CN101197425B - 有机光电三极管、制作方法及用途 - Google Patents

有机光电三极管、制作方法及用途 Download PDF

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Abstract

有机光电三极管、制作方法及用途，近年来，有机薄膜三极管、有机发光二极管，以及有机二极管的研究，已从有机小分子半导体材料扩展到导电共扼高聚物，并把焦点集中在器件的物理机构和改善器件的性能以达到实用化水平上。本发明的组成包括：铝蒸发膜构成的栅极，所述的铝蒸发膜栅极两侧具有有机半导体的酞菁铜薄膜，两者之间形成肖特基壁垒，源极和漏极采用与酞菁铜蒸发膜成欧姆性接触的金蒸发膜，所述的酞菁铜采用镧系金属配合物的双核酞菁、稀土金属配位的三明治结构酞菁、16氟取代的酞菁锌，位于所述的铝蒸发膜栅极上侧的酞菁铜薄膜膜厚度为60-80nm、位于所述的铝蒸发膜栅极下侧的酞菁铜薄膜膜厚度为120-140nm，铝蒸发膜栅极厚度为17-22nm。本产品用于光电传感器件。

Description

有机光电三极管、制作方法及用途
技术领域：
本发明涉及一种含有半导体有机材料的光电三极管，该三极管的用途。
背景技术：
利用无机半导体材料的光伏性质，可以制成太阳能电池、CCD图象传感器和光电传感器等。而近年来，有机薄膜三极管、有机发光二极管，以及有机二极管的研究，已从有机小分子半导体材料扩展到导电共扼高聚物，并把焦点集中在器件的物理机构和改善器件的性能以达到实用化水平上。如有机薄膜三极管集成电路、有机发光二极管显示面板等。有机小分子和高聚物的电气特性和器件的研究，现在统称为塑料电子学。
使用导电高聚物P3HT和C60衍生物[6，6]PCBM[1]制成结构为ITO/P3OT:PCBM/Al的有机光电二极管，全彩色数字图象传感器阵列，在400nm-700nm可见光波长范围内，通过分光偏光板，输出红、绿、兰三原色256级灰度光电流数据矩阵，实现数字图象传感器的功能。
发明内容：
本发明的目的是提供一种具有极高的电流增益，使光电流放大β倍，与有机光电二极管相比，具有极高光电信号转换能力，输出的光电流信号容易处理的光电三极管及其用途及其制作方法。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
有机光电三极管，其组成包括：铝蒸发膜构成的栅极，所述的铝蒸发膜栅极两侧具有有机半导体的酞菁铜薄膜，两者之间形成肖特基壁垒，源极和漏极采用与酞菁铜蒸发膜成欧姆性接触的金蒸发膜，所述的酞菁铜采用镧系金属配合物的双核酞菁、稀土金属配位的三明治结构酞菁、16氟取代的酞菁锌，位于所述的铝蒸发膜栅极上侧的酞菁铜薄膜膜厚度为60-80nm、位于所述的铝蒸发膜栅极下侧的酞菁铜薄膜膜厚度为120-140nm，铝蒸发膜栅极厚度为17-22nm。
所述的有机光电三极管，位于所述的铝蒸发膜栅极上侧的酞菁铜薄膜膜厚度为70nm、位于所述的铝蒸发膜栅极下侧的酞菁铜薄膜膜厚度为130nm，铝蒸发膜栅极厚度为20nm。
一种有机光电三极管的制作方法，首先在玻璃基板上制作金蒸发膜源电极，然后制作第一层CuPc蒸发膜，和制作铝蒸发膜栅极及第二层CuPc薄膜，最后制作金蒸发膜漏电极，试样制作的条件是，CuPc的蒸发温度为400℃、基板温度为室温20℃，上层酞菁铜薄膜膜厚和下层酞菁铜薄膜膜厚由蒸发时间控制、蒸发速度为2.5-3.5nm/min，成品中位于所述的铝蒸发膜栅极上侧的酞菁铜薄膜膜厚度为60-80nm、位于所述的铝蒸发膜栅极下侧的酞菁铜薄膜膜厚度为120-140nm，铝蒸发膜栅极厚度为17-22nm。
所述的有机光电三极管的制作方法，位于所述的铝蒸发膜栅极上侧的酞菁铜薄膜膜厚和位于所述的铝蒸发膜栅极下侧的酞菁铜薄膜膜厚由蒸发时间控制、蒸发速度为3nm/min，位于所述的铝蒸发膜栅极上侧的酞菁铜薄膜膜厚度为70nm、位于所述的铝蒸发膜栅极下侧的酞菁铜薄膜膜厚度为130nm，铝蒸发膜栅极厚度为20nm。
有益效果：
1.利用有机遂穿三极管的大电流增益的优点，使用代表性有机半导体材料酞菁铜，以及光照射有机半导体材料/金属界面的肖特基接触时产生的光电流，驱动有机遂穿三极管，获得光电流倍增效应，实现光电信号转换。具有结构为ITO(emitte)/CuPc/Al(base)/CuPc/Au(collector)叠层结构的有机光电三极管，利用了有机遂穿三极管极高的电流增益，使光电流放大β倍，与有机光电二极管相比，具有更高光电信号转换能力。输出的光电流信号易与无机集成电路匹配，进行信号处理与图象还原。
2.首先分析半导体与金属接触CuPc/Al形成的肖特基壁垒、当光照射时光电流发生的机理。如图2所示。
a由金属激励起的电子越过肖特基壁垒流向半导体侧的耗尽层，但与以下二个成分相比很小可忽略。
b在肖特基内耗尽层由于光吸收而励起的电子空穴激子对e-/h+在耗尽层内部电场作用下分离并向相反方向移动产生与肖特基壁垒的扩散电位相抗衡的光生电压。
c半导体内部由于光吸收而励起的载流子向耗尽层漂移。
在暗状态下三极管的工作电流Iec为：Iec＝βIb+Iceo             (1)
Iceo是基极开路时，发射极-集电极间反向饱和电流。对于有机光电三极管，光照射产生的光电流主要是耗尽层内部电场作用下产生的.光线照射到集电极一侧，当光能大于CuPc/Al肖特基势垒能
Figure GSB00000131528300031
时，产生光电IL。
对于ITO(emitte)/CuPc/Al(base)/CuPc/Au(collector)结构的光电三极管，耗尽层内产生的电子-空穴激子对在基极区域内部电场作用下分离，电子向基极区域流动、空穴向集电极流动，形成的光电流IL成为基极电流的一部分，光照射时，基极电流变为：Ib＝Ib dark+IL                   (2)
光电流的注入，使基极区域的壁垒高度降Δφ，发射极越过基极注入到集电极的电流增加IL(1+β)，忽略Iceo bark成分，从而式(1)改写成：
Iec＝βIb dark+IL(1+β)                 (3)
由于三极管的电流放大作用，产生光电流倍增效应为β(1+IL)，光电流IL成为基极驱动电流，实现了光信号的光电转换和放大，这就是光电三极管的动作原理。图3是有机光电三极管在光照射时，IL注入到基极，使半导电铝薄膜基极能带高度变化ΔΦ，产生光电流倍增效应的能带图。
这种具有叠层结构的有机光电三极管利用了有机遂穿三极管极高的电流增益，使光电流放大β倍，与有机光电二极管相比，具有极高光电信号转换能力。输出的光电流信号容易处理。
3.本产品(VOTFT)的暗状态电气特性测试
有机光电三极管是垂直导电沟道结构的半导电铝薄膜栅极有机半导体酞菁铜薄膜三极管。制作的薄膜铝栅极有机光电三极管试样的电气特性实验，都是在大气中、恒定室温20℃下进行。测试三极管在暗状态时的电气特性时，试样放置在密封金属箱中。测定VOTFT的静态特性的偏压条件是，使基极电压Vb从0V变化到1V，集电极-发射极极间电压Vce从0V增加到2V，在不同基极电压Vb条件下，测定发射极-集电极电压Vce与发射极-集电极间电流Ice变化关系。
半导电铝薄膜基极与两侧的CuPc薄膜的肖特基I-V整流特性的测试结果如图4所示，Vbe-Ibe是基极与下部集电极极间电压-电流，Vbc-Ibc是基极与上部发射极间电压-电流。这一结果与酞菁系薄膜呈现P型半导体导电特性，和铝电极形成肖特基势垒的研究结果一致[2，3]。
VOTFT的直流工作特性的测定，使基极-集电极间偏置电压Vbc步幅为0.2V、从0V变化到1V，发射极-集电极间偏置电压Vce从-2V增加到2V，分别测定发射极-集电极电压Vce与发射极-集电极间电流Ice变化关系。其测定结果如图5所示。由测定结果可知发射极-集电极间电流Ice随基极反向偏置电压的增加，即基极区域的肖特基势垒的增高而减少。
为了研究薄膜铝栅极VOTFT在工作状态下，基极电流Ib和发射极-集电极间电流Ice的关系，在同样偏置电压Vce＝-2～2V条件下，基极偏压分别为0V和基极极开路时，测定的Ice和Ib，图6是其测定结果。由该结果可知，三极管的基极电流Ib远远小于工作电流Ice，约为其1/1000。而基极偏压分别为0V和基极开路时，发射极-集电极间电流Ice相差三个数量级。这个三极管试样的直流电流增益β0、可由式
Figure GSB00000131528300051
得到。设光电流IL＝3Ib，由式(3)计算出光电倍增电流如图7右侧曲线所示。
4.本发明的的半导电薄膜肖特基铝栅极有机光电三极管，通过控制CuPc与薄膜铝栅极的厚度，获得了良好的三极管静态工作特性，电流增益为β0＝1000，直流动作电流IDS为～mA/cm2。结果表明，具有叠层结构的有机光电三极管利用了VOTFT极高的电流增益，使光电流放大β倍，与有机光电二极管相比，由光电流驱动的有机光电三极管，具有极高光电信号转换能力，输出的光电流信号容易处理。随着高性能新型有机半导体材料和有机电子器件的各种制作方法，如印刷法和有机电子器件集成技术等的研究开发，本产品(有机遂穿光电三极管)可用于光电传感器件。
图1是有机光电三极管的结构图，结构为玻璃基板/ITO(collector)/CuPc/Al(base)/CuPc/Au(emitte)。
图2是肖特基壁垒的光电流发生机理。
图3是光电三极管光照时载流子产生和能带图
图4是暗状态铝栅极与两侧的CuPc薄膜的肖特基I-V整流特性
图5是暗状态VOTFT的静态工作特性
图6是当Vb＝0V，Vb＝open时，Vce-Ice，Vce-Ib的工作特性。
图7是光电倍增电流计算值。
本发明的具体实施方式：
实施例1：
有机光电三极管，其组成包括：铝蒸发膜构成的栅极，所述的铝蒸发膜栅极两侧具有有机半导体的酞菁铜薄膜，两者之间形成肖特基壁垒，源极和漏极采用与酞菁铜蒸发膜成欧姆性接触的金蒸发膜，
所述的酞菁铜可采用镧系金属配合物的双核酞菁、稀土金属配位的三明治结构酞菁、16氟取代的酞菁锌进行替代。
所述的上下二层酞菁铜薄膜膜厚度分别约为70nm，130nm，铝蒸发膜栅极厚度约为20nm。
实施例2：
有机光电三极管的制作采用具有良好的化学稳定性和耐热性CuPc，早在1970年代已作为代表性有机光电特性研究的材料。CuPc呈典型的本征P形有机半导体材料。本文制作的有机光电三极管结构是由ITO(collector)/CuPc/Al(base)/CuPc/Au(emitte)五层构成。栅极是铝蒸发膜，通过调节铝蒸发源与试样间的距离和蒸发时间控制各层蒸发膜的厚度。源极和漏极采用与CuPc蒸发膜成欧姆性接触的金蒸发膜。制作顺序是，首先在玻璃基板上制作金蒸发膜源电极，然后制作第一层CuPc蒸发膜，和制作薄膜铝栅极及第二层CuPc薄膜，最后制作金蒸发膜漏电极。试样制作的条件是，CuPc的蒸发温度为400℃、基板温度为室温20℃，上下二层CuPc薄膜膜厚由蒸发时间控制、蒸发速度约为3nm/min。上下二层CuPc薄膜膜厚度分别约为70nm，130nm，铝蒸发膜栅极厚度约为20nm.

Claims (5)

1.一种有机光电三极管，其组成包括：铝蒸发膜构成的栅极，其特征是：所述的铝蒸发膜栅极两侧具有有机半导体的酞菁铜薄膜，两者之间形成肖特基壁垒，源极和漏极采用与酞菁铜蒸发膜成欧姆性接触的金蒸发膜，所述的酞菁铜采用镧系金属配合物的双核酞菁、稀土金属配位的三明治结构酞菁、16氟取代的酞菁锌，位于所述的铝蒸发膜栅极上侧的酞菁铜薄膜膜厚度为60-80nm、位于所述的铝蒸发膜栅极下侧的酞菁铜薄膜膜厚度为120-140nm，铝蒸发膜栅极厚度为17-22nm。
2.根据权利要求1所述的有机光电三极管，其特征是：位于所述的铝蒸发膜栅极上侧的酞菁铜薄膜膜厚度为70nm、位于所述的铝蒸发膜栅极下侧的酞菁铜薄膜膜厚度为130nm，铝蒸发膜栅极厚度为20nm。
3.一种有机光电三极管的制作方法，其特征是：首先在玻璃基板上制作金蒸发膜源电极，然后制作第一层CuPc蒸发膜，和制作铝蒸发膜栅极及第二层CuPc薄膜，最后制作金蒸发膜漏电极，试样制作的条件是，CuPc的蒸发温度为400℃、基板温度为室温20℃，上层酞菁铜薄膜膜厚和下层酞菁铜薄膜膜厚由蒸发时间控制、蒸发速度为2.5-3.5nm/min，成品中位于所述的铝蒸发膜栅极上侧的酞菁铜薄膜膜厚度为60-80nm、位于所述的铝蒸发膜栅极下侧的酞菁铜薄膜膜厚度为120-140nm，铝蒸发膜栅极厚度为17-22nm。
4.根据权利要求3所述的有机光电三极管的制作方法，其特征是：位于所述的铝蒸发膜栅极上侧的酞菁铜薄膜膜厚和位于所述的铝蒸发膜栅极下侧的酞菁铜薄膜膜厚由蒸发时间控制、蒸发速度为3nm/min，位于所述的铝蒸发膜栅极上侧的酞菁铜薄膜膜厚度为70nm、位于所述的铝蒸发膜栅极下侧的酞菁铜薄膜膜厚度为130nm，铝蒸发膜栅极厚度为20nm。
5.一种权利要求1或2所述的有机光电三极管用于光电传感器件用于光电传感器件的用途。
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