有機物是天然的絕緣材料,在(zài)普通的電(diàn)氣(qì)絕緣方麵等得(dé)到廣泛的應用,典型的絕(jué)緣材料日常生活中處處可見,如塑料(聚乙(yǐ)烯、聚氯乙烯、尼龍等)橡膠(jiāo)等的電(diàn)阻率很高;很多有機(jī)物、有機物的混合材料及添加無機納米材料的有機物都(dōu)是很好(hǎo)的絕緣材料,為(wéi)了實現(xiàn)不同功能的絕(jué)緣材(cái)料,人們在這(zhè)些方麵進行了廣泛的研究。
醋酸乙烯樹脂(zhī)通常用的有機場(chǎng)效應管的柵介質(zhì)材料為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),然而由於它的低介(jiè)電常(cháng)數和薄膜製備上的問題,促使人們研究新的(de)替代物。
醋酸乙烯樹脂(PVAc)是目前正在研究作為有機薄(báo)膜晶體管(OTFrs)的(de)柵絕緣層,因為它能(néng)通過乙烯醇的水解,並且與無機材(cái)料粒子形成化合物,它的介電常數在3.2~9.3之間適合作為OTFr的絕緣(yuán)層,韓(hán)國的Park等人(rén)通過旋塗(tú)的方法在鋁基上沉積了200 nm的PVAc薄膜,使用(yòng)1%(質量(liàng))的PVAc和0.01%(質量)的有機粘土的氯仿溶液,他們得到添加了有機粘土的材料的介電常數為3.89,相對於沒有摻(chān)人(rén)有機粘土時(shí)的介電常數(shù)增加了0.45左(zuǒ)右(yòu)。
偏(piān)二氟乙烯和三氟胸苷的混合物(P(VDF—TrFE))具有較高的介電常數(11),它能增加OFETs的跨導,從而降(jiàng)低(dī)工作(zuò)電壓,在一定的厚度範(fàn)圍內(>1鬥m)對晶體管沒(méi)有(yǒu)滯後效應,是(shì)作為OFET器件(jiàn)柵極的**候選材料之一。同時在當材料的厚度<1 Ixm時(shí),薄膜具有典型的鐵電介質的極化滯後曲線(xiàn),因此它(tā)同時又是作為有機存儲器電(diàn)介質可選材料(liào)。製(zhì)備這種材料隻需要傳(chuán)統的旋塗設備就可(kě)以完成,不需其他(tā)輔助裝置。和其(qí)他功能薄(báo)膜(mó)一樣(yàng),絕緣薄膜有它自身的(de)性質及表征方法。
下麵是對絕緣薄膜的一些(xiē)主要性能表征方法的介紹。
(1)電擊穿強度。絕緣薄膜的擊穿(chuān)一般分為瞬時電擊穿(chuān)、熱擊(jī)穿和老化擊穿。在瞬時電擊穿中,又分為本征性擊穿和非本征性擊穿(chuān)。前者是結構完美的薄膜在電場瞬時作(zuò)用下發生的電擊穿,後者是結構中含有缺陷的薄膜在同樣條件下發生的擊穿。與此(cǐ)相對應(yīng)的擊穿場強稱為薄膜的(de)本征性(xìng)擊穿場強和非本(běn)征性擊(jī)穿場(chǎng)強。本征性擊穿場強是薄膜的固有擊穿場強,取決於薄(báo)膜本身,非本征性(xìng)擊穿場(chǎng)強取決於薄膜中的缺陷情況,不屬於薄膜的固(gù)有特性。
熱擊穿是由於電介質中存在傳導(dǎo)電(diàn)流和交變場下的位移電流所引起的發熱量來不及散失而使局部介質溫(wēn)度升高,直至喪失絕緣性能(néng)而遭到熱破壞。熱擊穿電(diàn)場強度受環境溫度、散熱條件(jiàn)、樣品幾何形狀等外(wài)界因素影響很大,是非(fēi)本征的。較為(wéi)本征的擊穿是由(yóu)固體中的(de)傳導電(diàn)子或傳(chuán)導空穴在電(diàn)場中的獲能速率以及它們與固體中(zhōng)的聲子或雜質、缺陷的碰撞造成的失能(néng)速率的相互平衡所完(wán)全決定。隻有在很嚴格的實驗條件下才(cái)能測出表征薄膜本身特性的擊穿場強。
為了測得(dé)薄膜的(de)實有擊穿場強,現在常用(yòng)樣(yàng)品的結構是MIS(金屬(shǔ)一絕緣層一半導體)型或MIM型微型(xíng)電容器,基片多用(yòng)單晶Si或GaAs,樣品的金屬電極多用Al,厚度為亞微(wēi)米級。
介質薄膜電擊穿場強的(de)測試方法很多,其中最常用的是(shì)連續升壓擊穿(RVB)法,簡稱升壓法,有時也用步進法。升壓法的(de)優點是簡單(dān)、明確,很快測得薄(báo)膜的瞬時擊穿場(chǎng)強;缺點是不能揭示與擊穿緊密相關的薄膜的其他性能,也不能顯示出擊穿過程和擊穿機理(lǐ)。此外,該法對(duì)介質(zhì)薄(báo)膜中的偶然缺陷還不夠敏感。因此,又產生了不少(shǎo)其他的測(cè)試方法,如恒壓擊穿(CVB)法、恒(héng)流擊(jī)穿(CCB)法、電暈放電(CD)法、隨機噪聲信號(RTN)法等。
由於電擊穿場強屬於材(cái)料(liào)的強度參數(shù),所以具體數值分散性較大,因此給出的測試(shì)結果常為三種形式:一(yī)種是擊穿概率分布圖;另一種是擊穿積分概(gài)率曲線;第三種是給出擊穿場強數值範圍。在這三(sān)種形式中,實用意義較大的是擊穿積(jī)分概率曲(qǔ)線。因為該曲(qǔ)線不但能反映(yìng)樣品的質量及其分(fèn)散(sàn)程度(dù),進而反映製(zhì)造(zào)工藝水平和工藝穩定性,還可以依此確定薄膜在實用時的有關電場強度(dù),如工作場強、篩選場強等。否則,無法設計使用該種(zhǒng)薄膜的有關器件和集成電路。此外,還可由(yóu)此知道所用工藝水平及其穩定程度。
絕緣薄膜的電阻率一般在(zài)108~1018 n·m之(zhī)間。高絕緣材料加上直流電壓後,通過試樣(yàng)的電流是(shì)很微小的,極易受到外界幹擾的影響,造成較大的測試誤差。被測試樣(yàng)、測試電極和測試係(xì)統均(jun1)應采取嚴格的屏蔽措施,並且需要考慮設備的(de)可靠性問題,消除這些影響帶來的測試結果的偏差。
(2)環境溫、濕度。一般材料的電阻值隨環境溫、濕(shī)度的升高(gāo)而減小。相對而言,表麵電阻(率)對(duì)環境濕度比較敏感(gǎn),而體(tǐ)電阻(率)則對(duì)溫(wēn)度較為敏感。濕度增加,表麵泄漏增(zēng)大,體電導電流也會增加。溫度升(shēng)高(gāo),載流子的(de)運(yùn)動速(sù)率加快,介質材料的吸收電流和電導電流會相應(yīng)增加。據有關資料報道,一般介質在70℃時的電阻值僅為在20℃時的10%。因此,測量材料的電(diàn)阻時,必(bì)須指明試樣與環境達到平(píng)衡的溫、濕度。
(3)測試(shì)電壓(電場強度)。介質材料的電(diàn)阻(率)值一般不能在很寬的電(diàn)壓範圍內保(bǎo)持不變,即歐姆定律對此並不適用。常溫條件下,在較低的電壓範圍內,電導(dǎo)電流(liú)隨外加電壓的增加而線性增加,材料的電阻值保持(chí)不變。超過一定電壓後,由於離子化運動加劇(jù),電導電流的(de)增加遠比測試電壓增加得快,材料呈現的電阻值迅速降低。由(yóu)此可見,外加測試電壓越(yuè)高,材料的電阻值越低,以致在不同電(diàn)壓下測試得到的材料電阻值可能有(yǒu)較大的差別。值
得注意的是,導致材料電阻值變化的決定因(yīn)素是測試時的電場強度(dù),而不是測試電壓。對相同的測試電壓,若測試電極之間(jiān)的(de)距離不同,對材料電阻率的測試結(jié)果也將不同,正負電(diàn)極之間的距離(lí)越小(xiǎo),測(cè)試值也越小。
(4)測試時間。用一定的直流電壓對被測材料加(jiā)壓時(shí),被測(cè)材料(liào)上的電流不是瞬時達到穩定值(zhí)的,而是有一衰(shuāi)減過程。在加壓的同時,流(liú)過較大的充電電流,接著是比較長時間緩(huǎn)慢減小的(de)吸收電流,最後達到比(bǐ)較平穩的電導電流(liú)。被測電阻值(zhí)越高,達到(dào)平衡的時間則越長。因此(cǐ),測量時為了正確讀取被測電阻值,應在穩定後讀取數值或取加壓1 min後的(de)讀數值(zhí)。
另(lìng)外,高絕緣(yuán)材料的電阻值還與其帶電的曆史有關。為準確評價材料的靜電(diàn)性能,在對材料進行電阻(率)測試時,應首先對其進行消電處理,並靜置一定的時間,靜置時間可(kě)取5min,然後,再按測量程序測試(shì)。一般(bān)而言(yán),對一種材料的測試,至少應隨機(jī)抽取3~5個試樣進行測試,以其平均值作(zuò)為測試結果。
(5)測試設備的泄(xiè)漏。在測試中,線路中絕緣電阻不高的連線,往往會不適當地與被測試樣、取樣電阻等並聯,對測量結果可能帶(dài)來(lái)較(jiào)大的影響。因此,為(wéi)減小測量(liàng)誤差,應采用保護技術,在漏電流大的線路上安裝保(bǎo)護導體,以基本消(xiāo)除雜散電流對測試結果的影響。
(6)介電常數。MOS結構電容(róng)一電壓特(tè)性(簡(jiǎn)稱C—y特性)測量是檢測MOS器件製造工(gōng)藝的重要手段。MOS電容它類似(sì)於金屬和介質形成的平板電容器。但是,由於半導體中的電荷密度比金屬中(zhōng)的小得多,所(suǒ)以充電電荷在半導體表麵形成的空間電荷區有一定的厚度(為微米量級),而(ér)不像金屬中那樣(yàng),隻集中在一薄層(céng)中(為0.1 nm)內。
半(bàn)導體表(biǎo)麵(miàn)空間電荷區的厚度隨K而變化,所以MOS電容是微分電容。