热退火对基于Ta2O5绝缘层有机场效应晶体管性能的影响

[摘           要]  研究了采用阳极氧化法制备Ta2O5绝缘层，探索了Ta2O5绝缘层的氢热处理对其频率特性的影响。结果发现，Ta2O5绝缘层经过氢热处理后，其电容率变大，同时，以Ta2O5作为绝缘层，制备基于半导体材料poly（2-methoxy-5-（2’-ethyl-hexyloxy）-1，4-phenylene-vinylene）（MEH-PPV）场效应晶体管器件，器件经热处理后，其场效应迁移率从1.15×10-5cm2/Vs提高到了2.35×10-4cm2/Vs，这是热处理改善Ta2O5绝缘层和MEH-PPV半导体层之间接触的结果。

[关    键   词]  有机场效应晶体管;阳极氧化Ta2O5绝缘层;热处理

[中图分类号]  TN321.5         [文献标志码]   A  [文章编号]  2096-0603（2015）16-0030-02

有机薄膜晶体管（OFETs）引起人们的广泛关注，主要源于它在柔性、大面积以及低成本的电子器件上的潜在应用。研究者在源、漏电极与有机半导体之间加入一层缓冲层材料用于改善载流子的注入，提高器件的迁移率，这样成本高，OFETs的绝缘层是影响阈值电压等性能的一个关键因素。常用OFET的SiO2绝缘层材料电介质常数低（k≈3.9），电容率较低，从而导致低点饱和电流和差的场效应迁移率。因此，选用高电介质常数（k）绝缘材料可以有效地降低OTFTs的阈值电压，改善器件的性能。Ta2O5由于其介电常数较高（20～35），因其良好绝缘性能被广泛关注。本文研究了采用阳极氧化法制备Ta2O5绝缘层，探索了Ta2O5绝缘层的氢热处理对其金属-绝缘层-金属（MIM）结构漏电流和频率特性影响，同时，用它制备的基于半导体材料（MEH-PPV）OFET器件，制备OFET器件的场效应迁移率从1.15×10-5cm2/Vs提高到了2.35×10-4 cm2/Vs，分析了器件性能改善的原因。

一、实验

采用阳极氧化的方法来制备Ta2O5绝缘层。首先，用一层450nm后的Ta薄膜作为栅极，再将其进行阳极氧化。阳极氧化在0.01M的柠檬酸溶液中进行。利用Keithley2400作为阳极氧化的电流电压源，一个恒定的电流（0.2A/cm2）加在Al薄膜样品上，Ta薄膜表面被慢慢氧化成Ta2O5，氧化过程2小时，这时Ta薄膜表面以下一定厚度的Ta氧化成150nm厚度的Ta2O5，其厚度与所加电压成正比，约为2nm/V。然后将Ta2O5薄膜基片放入真空室，在氢气的气氛下，加热350℃，恒定10min，马上退火处理。在Ta2O5绝缘层直接镀上金电极制备了金属-绝缘层-金属（MIM）器件;测试MIM器件的频率特性，将MEH-PP有机半导体材料甩膜在阳极氧化Ta2O5绝缘层上作为有机场效应晶体管的有源层，并在MEH-PPV上再镀上金电极制备了有机场效应晶体管（OFET）源、漏电极，金电极的宽长比为100。最后测试并分别比较了经过和未经Ta2O5绝缘层热处理这两种器件的电学性能。器件的电学特性由半导体参数测试仪（Agilent 4155C）测试。

二、结果与分析

图2 Ta2O5膜未经氢热处理和经过热处理的OFETs的IDS1/2对应于VGS的曲线图（VDS=10V）

图1分别出示了Ta2O5的MIM结构的电容-频率特性，从图1中可以看出电容大小在110k～110kHz频率的范围内基本保持平稳，从110kHz开始急剧下降，Ta2O5经过热处理后，其MIM的电容率有所提高，达到50nF。

OFETs的迁移率通过饱和区的电流公式来计算：

式中W和L分别代表器件沟道的宽度和长度，Ci是栅绝缘介质层的单位面积电容，μ是场效应迁移率，VT是阈值电压。经图2的数据处理得到：Ta2O5未经氢热处理时，MEH-PPV的场效应迁移率为1.15×10-5cm2/Vs，而经过氢热处理的为2.35×10-4cm2/Vs，可知Ta2O5绝缘层经过氢热处理后，其OTFT的饱和区的场效应迁移率高了近20倍。这说明Ta2O5绝缘层和MEH-PPV半导体层之间的接触得到改善。分析认为这是由于在氢热处理过程中Ta2O5绝缘体内部的原子部分发生了重构现象，大大减小了Ta2O5绝缘体表面的缺陷密度，同时氢饱和了Ta2O5绝缘体表面以及体内部分悬挂键造成的。

三、结论

研究了热处理对阳极氧化的Ta2O5的绝缘性能的影响。Ta2O5经过热处理后，其MIM结构的电容率有所增大，这就导致了经热处理的Ta2O5膜的OFET器件的迁移率比没有经过热处理的Ta2O5膜的OFET器件提高了近20倍，阈值电降低。热处理过程的Ta2O5绝缘体内部的缺陷和位错密度大大减小，从而使Ta2O5的绝缘性能得到了很大的改善。

参考文献：

[1]Chung Y， Johnson O， Deal M， et al.Engineering the metal gate electrode for controlling the threshold voltage of organic transistors[J]. Appl. Phys. Lett.，2012（101）.

[2]聂国政，彭俊彪，周仁龙.CuI/Al双层电极的有机场效应晶体管[J].物理学报，2011（60）：518-523.