阻抗譜法確定有機(jī)半導(dǎo)體厚度依賴的遷移率方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于阻抗譜(導(dǎo)納譜)法研究有機(jī)半導(dǎo)體迀移率與厚度的關(guān)系，本 方法可以測(cè)量出表征有機(jī)半導(dǎo)體不同厚度下輸運(yùn)性能的載流子迀移率和色散參數(shù)，同時(shí)提 出界面陷阱自由能，即是界面厚度比例影響載流子的迀移率。在載流子迀移率測(cè)量中，不同 于飛行時(shí)間法需要微米級(jí)的薄膜厚度，此專利對(duì)于器件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，材料的消耗等方面 有重要意義。
【背景技術(shù)】
[0002] 1980年以來(lái)，高效率的有機(jī)半導(dǎo)體器件發(fā)展迅速，越來(lái)越受到人們的關(guān)注，例如有 機(jī)發(fā)光二級(jí)管(0LED)、有機(jī)太陽(yáng)能電池(0PV)、有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(0FET)等。電荷載流子輸 運(yùn)能力是影響器件性能的關(guān)鍵因素之一，載流子迀移率的大小是表征電荷輸運(yùn)能力的一個(gè) 重要參數(shù)。掌握載流子迀移率的本質(zhì)屬性，就可以根據(jù)不同的要求，合成需要的有機(jī)半導(dǎo)體 材料，優(yōu)化有機(jī)半導(dǎo)體器件的性能。為此，許多研究人員致力于測(cè)量有機(jī)半導(dǎo)體的載流子迀 移率。目前，有很多方法可以測(cè)量載流子迀移率，其中，時(shí)間飛行法(T0F)是最傳統(tǒng)，也是最 常用的測(cè)量方法之一。但其也有自身的局限性:第一，T0F法對(duì)有機(jī)層的厚度要求很高，通常 微米級(jí)來(lái)滿足激光的入射深度，這對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體，尤其是許多新材料而言，代價(jià)是很昂貴 的，有時(shí)合成技術(shù)上甚至難以得到足夠多的樣品；第二，實(shí)際中的半導(dǎo)體器件如〇LED、OFET、 0PV等有機(jī)層厚度一般在100納米以內(nèi)，這與T0F法要求的厚度相差很大，T0F法測(cè)出的迀移 率不能真實(shí)代表實(shí)際有機(jī)半導(dǎo)體器件的迀移率;第三，T0F設(shè)備昂貴，操作復(fù)雜，測(cè)量起來(lái)受 到諸多限制；第四，又有文獻(xiàn)報(bào)道，對(duì)于一些色散材料，T0F法無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量其載流子迀移 率。
[0003]在實(shí)際的絕緣體和寬禁帶半導(dǎo)體中，有相當(dāng)數(shù)量的缺陷、雜質(zhì)等不完整性，對(duì)載流 子的傳輸形成陷阱。陷阱可以俘獲輸運(yùn)中的載流子，降低載流子的漂移驅(qū)動(dòng)力，對(duì)器件產(chǎn)生 不利影響。界面陷阱的俘獲作用與界面厚度有關(guān)，所以器件厚度對(duì)迀移率的影響尤為重 要。
[0004] 阻抗譜(導(dǎo)納譜)法是一種以小振幅正弦波為探測(cè)信號(hào)的波譜學(xué)方法。在小信號(hào)擾 動(dòng)下，基于空間電荷限制電流理論（SCLC)，建立理論模型，研究有機(jī)半導(dǎo)體的載流子動(dòng)力 學(xué)。理論上，導(dǎo)納和阻抗是倒數(shù)關(guān)系，但是阻抗值比導(dǎo)納值在數(shù)值上要大。在有限的測(cè)量精 度范圍內(nèi)，數(shù)值越大，后續(xù)的測(cè)量誤差越小，而且擬合也會(huì)越準(zhǔn)確。一般常用的是最小二乘 法擬合，但是此方法對(duì)待辨識(shí)參數(shù)的初始值范圍很敏感，初始值范圍選擇不合適，將導(dǎo)致結(jié) 果無(wú)法收斂。粒子群算法是一種多點(diǎn)迭代算法，它總能在所有點(diǎn)中找到一個(gè)最合適的，且不 需要多余的初始值信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 技術(shù)問(wèn)題:本發(fā)明的目的是提供一種基于阻抗譜(導(dǎo)納譜)原理確定有機(jī)半導(dǎo)體厚 度依賴的迀移率方法，該方法可以測(cè)量出表征有機(jī)半導(dǎo)體輸運(yùn)性能的載流子迀移率和其色 散參數(shù)，同時(shí)提出界面陷阱自由能，即是界面厚度比例影響載流子的迀移率。在載流子迀移 率測(cè)量中，不同于飛行時(shí)間法需要微米級(jí)的薄膜厚度。
[0006] 技術(shù)方案:本發(fā)明的一種阻抗譜法確定有機(jī)半導(dǎo)體厚度依賴的迀移率方法是在小 信號(hào)擾動(dòng)下，基于空間電荷限制電流理論SCLC，建立理論模型；
[0007] 采用粒子群算法擬合阻抗的虛部ImZ和實(shí)部ReZ，得出載流子迀移時(shí)間Tdc，進(jìn)而根 據(jù)公式μ<^ = (12/(τ(^ν)得到迀移率μ<!。;其中d為待測(cè)有機(jī)層厚度，V為加載在有機(jī)層上的電 壓，從而得到厚度與迀移率的關(guān)系圖。根據(jù)P-F方程，擴(kuò)大電場(chǎng)范圍，得到在500(V/cm) 1/2電 場(chǎng)、200nm厚度下，有一個(gè)交點(diǎn)。假設(shè)界面厚度比例為l-10nm，在500(V/cm)V2電場(chǎng)下，做出不 同界面厚度比例與迀移率的關(guān)系。
[0008] 該方法在小信號(hào)擾動(dòng)下，基于空間電荷限制電流理論SCLC，建立理論模型；
[0009] 步驟1.制備測(cè)量迀移率的多個(gè)厚度在50nm-800nm中的單載流子器件，結(jié)構(gòu)為：陽(yáng) 極/有機(jī)層/陰極;測(cè)量空穴迀移率時(shí)要求陽(yáng)極與有機(jī)層界面為歐姆接觸、有機(jī)層與陰極界 面阻擋電子，測(cè)量電子迀移率時(shí)要求陽(yáng)極與有機(jī)層界面阻擋空穴、有機(jī)層與陰極為歐姆接 觸；
[0010] 步驟2.對(duì)器件施加小交流電壓信號(hào)，振幅為25mv，頻率范圍為20~106Hz，并加載 在1~10V正向直流偏壓，測(cè)量器件的阻抗虛部ImZ和實(shí)部ReZ;
[0011] 步驟3.采用粒子群算法擬合阻抗的虛部ImZ和實(shí)部ReZ，得出載流子迀移時(shí)間Tdc， 進(jìn)而根據(jù)公式μ<^ = (12/(τ(^ν)計(jì)算出不同厚度下載流子迀移率μ<!。，做出厚度與迀移率的關(guān) 系圖，
[0012] 步驟4.晶體衍射實(shí)驗(yàn)XRD排除薄膜表面形貌與結(jié)晶對(duì)迀移率的影響，
[0013] 步驟5.根據(jù)Poole-Frenkel方程，擴(kuò)大電場(chǎng)范圍，得到更多種厚度下的迀移率，并 在500(V/cm)V2電場(chǎng)，200nm厚度下有個(gè)交點(diǎn)，在界面厚度為l-10nm，在500(V/cm)V2電場(chǎng)，分 別做出幾種厚度下的界面厚度比例與迀移率的關(guān)系。
[0014] 所述在小信號(hào)擾動(dòng)下，基于空間電荷限制電流理論SCLC，建立理論模型，是建立單 載流子注入、無(wú)陷阱時(shí)的理論模型：
[0015] - '~、方哚乃勿Ω)]2-exp[-，4Ω3々 (Ω)]I +1 .:5餌-沿2) ^'' _ ' Ω'' '
[0016] 其中，Ω = 2JifT：dc = ω Tdc，只(ΩΧ:?)..7從,,=1+Μ(/?)1-，Ω 為標(biāo)準(zhǔn)化頻率，#(??) 為標(biāo)準(zhǔn)化迀移率;Tdc^yd。分別為只有直流偏壓時(shí)的空穴迀移時(shí)間和空穴迀移率，Ζ為器件阻 抗;Α為器件的有效面積，d為有機(jī)層厚度，ε為待測(cè)有機(jī)半導(dǎo)體的介電常數(shù)，i為虛數(shù)單位。
[0017] XRD是晶體衍射實(shí)驗(yàn)。如果晶體朝某一方向生長(zhǎng)，XRD實(shí)驗(yàn)會(huì)有峰值出現(xiàn)，進(jìn)而會(huì)影 響迀移率。本發(fā)明中，用ΙΤ0和不同厚度下的兩種材料器件做對(duì)比，圖形一樣，即器件只顯示 ΙΤ0的XRD圖，說(shuō)明鍍的膜沒(méi)有峰值，沒(méi)有表現(xiàn)晶體生長(zhǎng)特性，所以用此方法排除晶體生長(zhǎng)多 迀移率影響。
[0018] P-F方程即Poole-Frenkel方程，無(wú)序有機(jī)材料中迀移率與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系： //_=/& exp(#/^)，義()零點(diǎn)場(chǎng)迀移率，E電場(chǎng)強(qiáng)度，β迀移率前置因子。
[0019] 有益效果：
[0020] (1)本發(fā)明是直接測(cè)量有機(jī)半導(dǎo)體在實(shí)際器件中的載流子迀移率，能真實(shí)反映有 機(jī)半導(dǎo)體輸運(yùn)性能；
[0021] (2)本發(fā)明不僅能夠測(cè)量有機(jī)半導(dǎo)體的載流子迀移率，而且還可以測(cè)出表征其自 身性能的色散參數(shù)；
[0022] (3)本發(fā)明與傳統(tǒng)的T0F技術(shù)相比，能夠節(jié)約很多成本:T0F要求待測(cè)有機(jī)材料的厚 度要達(dá)到微米級(jí)，這對(duì)于有些材料，尤其是許多新材料而言，代價(jià)是十分昂貴的；此外，T0F 測(cè)量設(shè)備貴重，操作復(fù)雜；
[0023] (4)通過(guò)多個(gè)厚度下的迀移率，得到界面厚度比例對(duì)迀移率的影響，更好的優(yōu)化 器件結(jié)構(gòu)；
[0024] (5)本發(fā)明方法測(cè)試條件簡(jiǎn)單，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件沒(méi)有特別要求。
【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1是本發(fā)明單層器件結(jié)構(gòu)和測(cè)試原理示意圖，
[0026]圖2是兩種材料不同厚度下的迀移率，
[0027]圖3是兩種材料不同厚度下的XRD圖，
[0028] 圖4是根據(jù)P-F方程擬合兩種材料厚度依賴的迀移率，
[0029] 圖5是兩種材料不同界面厚度比例下的遷移率。
【具體實(shí)施方式】
[0030] -種基于阻抗譜法研究有機(jī)半導(dǎo)體迀移率與厚度的關(guān)系，其特征是該方法是在小 信號(hào)擾動(dòng)下，基于空間電荷限制電流理論SCLC，建立理論模型；
[0031] 采用粒子群算法擬合阻抗的虛部ImZ和實(shí)部ReZ，得出載流子迀移時(shí)間Tdc，進(jìn)而根 據(jù)公式μ<^ = (12/(τ(^ν)得到迀移率μ<!。;其中d為待測(cè)有機(jī)層