伽馬射線輻照對有機(jī)場效應(yīng)晶體管性能的影響研究

1、 射線輻照對有機(jī)場效應(yīng)晶體管性能的影響研究黃小發(fā) 張濟(jì)鵬（蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 蘭州 730107）摘要：通過制備有機(jī)場效應(yīng)晶體管并對晶體管在射線下進(jìn)行輻照，研究輻照對不同柵壓下場效應(yīng)管輸出特性曲線的影響，以及輻照對場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲線的影響。實(shí)驗(yàn)證明輻照使場效應(yīng)管的閾值電壓負(fù)向漂移，輻照時(shí)非零柵源電壓引起的場效應(yīng)管輸出特性變化明顯大于零柵源電壓情況。關(guān)鍵詞：有機(jī)場效應(yīng)管；制備；輻照；閾值電壓漂移1. 實(shí) 驗(yàn)1.1有機(jī)場效應(yīng)晶體管制備以高摻雜五族元素的硅作為襯底，即作為n型雜質(zhì)，硅襯底表面的SiO2厚度為1025nm。本實(shí)驗(yàn)在上述襯底上通過真空蒸發(fā)方法鍍一層酞菁銅(CuPc)薄膜，再在酞菁

2、銅膜上鍍一層金(Au)作為源級和漏極，SiO2層作為柵極，制成有機(jī)場效應(yīng)晶體管，下面詳述實(shí)驗(yàn)過程：1.1.1 Si_n+襯底的清潔處理將Si_n+襯底先后放入丙酮和乙醇溶液中清洗，然后用去離子水洗凈，再經(jīng)超聲處理1020分鐘，之后用氮?dú)?N2)吹干，放入烤箱中烘干。配制濃硫酸與雙氧水的濃度比為3:1的腐蝕液(H2SO4:H2O2=3:1)，將烘干后的襯底放入腐蝕液中40分鐘，達(dá)到去油污的目的。對襯底進(jìn)行OTS處理，OTS是有機(jī)低介電常數(shù)材料十八烷基三氧硅烷，可以修飾SiO2表面，提高器件的場效應(yīng)遷移率，同時(shí)降低器件的漏電流。1.1.2 真空蒸鍍酞菁銅作為第一個(gè)被報(bào)道的有機(jī)半導(dǎo)體酞菁類化合物是一

3、種性能優(yōu)越的有機(jī)小分子半導(dǎo)體材料，因?yàn)檫@類化合物具有二維共軛結(jié)構(gòu)，分子間的相互作用很大，這對于提高場效應(yīng)遷移率非常有利，另外它還具有良好的熱穩(wěn)定性和易真空蒸鍍成膜的特性，所以酞菁類化合物是制備有機(jī)薄膜晶體管良好的半導(dǎo)體材料，而其中又以酞菁銅最為常用，關(guān)于酞菁銅作為有源層的有機(jī)薄膜晶體管已有大量的報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)選用酞菁銅蒸鍍得到有機(jī)場效應(yīng)晶體管。本實(shí)驗(yàn)中在n型襯底的SiO2層上鍍厚度為20 nm的酞菁銅膜，蒸發(fā)鍍膜時(shí)壓強(qiáng)為104Pa。鍍膜的厚度用臺階儀控制，我們使用晶振頻率下降13 Hz/nm，根據(jù)頻率下降來控制鍍膜的厚度。在蒸鍍完酞菁銅后繼續(xù)鍍金膜。1.1.3 鍍金膜在酞菁銅表面再鍍一層金膜作為

4、有機(jī)場效應(yīng)晶體管的源級和漏極。鍍膜之前我們使用支架固定管子，并用直徑為25m的銅絲分割做成溝道。金膜的厚度要求20nm以上，我們選取鍍膜厚度為40nm。制作好的有機(jī)場效應(yīng)晶體管的模型如下圖所示：圖1 有機(jī)場效應(yīng)晶體管模型示意圖1.2 射線輻照與測試我們選取兩塊制作好的有機(jī)場效應(yīng)晶體管，一塊接受輻照，一塊作為對照片。選取點(diǎn)1，點(diǎn)2，點(diǎn)3作為測試點(diǎn)，分別測量其輸出特性與轉(zhuǎn)移特性。之后對輻照片進(jìn)行輻照，輻照時(shí)從有機(jī)層輻照2小時(shí)。輻照后再次測量點(diǎn)1，點(diǎn)2，點(diǎn)3的輸出特性與轉(zhuǎn)移特性，與輻照前進(jìn)行對比，下面是測試結(jié)果。2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析2.1輻照前后轉(zhuǎn)移特性曲線分析2.1.1輻照前的輻照片與對照片的轉(zhuǎn)移

5、特性曲線測試點(diǎn)1 測試點(diǎn)2 測試點(diǎn)3圖2 輻照片輻照前各測試點(diǎn)的轉(zhuǎn)移特性曲線（圖中Ud=-50V）測試點(diǎn)1 測試點(diǎn)2 測試點(diǎn)3圖3 對照片各測試點(diǎn)的轉(zhuǎn)移特性曲線（圖中Ud=-50V）2.1.2輻照后的輻照片與對照片的轉(zhuǎn)移特性曲線測試點(diǎn)1 測試點(diǎn)2 測試點(diǎn)3圖4 輻照片輻照后各測試點(diǎn)的轉(zhuǎn)移特性曲線（圖中Ud=-50V）測試點(diǎn)1 測試點(diǎn)2圖5 對照片各測試點(diǎn)的轉(zhuǎn)移特性曲線（圖中Ud=-50V）從圖2至圖5可以看出輻照使場效應(yīng)管閾值電壓發(fā)生了漂移，這是因?yàn)檩椛湓趫鲂?yīng)管器件的氧化層中沉積能量，使其中的原子鍵斷裂，產(chǎn)生電子空穴對，電子空穴對在經(jīng)歷初始復(fù)合后，剩余的電子遷移出SiO2，而空穴則一部分遷移

6、出SiO2，在SiO2/Si界面反應(yīng)形成界面態(tài)電荷，一部分被SiO2中的深空穴陷阱俘獲形成氧化層陷阱電荷。氧化層電荷和界面態(tài)電荷的存在，將在半導(dǎo)體(Si)表面感生出電荷，使SiO2/Si界面電勢變化，從而導(dǎo)致場效應(yīng)管的閾值電壓漂移。同時(shí)實(shí)驗(yàn)中為了排除外界環(huán)境變化對測量結(jié)果的影響，設(shè)置了相應(yīng)的對照組，這進(jìn)一步提高了實(shí)驗(yàn)測量的精度。另外，實(shí)驗(yàn)中我們還發(fā)現(xiàn)有機(jī)場效應(yīng)管不同位置的轉(zhuǎn)移特性曲線也不是完全相同的。2.2輻照前后輸出特性曲線分析2.2.1輻照前的輻照片與對照片的輸出特性曲線圖6 輻照片輻照前測試點(diǎn)1輸出特性曲線圖7 輻照片輻照前測試點(diǎn)2輸出特性曲線圖8 輻照片輻照前測試點(diǎn)3輸出特性曲線圖9

7、對照片測試點(diǎn)1輸出特性曲線圖10 對照片測試點(diǎn)2輸出特性曲線圖11 對照片測試點(diǎn)3輸出特性曲線2.2.2輻照后的輻照片與對照片的輸出特性曲線圖12 輻照片輻照后測試點(diǎn)1輸出特性曲線圖13 輻照片輻照后測試點(diǎn)2輸出特性曲線圖14 輻照片輻照后測試點(diǎn)3輸出特性曲線圖15 對照片測試點(diǎn)1輸出特性曲線圖16 對照片測試點(diǎn)2輸出特性曲線圖6至圖11為有機(jī)場效應(yīng)晶體管輻照前在不同柵壓下的Id隨Ud變化的圖像，從圖像中可以看出對于此場效應(yīng)管而言，在Ud一定的情況下，場效應(yīng)管的柵源電壓越大，相應(yīng)的Id值也越大，這與場效應(yīng)管的工作特性很符合。圖12至圖16為有機(jī)場效應(yīng)管輻照后的Id隨Ud變化的圖像。通過與圖6至

8、圖11對比，可以看出經(jīng)過一定劑量的射線照射后，在Ud一定的情況下，有機(jī)場效應(yīng)管的Id值明顯減小。另外，通過輻照前后對照片與輻照片的對比，我們可以得到外界環(huán)境對于測量結(jié)果的準(zhǔn)確性也有較大的影響。3. 結(jié)論與展望3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)論通過對有機(jī)場效應(yīng)管輻照實(shí)驗(yàn)的研究與分析，得到如下結(jié)論：(1)通過對輻照前后場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性的研究，我們得到輻射使閾值電壓負(fù)向漂移的結(jié)論，同時(shí)發(fā)現(xiàn)場效應(yīng)管接受輻射劑量的多少對于其實(shí)驗(yàn)結(jié)果也有較大的影響。(2)通過對不同柵壓下輻照前后場效應(yīng)管輸出特性圖像的研究，我們得到柵源電壓對輻照引起輸出特性曲線影響顯著。輻照時(shí)，柵源電壓越大，場效應(yīng)管的輸出特性曲線變化程度越大。3.2實(shí)驗(yàn)展望本實(shí)驗(yàn)中有機(jī)場效應(yīng)晶體管是在未加偏置電壓的情況下進(jìn)行輻照，而許多實(shí)際情況下有機(jī)場效應(yīng)晶體管是接在電路中收到環(huán)境輻照影響，因此為進(jìn)一步探究射線輻照對有機(jī)場效應(yīng)晶體管性能的影響，可以設(shè)置在不同的偏置電壓下進(jìn)行射線輻照，驗(yàn)證未加偏置電壓的結(jié)論