Optoelectronics
Vol. 11  No. 04 ( 2021 ), Article ID: 47170 , 9 pages
10.12677/OE.2021.114024

PTCDA纯度对PTCDA/p-Si光电探测器性能的影响

李霞1,2,张盛东1,王静3,张浩力3,张福甲2*

1兰州大学物理学院微电子学研究所,甘肃 兰州

2北京大学深圳研究生院,广东 深圳

3兰州大学功能有机分子化学国家重点实验室,甘肃 兰州

收稿日期:2021年9月24日;录用日期:2021年12月7日;发布日期:2021年12月14日

摘要

本文研究不同纯度的PTCDA制备的PTCDA/p-Si光电探测器的制备和性能。研究结果表明:PTCDA纯度越高,制备的探测器暗电流越小,光电流越大。制备的探测器的正向电流–电压特性越好,呈二极管特性曲线。而且探测器的反向暗电流越小,其反向光电流也越小。

关键词

PTCDA,纯度,OIHJ,光电探测器,I-V特性

Effect of PTCDA Purity on the Performance of PTCDA/p-Si Photodetector

Xia Li1,2, Shengdong Zhang1, Jing Wang3, Haoli Zhang3, Fujia Zhang2*

1Institute of Microelectronics, College of Physical Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou Gansu

2Shenzhen Graduated School, Peking University, Shenzhen Guangdong

3State Key Laboratory of Applied Organic Chemistry, Lanzhou University, Lanzhou Gansu

Received: Sep. 24th, 2021; accepted: Dec. 7th, 2021; published: Dec. 14th, 2021

ABSTRACT

The preparation and performance of PTCDA/p-Si photodetectors prepared by PTCDA with different purity were studied in this paper. The results show that the higher the purity of PTCDA, the smaller the dark current and the greater the photocurrent. The better the forward current voltage characteristic of the prepared detector, the better the diode characteristic curve. Moreover, the smaller the reverse dark current of the detector, the smaller the reverse photocurrent.

Keywords:PTCDA, Purity, OIHJ, Photo-Electric Detector, I-V

Copyright © 2021 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

苝四甲酸二酐(3,4,9,10 perylene-tetracar-boxylic-dianhydride, PTCDA)是一种芳香族有机染料,由多相芳香族分子复合形成的非聚合物,属于单体型的有机半导体。PTCDA分子是一个平面矩形分子,由38个原子组成(C24O6H8),分子量为392 [1] [2] [3] [4] [5]。PTCDA不易氧化和水解,具有很高的热稳定性。其真空升华温度为450℃,密度为1.69 g/cm3。它是一种红色粉末状的单斜晶系宽带隙弱p型有机半导体材料。每个晶胞含有两个分子,分子间重叠距离为3.21Å。这种材料具有很好的光电特性,在多色有机发光器件及高效光电探测器中都有广泛应用。它的本征载流子浓度为P(0) = 5 × 1014/cm3,其垂直基片的空穴迁移率(μeff)为10−7~10−6 cm2/V·S。它的价带和第一紧束缚导带之间的能量是2.2 eV。对于波长为500 nm的单色光,吸收系数为2.5 × 105 cm−1,而对于波长为632.8 nm的单色光呈透明状态 [6]。

将这种纯净的有机半导体材料PTCDA,通过真空蒸发的方法淀积在无机半导体表面可以形成有机/无机异质结势垒。这种有机/无机势垒在外加很高的反向偏压下(约240 V),具有很小暗电流(约10−7 A/cm2),而且对可见光和近红外光很敏感 [1] [6]。由此可以制成PTCDA/p-Si有机/无机光电探测器 [6]。

S.R. Forrest等人报导了将PTCDA真空沉积到无机半导体p-Si衬底上,可以形成整流结 [7]。随后进行了关于PTCDA材料和器件的一系列研究。以S.R. Forrest等人为主的研究人员对于PTCDA的各种性质和应用进行了系统的研究,并发布了一系列的研究成果。至今,人们对这种材料的研究仍方兴未艾,发现PTCDA具有许多优良的性质,可以用于制备各种性能优异的光电子器件。兰州大学张福甲教授在国内率先开展了关于PTCDA材料和PTCDA/p-Si光电探测器的制备和机理的研究。已经取得了一系列的研究成果,报道了PTCDA材料的性能。研究了PTCDA/p-Si光电探测器的工作原理和探测器制备的工艺参数的摸索和优化,对PTCDA/p-Si光电探测器的性能进行了研究。根据以往PTCDA/p-Si光电探测器的研究的实验结果,探测器的性能还有待于进一步提高。许多工艺问题还需要进一步的研究 [7] [8] [9] [10]。

关于PTCDA纯度对于器件特性的影响还未有相关研究报道。我们率先开展了纯度对探测器性能影响的研究工作。

本文主要研究PTCDA/p-Si光电探测器的制备和电学性能。研究了阴极材料的选择。研究不同纯度的PTCDA制备的Al/ITO/PTCDA/p-Si/Al结构的光电探测器。研究了探测器的电学性能,探讨了PTCDA纯度对探测器性能的影响。

2. 器件结构与工作原理

我们制备的Al/ITO/PTCDA/p-Si/Al结构的探测器如图1所示。

Figure 1. Al/ITO/PTCDA/p-Si/Al barrier device architecture

图1. Al/ITO/PTCDA/p-Si/Al势垒器件结构示意图

我们制备了这种Al/ITO/PTCDA/p-Si/Al结构光电探测器。在p-Si衬底背面蒸发Al作为阴极。在p-Si衬底上采用真空蒸发制备PTCDA薄膜,形成有机/无机异质结,在PTCDA通过磁控溅射制备ITO膜作为光的入射窗口,在ITO上制备Al作为阳极。

光电探测器是将光能转变为电能的器件。半导体光电探测器的性能与选用的材料和器件的结构密切相关。对于有机/无机两种禁带宽度不同的材料形成的异质结,宽带隙材料可作为光功率的入射窗口,并且可提供独特的材料组合,使得对于给定的光信号波长可做到量子效率和响应速度皆优。此外,异质结光电探测器产生的光生载流子存在于结的附近而不在表面,所以这种光电探测器的高频性能好,并且在工艺上对材料的表面条件要求并不十分严格,有利于成品率的提高。在波长小于1 μm的波段内,Si单晶是目前使用最普遍的衬底材料,在可见光到近红外光的范围。它有比较合适的吸收系数。PTCDA具有半导体性质,能在各种衬底材料上形成有序层,在晶格失配的情况下能够长出高质量的分子薄膜层,其分子晶体具有单斜晶系结构。利用PTCDA与Si衬底形成的异质结具有肖特基势垒特性,在可见光到近红外光区域对光具有很好的响应 [7]。

待测光从ITO表面射入,由于ITO膜对于波长在560 nm到1100 nm范围内的光透过率高达90%以上,而反射率不足10%,是一种很好的窗口材料,因此光线几乎全部透过ITO,并穿过极薄的PTCDA,在PTCDA与p-Si硅的界面处产生电子–空穴对,在电场作用下漂移形成光电流 [7]。

3. 实验部分

Al/ITO/PTCDA/p-Si/A1结构的光电探测器的制备工艺流程

1) 在清洗干净的,电阻率为5Ω·cm的p-Si背面蒸发金属铝,然后对其进行合金化,使之形成欧姆接触电极;

2) 在硅片正面蒸发有机半导体材料PTCDA形成异质结;

3) 在PTCDA上磁控溅射金属氧化物ITO,作为有机材料的保护层和阳极;

4) 在ITO表面使用直流溅射制备金属Al层,并通过光刻做出图1所示电极结构。

5) 将此芯片封装在陶瓷管芯底座上,引出电极,表面用环氧树脂封住,放入烘烤箱中固定,成品探测器就做成了。

4. PTCDA/p-Si光电探测器的电学特性测试及分析

我们使用自组的一套设备测试了制备的探测器的光电流和暗电流。使用JT-1型晶体管特性图示仪测试了PTCDA/p-Si光电探测器的电流–电压特性。

1) 不同纯度PTCDA制备的探测器的光电流与暗电流特性

用不同纯度的PTCDA (纯度分别为98%,85%,小于85%)制备了Al/ITO/PTCDA/p-Si/Al结构器件。样品制备条件:室温(24℃)。衬底温度186℃。蒸发温度450℃。蒸发时间20秒。PTCDA厚度为约200 nm,光敏面积为5 × 5 mm2,在1.5 V电压下对不同纯度的PTCDA制备的Al/ITO/PTCDA/p-Si/Al结构探测器光电流和暗电流进行了测试。对每种纯度的探测器任选其中五只来测量,测得结果如表1~3所示:

Table 1. The dark current and photocurrent of the detector with 98% purity of PTCDA

表1. PTCDA纯度为98%的探测器暗电流和光电流

Table 2. The dark current and photocurrent of the detector with PTCDA purity of 85%

表2. PTCDA纯度为85%的探测器暗电流和光电流

Table 3. Detector dark current and photocurrent with original PTCDA purity less than 85%

表3. 原始PTCDA纯度小于85%的探测器暗电流和光电流

表1~3所示,PTCDA纯度越高,制备的探测器暗电流越小,光电流越大。暗电流均在几个μA量级。照度为1000Lx时,光电流在几十个μA量级。照度在2000 Lx时,光电流都超过了100 μA。这样的结果是有利的。意味着器件性能的提高。PTCDA纯度越高,杂质减少,杂质会对载流子产生散射,故电子迁移率降低,导致暗电流减少。PTCDA纯度提高,杂质减少,俘获陷阱中心减少,故光电流增加。

2) Al/ITO/PTCDA/p-Si/Al结构探测器的I-V特性

1、任选三只用纯度98%的PTCDA制备的探测器,样品制备条件:室温(24℃)。衬底温度186℃。蒸发温度450℃。PTCDA蒸发时间20秒,厚度约200 nm,光敏面积为5 × 5 mm2,测试其电学特性如下:

(a) (b)(c) (d)

Figure 2. (a) Conductingdirection I-V characterization of Al/ITO/PTCDA/p-Si/Al detector with PTCDA of purity of 98%; (b) Opposite dark current I-V characterization of Al/ITO/PTCDA/p-Si/Al detector with PTCDA of purity of 98%; (c) Opposite photoelectic current I-V characterization of Al/ITO/PTCDA/p-Si/Al detector with PTCDA of purity of 98%,when illuminance is 1000 Lx; (d) I-V characterization of Al/ITO/PTCDA/p-Si/Al detector with PTCDA of purity of 98%

图2. (a) 纯度为98%的PTCDA样品制备的探测器的正向电流–电压特性曲线;(b) 纯度为98%的PTCDA样品制备的探测器的反向暗电流–电压特性;(c) 纯度为98%的PTCDA样品制备的探测器的反向光电流–电压特性;(d) 纯度为98%的PTCDA样品制备的探测器的电流–电压特性曲线

图2分析可知,纯度为98%的PTCDA样品制备的探测器的正向电流–电压特性曲线呈二极管特性。反向暗电流随电压呈线性增加。在1000 Lx光照下的反向光电流与外加电压呈线性增加关系。

2、任选两只纯度为85%的PTCDA制备的探测器,样品制备条件:室温(24℃)。衬底温度186℃。蒸发温度450℃。蒸发时间20秒。PTCDA厚度为约200 nm,光敏面积为5 × 5 mm2,测试其电学特性如下。

图3分析可知,纯度为85%的PTCDA样品制备的探测器的正向电流–电压特性呈二极管特性。反向暗电流随着外加偏压的增加而增加。反向光电流随着外加偏压的增加而增加。

3、任选两只纯度小于85%的PTCDA样品制备的探测器,样品制备条件:室温(24℃)。衬底温度186℃。蒸发温度450℃。蒸发时间20秒。PTCDA厚度为约200 nm,光敏面积为5 × 5 mm2,测试其电学特性如下。

(a) (b)(c) (d)

Figure 3. (a) Conductingdirection I-V characterization of Al/ITO/PTCDA/p-Si/Al detector with PTCDA of purity of 85%; (b) Opposite dark current I-V characterization of Al/ITO/PTCDA/p-Si/Al detector with PTCDA of purity of 85%; (c) Opposite photoelectic current I-V characterization of Al/ITO/PTCDA/p-Si/Al detector with PTCDA of purity of 85%, when illuminance is 1000 Lx; (d) I-V characterization of Al/ITO/PTCDA/p-Si/Al detector with PTCDA of purity of 85%

图3. (a) 纯度为85%的PTCDA样品制备的探测器的正向电流–电压特性;(b) 纯度为85%的PTCDA样品制备的探测器的反向暗电流–电压特性;(c) 纯度为85%的PTCDA样品制备的探测器的1000 lx下反向光电流–电压特性;(d) 纯度为85%的PTCDA样品制备的探测器的电流–电压特性

(a) (b)(c) (d)

Figure 4. (a) Conducting direction I-V characterization of Al/ITO/PTCDA/p-Si/Al detector with PTCDA of purity of less than 85%; (b) Opposite current I-V characterization of Al/ITO/PTCDA/p-Si/Al detector with PTCDA of purity of less than 85%; (c) Opposite photoelectic current I-V characterization of Al/ITO/PTCDA/p-Si/Al detector with PTCDA of purity of 85%; (d) I-V characterization of Al/ITO/PTCDA/p-Si/Al detector with PTCDA of purity of less than 85%

图4. (a) 纯度小于85%的PTCDA样品制备的探测器的正向电流–电压特性;(b) 纯度小于85%的PTCDA样品制备的探测器的反向暗电流–电压特性;(c) 纯度小于85%的PTCDA制备的探测器的1000 Lx光照下的反向光电流–电压特性;(d) 纯度小于85%的PTCDA样品制备的探测器的电流–电压特性

图4分析可知,探测器的正向电流–电压特性呈二极管特性。反向暗电流随着外加偏压的增加而增加。反向光电流随着外加偏压的增加而增加。

将以上三种情况的几个样品的值做一平均值,然后绘制一个图,包括三种纯度PTCDA制备的探测器的正、反向电压–电流特性曲线。

Figure 5. Mean value of I-V characterization of the detector fabricated with PTCDA purity of 98%, 85%, <85%

图5. 纯度分别为98%、85%、<85%的样品制备的探测器的I-V特性平均值曲线

根据图2~5分析表明,不同纯度PTCDA制备的探测器的正向电流电压特性都呈二极管特性。分析纯度对器件特性的影响表明:1) 正向I-V特性比较。PTCDA纯度越高,制备的探测器的正向电流–电压特性越好,呈二极管特性曲线。2) 反向暗电流比较。PTCDA纯度越高,制备的探测器的反向暗电流越小。3) 反向光电流比较。PTCDA纯度越高,制备的探测器的反向光电流越小。故我们最终选择纯度为98%的PTCDA制备探测器样品。

4、我们用纯度98%的PTCDA制备了一个Al/ITO/PTCDA/P-Si/Al结构的探测器。光敏面积为5 × 5 mm2。探测器的I-V特性如图6所示:

(a) (b)(c)

Figure 6. I-V characteristics of the detector made of PTCDA with a purity of 98%; (a) Forward I-V characteristics; (b) Reverse dark current I-V characteristics; (c) Reverse photocurrent-voltage characteristics under 1000 Lx and 2000 Lx illuminance

图6. 纯度为98%的PTCDA制备的探测器的I-V特性;(a) 正向I-V特性;(b) 反向暗电流I-V特性;(c) 1000 Lx和2000 Lx照度下反向光电流–电压特性

5. 结论

比较选择出Al作为探测器阴极材料优于Au做探测器阴极。用不同纯度的PTCDA制备了Al/ITO/PTCDA/p-Si/Al结构的光电探测器。通过比较1.5 V电压下的暗电流和光电流,发现PTCDA纯度越高,制备的探测器暗电流越小,光电流越大。暗电流均在几到几十μA量级。照度为1000 Lx时,光电流在几十μA量级。照度在2000 Lx时,光电流都超过了100 μA。PTCDA纯度越高,杂质减少,杂质会对载流子产生散射,故电子迁移率降低,导致暗电流减少。PTCDA纯度提高,杂质减少,俘获陷阱中心减少,故光电流增加。用不同纯度PTCDA制备的探测器的正向电流–电压特性都呈二极管特性。PTCDA纯度越高,制备的探测器的正向电流电压特性越好,呈二极管特性曲线,且其反向暗电流越小,反向光电流越小。因此PTCDA纯度越高制备的探测器的I-V特性越好。

致谢

感谢国家自然科学基金的资助!感谢实验中老师和同学们的协助!

基金项目

国家自然科学基金项目支持(No. 60676033)。

文章引用

李 霞,张盛东,王 静,张浩力,张福甲. PTCDA纯度对PTCDA/p-Si光电探测器性能的影响
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  11. NOTES

    *通讯作者。

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