雙層復合有機柵絕緣膜漏電機理的研究

景亞霓，王 樂

(江南大學 物聯網工程學院，江蘇 無錫 214122)

1 引 言

近年來，有機薄膜晶體管(OTFT)、有機電致發光器件(OLED)等有機電子器件結構以及相關材料制備、工藝等研究取得了很大的進展[1-2]。我國研究者在OLED的材料合成和器件結構的改良等方面也進行了深入的研究[3-4]。由于溶液工藝制備OTFT具有低成本、適用于大面積器件的開發等特點，受到了研究者的關注。溶液加工制備OTFT器件的柵絕緣膜，如PMMA、PVP、PS、P(VDF-TrFE)等[5]，是實現全溶液法制備OTFT的重要工藝之一。為了進一步提高柵絕緣膜單位面積電容以及降低漏電流，廣泛使用有機復合材料來制備柵介質膜[6-8]。然而，相較于傳統無機絕緣膜材料二氧化硅等，有機聚合物材料種類繁多、分子結構復雜，其導電機理一直缺乏相應的數學模型。

在本文中，我們使用PMMA及P(VDF-TrFE)2種絕緣膜材料制備了雙層復合柵介質膜，通過調節工藝溫度及退火時間，得到了單位面積電容較大、漏電流較小的介質膜材料。通過觀察電流-電壓特性曲線，發現有若干轉折點，這一現象揭示了這種雙層介質膜漏電流是在不同的電場強度下由不同的漏電機理控制的。

2 實驗方法

實驗中使用溶液旋涂和噴墨印刷的方法制備了MIS結構的器件樣品。使用單面拋光的P型硅襯底；購于Aldrich公司的PMMA分子量為996 K，以氯仿為溶劑配制成10 mg/mL的溶液；P(VDF-TrFE)購于昆山海斯公司，以碳酸二乙酯為溶劑配制成濃度為30 mg/mL；銀作為頂部金屬電極。器件結構如圖1所示，測試器件制備流程如下：

圖1 復合絕緣膜測試器件結構圖Fig.1 Structure of composite insulator film

(1) 首先將硅襯底分別放入丙酮、酒精、去離子水中進行超聲波清洗，除去襯底表面沾污等。

(2) 利用旋涂法制備PMMA薄膜，旋涂的速度和時間為6 000 r/min和40 s。旋涂后在120 ℃真空烘箱中退火30 min。

(3) 隨后在PMMA薄膜表面旋涂制備P(VDF-TRFE)薄膜，旋涂的速度和時間為800 r/min和40 s。旋涂后放入真空烘箱中退火處理。

(4)以銀漿作為功能墨水利用噴墨打印工藝制備銀電極并在120 ℃溫度下使銀漿還原成銀。

3 結果與討論

利用制備的測試器件，對PMMA/P(VDF-TrFE)雙層膜的電學特性進行測量和分析，測試是在常溫大氣環境中完成，使用Aglient 4155C半導體參數分析儀、4294A阻抗分析儀以及橢圓偏振測厚儀分別測量了其電流-電壓特性、電容特性和膜厚。電容-電壓測量結果顯示其單位面積電容為32 nF/cm2，在0～40 V電壓范圍內，電流-電壓特性如圖2所示。我們知道，OTFT的主要問題之一是工作電壓太高，利用高介電、低漏電材料制備大單位面積電容的柵是降低OTFT工作電壓的有效途徑。

圖2 絕緣膜電流-電壓特性曲線Fig.2 I-V characteristic of the insulator film

由圖2可以看出隨著電壓的增加膜的漏電流也在變大，值得注意的是漏電流-電壓特性有明顯的轉折點，這反映了在不同的電壓范圍內漏電機理的不同。一般而言，介質膜的漏電主要有以下3個機制：

3.1 普爾-弗朗克(Poole-Frenkel)機制

P-F效應是半導體和介質中陷阱載流子在電場作用下的熱發射。由于施加電場，介質或半導體中的庫倫陷阱勢壘高度的一邊降低形成非對稱勢阱，從而增加了載流子逃逸出陷阱的幾率，產生了漏電電流[9-10]。

P-F效應所產生的漏電流可由式(1) 表示：

(1)

其中:V為電壓大小，no為陷阱密度，ε為絕緣膜介電系數，d為絕緣膜厚度，k為玻爾茲曼常數，T為溫度，μ為載流子遷移率，φB為陷阱能級與電子傳導帶之間的勢壘。

如果介質膜中存在一定量的陷阱，由于P-F效應將導致漏電發生。若電場強度較低，對式(1)可以進行簡化，即:

φB.

因此，式(1)簡化成如下的式(2)：

(2)

由此可以看出，在低電場強度下，P-F效應控制的介質膜漏電流JPF的大小與電極所加的電壓呈線性關系。

3.2 里查森-肖特基(Richardson-Schottky) 機制

里查森-肖特基發射是熱電子發射機制[10]。由于金屬電極費米能級與介質傳導帶之間有能量差，形成了阻止載流子注入的勢壘。在電場作用下，有效勢壘高度降低，能量超過勢壘高度的電子就能夠注入到介質中，形成了界面勢壘限制的電流傳輸，其電流的大小主要取決于界面的勢壘高度和施加的電壓，由式(3)表示：

(3)

其中:φB為界面的勢壘高度,A為里查森常數,V為電極所施加的電壓。

在里查森-肖特基熱發射注入模式下，Ln(J)與V1/2呈線性關系。

3.3 空間電荷限制電流機制

空間電荷限制電流也是介質和半導體材料中常見的一種載流子傳輸機制。在電場作用下，由界面處注入大量的載流子在陰極附近形成積累，當載流子濃度超過體內熱平衡載流子濃度時，將產生空間電荷限制傳導，空間電荷限制層的出現阻礙了載流子在膜內的遷移。這種電流大小也與介質膜的性質有關，如載流子的遷移率等[11]。

假設在膜內無自由載流子及缺陷態的存在，則膜內電場強度滿足如下形式的泊松方程：

電流密度為：

J=qu(E)n(x)E(x)，

結合以上兩式可以得到：

在穩定狀態下，電流密度J為常數。設E(0)=0為邊界條件，并對上式積分可以得到Mott-Gurney公式(4)：

(4)

其中：μ為載流子的遷移率，V為電極所加電壓，L為介質層的厚度。

當膜內存在陷阱態時，陷阱對空間電荷限制電流的影響可通過式(5)修正：

(5)

其中：θ是自由載流子與被陷阱捕獲的載流子數之比。如果陷阱密度較高，由于P-F效應將導致電流-電壓關系偏離式(5)預計的結果。然而，當注入的載流子密度遠大于陷阱密度時，仍然可用式(4)描述，即在大電流下進入無陷阱模式。總之，不管膜內是否存在陷阱，在大注入下其電流密度J與V2呈線性關系。

我們根據上述的3個模型對漏電流進行了擬合與分析。由圖2可以看出，漏電流在1 V、25 V附近分別出現轉折點。

在0～1 V電壓范圍內，擬合結果如圖3所示，其電流與電壓呈線性關系，與低電場強度下P-F效應的預測吻合。這表明在低電場強度下，這種雙層介質膜的漏電主要是由膜中的陷阱引起。

在1～25 V的電壓范圍內，擬合的Ln(J)與V1/2之間的關系曲線如圖4所示，Ln(J)與V1/2呈線性關系，與里查森-肖特基發射模型一致，表明在中等強度電場范圍內膜的漏電來自熱電子發射。

圖3 普爾-弗朗克效應擬合結果 (0～1 V)Fig.3 Fitting curve of leakage current in 0～1 V (P-F effect)

圖4 肖特基發射模型擬合結果(1～25 V)Fig.4 Fitting curve of leakage current in 1～25 V (Schottky emission)

最后在25～40 V的電壓范圍內，擬合了J與V2之間的關系如圖5所示，這個結果顯示出在較強電場下漏電主要由空間電荷限制電流控制。

綜上所述，制備的PMMA/P(VDF-TrFE)雙層復合介質膜的漏電流在不同的電場強度下，利用P-F效應、里查森-肖特基發射以及空間電荷限制電流模型可以較好地描述和解釋。需要強調的

是P-F效應僅僅在較低電場下占主要地位，顯示了膜中的陷阱密度在可以接受的范圍內。

圖5 空間電荷限制電流模型擬合結果(25～40 V)Fig.5 Fitting curve of leakage current in 25～40 V(SCLC mold)

4 結 論

對于Si-PMMA-P(VDF-TrFE)-Ag結構的雙層有機絕緣膜，隨著所加電壓的增加，在電流-電壓曲線上出現若干個的轉折點。通過對每個電壓范圍內的漏電流數據擬合分析，表明在不同的電壓范圍內膜的漏電由不同的載流子傳導機制控制。當電壓在0～1 V范圍內變化時，漏電流的大小主要是受到絕緣膜中陷阱的影響，此時漏電流與電壓近似成線性關系，與低電場強度下P-F模型一致。隨著電壓的增加，在1～25 V電壓范圍內，漏電流取決于電極材料與介質膜形成的接觸勢壘的高度，與肖特基發射模型預測的電流與V1/2為線性關系相符合。當電壓增大到25～40 V范圍內時，漏電流主要取決于空間電荷限制電流，其大小與V2成線性關系。

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