2-4]，大部分有機半導(dǎo)體都具有的共軛結(jié)構(gòu)，使得其在產(chǎn)生一個電子的時候也會產(chǎn)生一個空穴，因此同一種有機半導(dǎo)體在合適的條件下都可以表現(xiàn)出n型和p型特性，即雙極型器件.雙極型有機半導(dǎo)體器件在有機集成電路方面已經(jīng)引起了諸多學(xué)者的關(guān)注[5].

目前的集成電路主要是由無機互補電子電路(簡稱CMOS)組成，包含p型和n型晶體管的集成電路.有機集成電路也可以采用類CMOS結(jié)構(gòu)，即采用一個p-OFET和一個n-OFET組成單個CMOS，也可以采用由兩個雙極型OFET來組成單個CMOS.因此采用雙極型OFET可以大大降低有機集成電路的工藝和成本.有機光敏晶體管(OPT)作為OFET的重要應(yīng)用之一，同時具有光檢測和電流放大的作用，相比于有機光電二極管(OPD)，OPT表現(xiàn)出了更好的靈敏度和更低的噪聲[6-8].OPT的集成也越來越重要，其中采用雙極型OPT就是一種重要的方法.

通常雙極型OFET可以通過使用單層雙極性材料[9]、pp/pn平面異質(zhì)結(jié)[10]或體異質(zhì)結(jié)[11]來制備.平面異質(zhì)結(jié)可以方便地將兩種高遷移率的材料結(jié)合于同一個OFET中，制成雙極型OFET.本文采用高遷移率的p型半導(dǎo)體并五苯(pentacene)[12]和n型半導(dǎo)體N,N′-二正辛烷基-3,4,9,10-苝四甲酰二亞胺(PTCDI-C8)[13]，通過熱蒸發(fā)的方式形成平面異質(zhì)結(jié). 在二者基礎(chǔ)上添加具有寬吸收光譜的酞菁錫(phthalocyanatotin(II)，SnPc)層，即得到所研究的OPT.本文主要對該器件的吸收光譜特性、黑暗和光照下的電學(xué)特性進行研究.

1 實驗

PTCDI-C8，>98%購買于Tokyo Chemical Industry公司，并五苯和SnPc分別購買于Acros公司和Alfa Aesar 公司.使用2 mm厚的中性石英片(光透過率>97%)來進行吸收光譜的測試.包含500 nm厚SiO2的重摻雜N型硅片(100型，Ci=6.90 nF/cm2)作為OPT的基底和柵極電介質(zhì)層.器件采用的是如圖1的底柵頂接觸(Bottom Gate Top Contact,BGTC)結(jié)構(gòu).硅片經(jīng)由丙酮、酒精、去離子水反復(fù)超聲波清洗之后用N2吹干，隨后立即轉(zhuǎn)移到手套箱中.采用真空熱蒸發(fā)(氣壓優(yōu)于5×10-4Pa)分別依次在基片上沉積40 nm并五苯層、40 nm PTCDI-C8活性層以及20 nm厚的酞菁錫SnPc薄膜.最后通過掩模版沉積50 nm厚的金作為源漏電極，其中溝道的長寬比(W/L)為2 mm/50 μm.

圖1 器件的結(jié)構(gòu)圖

薄膜的吸收光譜測試由UV-3600紫外分光光度計(Shimadzu)測得.器件的電學(xué)特性測試采用的是配備了是德B1500A半導(dǎo)體參數(shù)分析儀的探針臺(Lakeshore,TTPX).電學(xué)測試處于暗室，壓強在1×10-5Torr以下.選取了波長為532 nm(最大功率為50 mW)的激光器作為光源.光線從活性層的上側(cè)垂直射入.使用不同透過率的中性濾光片來構(gòu)造不同的入射光功率，并使用經(jīng)過校正的光電二極管(Newport/Oriel)確定樣品表面的光功率.

2 結(jié)果與討論

2.1 器件吸收光譜

圖2是利用真空蒸發(fā)法在石英片襯底上制備的pentacene (以下簡稱Pent)薄膜(40 nm)、PTCDI-C8(以下簡稱C8)薄膜(40 nm)、SnPc薄膜(20 nm)和混合異質(zhì)結(jié)薄膜(100 nm)的紫外-可見-近紅外吸收光譜.從圖中可以看出：pentacene的吸收范圍主要在650～680 nm，PTCDI-C8的吸收范圍420～600 nm，SnPc在250～900 nm具有不錯的吸收，在250～400 nm和600～900 nm的更強.三種單層材料薄膜的吸收光譜存在一定的互補性，放在一起可以用來制備寬吸收光譜的OPT，而由三種材料制備的混合異質(zhì)結(jié)薄膜吸收也確認了這一點.Pent/C8/SnPc在200～900 nm的范圍內(nèi)均有不錯的吸收，本文選取了532 nm波長的光來進行器件光敏特性的測試.

圖2 并五苯、PTCDI-C8、酞菁錫及混合層的紫外-可見-近紅外吸收光譜

2.2 黑暗下器件電學(xué)特性

如圖3為黑暗下Pent/C8/SnPc-Au的輸出特性與轉(zhuǎn)移特性曲線.器件的源漏電流Ids在正柵壓和負柵壓下都得到了增強，表明了器件具有雙極性.器件在高正柵壓下表現(xiàn)出電子積累模式，而在高負柵壓下表現(xiàn)出空穴積累模式.在圖3(a)中，當施加負向的Vgs，0 V>Vgs≥-30 V時，在較低的負向Vds下，空穴傳輸占溝道電流的主導(dǎo)地位.隨著Vds的負偏壓增大，當柵極的偏壓大于閾值電壓時，電子開始從源極注入，Ids迅速呈指數(shù)形式增大，器件形成雙極性的電流輸出.隨著Vgs的負偏壓增大，Ids逐漸減小，在Vgs≈ -30 V時達到最小值，這一點在轉(zhuǎn)移特性圖像圖3(b)中也有體現(xiàn).當Vgs< -30 V時，隨著Vgs的負偏增大，Ids隨之增大，并呈現(xiàn)出典型的p-溝道飽和電流輸出特性.圖3(c)則是施加了正向的Vgs，當30 V ≥Vgs> 0 V時，Ids隨著Vds的增加而呈指數(shù)形式增加.而且Ids隨著Vgs的增加而減小，在Vgs≈ 30 V的時候取得最小值，這點同樣從圖3(d)的轉(zhuǎn)移特性圖像中也可以看到.當Vgs> 30 V時，呈現(xiàn)出典型的n-溝道飽和電流輸出特性.在器件的輸出特性曲線中，在|Vgs| = 80 V，|Vds| = 50 V時，p溝道的Ids=-1.27 μA，和n溝道的Ids= 3.18 μA，二者是在同一個量級.

(a)p溝道輸出特性 (b)p溝道轉(zhuǎn)移曲線 (c)n溝道輸出特性 (d)n溝道轉(zhuǎn)移曲線圖3 黑暗下Pent/C8/SnPc器件的電流特性

OFET的載流子遷移率和閾值電壓可以通過擬合線性區(qū)的輸出特性曲線(公式1)或飽和區(qū)的轉(zhuǎn)移特性曲線(公式2)獲得[7]，

(1)

(2)

其中L和W分別是導(dǎo)電溝道長和寬，Cox為柵介質(zhì)層每單位面積的電容，Vgs和Vds分別是柵極電壓和源漏電壓.μlin和Vth,lin分別是器件在線性區(qū)的遷移率和閾值電壓，而μsat和Vth,sat則是飽和區(qū)的遷移率和閾值電壓.對于理想的無機場效應(yīng)管，公式1和公式2分別求得的遷移率和閾值電壓是相等的，但是對于有機場效應(yīng)管，它們往往不相等.通過公式1對圖3(b)和圖3(d)中器件的轉(zhuǎn)移特性曲線線性擬合可得，n溝道電子遷移率為1.67×10-2cm2/Vs，閾值電壓為36.16 V，而p溝道空穴遷移率為5.23×10-3cm2/Vs，閾值電壓為-33.97 V.可以看到二者的遷移率在同一數(shù)量級，閾值電壓也基本對稱.這表明了器件在黑暗下就具有較好的平衡雙極型傳輸特性.兩種溝道模式器件的開關(guān)比分別為4.75×102和5.6×102.

2.3 光照下器件電學(xué)性能

在加入波長為532 nm的綠光后，器件光照下的輸出與轉(zhuǎn)移特性如圖4所示.可以看到：(1)n溝道模式下，如圖4(c)和4(d)，Ids隨著光功率的增加而減小.在加入最大功率為21.96 mW/cm2的光照時，Ids從黑暗下4.48 μA降低到0.12 μA.(2)p溝道模式，如圖4(a)和4(b)，Ids隨著光功率的增加而增加，在加入最大功率為21.96 mW/cm2的光照時，Ids從黑暗下的-1.25 μA增加到-2.43 μA.

(a)p溝道輸出特性 (b)p溝道轉(zhuǎn)移曲線 (c)n溝道輸出特性 (d)n溝道轉(zhuǎn)移曲線.

為了更加定量的表征器件光敏性能我們計算得到器件的光靈敏度P(photosensitivity)，光響度R(photoresponsitivity)參數(shù)[14].通過公式可以求得：

(3)

(4)

其中Popt是指單位面積的光功率，A是指器件有效的照射面積，在這里A等于溝道寬W乘以溝道長L.Iph=Iopt-Idark，指的是凈光生電流.最大光暗電流比Pmax取自轉(zhuǎn)移曲線中，是指關(guān)態(tài)下的暗電流最小值及對應(yīng)柵壓下的凈光生光電流的比值.計算所得參數(shù)如表1所示

表1 OPT性能參數(shù)a

a參數(shù)均取自轉(zhuǎn)移特性曲線的Vgs=|80| V，Vds=|50| V處.

b取自光功率為21.96 mW/cm2.

c取自光功率為4.39 mW/cm2.

2.4 光敏特性的原理分析

從表1中可以看到當激光照射在器件的溝道上后，n溝道的電子遷移率下降了兩個數(shù)量級，而P溝道的空穴遷移率增加了82 %.且n溝道和p溝道的閾值電壓都有減小的趨勢.我們通過圖5的器件能帶示意圖來解釋器件的光電特性.如圖5(a)可以看到源極Au的功函數(shù)(-5.1 eV)與SnPc的最高占有分子軌道(HUMO，-5.7 eV)和最低未占據(jù)分子軌道(LUMO，-4.2 eV)分別有0.6 eV和0.9 eV的勢壘，使得黑暗下從源極注入SnPc中的電子或空穴數(shù)量較為平衡，即具有較為平衡的源漏電流和載流子遷移率.如圖5(b)所示，施加負向柵壓時，能帶向上彎曲，器件工作在p溝道模式，空穴從源極注入SnPc中.在加入532 nm的綠光后，三種材料都會產(chǎn)生光生激子.根據(jù)吸收光譜可知，產(chǎn)生光生激子的主體為PTCDI-C8.隨后PTCDI-C8產(chǎn)生的光生激子解離為電子-空穴對，光生空穴注入并五苯溝道層中.光生電子則在Au源電極下積累，這些積累的電子可以有效降低源極和溝道之間的勢壘，降低了器件的閾值電壓，提高載流子的遷移率[15].如圖5(c)所示，施加正向柵壓時，能級向下彎曲，電子從源極注入SnPc，器件工作在n溝道模式.在加入532 nm的綠光后，PTCDI-C8產(chǎn)生的光生電子由于較高的勢壘較難注入并五苯溝道層中，因此器件的光生電流較小，也導(dǎo)致了較小的光響應(yīng)度.光生空穴注入SnPc中，也降低了器件的閾值電壓[11].

(a)黑暗未施加?xùn)艍旱某跏紶顟B(tài) (b)光照下，施加負向柵壓，p溝道 (c)光照下，施加正向柵壓，n溝道

3 總結(jié)

本文通過采用n型半導(dǎo)體PTCDI-C8、p型半導(dǎo)體Pentacene以及光敏層SnPc制備了具有平衡雙極載流子輸運的有機光敏場效應(yīng)管.該器件在200～900 nm范圍內(nèi)具有較寬的光譜吸收.對器件的場效應(yīng)特性測試發(fā)現(xiàn)，黑暗下器件的n溝道模式與p溝道模式具有接近的源漏電流及載流子遷移率，具有良好的載流子平衡輸運特性.在加入532 nm激光光照后，p溝道與n溝道都具有較好的光敏特性：n溝道的源漏電流減小，p溝道的源漏電流增加.n溝道和p溝道的光響應(yīng)度分別為0.81 A/W和4.13 A/W.雙極型OPT為集成化光探測器提供了一種新的方法.