王浩楠， 岳小峰， 徐海洋， 申一凡， 张忠文， 顾宇婷，方泽波， 徐海涛， 李 琰， 姚 博

(绍兴文理学院 电子工程系， 浙江 绍兴 312000)

1 引 言

近年来，由于有机电子器件特有的柔性、价格低廉、可大面积制备等潜在优势，使有机场效应晶体管(Organic field-effect transistor，OFET)得到了广泛的关注[1-4]。有机光敏晶体管(Organic phototransistor，OPT)是有机场效应管的一类重要应用[5-8]。它结合光电转换和信号放大功能为一体，通过新加入的光控“栅极”实现了对光源信号的探测。与有机光敏二极管相比，OPT具有更高的灵敏度、更低的噪声和更宽的响应频谱[9]。作为一种新型的光探测器件，OPT在未来光探测和红外军事领域都具有重要的应用前景。

为了提高OPT的光电性能，通常情况下，研究者们从提高光电流、抑制暗电流两个方面着手[10]。然而，光电流和暗电流的大小都与器件的沟道输运、电极接触等物理特征紧密相关，往往伴随着器件结构和功能层材料的改变，这两个指标的增减是同步的。

通常，在OFET的制作过程中，研究者们想方设法改进电极的接触，试图尽量降低载流子的注入势垒以提高器件性能[1-2,12]。对于OPT，很多研究者也尝试通过引入电极缓冲层、改变接触特性的方式来提高OPT的光电性能[13-14]。经过缓冲层修饰的器件光电流得到了明显的增加，然而器件的暗电流在优化后的器件中也显著增加[14]。因此，通过降低接触势垒的方式往往可以大幅提高OPT的光响应度，而对光灵敏度的影响较小。

OPT中源/漏电极与有源层的接触势垒究竟应该避免还是促成？肖特基势垒对OPT性能提升的物理机制有必要进行研究。也有研究表明，对于OPT来说，并不是所有的器件源/漏电极与有源层的接触势垒越小越好。Peng等在文章中提到，酞菁钯和Al形成的肖特基接触势垒有效地抑制了器件的暗电流，获得了比采用酞菁钯/Au欧姆接触更好的光敏特性[15]。

因此，在OPT的结构设计中，应该尽量避免还是刻意促使源/漏电极与有源层接触势垒的形成并不能简单地依据对OFET研究的经验来判别。为了研究OPT中电极/有源层接触对器件光电性能影响的物理机制，本文选用最高占据分子轨道(Highest occupied molecular orbital，HOMO)相近的并五苯(Pentacene，PENT,HOMO:5.0 eV)和酞菁铜(Copper phthalocyanine，CuPc，HOMO: 4.8 eV)两种有机小分子材料，以及金(功函数Wm: 5.2 eV)、铝(Wm: 4.2 eV)[16]两种常见的电极材料制备OPT并研究电极/有源层接触势垒对OPT光电性能的影响。

2 实 验

实验中的OPT均采用如图1所示的底栅顶接触(BGTC)结构。采用n(100)重掺杂硅片(0.03 Ω·cm)作为衬底，热氧化法生长800 nm SiO2作为栅氧化层。并五苯(98%+)和酞菁铜(98%+)分别购买于Acros公司和Sigma-Aldrich公司，没有经过进一步纯化处理。硅片经过丙酮、乙醇和去离子水反复超洗之后，氮气吹干，并放入真空烘箱中60 ℃烘烤20 min。并五苯和酞菁铜有机薄膜在5×104Pa真空度下分别蒸发50 nm。之后采用沟道宽长比2 mm/50 μm的掩膜版分别蒸镀40 nm金和铝作为顶电极。器件的光电性能测试在大气避光环境中进行，638 nm激光二极管搭配减光片实现红色待测光源(减光后光功率为25 mW/cm2)。采用日本岛津UV-2550分光光度计测试并五苯和酞菁铜薄膜的紫外-可见光吸收特性。

图1 底栅顶接触OPT结构示意图

3 结果与讨论

3.1 并五苯和酞菁铜的紫外-可见吸收光谱

在透光率优于97%的石英衬底上沉积50 nm并五苯和酞菁铜薄膜的紫外-可见吸收光谱如图2所示，它们在可见光区域600～700 nm波长范围均有较强的吸收。这表明两种有机材料都是很好的红光光敏材料。实验中，我们选用638 nm的激光二极管作为光源，如图中所示，在这一波长，酞菁铜有更好的吸收，其光吸收系数为5.08×104/cm，而并五苯在638 nm的光吸收系数为3.22×104/cm。

图2 酞菁铜和并五苯的紫外-可见吸收光谱

3.2 采用Au和Al电极的并五苯光敏晶体管

我们对采用铝电极和金电极的并五苯OPT分别研究了它们在黑暗和光照条件下的输出特性和转移特性。如图3(a)、(b)所示，黑暗条件下，采用金电极的并五苯OPT(以下简称Au-PENT-OPT)在相同栅、漏压下，漏极电流Ids较高，Vgs=Vds=-50 V时，可达15.38 μA；而同样条件下，采用铝电极的并五苯OPT(以下简称Al-PENT-OPT)仅获得59.65 nA。这源于OPT在无光照工作时，其电学特性与OFET一致，Ids的大小是由源极载流子的电注入效率和沟道层的载流子迁移率共同决定的[17-18]。 并五苯的HOMO能级与Al的费米能级有较大差距(～0.8 eV)，一般认为这两种材料的接触是典型的肖特基接触[19]，非常不利于源极空穴的注入，极大地限制了OPT漏极电流的大小。而并五苯的HOMO能级与金的费米能级差距较小(不考虑界面偶极层时仅为～0.2 eV)，有利于源极空穴的注入[20]。在25 mW/cm2红光照射下，Au-PENT-OPT在Vgs=Vds=-50 V时的净光生电流Iph最高达22.03 μA，光响应度为580 mA/W。而Al-PENT-OPT在同样条件下的Iph仅为1.65 μA，光响应度为44 mA/W。两种器件在Vgs=Vds=-50 V时均已开启，这反映了Au-PENT-OPT在开态工作时具有更大的光响应度R。

图3 光照和黑暗条件下并五苯OPT的输出特性。(a)金电极；(b)铝电极；(c)转移特性。

Fig.3 Output characteristics of PENT-OPT with different electrodes in dark and under illumination. (a)Au electrodes. (b)Al electrodes. (c)Transfer characteristics.

两种器件在光照和黑暗条件下的转移特性如图3(c)所示，Vgs=0 V时，器件均已开启。通常OPT的最大光灵敏度发生在无光照工作时的最小漏电流所对应的栅压处[21]，器件此时处于关闭状态，如Au-PENT-OPT在Vgs=3.64 V获得的最大光灵敏度P=3.23×104。 Al-PENT-OPT在Vgs=9.70 V获得的最大光灵敏度P=3.12×104。

因此，Au-PENT-OPT获得与Al-PENT-OPT相近的最大光灵敏度，并具有更高的光响应度，这表明对于基于并五苯的OPT而言，更适合采用电极/有源层接触较好的Au电极。

3.3 采用Au和Al电极的酞菁铜光敏晶体管

我们对采用铝电极和金电极的酞菁铜OPT分别研究了它们在黑暗和光照条件下的输出特性和转移特性。如图4(a)、(b)所示，黑暗条件下，采用金电极的酞菁铜OPT(以下简称Au-CuPc-OPT)表现出典型的场效应输出特性，与同样采用金电极的Au-PENT-OPT相比，器件的漏极电流较小。由于采用金电极的两种器件电极/有源层接触模式相似，其漏极输出电流的大小主要是由有源层材料的载流子输运能力决定的。根据场效应管线性区漏极电流表达式[7]：

(1)

分别计算得到Au-CuPc-OPT的场效应迁移率为4.79×10-2cm2/Vs，Al-CuPc-OPT的场效应迁移率为7.84×10-4cm2/Vs。可见并五苯的场效应迁移率要远高于酞菁铜。

而采用铝电极的酞菁铜OPT(以下简称Al-CuPc-OPT)在黑暗条件下一直处于关断状态，仅有绝缘层漏电带来的微小电流。值得一提的是，Al-CuPc-OPT在光照后呈现出明显的场效应输出特性，似乎光照以后该器件被“激活”了。图4(c)所示的转移特性曲线同样反映了Al-CuPc-OPT独特的特性，该器件在黑暗条件下的转移特性曲线由于暗电流太小，已经达到测试仪器的噪声量

图4 光照和黑暗条件下酞菁铜OPT的输出特性。(a)金电极；(b)铝电极；(c)转移特性；(d)光开关响应时间。

Fig.4 Output characteristics of CuPc-OPT with different electrodes in dark and under illumination. (a)Au electrodes. (b)Al electrodes. (c)Transfer characteristics. (d)Optical ON/OFF response time.

级，曲线很不平滑，但光照后光电流显著，器件在25 mW/cm2红光照射下获得的最大光响应度为1.31 mA/W，最大光灵敏度高达1.98×104。而Au-CuPc-OPT在相同条件下获得的最大光响应度为8.50 mA/W，最大光灵敏度仅为1.42×102。Al-CuPc-OPT获得与Au-CuPc-OPT同一量级光响应度的同时具有更高水平的光灵敏度。对Al-CuPc-OPT器件的光响应时间测试表明(图4(d))，器件经过光照后的“激活”特性，在光照关闭后(黑暗条件下)，极短时间(0.3 ms)内可重新恢复到关态特性。该器件经过脉冲光源照射后，光开关特性稳定。这表明，对于基于酞菁铜的OPT来说，更适合采用电极/有源层接触势垒较大的Al电极。

3.4 能带分析

另一个值得注意的现象是，如图4(c)所示，零栅压下的Au-CuPc-OPT和Al-CuPc-OPT虽然在黑暗条件下Ids相差近2个数量级，但光照条件下Ids非常接近(Ids(Au)=12.81 nA，Ids(Al)=12.05 nA)，这种有趣的现象在Peng等之前对基于酞菁钯的OPT研究中也曾提到，但未做解释[15]。本实验中基于酞菁铜制备的两种器件除了电极以外的其他工艺完全相同。光照条件下，两种器件的酞菁铜沟道层具有相同的空穴输运能力。因此，可以推测产生相近大小光电流的原因是光照后两种电极与有源层的接触势垒大小接近，换句话说，Al与酞菁铜形成的肖特基接触势垒在光照后降低甚至消失。如图5所示，黑暗条件下，Al源极与酞菁铜HOMO能级存在较大的空穴注入势垒，器件在低栅压下很难开启；而光照后光生激子在电场强度较大的源、漏电极附近解离为自由载流子，并在源-漏间横向电场的作用下，空穴由漏极抽出，受限于酞菁铜的空穴载流子传输能力较低，源极注入和激子解离产生的一部分空穴在源极附近积累，造成靠近源极一侧酞菁铜的能带向上弯曲。其结果使得源极注入空穴的势垒降低，光照后漏极电流显著增大甚至非常接近电极/有源层接触势垒较小的Au-CuPc-OPT。

图5 光照和黑暗条件下，电极/酞菁铜(并五苯)的接触能带变化示意图(Vgs=0 V，以电场作用下源极附近为例)。

Fig.5 Contact energy band schematic diagram of electrodes/CuPc(pentacne) near the source electrode atVgs=0 V

而我们在图3(c)中发现，零栅压下，无论光照还是黑暗条件下，Al-PENT-OPT的Ids均要明显小于Au-PENT-OPT。如图5所示，我们推测，高迁移率并五苯的空穴传输能力较强。因此，光生激子解离产生的空穴和源极注入的空穴在源极附近积累的数量较少，光照后能带向上的弯曲量较小，所以Al与并五苯间的肖特基势垒未能在光照后显著降低甚至消失，这可能是Al-PENT-OPT性能明显弱于Au-PENT-OPT的主要原因。

综上，源/漏电极与有源层接触产生的肖特基势垒(以下简称接触势垒)在采用低迁移率有机半导体作为有源层的OPT中有特殊的作用。归结如下：

(1)接触势垒有效抑制黑暗条件下的漏极输出电流，而对光照下漏极电流的影响不大，有助于提高OPT的光灵敏度。

(2)接触势垒的存在使电极/有源层界面附近降落一部分栅极压降，该界面处强场强更有利于光生激子的解离。

4 结 论

通过比较黑暗和光照条件下分别采用金和铝做源/漏电极的并五苯和酞菁铜OPT的光电性能，发现电极/有源层肖特基接触有助于提高OPT的光灵敏度，但对于高迁移率的并五苯有源层来说，接触势垒对载流子注入的消极影响更大，限制了注入有源层中载流子的数量，使Al-PENT-OPT的光响应度(44 mA/W)相比Au-PENT-OPT(580 mA/W)较低。而对于场效应迁移率较低的酞菁铜OPT，尽管接触势垒对光电流依然有抑制作用，但光照后源极附近激子解离后的空穴堆积使势垒降低，Al-CuPc-OPT(1.31 mA/W)依然能够获得与Au-CuPc-OPT(8.50 mA/W)相近的光响应度，且具有超高的光灵敏度(1.98×104)。

综上所述，我们认为在OPT的结构设计中，首先应选用和光探测波长匹配的高光吸收系数材料作为光吸收层。若光吸收材料具有高的薄膜迁移率，则应选用金属功函数尽可能匹配的源/漏电极材料；若光吸收材料迁移率较低，则适当的电极/有源层接触势垒会在保持光响应度水平的同时大幅提高OPT的光灵敏度。