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有机薄膜器件电流机制的研究

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第11卷,第4期 Vo111.电子与封装 ,NO4 .ELECTRONICS&PACKAGING 总第96期 201 1年4月 微 电、子 嗣 造 与 可 、靠,性 有机薄膜器件电流机制的研究 木 杨涛 ,马敏辉 ,黎威志 ,王军 (1.成都大学实验技术中心,成都61O106;2.中国电子科技集团公司第58研究所,江苏无锡214035; 3.电子科技大学光电信息学院,成都610054) 摘要:对于有机薄膜器件(包括有机电致发光器件(OLED)和有机场效应晶体管(OTFT)),器 件的电流机制直接决定了器件的性能,因此深刻理解其相关机理是十分必要的。虽然对于有机薄 膜器件的电学性能研究较早,但是由于器件结构及有机薄膜内部影响机制的复杂性使得不同学者 的研究结果很不一致。为此,文章以相同的镁银合金(MgAg)为电极,有机电子传输及发光材 料八羟基喹啉铝(Alq )为有机功能层,深入研究了MgAg/Alq /MgAg器件的电流机制。测试及拟 合结果表明,该器件为单电子器件,器件的电流属陷阱电荷限制电流机制。不同温度下的测试结 果表明,随着温度增加器件电流迅迷增加,这是因为随温度增加,器件中载流子的浓度和迁移率 呈指数上升。 关键词:有机薄膜器件;电流机制;陷阱电荷限制;空间电荷限制 中图分类号:TN383.1 文献标识码:A 文章编号:1681-1070(201 1)04.0039.04 Study on the Electrical Current Mechanism of Organic Thin Film Device YANGTao ,MAMin—hui ,LIWei-zhi 3 WANG Jun (1.Experimental Technology Center ofChengdu University,Chengdu 610106,China;2.China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214035,China;3.School ofOptoelectronic Information,University ofElectrical Science and Technology ofChina,Chengdu 610054,China) Abstract:For organic thin iflm devices(OTFD),such as organic light—emitting diode(OLED)and organic thin iflm triode(OTFT),the electrical current mechanism ofdevices governs the performance ofdevices,as a result, it is inevitable to understand the relative theory.Although there have already been lots of reports on electrical performance of OTFD,the results ofthem deviate from each other due to the complexity of device structure and internal mechanism of organic thin film.In this study,by using magnesium—silver alloy(MgAg)as both electrodes and 8-hydroxy quinoline aluminum(Alq ),which was widely applied as electron transporter and light—emitter,as organic functional layer,electrical current mechanism of sandwich device of MgAg/Alq / MgAg was studied.The measured and fit results indicate that the device is electron—only device.whilst device current obeys ̄apped charge limited current(TCLC)mechanism.In addition,device current increases with the increase of temperature,which is attributed to the fact that the concentration and mobiliy tof carriers have an exponential relation with negative reciprocal of temperature. Key words:organic thin film device;electrical current mechanism; ̄apped charge limited;space charge limited 收稿日期:201 I-02.21 基金项目:国家自然科学基金资助项目(编号:61006036) .39. 第1 1卷第4期 电子与封装 1 引言 2 实验 20世纪9o年代,普林斯顿大学的Burrows等人【I '] 选用表面平整的玻璃基片以及方阻为~10(】/口 第一次详细报道了在有机薄膜器件一一双层有机电 的ITO玻璃基片,分别用洗涤剂、乙醇及去离子水 致发光器件(OLED)——氧化铟锡(ITO)/TPD/Mq 超声清洗,用干燥氮气吹干后放入OLED.V型多功能 (M=AI,Ga,In)/镁银合金(MgAg)中的电流 有机成膜设备进行氧等离子体预处理溅射清洗,基 电压特性与厚度和温度的依赖关系。其中,TPD为 片预处理结束待冷却至室温后移人镀膜室;分别在 联苯胺类化合物空穴传输材料,Mq 为八羟基喹啉 <4×10 Pa和<3×10。Pa条件下进行有机薄膜Alq3 金属螯合物电子传输材料。从实验结果中他们发现 与金属电极MgAg的蒸镀,蒸发速率分别控制为~ 电流密度与电压成如下的幂指数关系:J— ¨( > 0.1 nm/s和~1 nm/s。薄膜厚度及蒸发速率由Proteck 1),据此得出结论在器件中的电流传导过程是陷阱 9 1 00型膜厚仪监控,各器件的有效面积为O.25 cm , 电荷限制的(trapped charge limited,TCL),而有机 在高低温实验箱中采用Keithley 4200SCS半导体测试 层内陷阱能级按指数关系分布且其特征能量为 系统以及ST-86LA屏幕亮度计测试电流一电压及亮 0.15eV。 度一电压特性,温度测试范围为293 K~393K。 基于他们的发现,Shen等人对单载流子和双载 我们制备了结构为MgAg(100 nm)/Alq,(70 nm)/ 流子器件的陷阱电荷限制电流(TCL current,TCLC) MgAg(10 nm)的单层器件,其中的10nm MgAg电极 做了数学推导【 .4】,而Stobel[ 等人也报道了他们在 呈半透明以观察器件可能出现的发光。 Mg/Alq,/氟化锂(LiF)/A1器件中观察到TCLC,且 臣=O.1 leV。德国的W.Brutting等人亦采用该模型推 3 结果与讨论 导得到陷阱能级位于0.2 eV处,不过他们后来又发 现电流对厚度的依赖关系并不符合TCLC模型的预 图1给出了器件在不同温度下的电流一电压关 / ̄ll[ ,因此他们置疑该模型的根本缺陷在于是根据 系特性曲线,图2为Alq 的分子结构。 能带传输模型而不是跳跃传输模型得来的。此外, 从图l中可以看出,温度对于器件电流有显著 该模型还假定了载流子迁移率是恒定的,而这一点 影响:随着温度升高,相同电压下器件电流迅速增 对于有机半导体器件是不成立的。因为大量的实验 加,如当V=IOV时,293 K时器件电流为0.085A,而 数据和理论推导都证明,在无序分子或聚合物材料 393 K时器件电流变化为0.356A,几乎是前者的4倍。 中载流子迁移率是随外加电场和温度变化的 】。 另~方面,Barth等人发现他们的AI/AIq /MgAg器 件中的电流一电压特性是注入限制(inj e ction limited)的,注入能垒为0.5eVt“]。Campbell等人也 报道了在器件Ca/Alq /Ca中电流是注入限制的,注 入能垒为0.6 eV[ 】。 尽管如上所述,由于有机薄膜器件中电流影响 因素的复杂性,TCLC理论并不能完全描述有机薄膜 器件电流机制。但是,相对于热电子发射(thermionic emission)[n】、电极隧穿(tunneling from contact)等 图1器件在不I司温度下的电流一电压关系 其他关于有机薄膜器件的理论来说,TCLC理论相对 值得注意的是在整个测试过程中,我们始终没 比较完整地描述出了在多数有机薄膜器件中观察到 有观察到器件的发光,这证明该器件的确为单电子 的实验现象,特别是其电流一电压特性。因此,本 载流子器件,而相同电压下器件电流随温度的增加 文基于TCLC理论研究了单层OLED器件MgAg/Alq / 是来自电子载流子的贡献而非空穴。对于有机薄膜 MgAg的电流机制,同时着重考察了温度对其电流 器件,电流随温度的增加可能有以下几个原因: 机制的影响规律。 (1)与无机半导体类似,有机层Alq 内的本征 ..40.. 第1 l卷第4期 杨 涛,马敏辉,黎成志,等:有机薄膜器件电流机制的研究 载流子浓度满足关系式: 图2 Alq 分子结构 F F 、 0:NLuMoexPl一兰 凡0 :—竺旦。/  I(1) 其中Jv 。为Alq,的LUMO带有效状态密度, M。为Alq 的LUMO能级, 为准费米能级, 为 玻尔兹曼常数。 假设Ⅳ M。不随温度变化,则载流子浓度随温 度的增加按exp(1/ )增加。因此对于低电压区域 OLED器件电流与电压满足J=q t/0V/d,可知器件 电流亦随温度增加而增加。 (2)对于无定形有机半导体材料,载流子(包 括电子和空穴)的迁移率与温度和电场相关[7-1 0],它 们存在以下关系式: , )= 。exPI Y 一 I (2) 其中 和Y为比例系数,△为材料载流子激 活能,都是只与材料相关的参数,而器件电流与载 流子迁移率成正比。因此,器件电流同样随温度增 加而增加。 (3)若器件电流为电极注入限制的热电子发射 机制,则电流与电压及温度满足如下关系式: … (-q +bl[唧㈦一・ I㈩ 其中 为有效Richardson常数, 为电子注入 势垒。根据(3)式,器件电流也随温度增加而增加。 对于这里的单电子载流子器件,我们只能排除 第三种可能性,因为器件MgAg/Alq /ITO的电流是 由TCLC或SCLC决定的体限制电流,而该单电子载 流子器件只是将注入少量空穴的ITO电极改变为抽 取电子的MgAg电极,不应该影响到整个器件的电 流特性(下面的分析表明MgAg/Alq /MgAg单电子 载流子器件电流机制的确与Alq 单层器件一致,即 满足TCLC电流机制)。因此定性地说,对于相同电 压下器件MgAg/Alq /MgAg的电流是随温度的增加 而增加的,其主要原因是因为电子迁移率及浓度与 温度倒数呈负指数关系。 简单说来(详细内容请参考[1~2]),TCLC理论 所描述的OLED器件电流( ) 电压(V)关系为: 随着电压的增加,器件的 一 关系逐渐经历了三个 阶段一一低电压时的欧姆电流机制,较高电压时的 陷阱电荷限制电流机制以及高电压时的空间电荷限 制电流(SCLC)机制。即整个器件的电流一电压关 系如下面三式所表达: f ln,n lnV {1I ln cLo,21 cLoc(m+1nV )lnV(m T,/ >1) (一 41 因此,为考察温度对单电子器件电流机制的影 响,我们在对数坐标下对器件电流一电压关系进行 了线性拟合,结果如图3所示。 图3对数坐标下图1中数据的线性拟合结果 从图中可以明显看出,不同温度下器件的电流 电压关系由两部分组成:低电压区域各拟合直线 斜率为(低温到高温):1.20、1.19、1.18、0.91、1.07, 各直线斜率均在1上下,可以认为低电压区各器件 电流机制基本上遵从欧姆电导机制;高电压区各拟 合直线斜率为(低温到高温):6.34、6.05、5.80、5.32、 5.04,很好地符合TCLC理论的预测:电流随电压呈 较高幂指数关系变化。在所测试的电压范围,器件 电流未从TCL过渡到SCL阶段,表明有机薄膜内的 陷阱一直未被载流子填满。 同时我们看到,随着温度的升高,各器件TCLC 与电压的幂指数逐渐变小。考虑到(4)式中,幂指 数与温度存在倒数关系:m=Tt/T( 为陷阱分布特征 温度),这样按照拟合结果做出 ~1/T关系可以进一 步检验TCLC的正确性。根据拟合数据得到如图4所 示的坐标图。 从图4可以看出,m的确与1/T呈较好的比例关 .41— 第1 1卷第4期 电子与封装 系,从而进一步验证了TCL电流的正确性。从图4 1996.79:799l-8006. 我们可得到Alq,中的陷阱分布特征温度 1980K, 【3 1 Shen Jun,Yang Jie,Physical mechanisms in double-carrier 与Burrows等人报道的结果[2】一致。 10 1/T(1o K- 图4根据拟合结果得到的m ̄l/T关系 我们在图3中还注意到,在电压较低时,器件电 流反而随温度上升而下降,其可能原因是:温度越 高,有机材料的品格振动越强烈,加大了对载流子的 散射作用,使得器件电流随温度升高有所降低。不过 随着电压的升高,注入载流子的增加急剧补偿了品 格散射对电流的减小,所以当电压进入TCLC区域后 这种散射作用便可以忽略掉,反映到电流一电压关 系即是高温时器件电流明显大于低温时器件电流。 4 结论 对于我们所研究的oLED器件MgAg/Alq,/ MgAg,TCLC理论很好地描述了器件的电流机制,且 器件为单电子电流器件。随着温度的升高器件电流 迅速增加,因为器件的电子载流子浓度和迁移率与 温度倒数呈负指数关系。通过不同温度下对电流一 电压关系幂指数m的拟合结果表明,Alq 中的陷阱 分布特征温度 1 980K,与文献报道的结果吻合。 致谢:本项目受国家自然科学基金资助;感谢 电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室 提供的器件制备及测试条件。 参考文献: 【1】Burrows P E,Forrest S R,Electroluminescence from trap— limited current rtansport in vacuum deposited organic light emitting devices[J].App1.Phys.Lett.1994,64:2285・2287. 【2】Burrows P E,Shen Z,Bulovic V,et a1..Relationship be— tween electroluminescence nad current transport in organic heterojunction light-emitting devices[J].J.App1.Phys. .42. trap—cha ̄e limited transport processes in organic electrolu= minescent devices:A numerical study[J].J.App1.Phys. 1998,83:7706-7714. 【4】Yang Jie,Shen Jun,Effects ofdiscrete trap levels on or ganic light emitting diodes【J】.J.App1.Lett.1999,85:2699— 2705. 【5】Sobel M,Staudigel J,Steuber F,et a1..Space—charge・lim- ited electron currents in 8-hydroxyquinoline aluminum【J】. App1.Phys.Lett.2000,76:Il 5-l1 7. f6】Berleb S,Muckl A.Brutting G., Schwoerer M..Tem— perature dependent device characteristics of organic light: emitting devices[J】.Synt.Met.2000,l1 l-1 12:91-94. 【7】Schein L.B,Peled A,Glatz D,The electric ifeld depen— dence of the mobility in molecularly doped polymer[J1.J. App1.Phys.1989,66:686-692. 【8】GartsteinYu.N,ConwellEM,High—ifeldhoppingmobil- ity in molecular systems with spatially correlated ener- getic disorder[J].Chem.Phys.Lett 1995,245:351-358. [9】Gill W D.Drift mobilities in amorphous charge—transfer complexes oftrinitrofluorenone and poly-n-vinylcarbazole [J].J.App1.Phys.1 972,43:5033-5040. [1 0】Dunlap D H,Parris P E,Kenkre V M.Charge-dipole model for the universal field dependence of mobilities in molecularly doped polymers[J】.Phys.Rev.Lett.1 996, 77:542.545. 【ll1 Barth S,WolfU,Bassler H.Cu ̄ent injection from a metal to a disordered hopping system.Ⅲ.Comparison be・ tween experiment and Monte Carlo simulation[J】.Phys. Rev.B 1999,60:8791—8797. 【l2】Campbell I H,Smith D L.Schottky energy barriers nad charge injection in metal/Alq/metal structures[J].App1. Phys.Lett.1999,74:561-563. [1 3】Sze S M,Physics of Semiconductor Devices,2 ed[M]. Wiley,New 3(0rk,1982. 作者简介: 杨涛(1969~),男,云南剑川 人,白族,电子科技大学硕士,工程师, 主要从事电子材料和智能测控方向的 研究。 

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