Đo đặc tính và trích xuất các tham số của otft theo chuẩn IEEE 1620

Kỹ thuật Điện tử – Thông tin Hồ Thành Trung, “Đo đặc tính và trích xuất các tham số theo tiêu chuẩn IEEE 1620.” 106 ĐO ĐẶC TÍNH VÀ TRÍCH XUẤT CÁC THAM SỐ CỦA OTFT THEO CHUẨN IEEE 1620 Hồ Thành Trung Tóm tắt: Bài báo trình bày phương pháp đặc tính hóa và trích xuất các tham số của transistor màng mỏng hữu cơ theo chuẩn IEEE 1620. Đặc tính truyền đạt và đặc tuyến ra được xác định trên cơ sở các phép đo điện sử dụng hệ Keithley SCS 4200. Kết hợp các phương pháp phân tích để đưa ra tham số điện áp ngưỡng VT, độ linh động của hạt tải . Các đặc tính này cho phép xác định được chế độ làm việc của OTFT tương ứng với giá trị điện áp làm việc xác định, qua đó giúp cho việc xây dựng hay mô phỏng mạch điện tử, vi mạch với OTFT. Từ khóa: OTFT; Đặc tính hóa; Rút trích; IEEE 1620. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Transistor màng mỏng hữu cơ (OTFT- Organic thin-film transistors) đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong đời sống cũng nhưng công nghiệp, nhờ có các đặc tính như tính mềm dẻo, độ linh động ưu việt hơn các loại vật liệu khác [1-8]. Việc đo đạc chính xác các tham số thực nghiệm có vai trò quan trọng trong quá trình nghiên cứu để đánh giá so với tham số trong mô hình mô phỏng để đưa ra mô hình chuẩn OTFT [1,3,8]. Hiện nay IEEE đã ban hành chuẩn 1620 cho việc đo lường OTFT [9]. Trong bài báo này, đặc tính điện và trích xuất các tham số của OTFT theo chuẩn IEEE 1620 được trình bày chi tiết sử dụng hệ đo Keithley 4200 semiconductor parameter analyzer (SCS 4200). Đặc tính truyền đạt và đặc tuyến ra được xác định trên cơ sở các phép đo điện. Tiếp theo, các tham số đo được từ thực nghiệm kết hợp các phương pháp phân tích để đưa ra tham số VT (điện áp ngưỡng),  (độ linh động). Các đặc tính này cho phép xác định rõ chế độ làm việc của OTFT cũng như phục vụ quá trình mô hình hóa hay mô phỏng mạch điện tử với OTFT. 2. THIẾT LẬP HỆ ĐO Triax cables PreAmps Internal Bus SCS 4200 DUTs Hộp đo (probe station) Cài đặt 4200 Hình 1. Cấu tạo nguyên lý và các hình ảnh thực của hệ đo đặc tính sử dụng SCS 4200. DUT: Device under test: linh kiện đang được đo. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 107 IEEE 1620 khuyến cáo sử dụng hệ đo OTFT phải có tính kháng nhiễu cao, khoảng đo dòng lớn từ pA-A. Hệ đo Keithley 4200 semiconductor parameter analyzer (SCS 4200), của Hoa Kỳ, hệ đo này đã được tiêu chuẩn trong đo lường linh kiện, vi mạch bán dẫn, với các ưu điểm: Độ chính xác và ổn định cao, dòng đo tới pA, nên có thể đo chính xác được giá trị dòng điện nhất là với các linh kiện có lớp màng rất mỏng vài nm, có khả năng xuất dữ liệu hay phân tích trực tiếp bằng phần mềm tích hợp. Vì vậy trong nghiên cứu này, hệ đo trên được sử dụng. Cấu tạo cơ bản của hệ đo dòng như hình 1, bao gồm các bộ phận: bộ tiền khuếch đại (PreAmps), nguồn dòng, nguồn áp, ampe met, volt met và máy hiện sóng, và một máy tính điều khiển được tích hợp trong một khối. SCS 4200 kết nối với thiết bị ngoại vi thông qua cáp theo chuẩn IEEE 488 s. Để tránh nhiễu linh kiện OTFT sau khi sản xuất được đưa vào hộp đo, khi đo hộp đo sẽ được đóng kín để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu điện từ. SCS 4200 được cài đặt ở chế độ làm việc quét. OTFT được chọn để nghiên cứu là loại Bottom gate với bán dẫn là pentacene có cấu tạo minh họa ở hình 2. Chi tiết về quá trình chế tạo OTFT được trình bày trong nghiên cứu gần đây của chúng tôi [8]. Các đặc tính về điện của một OTFT gồm đặc tính truyền đạt (transfer) và đặc tính ra (output) đo. Dữ liệu dưới dạng file Excell có thể sử dụng để vẽ lại (hình 2a và 2b) hay thực hiện các bước rút trích tiếp theo. Hình 2. Đặc tính truyền đạt (a) và đặc tuyến ra (b) của linh kiện với dữ liệu thu được sau khi đo. Hình trong: cấu tạo của OTFT thực hiện trong nghiên cứu này. 3. PHƯƠNG PHÁP TRÍCH XUẤT CÁC THAM SỐ CHO OTFT Các tham số quan trọng cần cung cấp cho quá trình mô hình hóa được rút trích từ dữ liệu thí nghiệm như sau: Ta có quan hệ dòng điện máng và điện áp cổng [1]: 2 1 ( ) 2 DS i G T W I C V V L           (1)  1 ( ) 2DS G T W I C V Vi L         (2)  1 1 * * 2 2DS i G i T W W I C V C V L L                (3) Phương trình này có dạng: y = a* x+ b (4) Kỹ thuật Điện tử – Thông tin Hồ Thành Trung, “Đo đặc tính và trích xuất các tham số theo tiêu chuẩn IEEE 1620.” 108 Trong đó: 1 2 1 * 2 DS G i i T y I x V W a C L W b C V L                    (5) Như vậy: ab L W CbV iT        / 2 1 /  (6) 22 a WC L i  (7) GateV Root current Hình 3. Bước 1 và 2 của quá trình rút trích tham số thực hiện trên Excell. Từ các tính toán nêu trên, có thể rút trích các tham số VT và độ linh động  như sau: + Bước 1: Lấy căn bậc 2 của dòng điện máng ID theo phương trình (2) và vẽ mối quan hệ này. + Bước 2: Xấp xỉ hóa mối quan hệ trên theo phương trình tuyến tính (4) Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 109 + Bước 3: Tìm các hệ số a và b từ đường thẳng tuyến tính này. + Bước 4: Tính VT và  theo phương trình (6) và (7) Thực hiện: - Tiến trình thực hiện bước 1 và 2 trong Microsoft Excel như hình 3 - Từ đó suy ra phương trình xấp xỉ y = -1,09665*10-3x – 1,35725*10-3 (8) So sánh (4) và (8), ta có: a= 1,09665*10-3; b= 1,35725*10-3; - Điện dung của lớp điện môi được đo bằng Agilent 4284A LCR meter và chuyển đổi ở dạng giá trị trên đơn vị diện tích Cdiel = 317,75 nF/cm 2. -W và L đã cho ở phần sản xuất. - Điện áp ngưỡng (threshold voltage, VT) xác định được= 1,23 V. - Từ đó độ linh động của lỗ trống dưới ảnh hưởng của trường điện cực cổng µ tính được là 0,38 cm2/Vs. Các tham số thiết kế kết hợp với tham số rút trích của OTFT được tổng hợp ở bảng 1. Đây chính là các tham số cần thiết cho quá trình mô hình hóa một transistor. Bảng 1. Thông số cơ bản của OTFT gồm tham số thiết kế và rút trích. Tham số Đơn vị Giá trị Ghi chú W µm 2000 Tham số thiết kế L µm 50 t ox nm 3-4 C diel nF/cm 2 317,75 µ 0 cm 2 /Vs 0,375 Tham số rút trích V T V -1,2332 On/off ratio 2.103 4. KẾT LUẬN Phương pháp đặc tính hóa và trích xuất các tham số của OTFT theo chuẩn IEEE 1620 được trình bày, trong đó đặc tính điện được xác định trên cơ sở các phép đo điện sử dụng hệ Keithley SCS 4200. Tiếp theo, điện áp ngưỡng VT, độ linh động của hạt tải  được trích xuất trên cơ sở dữ liệu thí nghiệm. Các đặc tính này kết hợp với các tham số thiết kế cung cấp đầy đủ bộ tham số của linh kiện OTFT để mô hình hóa OTFT phục vụ thiết kế vi mạch trong các chương trình chuyên dụng như SPICE, hay Cadence. Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ một phần bởi Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số 103.02-2017.34 và đề tài T2016- ĐĐT-28. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. I. Kymissis, Organic Field Effect Transistors: Theory, Fabrication and Characterization, Springer, New York (2008). [2]. K. Myny, E. van Veenendaal, G. H. Gelinck, J. Genoe, W. Dehaene, and P. Heremans, An 8-Bit, 40-Instructions-Per-Second Organic Microprocessor on Plastic Foil, IEEE J. solid-state circuits, 47, 284 (2012). Kỹ thuật Điện tử – Thông tin Hồ Thành Trung, “Đo đặc tính và trích xuất các tham số theo tiêu chuẩn IEEE 1620.” 110 [3]. A. Valletta, A. S. Demirkol, G. Maira, M. Frasca V. Vinciguerra, L. G. Occhipinti, L. Fortuna, L. Mariucci, and G. Fortunato, A compact Spice model for organic TFTs and applications to logic circuit design, IEEE Transactions on Nanotechnology, 2016. [4]. Wobkenberg, P. et al., Low-voltage organic transistor based on solution processed semiconductos and self-assemble monolayer gate dielectrics, Appl. Phys. Lett. 93, 013303 (2008). [5]. X Ye, H Lin, X Yu, S Han, M Shang, L Zhang, Q Jiang, and Jian Zhong, High performance low-voltage organic field-effect transistors enabled by solution processed alumina and polymer bilayer dielectrics, Synthetic Metals, 209, 337–342 (2015). [6]. Feng, L. et al., Unencapsulated air-stable organic field effect transistor by all solution processes for low power vapor sensing, Sci. Rep. 6, 20671; doi: 10.1038/srep20671 (2016). [7]. L. Feng, W. Tang, X. Xu, Q. Cui, and X. Guo, Ultralow-voltage solution-processed organic transistors with small gate dielectric capacitance, IEEE Electron Device Letters, Vol 34, 129-131 (2013). [8]. Trung Thanh Ho, Huyen Thanh Pham, Heisuke Sakai, Toan Thanh Dao, Fabrication and SPICE Modeling of a Low-voltage Organic Thin-film Transistor with PVC gate dielectric, ICAMN, 2016. [9]. IEEE Std 1620™-2008: IEEE Standard for Test Methods for the Characterization of Organic Transistors and Materials. ABSTRACT CHARACTERIZATION AND PARAMETER EXTRACTION OF OTFT FOLLOWING TO IEEE 1620 STANDARD A method of electrical characterization and parameter extraction of OTFT under IEEE 1620 standard is presented in this paper. The transfer and output characteristics were measured using a Keithley SCS 4200. Then, the experimental data are analyzed in order to extract the thresold voltage VT, field-effect mobility . Those important parameters allow determining the OTFT operation mode at a certain applied voltage or help to future build or model an electronic circuit or integrated circuit based on OTFT. Keywords: OTFT; Characterization; Parameter Extraction; IEEE 1620. Nhận bài ngày 01 tháng 7 năm 2018 Hoàn thiện ngày 10 tháng 9 năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 9 năm 2018 Địa chỉ: Khoa Điện-Điện tử, Trường Đại học Giao thông vận tải, Số 3, Đường Cầu Giấy, Láng Thượng, Đống Đa, Hà Nội. * Email: hothanhtrungktdt@gmail.com .