平衡双极载流子输运的有机光敏场效应晶体管

虞舒宁 王浩楠 曹家荣 蒋 瑞 陆浩东 奚璀璐 姚 博

(绍兴文理学院 数理信息学院，浙江 绍兴 312000)

0 引言

有机场效应晶体管(organic field-effect transistor,OFET)分类成单极型OFET和双极型OFET.单极型OFET只能工作在p沟道或n沟道模式，而双极型OFET可以通过改变栅极电压的极性实现p沟道和n沟道模式的转变[1].在p型器件中，场效应电流主要由空穴的输运产生，主要是受空穴密度和空穴迁移率的影响， 同理n型器件中场效应电流主要由电子的输运产生.相比无机的n型晶体管和p型晶体管只能依靠电子或空穴来进行工作[2-4]，大部分有机半导体都具有的共轭结构，使得其在产生一个电子的时候也会产生一个空穴，因此同一种有机半导体在合适的条件下都可以表现出n型和p型特性，即双极型器件.双极型有机半导体器件在有机集成电路方面已经引起了诸多学者的关注[5].

目前的集成电路主要是由无机互补电子电路(简称CMOS)组成，包含p型和n型晶体管的集成电路.有机集成电路也可以采用类CMOS结构，即采用一个p-OFET和一个n-OFET组成单个CMOS，也可以采用由两个双极型OFET来组成单个CMOS.因此采用双极型OFET可以大大降低有机集成电路的工艺和成本.有机光敏晶体管(OPT)作为OFET的重要应用之一，同时具有光检测和电流放大的作用，相比于有机光电二极管(OPD)，OPT表现出了更好的灵敏度和更低的噪声[6-8].OPT的集成也越来越重要，其中采用双极型OPT就是一种重要的方法.

通常双极型OFET可以通过使用单层双极性材料[9]、pp/pn平面异质结[10]或体异质结[11]来制备.平面异质结可以方便地将两种高迁移率的材料结合于同一个OFET中，制成双极型OFET.本文采用高迁移率的p型半导体并五苯(pentacene)[12]和n型半导体N,N′-二正辛烷基-3,4,9,10-苝四甲酰二亚胺(PTCDI-C8)[13]，通过热蒸发的方式形成平面异质结. 在二者基础上添加具有宽吸收光谱的酞菁锡(phthalocyanatotin(II)，SnPc)层，即得到所研究的OPT.本文主要对该器件的吸收光谱特性、黑暗和光照下的电学特性进行研究.

1 实验

PTCDI-C8，>98%购买于Tokyo Chemical Industry公司，并五苯和SnPc分别购买于Acros公司和Alfa Aesar 公司.使用2 mm厚的中性石英片(光透过率>97%)来进行吸收光谱的测试.包含500 nm厚SiO2的重掺杂N型硅片(100型，Ci=6.90 nF/cm2)作为OPT的基底和栅极电介质层.器件采用的是如图1的底栅顶接触(Bottom Gate Top Contact,BGTC)结构.硅片经由丙酮、酒精、去离子水反复超声波清洗之后用N2吹干，随后立即转移到手套箱中.采用真空热蒸发(气压优于5×10-4Pa)分别依次在基片上沉积40 nm并五苯层、40 nm PTCDI-C8活性层以及20 nm厚的酞菁锡SnPc薄膜.最后通过掩模版沉积50 nm厚的金作为源漏电极，其中沟道的长宽比(W/L)为2 mm/50 μm.

图1 器件的结构图

薄膜的吸收光谱测试由UV-3600紫外分光光度计(Shimadzu)测得.器件的电学特性测试采用的是配备了是德B1500A半导体参数分析仪的探针台(Lakeshore,TTPX).电学测试处于暗室，压强在1×10-5Torr以下.选取了波长为532 nm(最大功率为50 mW)的激光器作为光源.光线从活性层的上侧垂直射入.使用不同透过率的中性滤光片来构造不同的入射光功率，并使用经过校正的光电二极管(Newport/Oriel)确定样品表面的光功率.

2 结果与讨论

2.1 器件吸收光谱

图2是利用真空蒸发法在石英片衬底上制备的pentacene (以下简称Pent)薄膜(40 nm)、PTCDI-C8(以下简称C8)薄膜(40 nm)、SnPc薄膜(20 nm)和混合异质结薄膜(100 nm)的紫外-可见-近红外吸收光谱.从图中可以看出：pentacene的吸收范围主要在650～680 nm，PTCDI-C8的吸收范围420～600 nm，SnPc在250～900 nm具有不错的吸收，在250～400 nm和600～900 nm的更强.三种单层材料薄膜的吸收光谱存在一定的互补性，放在一起可以用来制备宽吸收光谱的OPT，而由三种材料制备的混合异质结薄膜吸收也确认了这一点.Pent/C8/SnPc在200～900 nm的范围内均有不错的吸收，本文选取了532 nm波长的光来进行器件光敏特性的测试.

图2 并五苯、PTCDI-C8、酞菁锡及混合层的紫外-可见-近红外吸收光谱

2.2 黑暗下器件电学特性

如图3为黑暗下Pent/C8/SnPc-Au的输出特性与转移特性曲线.器件的源漏电流Ids在正栅压和负栅压下都得到了增强，表明了器件具有双极性.器件在高正栅压下表现出电子积累模式，而在高负栅压下表现出空穴积累模式.在图3(a)中，当施加负向的Vgs，0 V>Vgs≥-30 V时，在较低的负向Vds下，空穴传输占沟道电流的主导地位.随着Vds的负偏压增大，当栅极的偏压大于阈值电压时，电子开始从源极注入，Ids迅速呈指数形式增大，器件形成双极性的电流输出.随着Vgs的负偏压增大，Ids逐渐减小，在Vgs≈ -30 V时达到最小值，这一点在转移特性图像图3(b)中也有体现.当Vgs< -30 V时，随着Vgs的负偏增大，Ids随之增大，并呈现出典型的p-沟道饱和电流输出特性.图3(c)则是施加了正向的Vgs，当30 V ≥Vgs> 0 V时，Ids随着Vds的增加而呈指数形式增加.而且Ids随着Vgs的增加而减小，在Vgs≈ 30 V的时候取得最小值，这点同样从图3(d)的转移特性图像中也可以看到.当Vgs> 30 V时，呈现出典型的n-沟道饱和电流输出特性.在器件的输出特性曲线中，在|Vgs| = 80 V，|Vds| = 50 V时，p沟道的Ids=-1.27 μA，和n沟道的Ids= 3.18 μA，二者是在同一个量级.

(a)p沟道输出特性 (b)p沟道转移曲线 (c)n沟道输出特性 (d)n沟道转移曲线图3 黑暗下Pent/C8/SnPc器件的电流特性

OFET的载流子迁移率和阈值电压可以通过拟合线性区的输出特性曲线(公式1)或饱和区的转移特性曲线(公式2)获得[7]，

(1)

(2)

其中L和W分别是导电沟道长和宽，Cox为栅介质层每单位面积的电容，Vgs和Vds分别是栅极电压和源漏电压.μlin和Vth,lin分别是器件在线性区的迁移率和阈值电压，而μsat和Vth,sat则是饱和区的迁移率和阈值电压.对于理想的无机场效应管，公式1和公式2分别求得的迁移率和阈值电压是相等的，但是对于有机场效应管，它们往往不相等.通过公式1对图3(b)和图3(d)中器件的转移特性曲线线性拟合可得，n沟道电子迁移率为1.67×10-2cm2/Vs，阈值电压为36.16 V，而p沟道空穴迁移率为5.23×10-3cm2/Vs，阈值电压为-33.97 V.可以看到二者的迁移率在同一数量级，阈值电压也基本对称.这表明了器件在黑暗下就具有较好的平衡双极型传输特性.两种沟道模式器件的开关比分别为4.75×102和5.6×102.

2.3 光照下器件电学性能

在加入波长为532 nm的绿光后，器件光照下的输出与转移特性如图4所示.可以看到：(1)n沟道模式下，如图4(c)和4(d)，Ids随着光功率的增加而减小.在加入最大功率为21.96 mW/cm2的光照时，Ids从黑暗下4.48 μA降低到0.12 μA.(2)p沟道模式，如图4(a)和4(b)，Ids随着光功率的增加而增加，在加入最大功率为21.96 mW/cm2的光照时，Ids从黑暗下的-1.25 μA增加到-2.43 μA.

(a)p沟道输出特性 (b)p沟道转移曲线 (c)n沟道输出特性 (d)n沟道转移曲线.

为了更加定量的表征器件光敏性能我们计算得到器件的光灵敏度P(photosensitivity)，光响度R(photoresponsitivity)参数[14].通过公式可以求得：

(3)

(4)

其中Popt是指单位面积的光功率，A是指器件有效的照射面积，在这里A等于沟道宽W乘以沟道长L.Iph=Iopt-Idark，指的是净光生电流.最大光暗电流比Pmax取自转移曲线中，是指关态下的暗电流最小值及对应栅压下的净光生光电流的比值.计算所得参数如表1所示

表1 OPT性能参数a

a参数均取自转移特性曲线的Vgs=|80| V，Vds=|50| V处.

b取自光功率为21.96 mW/cm2.

c取自光功率为4.39 mW/cm2.

2.4 光敏特性的原理分析

从表1中可以看到当激光照射在器件的沟道上后，n沟道的电子迁移率下降了两个数量级，而P沟道的空穴迁移率增加了82 %.且n沟道和p沟道的阈值电压都有减小的趋势.我们通过图5的器件能带示意图来解释器件的光电特性.如图5(a)可以看到源极Au的功函数(-5.1 eV)与SnPc的最高占有分子轨道(HUMO，-5.7 eV)和最低未占据分子轨道(LUMO，-4.2 eV)分别有0.6 eV和0.9 eV的势垒，使得黑暗下从源极注入SnPc中的电子或空穴数量较为平衡，即具有较为平衡的源漏电流和载流子迁移率.如图5(b)所示，施加负向栅压时，能带向上弯曲，器件工作在p沟道模式，空穴从源极注入SnPc中.在加入532 nm的绿光后，三种材料都会产生光生激子.根据吸收光谱可知，产生光生激子的主体为PTCDI-C8.随后PTCDI-C8产生的光生激子解离为电子-空穴对，光生空穴注入并五苯沟道层中.光生电子则在Au源电极下积累，这些积累的电子可以有效降低源极和沟道之间的势垒，降低了器件的阈值电压，提高载流子的迁移率[15].如图5(c)所示，施加正向栅压时，能级向下弯曲，电子从源极注入SnPc，器件工作在n沟道模式.在加入532 nm的绿光后，PTCDI-C8产生的光生电子由于较高的势垒较难注入并五苯沟道层中，因此器件的光生电流较小，也导致了较小的光响应度.光生空穴注入SnPc中，也降低了器件的阈值电压[11].

(a)黑暗未施加栅压的初始状态 (b)光照下，施加负向栅压，p沟道 (c)光照下，施加正向栅压，n沟道

3 总结

本文通过采用n型半导体PTCDI-C8、p型半导体Pentacene以及光敏层SnPc制备了具有平衡双极载流子输运的有机光敏场效应管.该器件在200～900 nm范围内具有较宽的光谱吸收.对器件的场效应特性测试发现，黑暗下器件的n沟道模式与p沟道模式具有接近的源漏电流及载流子迁移率，具有良好的载流子平衡输运特性.在加入532 nm激光光照后，p沟道与n沟道都具有较好的光敏特性：n沟道的源漏电流减小，p沟道的源漏电流增加.n沟道和p沟道的光响应度分别为0.81 A/W和4.13 A/W.双极型OPT为集成化光探测器提供了一种新的方法.