采用真空镀膜制备的叠层结构有机场效应晶体管的研究(2)

2009-11-19 赵明 兰州大学微电子研究所

  真空技术是目前制备OFET薄膜最普遍采用的方法之一,它主要包括真空镀膜、溅射和有机分子束外延生长(OMBE)技术,这种技术的优点是可以控制膜的纯度和厚度,也可以通过控制沉积速度和基底温度来实现膜的高度有序。许多有机半导体材料在溶剂中的黏度和溶解度很小,很难用溶液加工技术成膜。真空镀膜是利用物质受热后的蒸发或升华将其转化为气体再沉积在基底表面,沉积膜附着力强,可用来制备OFET的有机层和电极。利用真空镀膜技术制备的OFET的迁移率一般比溶液加工技术高一个数量级。总之,各种真空镀膜技术制得的OFET性能比较好,迁移率都比溶液处理成膜技术高得多。

  根据真空技术所具备的优点,我们决定采用真空镀膜来制备OFET。

1、实验

  采用高掺杂n型Si片作栅极,上面用热氧化方法生长了一层均匀的SiO2层作为绝缘层,测得SiO2厚度约为100nm。衬底的清洗过程是,首先用H2SO4:H2O2(3:1)溶液煮20min,然后用去离子水、乙醇分别冲洗,烘干以后就得到了洁净的SiO2表面。

  用针管吸取少量HF溶液,小心的滴到洗好硅片的一个角上,腐蚀掉一小部分SiO2以便露出Si层作为栅极的接触点。需要注意的是,HF溶液滴的要少,不能多,以免腐蚀面过大,影响到上面的电极和有机层。最后用去离子水冲洗并烘干。

  将掩模版盖住洗好的Si片,利用真空镀膜的方法,真空度始终保持在5×10- 5Torr,在SiO2层上淀积两条平行的均匀厚度的矩形Al薄膜作为源极,电极的形状由相应的掩模版控制,Al薄膜宽度为3mm, 长度为20mm; 紧接着同样用真空镀膜的方法,真空蒸镀一层有机层CuPc膜,在此过程中真空室内的真空度始终保持在5×10- 5Torr,CuPc药品的温度保持在蒸发温度180℃左右,衬底温度保持在55℃,此后蒸发源将以恒定的速率成膜,严格控制蒸发时间就能控制膜厚。本实验中采用低温辐射式加热器和衬底加热器分别对样品和衬底加热。用台阶仪(Dektak8 Advanced development profiler) 测得酞菁铜CuPc 薄膜的厚度为309nm;然后同样是用真空镀膜技术(真空度同样保持在5×10- 5Torr),在CuPc有机膜上再淀积两条平行的均匀厚度的矩形Al 薄膜(宽度同样为3mm,长度为20mm) 作为漏极,其中源极Al 薄膜与漏极Al 薄膜相互垂直;蒸镀完成以后,在120℃下进行约10min 的退火处理。这样即可制备出四个晶体管,(见图4)。

2、结果与讨论

  图5 是测得的该OFET 的I- V特性曲线。可看见较明显的场效应特性,栅极偏压VG 对器件的源漏电流IDS有明显的控制作用。说明制备的该叠层结构有机场效应晶体管有较明显的特性,达到预期目标。经测量,在VDS = 5 V 下,VGS =- 10 V 时,IGS = - 0.2 mA。可见漏电流较大,原因可能为:Al 电极面积过大(宽3 mm, 长20 mm),SiO2层太薄。从图5 中可看出器件开关比较小,原因主要是漏电流较大。

叠层结构酞菁铜场效应晶体管的特性曲线温度对该晶体管特性曲线的影响

图5 叠层结构酞菁铜场效应晶体管的特性曲线图6 温度对该晶体管特性曲线的影响

  图6 为测得的特性曲线对温度的依赖关系曲线。酞菁铜CuPc为P型半导体,随着T 增大,有机层内空穴增加,载流子浓度增大,同时载流子迁移率增大,所以在相同VDS 下,T 越高,IDS 就越大。可见温度对该OFET有较明显的影响。

  图7(a)是在衬底Si/SiO2 上真空蒸镀的CuPc薄膜的XRD 谱图;图7(b)是在衬底Si/SiO2/Al 上真空蒸镀的CuPc 薄膜的XRD 谱图。由图中可见,两个CuPc 薄膜均出现较宽的单一的衍射峰2θ = 6.9°, 说明CuPc 薄膜呈多晶结构。由Scherrer 公式D=Cλ/βcosθ 可计算出薄膜的晶粒尺度大小,这里C 为Scherrer 常数,其值为0.89,D为晶粒尺度(nm),β 为积分半高宽度,单位为弧度(rad);θ 为衍射角;λ 是X 射线波长,为0.154056 nm。最终得到在两种衬底上蒸镀的CuPc 薄膜晶粒尺度相等,D 均为15.822 nm。(a) Si/SiO2 衬底;(b) Si/SiO2 /Al 衬底

真空蒸镀CuPc薄膜的XRD谱图

图7 真空蒸镀CuPc薄膜的XRD谱图

  从XRD 衍射图谱(a)还可以看到,在衍射角20°~30°区间范围内还有一个由SiO2引起的衍射波;图谱(b)中可看到在衍射角约为38.6°处有一个很高的峰存在,这是由Al 薄膜所引起的。

3、结论

  采用真空镀膜技术,以SiO2作为绝缘层,酞菁铜CuPc作为沟道层制备了新型的叠层结构OFET,测量了其输出特性曲线及受温度影响曲线,可得该OFET具有较明显的晶体管特性,同时受温度影响较明显;XRD分析表明, 在Si/SiO2 和Si/SiO2/Al 两种衬底上生长的CuPc 薄膜均呈多晶结构且晶粒尺度大致相等;同时体现出真空镀膜技术在制备OFET 方面的优势。该器件不足之处为:漏电流较大,开关比较小。将来改进措施为:减小Al 电极面积,增加SiO2 厚度。叠层结构是未来OFET 结构研制开发的一个亮点,值得进一步研究。