有機物是天然的絕緣(yuán)材料,在普通的電氣絕緣方(fāng)麵等(děng)得到廣泛(fàn)的應用,典型的絕緣材料日常生活中處處可見,如塑料(聚乙烯、聚氯乙烯、尼龍(lóng)等)橡膠等的電阻率很高;很(hěn)多有機物、有機物的混合材料及添加無機納米材料的有(yǒu)機(jī)物都(dōu)是很好的絕緣材(cái)料,為了實現(xiàn)不同功能的絕緣材料,人們(men)在這些方麵進行了(le)廣泛的研(yán)究。
醋酸乙烯(xī)樹脂通常用的有機場效(xiào)應(yīng)管的柵介質材料(liào)為聚甲(jiǎ)基丙烯酸甲酯(zhǐ)(PMMA),然而(ér)由於它的低介電常數和薄(báo)膜製備上的問題,促使(shǐ)人(rén)們研究新的替(tì)代物。
醋酸乙烯樹脂(PVAc)是目前正在研究作為有機薄膜晶體管(OTFrs)的柵絕緣層,因為它能通過乙烯醇的水解,並且與無機(jī)材料粒子(zǐ)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(céng),韓國的Park等人通過旋塗的方法在鋁(lǚ)基上(shàng)沉積了(le)200 nm的PVAc薄膜,使用1%(質量)的(de)PVAc和0.01%(質量(liàng))的有機粘(zhān)土的氯仿溶液,他們得到添加了有機粘土(tǔ)的(de)材料的介電常數為3.89,相對於沒有摻人有機(jī)粘土時的介電常數增(zēng)加了0.45左右。
偏二氟(fú)乙烯和三氟胸(xiōng)苷的混合物(P(VDF—TrFE))具有較高的介電常數(11),它(tā)能增加(jiā)OFETs的跨導,從而降低工作電壓,在一定的厚度範(fàn)圍內(>1鬥m)對(duì)晶(jīng)體(tǐ)管沒有滯後效應,是作為OFET器件柵極的(de)**候選(xuǎn)材料之一(yī)。同時在當材料的厚度<1 Ixm時,薄膜具有典(diǎn)型的鐵(tiě)電介質的極化滯後曲線,因此它同(tóng)時(shí)又是作為有機存儲器電(diàn)介質可選材料。製(zhì)備這種材料隻需要傳統的旋塗設備就可以完成,不需其他輔助裝置。和其他功能薄膜一樣,絕緣薄膜有它自身的性質(zhì)及(jí)表征方法。
下麵(miàn)是(shì)對絕緣薄(báo)膜的一些主要性能表征方法的介紹(shào)。
(1)電擊穿強度。絕緣薄(báo)膜的擊穿一般分為瞬時電擊穿、熱擊穿和老化擊穿。在瞬時電擊穿中,又分(fèn)為本征性擊(jī)穿和非本征性擊穿。前者是結構(gòu)完美的薄膜在電場瞬時作用下發生的(de)電擊穿,後者是結構中含有缺陷的薄膜在同樣(yàng)條件下發生的擊穿。與(yǔ)此相對應的(de)擊穿場強稱為薄膜(mó)的本征性擊穿場強和非本征性(xìng)擊(jī)穿場強。本征性擊穿場強是薄膜的固有擊穿場強(qiáng),取決於薄膜本身(shēn),非(fēi)本征性擊穿場強取決於薄膜中的缺陷(xiàn)情況,不屬於薄膜的固有特性(xìng)。
熱擊穿是由於電介質中(zhōng)存在(zài)傳導電流和交變場下的位移電流(liú)所引起的發熱量來不及散失而使局部介質溫度(dù)升(shēng)高,直至喪失絕緣性能而遭到熱破壞。熱擊穿電場強度受環境溫度、散(sàn)熱條件、樣(yàng)品幾何形狀等外界因素影響(xiǎng)很大,是(shì)非本征的。較為本征的擊穿(chuān)是由固體中的傳導電子或傳導空穴在電場中的獲能(néng)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速率的相互平衡所完全決定。隻有在很嚴格的實驗條件下(xià)才能測出表征(zhēng)薄膜本身特性的擊穿場(chǎng)強。
為(wéi)了測(cè)得薄膜的實有擊穿(chuān)場強,現在常用樣品的結構是MIS(金屬一絕緣層一半導體)型或MIM型微型電容器,基片(piàn)多用單晶Si或GaAs,樣品的金(jīn)屬電極多用Al,厚度為亞微米級。
介質薄膜電擊穿場強(qiáng)的測試(shì)方法很(hěn)多(duō),其中最常用的(de)是連續升壓擊穿(RVB)法,簡稱(chēng)升壓法,有時也用步(bù)進法。升壓(yā)法的優(yōu)點(diǎn)是簡單、明確,很(hěn)快測得薄膜的瞬時擊穿場強;缺點是不能揭示與擊穿緊密相關的薄膜的其他性能(néng),也不能顯示出擊穿過程和擊穿機理。此外,該法對介質薄膜中(zhōng)的偶(ǒu)然缺陷還不夠敏(mǐn)感。因此(cǐ),又產生了不少其他的(de)測試(shì)方法,如恒壓擊穿(chuān)(CVB)法、恒流擊穿(CCB)法、電暈放電(CD)法、隨機噪(zào)聲信(xìn)號(RTN)法等。
由於電擊(jī)穿場強屬於材料的強度參數,所以具體數值分散性較大,因(yīn)此給出的測試結果常為三種形式(shì):一種是擊穿概率分布圖;另一種是(shì)擊(jī)穿積分概率曲線;第三種是給出擊穿場強數值範圍。在這三種形式中,實用意(yì)義較大的是擊穿積分概率曲線。因為該曲線不但能反映樣品的質量及其分散程度(dù),進而反映(yìng)製造工藝水平和工藝(yì)穩定性,還可以依此確定薄(báo)膜(mó)在實用時的有關電場強度,如(rú)工作場強(qiáng)、篩選場強等。否則,無法設計使用該種薄膜的(de)有關器件和集成電路。此(cǐ)外,還(hái)可由(yóu)此知道所(suǒ)用工藝水平及其穩定程度。
絕緣薄膜的電阻率一般在108~1018 n·m之(zhī)間。高絕緣材料加上直流電壓後,通過試(shì)樣的電(diàn)流是很微小的,極易受到外界幹擾的影響,造成較大的測試誤差。被測試樣、測試電極和(hé)測試(shì)係統均應(yīng)采(cǎi)取嚴格的屏蔽措施,並且需要考慮設備的可靠性問(wèn)題,消除這(zhè)些影響帶(dài)來的測試結果的(de)偏差。
(2)環(huán)境溫、濕度。一般材料的電阻值隨環境溫、濕度的升高而減小。相對而言,表麵電阻(率)對環境濕度比較敏感,而體電阻(率)則對溫度較為敏感。濕度(dù)增加,表麵泄漏增大,體(tǐ)電導電流也會增加。溫度升高,載流子的運動速(sù)率加快(kuài),介質材(cái)料的吸(xī)收電流和(hé)電導電流會相應增加。據有關資料報道,一(yī)般介質在70℃時的(de)電阻值僅為在20℃時的10%。因此,測(cè)量材料的電阻(zǔ)時,必須(xū)指明試樣與環境達到平衡(héng)的溫、濕度。
(3)測試電(diàn)壓(電場強度(dù))。介質材(cái)料的(de)電阻(率)值一般不能在很寬的電壓範圍(wéi)內保持不變,即歐姆定律對此並不適用。常溫條件下,在較(jiào)低的(de)電壓範圍內,電導電流隨外加(jiā)電壓的增(zēng)加而線性增加,材料的電阻值保持不變。超過一定電壓後,由於離子化運動加劇(jù),電導電流的增加遠比測試電壓增加得快,材料呈現的電阻值迅速降低(dī)。由此可見,外加測試電壓越高,材料(liào)的(de)電阻值越低,以致在不同電壓下測試得到的材料電阻值(zhí)可能有較大的差別(bié)。值
得注意的是,導致材料電阻值變化的決定因素是測試時的(de)電場強度(dù),而不是測試電壓。對相同的測試(shì)電壓,若測試電(diàn)極之間(jiān)的距離不同(tóng),對材料電阻率的測試結果也將不同,正負電極之間的(de)距離(lí)越小,測試值也越小。
(4)測試時間。用一定的直流電壓(yā)對被測材料加壓時,被測(cè)材(cái)料上的(de)電流(liú)不(bú)是瞬時達到穩(wěn)定值(zhí)的,而是有一衰減過程。在加壓的同時,流過較大的充電電流,接著是比較(jiào)長時間緩慢減小的(de)吸收(shōu)電流,最後達(dá)到比(bǐ)較平穩的電導電流。被測電阻值越高,達(dá)到平衡的時間則越長。因此,測量(liàng)時為了正確讀取被測電阻值,應在穩定後讀取數(shù)值或取加壓1 min後的讀數值。
另外,高(gāo)絕緣材料的電阻值還與其帶電的曆史有關。為準確評價(jià)材料的靜電性能,在(zài)對材料進行電阻(zǔ)(率)測試時(shí),應首先對其進行消電處理,並靜(jìng)置一(yī)定的時間,靜(jìng)置時(shí)間可取5min,然後,再按測量程序(xù)測(cè)試(shì)。一般而言,對一種(zhǒng)材料(liào)的測試(shì),至少應隨機抽取3~5個試(shì)樣(yàng)進行測試(shì),以其平均值作為測(cè)試結果(guǒ)。
(5)測試設備的(de)泄漏。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(yàng)、取(qǔ)樣(yàng)電(diàn)阻等並(bìng)聯,對測量結果可能帶來較大的影響。因此,為減(jiǎn)小測量誤差,應采用(yòng)保護技術,在漏電流大的線路上安裝保護導體,以基本消(xiāo)除雜散電(diàn)流對測試(shì)結果的影響。
(6)介電常數。MOS結構電容一電壓特(tè)性(簡稱(chēng)C—y特性)測量是檢測MOS器件製造工藝的重要手段。MOS電容它類似於金屬和介質(zhì)形成的平板電容器。但是(shì),由於半導體中的電荷密度比金屬中的小得多,所以充(chōng)電電荷在半(bàn)導體表麵形成的空間電荷區有一定的厚度(dù)(為微米量級),而(ér)不像金屬(shǔ)中那樣(yàng),隻集中在一薄層中(為0.1 nm)內。
半導體表麵空間電荷區的厚度隨K而變化,所以MOS電容是微分電容。