采用真空镀膜制备的叠层结构有机场效应晶体管的研究(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州大学微电子研究所 作者:赵明

  有机场效应晶体管(Organic Field Effect Transistor,简称OFET)是一种重要的有机半导体器件,可应用于平板显示器的驱动电路,作为记忆组件用于交易卡和身份识别器以及智能卡,还可用于环形振荡器的逻辑门,有机显示器的有源驱动电路,有机传感器,存储器等领域。

  自从1986年Tsumua等人利用聚噻吩作为活性材料制备第一个有机场效应晶体管至今,OFET在性能上已有显著提高。贝尔实验室的Batlogg小组利用OFET首次实现了有机激光的制备,并制得基于OFET 的互补逻辑电路,利用OFET结构首次实现了高分子材料的超导性,并且把C60的超导温度提高到117K,为超导材料的研究开辟了路径。

  OFET具有易加工,成本低,功耗小等许多无机场效应管所不具备的优点,因而有着广泛的,极具潜力的应用前景。但与无机场效应管相比,有机半导体器件在性能、使用寿命和制作工艺等方面上还需要完善。

 CuPc分子结构图

图1 CuPc分子结构图

  酞菁铜(copper phthalocyanine-(CuPc)是1927年瑞士化学家Dicsbach等将邻苯二腈与溴化铜在一起加热时, 意外发现的蓝色化合物。CuPc是一种常见的化学染料,CuPc分子不仅具有优异的化学稳定性、热稳定性、难燃性以及耐光、耐辐射性能,而且还具有导电性、光电导性、气敏性、电致发光等特性,目前正发展成为一种多功能材料,用CuPc制作半导体器件、太阳能电池和整流装置等已研究了较长时间。纯净的CuPc是一种深蓝色粉末,在紫外线灯的照射下微微有荧光发出。CuPc是一种典型的空穴传输型有机半导体材料,具有较高的载流子迁移率,约为10-2cm2/V·s。CuPc 分子结构如图1 所示。

  CuPc分子式为C32H16N8Cu;分子量是575.5,由5个原子组成,中心原子为铜离子,具有D4h对称性,并有中心对称的二维共轭π 电子结构。CuPc具有很好的热稳定性和化学稳定性,采用真空蒸发的方法易制备均匀、结晶性良好的薄膜。

  目前制备OFET普遍采用“反型”结构(又称“顶接触式结构”),即在场效应管的栅极上构筑整个器件。结构如图2 所示。栅极用金属材料制作或用高度掺杂、导电性非常良好的硅基直接制作。在栅极上构筑绝缘层;然后在绝缘层上淀积一层很薄的有机化合物(CuPc)用作场效应管的半导体层;最后在有机半导体薄膜之上淀积两个金属电极作为源、漏极。该结构应用很广泛,具有很多优点,但也存在不足之处,如由于沟道较长,阈值电压过高,通常高达几十伏。

有机场效应晶体管的顶接触式结构

图2 有机场效应晶体管的顶接触式结构

  传统的OFET己经研究得较为成熟,载流子迁移率可达到6cm2/V·s、电流开关比可达到106。但是传统的OFET通常为平面结构,由于制作工艺的限制使得缩短沟道长度很难,受到沟道长度的限制使得器件具有开启电压大、工作电流小等缺点。目前解决的方案主要有:(l)寻找高迁移率的有机材料;(2)减小绝缘层的厚度或采用高介电常数的绝缘材料;(3)减小沟道长度。基于对器件结构的优化,部分学者己开始研究叠层结构场效应晶体管,其沟道长度为有机半导体的厚度,使得器件开启电压降到5V以下、工作电流达到毫安量级。大大的改善了器件的工作特性,由于沟道长度的减小更为小面积的集成电路打下了坚实的基础。由于其具备的独特优势已经引起了人们的广泛关注。

  叠层结构场效应晶体管是以缩短沟道长度为目的的一类新型场效应晶体管,它是以半导体层为沟道长度,大大降低了开启的电压,提高了工作电流。通过改变栅压来控制源漏电极的电流变化,其结构如图3 所示。这种结构的主要特点是,降低沟道长度由微米量级至纳米量级,极大的提高了器件的工作电流、降低了器件的开启电压,但是这类晶体管的不足之处在于漏- 源- 栅在同一竖直面内,彼此间寄生电容的存在使得零点电流发生漂移,一般通过放电处理后可以避免这种现象的出现。

叠层结构有机场效应晶体管的截面图

图3 叠层结构有机场效应晶体管的截面图

  为了降低阈值电压,我们采用叠层结构来制备OFET。如图3所示。栅极为高掺杂的n 型硅片,其上生长一层SiO2作为绝缘层;然后在上面淀积两条平行的矩形Al膜作源极;接着在该Al电极上真空蒸镀一层均匀的CuPc薄膜作为沟道层;最后在CuPc膜上再沉积两条平行的矩形电极Al 膜作为漏极,其中漏极两条矩形Al电极与源极两条矩形Al电极垂直。图4 为叠层结构器件的俯视图。该种结构OFET特点是沟道长度等于有机层的厚度,可以制备得很短,从而阈值电压较低。

  有机场效应晶体管制备的关键步骤是有机半导体层的形成,器件特性以及性能的好坏在很大程度上取决于有机薄膜的结构和形貌。有序的分子结构能使有机共轭分子的π键在源漏电极方向上得以最大程度的重叠,从而提高载流子的传输。因此探索新的有序分子形貌的有机场效应晶体管制备技术,对OFET器件性能的改善起着关键性的作用。

叠层结构有机场效应晶体管的俯视图

图4 叠层结构有机场效应晶体管的俯视图

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