半導(dǎo)體有機(jī)半導(dǎo)體電學(xué)性能論文
摘要：隨著科技和經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步發(fā)展，半導(dǎo)體器件在我們生活中的應(yīng)用越來越廣泛，而在半導(dǎo)體器件中有機(jī)半導(dǎo)體應(yīng)用最為廣泛。本文即將探索和解說有機(jī)半導(dǎo)體器件的電學(xué)性能，揭開其神秘的面紗。該文主要從有機(jī)半導(dǎo)體同無機(jī)半導(dǎo)體的發(fā)展歷程及其其概念導(dǎo)入，其次在分析有機(jī)半導(dǎo)體的優(yōu)劣點(diǎn)，解說有機(jī)半導(dǎo)體的場效應(yīng)現(xiàn)象，最后以納米ZnO線(棒)的試驗(yàn)解說其電學(xué)性質(zhì)
關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體有機(jī)半導(dǎo)體電學(xué)性能
一、從有機(jī)半導(dǎo)體到無機(jī)半導(dǎo)體的探索
1.1有機(jī)半導(dǎo)體的概念及其研究歷程
什么叫有機(jī)半導(dǎo)體呢?眾所周知，半導(dǎo)體材料是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一類材料，這類材料具有獨(dú)特的功能特性。以硅、鍺、砷化嫁、氮化嫁等為代表的半導(dǎo)體材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子元件、高密度信息存儲(chǔ)、光電器件等領(lǐng)域。隨著人們對物質(zhì)世界認(rèn)識(shí)的逐步深入，一批具有半導(dǎo)體特性的有機(jī)功能材料被開發(fā)出來了，并且正嘗試應(yīng)用于傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的領(lǐng)域。
在1574年，人們就開始了半導(dǎo)體器件的研究。然而，一直到1947年朗訊(Lueent)科技公司所屬貝爾實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)研究小組發(fā)明了雙極晶體管后，半導(dǎo)體器件物理的研究才有了根本性的突破，從此拉開了人類社會(huì)步入電子時(shí)代的序幕。在發(fā)明晶體管之后，隨著硅平面工藝的進(jìn)步和集成電路的發(fā)明，從小規(guī)模、中規(guī)模集成電路到大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路不斷發(fā)展，出現(xiàn)了今天這樣的以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的電子信息技術(shù)與產(chǎn)業(yè)，所以晶體管及其相關(guān)的半導(dǎo)體器件成了當(dāng)今全球市場份額最大的電子工業(yè)基礎(chǔ)。，半導(dǎo)體在當(dāng)今社會(huì)擁著卓越的地位，而無機(jī)半導(dǎo)體又是是半導(dǎo)體家族的重中之重。
1.2有機(jī)半導(dǎo)體同無機(jī)半導(dǎo)體的區(qū)別及其優(yōu)點(diǎn)
與無機(jī)半導(dǎo)體相比，有點(diǎn)半導(dǎo)體具有一定的自身獨(dú)特性，表現(xiàn)在：
(l)、有機(jī)半導(dǎo)體的成膜技術(shù)更多、更新，如真空蒸鍍，溶液甩膜，Langmtrir一Blodgett(LB)技術(shù)，分子自組裝技術(shù)，從而使制作工藝簡單、多樣、成本低。利用有機(jī)薄膜大規(guī)模制備技術(shù)，可以制備大面積的器件。
(2)、器件的尺寸能做得更小(分子尺度)，集成度更高。分子尺度的減小和集成度的提高意味著操作功率的減小以及運(yùn)算速度的提高。
(3)、以有機(jī)聚合物制成的場效應(yīng)器件，其電性能可通過對有機(jī)分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男揎?在分子鏈上接上或截去適當(dāng)?shù)脑雍突鶊F(tuán))而得到滿意的結(jié)果。同時(shí)，通過化學(xué)或電化學(xué)摻雜，有機(jī)聚合物的電導(dǎo)率能夠在絕緣體(電阻率一10一Qcm)到良導(dǎo)體這樣一個(gè)很寬的范圍內(nèi)變動(dòng)。因此，通過摻雜或修飾技術(shù)，可以獲得理想的導(dǎo)電聚合物。
(4)、有機(jī)物易于獲得，有機(jī)場效應(yīng)器件的制作工藝也更為簡單，它并不要求嚴(yán)格地控制氣氛條件和苛刻的純度要求，因而能有效地降低器件的成本。
(5)、全部由有機(jī)材料制備的所謂“全有機(jī)”的場效應(yīng)器件呈現(xiàn)出非常好的柔韌性，而且質(zhì)量輕。
(6)通過對有機(jī)分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男揎棧梢缘玫讲煌阅艿牟牧�，因此通過對有機(jī)半導(dǎo)體材料進(jìn)行改性就能夠使器件的電學(xué)性能達(dá)到理想的結(jié)果。
1.3有機(jī)半導(dǎo)體材料分類
有機(jī)半導(dǎo)體層是有機(jī)半導(dǎo)體器件中最重要的功能層，對于器件的性能起主導(dǎo)作用。所以，有機(jī)半導(dǎo)體器件對所用有機(jī)半導(dǎo)體材料有兩點(diǎn)要求:
(l)、高遷移率；(2)、低本征電導(dǎo)率。
高的遷移率是為了保證器件的開關(guān)速度，低的本征電導(dǎo)率是為了盡可能地降低器件的漏電流，從而提高器件的開關(guān)比。用作有機(jī)半導(dǎo)體器件的有機(jī)半導(dǎo)體材料按不同的化學(xué)和物理性質(zhì)主要分為三類:一是高分子聚合物，如烷基取代的聚噬吩;二是低聚物，如咪嗯齊聚物和噬吩齊聚物;三是有機(jī)小分子化合物，如并苯類，C6。，金屬酞著化合物，蔡，花，電荷轉(zhuǎn)移鹽等。
二、制作有機(jī)半導(dǎo)體器件的常用技術(shù)
有機(jī)半導(dǎo)體性能的好壞多數(shù)決定于半導(dǎo)體制作過程因此實(shí)驗(yàn)制備技術(shù)就顯得尤為重要。下面將對一些人們常用器件制備的實(shí)驗(yàn)技術(shù)做簡要的介紹：
(1)、真空技術(shù)。它是目前制備有機(jī)半導(dǎo)體器件最普遍采用的方法之一，主要包括真空鍍膜、濺射和有機(jī)分子束外延生長(OMBE)技術(shù)。
(2)、溶液處理成膜技術(shù)。它被認(rèn)為是制備有機(jī)半導(dǎo)體器件最有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)，適用于可溶性的有機(jī)半導(dǎo)體材料。常用的溶液處理成膜技術(shù)主要包括電化學(xué)沉積技術(shù)、甩膜技術(shù)、鑄膜技術(shù)、預(yù)聚物轉(zhuǎn)化技術(shù)、分子自組裝技術(shù)、印刷技術(shù)等。
三、有機(jī)半導(dǎo)體器件的場效應(yīng)現(xiàn)象
為了便于說明有機(jī)半導(dǎo)體器件的場效應(yīng)現(xiàn)象，本文結(jié)合有機(jī)極性材料制作有機(jī)半導(dǎo)體器件對薄膜態(tài)有機(jī)場效應(yīng)進(jìn)行分析。試驗(yàn)中，將有機(jī)極性材料經(jīng)過真空熱蒸鍍提純之后溶在DMF溶液中，濃度是20Omg/ml，使用超聲波清洗機(jī)促進(jìn)它們充分并且均勻的溶解，經(jīng)過真空系統(tǒng)中沉積黃金薄膜作為器件的`源極和漏極。在類似條件下，在玻璃襯底上制作了極性材料的薄膜形態(tài)晶粒，研究發(fā)現(xiàn)：
在有機(jī)極性材料形態(tài)，有塊狀、樹枝狀和針狀。不同的薄膜態(tài)形態(tài)，在不同柵極電壓VG的作用下有不同的Ids(流過器件的源極和漏極的電流)一Vds(加在器件的源極和漏極之間的電壓)曲線。
1、塊狀形貌結(jié)構(gòu)的薄膜態(tài)有機(jī)器件的Ids－Vds(性能曲線，變化范圍是從－150V到15OV、柵極電壓的變化范圍是從－200V到200V。當(dāng)柵極電壓Vg以100V的間隔從－200V變化到200V時(shí)，Ids隨著Vds的增加而增加，此時(shí)沒有場效應(yīng)現(xiàn)象。
2、針狀形貌結(jié)構(gòu)的薄膜態(tài)有機(jī)器件的Ids－Vds性能曲線，當(dāng)Vds從－75V增加到75V，柵極電壓VG的變化范圍是一200V~20OV，遞增幅度是5OV。此時(shí)器件具有三種性能規(guī)律:(1)在固定的柵極電壓Vg下，當(dāng)從Vds－75V增加到75V時(shí)，電流Ids也隨之增加;(2)在固定的外加電壓Vds下，當(dāng)柵極電壓Vg從－2O0V增加到2OOV時(shí)，電流Ids也隨之增加;(3)如果沒有對器件施加Vds電壓，只要柵極電壓Vds存在，就會(huì)產(chǎn)生Ids電流，產(chǎn)生電池效應(yīng)。
通過上述的解說我們對有機(jī)半導(dǎo)體器件的電學(xué)性能已有一定的了解了。下面我們即將通過試驗(yàn)來揭開其神秘的面紗。
四、有機(jī)半導(dǎo)體的光電性能探討——以納米ZnO線(棒)的光電性能研究為例
近年來，納米硅的研究引起了社會(huì)的廣泛的關(guān)注，本文中我們將采用場發(fā)射系統(tǒng)，測試?yán)盟疅岱ㄖ苽涞墓杌嚵谢趸\納米絲的場發(fā)射性能。圖11是直徑為30和100nm兩個(gè)氧化鋅陣列的場發(fā)射性能圖,其中圖11a和b分別是上述兩個(gè)樣品的I_V圖和F_N圖。從圖11a中可以看出氧化鋅納米絲的直徑對場發(fā)射性能有很大的影響,直徑為30nm的氧化鋅陣列的開啟場強(qiáng)為2V/μm門檻場強(qiáng)為5V/μm;而直徑為100nm的氧化鋅陣列的開啟場強(qiáng)為3V/μm,門檻場強(qiáng)大于7V/μm。并且從圖11b中可以知道,ln(J/E2)和1/E的關(guān)系近似成線性關(guān)系,可知陰極的電子發(fā)射與F_N模型吻合很好,表明其發(fā)射為場發(fā)射,其性能比文獻(xiàn)報(bào)道的用熱蒸發(fā)制備的陣列化氧化鋅的場發(fā)射性能要好[25]。這主要是由于氧化鋅的二次生長,導(dǎo)致所得氧化鋅陣列由上下兩層組成,具有較高的密度以及較小的直徑,在電場的作用下,更多的電子更容易從尖端的氧化鋅納米絲發(fā)射,從而降低了它們的開啟場強(qiáng)和門檻場強(qiáng)。
我們測試了硅基陣列化納米ZnO的光致熒光譜,如圖12所示。從圖中可知,600~700℃和300~400℃下熱蒸發(fā)合成的陣列化ZnO納米絲的峰位分別在393nm(虛線)及396nm(實(shí)線)。PL譜上強(qiáng)烈的紫外光的峰證明:合成的ZnO納米絲有較好的結(jié)晶性能和較少的氧空位缺陷。由于在高溫區(qū)合成的納米絲有較細(xì)的尖端,故有少量藍(lán)移。
通過上述針對納米ZnO線(棒)的試驗(yàn)，我們能對硅基一維納米的電學(xué)性能進(jìn)行了初步的探討。相信這些工作將為今后的硅基一維納米材料在光電方面的應(yīng)用提供一個(gè)良好的基礎(chǔ)。
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