專利名稱：有機(jī)光電三極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
有機(jī)光電三極管技術(shù)領(lǐng)域-本實用新型涉及一種含有半導(dǎo)體有機(jī)材料的光電三極管。
技術(shù)背景-利用無機(jī)半導(dǎo)體材料的光伏性質(zhì)，可以制成太陽能電池、CCD圖象傳感器 和光電傳感器等。而近年來，有機(jī)薄膜三極管、有機(jī)發(fā)光二極管，以及有機(jī)二 極管的研究，已從有機(jī)小分子半導(dǎo)體材料擴(kuò)展到導(dǎo)電共扼高聚物，并把焦點集 中在器件的物理機(jī)構(gòu)和改善器件的性能以達(dá)到實用化水平上。如有機(jī)薄膜三極 管集成電路、有機(jī)發(fā)光二極管顯示面板等。有機(jī)小分子和高聚物的電氣特性和 器件的研究，現(xiàn)在統(tǒng)稱為塑料電子學(xué)。使用導(dǎo)電高聚物P3HT和C60衍生物[6，61PCBM「"制成結(jié)構(gòu)為ITO/P30T: PCBM/A1的有機(jī)光電二極管，全彩色數(shù)字圖象傳感器陣列，在400nm —700nin 可見光波長范圍內(nèi)，通過分光偏光板，輸出紅、綠、蘭三原色2 5 6級灰度光 電流數(shù)據(jù)矩陣，實現(xiàn)數(shù)字圖象傳感器的功能。發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種具有極高的電流增益，使光電流放大"倍， 與有機(jī)光電二極管相比，具有極高光電信號轉(zhuǎn)換能力，輸出的光電流信號容易 處理的光電三極管。上述的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)-有機(jī)光電三極管，其組成包括鋁蒸發(fā)膜構(gòu)成的柵極，所述的鋁蒸發(fā)膜柵 極兩側(cè)具有有機(jī)半導(dǎo)體的酞菁銅薄膜，兩者之間形成肖特基壁壘，源極和漏極 采用與酞菁銅蒸發(fā)膜成歐姆性接觸的金蒸發(fā)膜，所述的有機(jī)光電三極管，所述的酞菁銅可釆用鑭系金屬配合物的雙核酞菁、稀土金屬配位的三明治結(jié)構(gòu)酞菁、16氟取代的酞菁鋅。所述的有機(jī)光電三極管，所述的上下二層酞菁銅薄膜膜厚度分別為60-80nm，120-140nm，最好70nm， 130nm，半導(dǎo)電薄膜鋁柵極厚度為17-22nm ， 最好20腿。這個技術(shù)方案有以下有益效果1. 利用有機(jī)遂穿三極管的大電流增益的優(yōu)點，使用代表性有機(jī)半導(dǎo)體材料 酞菁銅，以及光照射有機(jī)半導(dǎo)體材料/金屬界面的肖特基接觸時產(chǎn)生的光電流， 驅(qū)動有機(jī)遂穿三極管，獲得光電流倍增效應(yīng)，實現(xiàn)光電信號轉(zhuǎn)換。具有結(jié)構(gòu)為 ITO (emitte)/CuPc/Al (base)/CuPc/Au (collector)疊層結(jié)構(gòu)的有機(jī)光電三 極管，利用了有機(jī)遂穿三極管極高的電流增益，使光電流放大"倍，與有機(jī)光電 二極管相比，具有更高光電信號轉(zhuǎn)換能力。輸出的光電流信號易與無機(jī)集成電 路匹配，進(jìn)行信號處理與圖象還原。2. 首先分析半導(dǎo)體與金屬接觸CuPc/Al形成的肖特基壁壘、當(dāng)光照射時光 電流發(fā)生的機(jī)理。如圖2所示。a由金屬激勵起的電子越過肖特基壁壘流向半導(dǎo)體側(cè)的耗盡層，但與以下二個 成分相比很小可忽略。b在肖特基內(nèi)耗盡層由于光吸收而勵起的電子空穴激子對6-/11+在耗盡層內(nèi)部 電場作用下分離并向相反方向移動產(chǎn)生與肖特基壁壘的擴(kuò)散電位相抗衡 的光生電壓。c半導(dǎo)體內(nèi)部由于光吸收而勵起的載流子向耗盡層漂移。在暗狀態(tài)下三極管的工作電流L為乙=風(fēng),+/,, (1)Ice。是基極開路時，發(fā)射極-集電極間反向飽和電流。對于有機(jī)光電三極管，光照射產(chǎn)生的光電流主要是耗盡層內(nèi)部電場作用下產(chǎn)生的.光線照射到集電極一側(cè)，當(dāng)光能大于CuPc/Al肖特基勢壘能Av〉4)。時，產(chǎn)生光電流/,。對于ITO (emitte) / CuPc / Al (base) / CuPc / Au (collector)結(jié)構(gòu)的光電三極管，耗盡層內(nèi)產(chǎn)生的電子-空穴激子對在基極區(qū)域內(nèi)部電場作用下分離，電子 向基極區(qū)域流動、空穴向集電極流動，形成的光電流A成為基極電流的一部分， 光照射時，基極電流變?yōu)?2) 光電流的注入，使基極區(qū)域的壁壘高度降A(chǔ) 4>，發(fā)射極越過基極注入到集電極 的電流增加A f7"f》J ，忽略/^Z""成分,從而式(1)改寫成 /"—風(fēng),'"'+/,.(+ / ) (3)由于三極管的電流放大作用，產(chǎn)生光電流倍增效應(yīng)為"(1+/。，光電流/ 成為基極驅(qū)動電流，實現(xiàn)了光信號的光電轉(zhuǎn)換和放大，這就是光電三極管的動 作原理。圖3是有機(jī)光電三極管在光照射時，A注入到基極，使半導(dǎo)電鋁薄膜基 極能帶高度變化A①，產(chǎn)生光電流倍增效應(yīng)的能帶圖。這種具有疊層結(jié)構(gòu)的有機(jī)光電三極管利用了有機(jī)遂穿三極管極高的電流增 益，使光電流放大"倍，與有機(jī)光電二極管相比，具有極高光電信號轉(zhuǎn)換能力。 輸出的光電流信號容易處理。 3.本產(chǎn)品(VOTFT)的暗狀態(tài)電氣特性測試有機(jī)光電三極管是垂直導(dǎo)電溝道結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)電鋁薄膜柵極有機(jī)半導(dǎo)體酞菁 銅薄膜三極管。制作的薄膜鋁柵極有機(jī)光電三極管試樣的電氣特性實驗，都是 在大氣中、恒定室溫2(TC下進(jìn)行。測試三極管在暗狀態(tài)時的電氣特性時，試樣 放置在密封金屬箱中。測定VOTFT的靜態(tài)特性的偏壓條件是，使基極電壓Vb 從0V變化到1V，集電極-發(fā)射極極間電壓Vee從0V增加到2V，在不同基極電壓Vb條件下，測定發(fā)射極-集電極電壓Vw與發(fā)射極-集電極間電流Iee變化關(guān)系。半導(dǎo)電鋁薄膜基極與兩側(cè)的CuPc薄膜的肖特基I-V整流特性的測試結(jié)果如圖4所示，Vbe-Ibe是基極與下部集電極極間電壓-電流，Vbe-Ibe是基極與上部 發(fā)射極間電壓-電流。這-結(jié)果與酞菁系薄膜呈現(xiàn)P型半導(dǎo)體導(dǎo)電特性，和鋁電 極形成肖特基勢壘的研究結(jié)果一致|2' 31 。VOTFT的直流工作特性的測定，使基極一集電極間偏置電壓Vbc步幅為 0.2V、從0V變化到1V，發(fā)射極一集電極間偏置電壓Vee從-2V增加到2V，分別測定發(fā)射極-集電極電壓Vee與發(fā)射極-集電極間電流U變化關(guān)系。其測定結(jié) 果如圖5所示。由測定結(jié)果可知發(fā)射極-集電極間電流Iee隨基極反向偏置電壓 的增加，即基極區(qū)域的肖特基勢壘的增高而減少。為了研究薄膜鋁柵極VOTFT在工作狀態(tài)下，基極電流Ib和發(fā)射極-集電極間電流Iee的關(guān)系，在同樣偏置電壓^6=-2 2￥條件下，基極偏壓分別為OV和 基極極開路時，測定的Iee和Ib，圖6是其測定結(jié)果。由該結(jié)果可知，三極管的 基極電流Ib遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工作電流^，約為其1/1000。而基極偏壓分別為OV和基極開路時，發(fā)射極-集電極間電流u相差三個數(shù)量級。這個三極管試樣的直流電流增益A、可由式A,^"k,— 、, =1000得到。設(shè)光電流lL-3Ib，由式(3)計《，算出光電倍增電流如圖7右側(cè)曲線所示。4.本實用新型的半導(dǎo)電薄膜肖特基鋁柵極有機(jī)光電三極管,通過控制CuPc與薄膜鋁柵極的厚度，獲得了良好的三極管靜態(tài)工作特性，電流增益為y ^1000,直流動作電流lDs為 mA/cm2。結(jié)果表明，具有疊層結(jié)構(gòu)的有機(jī)光電三極 管利用了 VOTFT極高的電流增益，使光電流放大"倍，與有機(jī)光電二極管相 比，由光電流驅(qū)動的有機(jī)光電三極管，具有極高光電信號轉(zhuǎn)換能力，輸出的光 電流信號容易處理。隨著高性能新型有機(jī)半導(dǎo)體材料和有機(jī)電子器件的各種制 作方法，如印刷法和有機(jī)電子器件集成技術(shù)等的研究開發(fā)，本產(chǎn)品(有機(jī)遂穿光電三極管)可用于光電傳感器件。

圖1是有機(jī)光電三極管的結(jié)構(gòu)圖，結(jié)構(gòu)為玻璃基板/ITO (collector)/CuPc / Al (base) / CuPc / Au (emitte)。圖2是肖特基壁壘的光電流發(fā)生機(jī)理。圖3是光電三極管光照時載流子產(chǎn)生和能帶圖圖4是暗狀態(tài)鋁柵極與兩側(cè)的CuPc薄膜的肖特基I-V整流特性圖5是暗狀態(tài)VOTFT的靜態(tài)工作特性圖6是當(dāng)Vb=0V， Vb=open時，Vce-Ice， Vee-Ib的工作特性。圖7是光電倍增電流計算值。本實用新型的具體實施方式
實施例1 -有機(jī)光電三極管，其組成包括鋁蒸發(fā)膜構(gòu)成的柵極l，所述的鋁蒸發(fā)膜柵極兩側(cè)具有有機(jī)半導(dǎo)體的酞菁銅薄膜，兩者之間形成肖特基壁壘，源極3和漏 極4采用與酞菁銅蒸發(fā)膜成歐姆性接觸的金蒸發(fā)膜，所述的酞菁銅可采用鑭系金屬配合物的雙核酞菁、稀土金屬配位的三 明治結(jié)構(gòu)酞菁、16氟取代的酞菁鋅進(jìn)行替代。所述的上下二層酞菁銅薄膜膜厚度分別約為70nm， 130nm，半導(dǎo)電薄膜鋁柵極厚度約為20mn。整體附著在玻璃基板5上。實施例2:有機(jī)光電三極管的制作采用具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐熱性CuPc，早在 1970年代已作為代表性有機(jī)光電特性研究的材料。CuPc呈典型的本征P形有 機(jī)半導(dǎo)體材料。本文制作的有機(jī)光電三極管結(jié)構(gòu)是由ITO (collector)/CuPc/ Al(base)/CuPc/Au(emitte)五層構(gòu)成。柵極是鋁蒸發(fā)膜，通過調(diào)節(jié)鋁蒸發(fā)源與試樣間的距離和蒸發(fā)時間控制各層蒸發(fā)膜的厚度。源極和漏極采用與CuPc 蒸發(fā)膜成歐姆性接觸的金蒸發(fā)膜。制作順序是，首先在玻璃基板上制作金蒸發(fā) 膜源電極，然后制作第一層CuPc蒸發(fā)膜，和制作薄膜鋁柵極及第二層CuPc 薄膜，最后制作金蒸發(fā)膜漏電極。試樣制作的條件是，CuPc的蒸發(fā)溫度為400 。C、基板溫度為室溫2(TC，上下二層CuPc薄膜膜厚由蒸發(fā)時間控制、蒸發(fā)速 度約為3nm/min。上下二層CuPc薄膜膜厚度分別約為70nm, 130nm，半導(dǎo)電 薄膜鋁柵極厚度約為20nm.
權(quán)利要求1. 一種有機(jī)光電三極管，其組成包括鋁蒸發(fā)膜構(gòu)成的柵極，其特征是所述的鋁蒸發(fā)膜柵極兩側(cè)具有有機(jī)半導(dǎo)體的酞菁銅薄膜，兩者之間形成肖特基壁壘，源極和漏極采用與酞菁銅蒸發(fā)膜成歐姆性接觸的金蒸發(fā)膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機(jī)光電三極管，其特征是所述的酞菁銅可 采用鑭系金屬配合物的雙核酞菁、稀土金屬配位的三明治結(jié)構(gòu)酞菁、16氟 取代的酞菁鋅。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的有機(jī)光電三極管，其特征是所述的上下二層酞菁銅薄膜膜厚度分別為60-80nm， 120-140nm，最好70nm， 130nm，半導(dǎo)電 薄膜鋁柵極厚度為17-22nm ，最好20nm。
專利摘要有機(jī)光電三極管，近年來，有機(jī)薄膜三極管、有機(jī)發(fā)光二極管，以及有機(jī)二極管的研究，已從有機(jī)小分子半導(dǎo)體材料擴(kuò)展到導(dǎo)電共扼高聚物，并把焦點集中在器件的物理機(jī)構(gòu)和改善器件的性能以達(dá)到實用化水平上。本實用新型的目的是提供一種具有極高的電流增益，使光電流放大β倍，與有機(jī)光電二極管相比，具有極高光電信號轉(zhuǎn)換能力，輸出的光電流信號容易處理的光電三極管，其組成包括鋁蒸發(fā)膜構(gòu)成的柵極1，所述的鋁蒸發(fā)膜柵極兩側(cè)具有有機(jī)半導(dǎo)體的酞菁銅薄膜，兩者之間形成肖特基壁壘，源極3和漏極4采用與酞菁銅蒸發(fā)膜成歐姆性接觸的金蒸發(fā)膜。本產(chǎn)品用于光電傳感器件。
文檔編號H01L51/42GK201107811SQ20062002219
公開日2008年8月27日 申請日期2006年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月12日
發(fā)明者宋明歆, 桂太龍, 殷景華, 喧 王, 王東興, 洪 趙 申請人:哈爾濱理工大學(xué)