Admittance of mis-structures based on pentacene with two-layer dielectric SiO₂-Al₂O₃.pdf Введение Возникший в последние годы интерес к исследованиям свойств органо-неорганических систем обусловлен перспективами создания новых типов приборов с расширенными функциональными возможностями, причем в таких приборах могут сочетаться достоинства органических пленок и традиционных неорганических материалов [1-3]. Одним из простых и информативных способов исследования свойств органо-неорганических систем является изучение электрофизических свойств, например, путем измерения адмиттанса или импеданса в различных условиях [4-6]. Следует отметить, что традиционные методики изучения электрофизических свойств систем металл - диэлектрик - полупроводник (МДП) [7] были первоначально разработаны для исследования систем на основе кремния с термически нанесенным диоксидом кремния. МДП-структуры на основе пленок органических полупроводников имеют особенности, требующие модификации традиционных методик. В частности, очень малая скорость генерации неосновных носителей заряда [8, 9] приводит к невозможности реализации режима инверсии в таких структурах, важную роль при этом играет инжекция носителей заряда из обратного контакта [10, 11]. Измерение адмиттанса (или импеданса) МДП-структур с органическими полупроводниковыми пленками при различных частотах и напряжениях предоставляет возможности для изучения свойства органической пленки, а также границы раздела неорганический диэлектрик - органический полупроводник [12-14]. Дополнительную информацию можно получить при измерениях электрофизических свойств в широком диапазоне температур [15-17]. Например, в работах [18, 19] измерения в широком диапазоне температур (9-300 К) адмиттанса структур на основе пентацена с диэлектрическими слоями SiO2 и SiO2-Ga2O3 позволили изучить свойства объемных ловушек в органической пленке. В данной работе приведены результаты исследования в широком диапазоне условий адмиттанса МДП-структур на основе пентацена с двухслойным диэлектриком SiO2-Al2O3 и обратными контактами, сформированными из различных металлов (Au, Al, In, Ag). Выбор в качестве полупроводника пентацена определяется тем, что этот материал относительно хорошо изучен из-за возможностей его использования в новых типах приборов (например, в тонкопленочных транзисторах (OTFT), солнечных элементах, устройствах памяти [20, 21]). В создаваемых OTFT обычно используется хорошо изученный диэлектрик SiO2 [22], но представляет интерес изучение свойств границы раздела с другими диэлектрическими покрытиями [20, 21]. Применение диэлектриков с большими значениями диэлектрической проницаемости перспективно для снижения управляющих напряжений транзистора. Важной характеристикой органо-неорганической системы является плотность медленных состояний на границе раздела, поскольку перезарядка таких состояний может приводить к нестабильности работы приборов из-за гистерезиса электрофизических характеристик. Цель данной работы - экспериментальное исследование процессов в МДП-структурах на основе пентацена с двухслойным диэлектриком SiO2/Al2O3 и обратными контактами, сформированными из различных металлов, посредством измерений адмиттанса в широком диапазоне условий. Образцы и методики измерений Для исследований создавались МДП-структуры на основе органического полупроводника пентацена - с двухслойным диэлектриком SiO2-Al2O3. В качестве подложек использовались слои высоколегированного кремния электронного типа проводимости с нанесенными сверху слоями SiO2 толщиной 220-260 нм (производства Fraunhofer). На поверхность SiO2 методом плазменного атомно-слоевого осаждения наносился слой Al2O3 [23, 24] толщиной около 90 нм. Перед формированием слоя пентацена для очистки поверхности структуры промывались в изопропиловом спирте с последующей обработкой в кислородной плазме. Органические пленки пентацена толщиной около 50 нм наносились методом термовакуумного напыления. Рис. 1. Схематическое изображение МДП-структуры на основе пентацена с двухслойным диэлектриком SiO2/Al2O3 с обратным контактом из Au (образец № 1) Обратные контакты из различных металлов (Au, Al, In, Ag - образцы № 1-4 соответственно) формировались при помощи термического напыления в вакууме через маску с отверстиями. Площадь электродов определялась для каждой структуры при помощи специальной микроскопической методики. Для исследованных структур № 1-4 площади обратных контактов (S) составили 1.12, 1.58, 1.52 и 1.50 мм2 соответственно. Омический контакт к подложке из высокопроводящего n-Si создавался вплавлением In методом электрического пробоя [18, 25]. На рис. 1 показано схематическое расположение слоев в МДП-структуре на основе пентацена с обратным контактом из Au (образец № 1). Измерения проводились при помощи автоматизированной установки для спектроскопии адмиттанса наногетероструктур, в состав которой входили измеритель иммитанса Agilent E4980A и неоптический криостат Janis. Установка позволяла измерять зависимости адмиттанса от температуры (8-300 К), частоты (1-2000 кГц), напряжения смещения (от -40 до 40 В). За прямое направление развертки напряжения (FVS) принимается изменение напряжения смещения от отрицательных значений к положительным, а за обратное (RVS) - от положительных к отрицательным. Для анализа экспериментальных зависимостей адмиттанса использовался метод эквивалентных схем [26-28]. При экспериментальных исследованиях использовалась параллельная схема замещения, т.е. находились параллельно соединенные емкость (C) и проводимость (G) МДП-структуры. Для характеристики процессов в МДП-структурах часто применяют нормированную на циклическую частоту  проводимость МДП-структуры . Если из полного импеданса МДП-структуры вычесть емкостное сопротивление диэлектрического слоя, то можно найти параллельные емкость (Cp) и проводимость (Gp, ), которые характеризуют свойства пленки пентацена с учетом сопротивления обратного контакта. Экспериментальные результаты и их обсуждение На рис. 2 приведены вольт-фарадные характеристики (ВФХ) МДП-структур № 1 и 2 с обратными контактами из Au и Al соответственно, измеренные при температуре 300 К на частоте 2 кГц при прямом и обратном направлении развертки напряжения. Измеренные ВФХ характерны для МДП-структур с полупроводником дырочного типа проводимости. Из рис. 2 видно, что для образцов № 1 и 2 при температуре 300 К наблюдается значительный гистерезис ВФХ. На рис. 3 показаны ВФХ МДП-структур № 3 и 4 с обратными контактами из In и Ag соответственно, измеренные при температуре 300 К на частоте 2 кГц при прямом и обратном направлении развертки напряжения. Можно отметить, что для образцов № 3 и 4 при положительных смещениях наблюдается относительно небольшой гистерезис ВФХ. Рис. 2. ВФХ МДП-структур № 1 (Pen-Au) (кр. 1, 2) и № 2 (Pen-Al) (кр. 3, 4) с диэлектриком SiO2-Al2O3, измеренные при температуре 300 К на частоте 2 кГц при прямой (кр. 1, 3) и обратной (кр. 2, 4) развертке напряжения Рис. 3. ВФХ МДП-структур № 3 (Pen-In) (кр. 1, 2) и № 4 (Pen-Ag) (кр. 3, 4) с диэлектриком SiO2- Al2O3, измеренные при температуре 300 К на частоте 2 кГц при прямой (кр. 1, 3) и обратной (кр. 2, 4) развертке напряжения Из рис. 2 видно, что для образца № 1 с обратным контактом из Au при прямой развертке напряжения наблюдается максимум емкости в режиме обогащения. Максимум емкости становится менее выраженным при увеличении частоты (рис. 4) и при охлаждении (рис. 5). Можно предположить, что возникновение этого максимума связано с перезарядкой уровня на границе между пентаценом и двухслойным диэлектриком SiO2-Al2O3. Рис. 4. ВФХ МДП-структуры № 2 (Pen-Al) с диэлектриком SiO2-Al2O3, измеренные при прямой развертке напряжения при температуре 300 К на различных частотах, кГц: кр. 1 - 200, кр. 2 - 50, кр. 3 - 10, кр. 4 - 2 Рис. 5. ВФХ МДП-структуры № 2 (Pen-Al) с диэлектриком SiO2-Al2O3, измеренные при прямой развертке напряжения на частоте 2 кГц при различных температурах, К: кр. 1 - 150, кр. 2 - 200, кр. 3 - 250, кр. 4 - 300 Концентрацию дырок в пленке пентацена можно определить по наклону зависимости C-2(V) в режиме обеднения, где V - напряжение смещения (анализ Мотта - Шоттки) [7]. В приближении обеднения верно соотношение , где NA - концентрация ионизованной акцепторной примеси; q - заряд электрона; s - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника; 0 - диэлектрическая проницаемость вакуума; S - площадь полевого электрода МДП-структуры. Зная концентрацию дырок в пленке пентацена, можно определить напряжение плоских зон при прямом и обратном направлении развертки напряжения, а также величину гистерезиса при напряжении плоских зон. Найденные при температуре 300 К параметры различных образцов приведены в табл. 1. Рассчитанные значения концентрации дырок достаточно велики. Это можно объяснить в рамках модели непреднамеренного легирования [29-31]. Известны предположения, что причиной высоких значений определяемой концентрации дырок в тонких органических пленках может быть инжекция носителей заряда из обратного контакта [10, 11]. Но в этом случае сложно объяснить отсутствие зависимости определяемой концентрации дырок от температуры и частоты [18], поскольку высота барьера на границе пентацена и обратного контакта должна зависеть от температуры [11]. Зная концентрацию дырок в органической пленке, можно найти емкость плоских зон (Cfb) при помощи формул [7]: , , где p - концентрация дырок в пентацене; k - постоянная Больцмана; T - температура; LD - длина Дебая для дырок. Значения напряжения плоских зон (Vfb) при прямой и обратной развертке напряжения, а также величина гистерезиса (V) при емкости плоских зон приведены в табл. 1. Если гистерезис связан с перезарядкой медленных состояний на границе раздела между пентаценом и неорганическим диэлектриком, то плотность медленных состояний (Nss) можно найти при помощи формулы: , где Сd - емкость диэлектрика. Таблица 1 Параметры органо-неорганических систем различных типов, найденные из ВФХ при температуре 300 К № образца Концентрация дырок, см-3 Vfb при FVS, В Vfb при RVS, В V при Сfb, В Nss, см-2 1 3.731017 -27 -11.5 15.5 4.551012 2 1.391018 -26 -5.5 20.5 4.041012 3 3.821018 -12 -4 8 2.231012 4 2.881018 -22.5 -6 16.5 3.971012 На рис. 6 и 7 символами показаны экспериментальные зависимости действительной и мнимой частей импеданса для образца № 1 с обратным контактом из Au, которые были измерены при температуре 200 К и смещении -20 В. На вставке рис. 6 показано, что исследуемые МДП-структуры на основе пентацена можно представить в виде параллельно или последовательно соединенных емкости и сопротивления (Cp-Rp или Cs-Rs соответственно). Рис. 6. Экспериментальные зависимости действительной (кр. 1) и мнимой частей импеданса (кр. 2) образца № 1 (Pen-Au) с диэлектриком SiO2-Al2O3 от частоты, измеренные при напряжениях -20 В и температуре 200 К (символы), а также результаты моделирования методом эквивалентных схем (линии) Рис. 7. Экспериментальные зависимости действительной (кр. 1) и мнимой частей импеданса (кр. 2) образца № 1 (Pen-Au) с диэлектриком SiO2-Al2O3 от частоты, измеренные при напряжениях -30 В и температуре 300 К (символы), а также результаты моделирования методом эквивалентных схем (линии) Импеданс Z такой Cs-Rs-цепочки можно записать в следующем виде: , где Re Z - действительная часть импеданса, а Im Z - мнимая часть импеданса. Линиями на рис. 6 и 7 показаны результаты расчета частотных зависимостей импеданса с использованием эквивалентной схемы, приведенной на вставке рис. 7. В этой схеме использованы следующие элементы: Cd и Rd - емкость и сопротивление, которые характеризуют диэлектрический слой и область пространственного заряда в пентацене. Сопротивление R1 и емкость C1 отностся к квазинейтральному объему органической пленки пентацена. Сопротивление Rs описывает свойства обратного контакта к органической пленке пентацена (рис. 1). В табл. 2 приведены значения элементов эквивалентной схемы, определенные для различных образцов при температуре 300 К и напряжении смещения -20 В. Из табл. 2 видно, что наименьшему значению емкости C1 соответствует наибольшее значение сопротивления органической пленки R1. Минимальные значения сопротивления Rs относятся к обратным контактам из Ag и In, а максимальное значение этого сопротивления наблюдалось для обратного контакта из золота. Таблица 2 Параметры эквивалентной схемы, полученные путем моделирования частотных зависимостей импеданса при напряжении -20 В и температуре 300 К № образца Сd, пФ С1, пФ R1, Ом Rs, Ом 1 527 739 124565 875 2 498 2923 22630 442 3 677 2320 105412 164 4 577 34568 2484 89 На рис. 8 показаны зависимости значений элементов эквивалентной схемы для образца № 1 от напряжения смещения при температуре 300 К. Видно, что при снижении обратного смещения емкость Cd уменьшается, что связано с увеличением роли области пространственного заряда. Емкость C1 при понижении величины обратного смещения возрастает (а сопротивление R1 падает), что определяется изменением толщины квазинейтрального объема органической пленки пентацена. На рис. 9 приведены зависимости значений элементов эквивалентной схемы от температуры для образца № 1, измеренные при смещении -15 В. Из рисунка видно, что емкость Cd при охлаждении незначительно уменьшается, а емкость C1 - возрастает, что может быть связано с уменьшением толщины квазинейтрального объема органической пленки (при этом сопротивле¬ние R1 повышается). Рис. 8. Зависимость значений емкости Cd (кр. 1), C1 (кр. 2), а также R1 (кр. 3) образца № 1 (Pen-Au) с диэлектриком SiO2-Al2O3 от напряжения смещения, найденные при помощи метода эквивалентных схем при температуре 300 К Рис. 9. Зависимость значений емкости диэлектрического слоя (кр. 1), емкости органической пленки пентацена (кр. 2), а также сопротивления органической пленки пентацена (кр. 3) образца № 1 (Pen-Au) с диэлектриком SiO2-Al2O3 от температуры, найденные при помощи метода эквивалентных схем при смещении -15 В Можно отметить, что измерения в различных условиях адмиттанса (или импеданса) органо-неорганических систем могут использоваться для характеристики поверхностных состояний и объемных ловушек. На рис. 10 показаны фрагменты ВФХ и зависимости приведенной проводимости от напряжения, измеренные для образца № 1 при температуре 300 К и частоте 15 кГц. Максимум проводимости, соответствующий диапазону наиболее резкого изменения емкости, связан с уровнем поверхностных состояний на границе между пентаценом и двухслойным неорганическим диэлектриком SiO2-Al2O3. Плотность состояний для этого уровня равна около 1.51011 см-2, а время перезарядки - около 3.2 мкс. На рис. 11 приведены температурные зависимости проводимости для образцов № 1 и 4, измеренные на частоте 50 кГц при смещениях -20 и -30 В. Аналогичные максимумы наблюдались для МДП-структур на основе пентацена с диэлектриками SiO2 и SiO2-Ga2O3 [18]. Наблюдаемые максимумы связаны с ловушками в объеме органической пленки пентацена, поскольку при уменьшении толщины квазинейтрального объема амплитуды максимумов уменьшаются. Из графиков Аррениуса найдены значения энергии активации, которые для образцов № 1 и 4 составили (103.82.4) и (121.34.1) мэВ соответственно. Время перезарядки объемного уровня в образце № 1 при температуре 230 К составляло около 100 мкс, а в образце № 4 - около 40 мкс. Концентрация объемных уровней ловушек в пентацене для образца № 1 равнялось 2.51018 см-3, а для образца № 4 - 5.21018 см-3. Рис. 10. Фрагменты ВФХ (кр. 1) и зависимости приведенной проводимости от напряжения (кр. 2) для образца № 1 (Pen-Au) с диэлектриком SiO2- Al2O3, измеренные на частоте 15 кГц при температуре 300 К Рис. 11. Температурные зависимости приведенной проводимости для образца № 1 (Pen-Au, кр. 1 и 2) и образца № 4 (Pen-Ag, кр. 3 и 4), измеренные на частоте 50 кГц при различных напряжениях смещения, В: -30 (кр. 1 и 3), -20 (кр. 2 и 4) Выводы Таким образом, в широком диапазоне условий экспериментально исследован адмиттанс МДП-структур на основе органической пленки пентацена с двухслойными диэлектрическими слоями SiO2-Al2O3. В качестве обратного контакта МДП-структуры использовались различные металлы (Au, Al, In, Ag). Измерения вольт-фарадных характеристик показали, что наибольший гистерезис наблюдается для структур с обратным контактом из золота, а наименьший - из индия. Для МДП-структуры с обратным контактом из Au при прямой развертке напряжения в режиме обогащения обнаружен максимум емкости, который может быть связан с перезарядкой уровня на границе между пентаценом и Al2O3. По наклону вольт-фарадных характеристик в режиме обеднения найдены величины концентраций дырок в пентацене, которые принимали значения в диапазоне от 3.71017 до 3.81018 см-3, что можно объяснить в рамках модели непреднамеренного легирования пентацена. Предложена эквивалентная схема, позволяющая достичь хорошего совпадения расчетных частотных зависимостей действительной и мнимой частей импеданса и экспериментальных данных. Определены величины элементов эквивалентной схемы для различных типов образцов. Найдены зависимости значений элементов эквивалентной схемы от смещения и от температуры. При температуре 300 К уменьшение отрицательного смещения приводит к падению толщины квазинейтрального объема пленки пентацена, что проявляется в увеличении емкости, характеризующей квазинейтральный объем (а также в снижении значений соответствующего сопротивления). Показано, что измерения адмиттанса (или импеданса) МДП-структур на основе пентацена позволяют получить информацию о свойствах поверхностных уровней на границе между пентаценом и неорганическим диэлектриком, а также о свойствах объемных ловушек в пентацене.

Скачать электронную версию публикации