Xác nhận cấu trúc lớp của thiết bị FET hữu cơ

Hệ thống phân tích bề mặt Thermo Scientiic™ Nexsa™ , với nguồn ion chế độ kép Thermo Scientiic™ MAGCIS™ , được sử dụng để định hình sâu vật liệu FET hữu cơ (Organic Field-Effect Transistor) gốc đồng phthalocyanine. Các cụm argon được sử dụng để định hình lớp organometallic trong khi vẫn bảo toàn thông tin hóa học quan trọng trong dữ liệu XPS, sau đó các ion argon đơn nguyên tử được sử dụng để định hình vào chất nền silicon.

Có xu hướng hướng tới các hệ thống điện tử mỏng, giá thành thấp, linh hoạt đã dẫn đến việc thiết kế nhiều linh kiện vi điện tử hữu cơ, bao gồm cả các transistor hiệu ứng trường (FET). Các thiết kế FET hữu cơ ban đầu thường dựa trên vật liệu bán dẫn hữu cơ thơm, trong khi những phát triển gần đây đã khám phá ra các loại hợp chất hữu cơ kim loại , có khả năng mang lại hiệu suất cao hơn.

Đồng phthalocyanine (CuPc, Hình 1) có ý nghĩa quan trọng trong việc trở thành chất bán dẫn hữu cơ kim loại và được sử dụng làm cơ sở cho thiết bị đang được nghiên cứu.

Thành phần và độ dày của chất hữu cơ/ lớp kim loại hữu cơ trong FET hữu cơ rất quan trọng đối với hiệu suất của thiết bị. Phổ điện tử quang tia X là một kỹ thuật phân tích cung cấp thông tin thành phần hóa học chi tiết từ trong phạm vi 5–10 nm của bề mặt mẫu và do đó lý tưởng cho việc phân tích hóa học bề mặt. 

Kết hợp với kỹ thuật lập hồ sơ độ sâu, XPS có thể được sử dụng để theo dõi thành phần của vật liệu phủ hoặc xếp lớp ở độ sâu lớn hơn (hàng trăm nm hoặc thậm chí là μm). Các kỹ thuật định hình độ sâu bằng cách phun ion truyền thống gây ra thiệt hại đáng kể cho bề mặt bên dưới của vật liệu hữu cơ "mềm", điều này có thể thấy trong dữ liệu XPS dưới dạng mất cấu trúc và thông tin hóa học. Nguồn ion cụm argon MAGCIS mới từ Thermo Scientiic đã giải quyết được vấn đề này.

Sự phún xạ nhẹ, và nông từ các ion cụm argon không gây hư hại dưới bề mặt, do đó dữ liệu XPS bảo toàn thông tin trạng thái hóa học trong toàn bộ hồ sơ. Nguồn MAGCIS cũng có thể tạo ra các chùm ion đơn nguyên tử truyền thống để lập hồ sơ các vật liệu vô cơ, do đó có thể lập hồ sơ qua một lớp hữu cơ với các ion cụm, sau đó chuyển sang các ion đơn nguyên tử để lập hồ sơ thành một chất nền cứng hơn.

Phương pháp hoặc thử nghiệm

Sơ đồ cấu trúc của FET hữu cơ được thể hiện ở Hình 2.

Hệ thống phân tích bề mặt Nexsa của Thermo Scientiic, được trang bị nguồn ion cụm MAGCIS, được sử dụng để thu thập các thông số độ sâu từ CuPc FET. Mẫu CuPc được gắn vào giá đỡ mẫu Nexsa tiêu chuẩn bằng kẹp để đảm bảo tiếp xúc điện tốt trên bề mặt. Vật liệu CuPc được định hình bằng các ion cụm argon 4 keV, với kích thước cụm trung bình là 2000. Sau đó, nguồn được chuyển sang tạo ion đơn nguyên tử để định hình thông qua lớp cô lập SiO2 vào chất nền silicon. Hai cấu hình được kết hợp để tạo ra một cấu hình độ sâu duy nhất thông qua toàn bộ khối hữu cơ kim loại/vô cơ.

Kết quả

So sánh phổ carbon 1s XPS bề mặt từ thiết bị CuPc và từ mẫu CuPc tham chiếu được thể hiện trong Hình 3. Phổ tương tự nhau, nhưng mẫu thiết bị có nhiều tín hiệu hydrocarbon hơn từ các chất gây ô nhiễm bề mặt ở 285 eV. Điều này xác nhận rằng tính chất hóa học bề mặt của lớp hữu cơ xấp xỉ CuPc.

Hình 4 cho thấy phổ C1s thu được từ thiết bị sau khi loại bỏ khoảng 6 nm vật liệu bằng phương pháp phún xạ ion cụm. Điều này phù hợp hơn nhiều với dữ liệu tham chiếu, cho thấy thiết bị có CuPc tinh khiết trong lớp bán dẫn. Phương pháp phún xạ ion cụm MAGCIS đã loại bỏ thành công vật liệu mà không gây hư hỏng bề mặt, do đó phổ XPS giống với vật liệu tinh khiết. Đây là điểm mạnh chính của kỹ thuật ion cụm, điều này cho phép phân tích chiều sâu của các vật liệu hữu cơ mà không gây ra hư hại thấy được trong dữ liệu XPS. Định lượng phổ trong Bảng 1 xác nhận rằng CuPc tiếp xúc là sự kết hợp tuyệt vời với thành phần dự kiến.

Phổ đã được giải mã bằng cách khớp đỉnh để cho thấy dữ liệu XPS phản ánh thành phần hóa học của mẫu như thế nào. Đỉnh màu đỏ tương ứng với các nguyên tử cacbon vòng 6 cạnh, trong khi đỉnh màu xanh lam là từ các nguyên tử cacbon liên kết với nitơ trong các vòng 5 cạnh. Các đỉnh màu xanh lá cây phát sinh từ một tập hợp phức tạp các đặc điểm mất mát do hệ thống vòng thơm. Việc bảo tồn các đặc điểm mất mát này là một chỉ báo đặc trưng của tác động hư hại tối thiểu từ chùm ion cụm.

Bằng cách phún xạ qua CuPc với các ion cụm và qua SiO2 với các ion đơn nguyên tử, có thể xây dựng một hồ sơ của toàn bộ ngăn xếp thiết bị, như thể hiện trong Hình 5. Sau khi loại bỏ sự ô nhiễm bề mặt và sửa đổi, CuPc có tỷ lệ thành phần chính xác thông qua toàn bộ hồ sơ, do quá trình phún xạ ion cụm không gây hư hỏng. Sau khi chuyển sang các ion đơn nguyên tử, SiO2 cũng có tỷ lệ thành phần đúng, cho đến khi đạt đến chất nền Si. Hồ sơ định lượng hoàn chỉnh này, thu được bằng cách sử dụng một nguồn ion duy nhất, không khả thi bằng các phương tiện khác.

Tóm tắt

Nguồn ion MAGCIS, được gắn vào Hệ thống phân tích bề mặt Nexsa của Thermo Scientific, được sử dụng để phân tích sâu lớp bán dẫn organometallic trên nền SiO2/Si. Nguồn MAGCIS được sử dụng ở chế độ ion cụm để phân tích mà không gây hư hại cho lớp CuPc và ở chế độ ion đơn nguyên tử để phân tích lớp cách điện SiO2. Vì ngày càng có nhiều linh kiện điện tử dựa trên polyme và các hợp chất hữu cơ khác, nên phương pháp được mô tả ở đây rất quan trọng để có thể hiểu được cấu trúc lớp, nghiên cứu các thay đổi tại giao diện và xác định nguyên nhân gây ra lỗi.

Từ khóa

MAGCIS, XPS, Cụm Argon, CuPc, Phân tích chiều sâu, điện tử hữu cơ, 

Polymer dẫn điện FET, Nexsa

Để biết thêm chi tiết về Thiết bị FET hữu cơ và Application Note hoàn chỉnh, xin vui lòng liên hệ ADGroup.