Revista Colombiana de Física, Vol. 42, No. 3 de 2010.

Influencia De Los Parámetros De Deposición En La Característica I Vs. V De La Estructura ITO/Alq3/Al G.F. Acevedo a, H.Y. Valencia a, A.M. Ardila * a a

Grupo de Física Aplicada, Departamento de Física, Universidad Nacional de Colombia, Sede Bogotá Recibido 30.03.10; Aceptado 20.01.11; Publicado en línea 17.04.11.

Resumen Películas de 8-(tris-hidroxiquinolato) de aluminio (Alq3) fueron depositadas por evaporación térmica en alto vacío sobre substratos de vidrio recubiertos con indio dopado con estaño (ITO, resistencia de hoja de 20 Ω/□). Sobre la película orgánica se depositó, también por evaporación térmica, una capa metálica de Al a manera de electrodo para medir las propiedades eléctricas de las capas orgánicas depositadas. Estos contactos se depositaron a través de una máscara que permitió obtener electrodos de 3 mm de diámetro sobre diferentes puntos de la capa orgánica. La presión de deposición fue inferior a 2x10-5 mBar. Las propiedades de transporte de la estructura ITO/Alq3/Al se investigaron a temperatura ambiente tomando medidas de la característica I-V, mediante la aplicación de una diferencia de potencial entre el electrodo transparente de ITO y el de Al, usando el contacto de aluminio como cátodo inyector de electrones y el contacto transparente como inyector de huecos. Se analizó la estructura por medio del modelo SCLC y TCLC se encontró que hay una profundidad de trampas del orden de 0,1eV. Palabras claves: Semiconductores Orgánicos; Característica eléctrica.

Abstract Thin films of aluminum tris(8-hydroxiquinoline) (Alq3) were deposited by thermal deposition in high vacuum, on Indium Tin Oxide (ITO, resistivity 20 Ω/□). On the organic film it was deposited, also by thermal evaporation, a metallic layer of Al as electrode in order to measure the electrical properties of the deposited organic layers. These contacts were deposited through a mask that allowed to obtain circular electrodes of 3 mm in diameter on different sites of the organic layer. The deposition pressure was less than 2x10-5 mBar. The transport properties of the ITO/Alq3/Al structure were investigated at room temperature by measuring the I-V characteristic, applying a potential difference between the transparent electrode of ITO and the one of Al, using the aluminum contact as cathode electron injector and the transparent contact like hole injector. The structure was analyzed by means of the SCLC and TCLC models and it was found that there is a trap level at a depth of the order of 0,1 eV. Keywords: Organic semiconductors; Electric characteristic. PACS: 81.05.Fb. © 2010 Revista Colombiana de Física. Todos los derechos reservados.

1.

Introducción

Desde el descubrimiento de la electroluminiscencia eficiente en materiales orgánicos semiconductores hecho por * [email protected]

Tang y VanSlyke [1], este tipo de materiales han atraído el interés de la comunidad científica y han sido motivo de numerosos estudios a nivel mundial, ya que se presentan como una alternativa para remplazar los semiconductores

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inorgánicos en la producción de LED’s y otros dispositivos opto-electrónicos. Entre las ventajas de los materiales orgánicos sobre los inorgánicos se cuenta el hecho que son emisores en un amplio rango del visible, su alta eficiencia de emisión, la posibilidad de fabricar dispositivos flexibles, además de ser fácilmente procesables, lo cual implica un bajo costo comparado con el costo de los materiales semiconductores típicos. Además, los dispositivos orgánicos trabajan con voltajes bajos y consumen bajas potencias. Entonces, los orgánicos se presentan como una opción para fabricar pantallas basadas en películas delgadas de dichos materiales. Esto ha abierto el camino para la creación de emisores de luz basados en orgánicos (OLED’s, por sus siglas en inglés). Sin embargo existen aún muchas dificultades para obtener películas eficientes comercialmente, debido a que las películas delgadas de orgánicos son fácilmente influenciables por el medio ambiente, lo cual causa un bajo tiempo de vida, además de su baja movilidad de portadores de carga [2]. Uno de los materiales semiconductores orgánicos más ampliamente estudiados es el tris (8-hidroxiquinolato) de Aluminio ó Alq3. El cual corresponde a un material orgánico de bajo peso molecular de pequeña molécula, reconocido como un material emisor de luz verde. Ya que es de pequeña molécula, es posible crear capas delgadas de este material empleando la técnica de evaporación térmica en vacío. En el presente trabajo se muestra el proceso de creación de dispositivos basados en la estructura más sencilla que posee como base el Alq3, la estructura ITO/Alq3/Al y se hace un análisis de sus propiedades electrónicas a través de los modelos SCLC y TCLC [3][4]. 2.

Procedimiento Experimental

Se produjeron películas delgadas de Alq3 por evaporación térmica en alto vacío sobre sustratos de vidrio recubiertos previamente con ITO (óxido de indio y estaño) comerciales. Los sustratos poseen una resistencia de hoja de 20Ω/□ medida por el método de cuatro puntas, y un espesor del orden de los 110 nm. El sustrato fue previamente limpiado haciéndole una secuencia de baños en ultrasonido en agua desionizada, acetona e isoporpanol por 10 minutos cada baño, posteriormente se calentaron las películas a 80° C para eliminar cualquier residuo de acetona e isopropanol. La presión deposición fue inferior a 2×10-5 mbar a la distancia entre crisol y substrato de 25 cm. Una vez se alcanza la presión en la cámara se enciende la fuente que alimenta el evaporador, permitiendo que debido a efecto Joule su temperatura se eleve hasta una temperatura de 130°C, esto con el fin de eliminar la humedad absorbida por el compuesto, se mantiene dicha temperatura por 15 minutos. A continua-

ción la temperatura se eleva hasta alcanzar que se provoque la tasa de evaporación deseada y luego se permite que el material se deposite sobre el substrato el tiempo deseado. Se trabajaron tasas de depósito entre 0,7 a 3 Å/s, obteniéndose así películas que varían su espesor desde 150 hasta 330 nm. La temperatura de sustrato para todas las deposiciones fue de 100°C. Una vez obtenida la película se procede a remover los substratos producidos y se les deposita varios contactos circulares de Aluminio también por evaporación térmica en alto vacío en una cámara independiente a través de una máscara. La película de Al depositada es de alrededor de 200 nm y área activa de aproximadamente 7 mm2.

Fig. 1: Esquema del sistema de deposición empleado.

El esquema del sistema de evaporación aparece en la figura 1, las fuentes usadas para calentar el evaporador y del porta sustrato son unas fuentes Instek, los controladores de temperatura son Eurotherm, con sendas termocuplas tipo K, el medidor de vacío es un sensor de rango completo, Pfeiffer PKR251. Para alcanzar alto vacío se emplea una bomba mecánica y una bomba difusora, usando una trampa refrigerada con nitrógeno líquido para evitar contaminación por aceite en la cámara de evaporación. Una vez producidas la películas se les hace un análisis en microscopia electrónica de barrido (SEM) para determinar la uniformidad de las superficies depositadas con el fin de evitar posibles cortos entre las capas de ITO y Al que no permitan una correcta medición de la característica corriente voltaje. Para realizar el análisis de la característica eléctrica de las películas obtenidas se montó un dispositivo experimental como el del esquema de la figura 2.

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Fig. 2: Dispositivo de medición de la característica I-C.

A

B

C

D

Fig. 3: Imagen SEM de Alq3 depositado sobre ITO por evaporación térmica, a una tasa de deposición de: A. 0,75 Å/s, B. 1,7 Å/s, C. 2,7 Å/s y D. 3,1 Å/s.

Para el montaje del dispositivo se empleó una fuente programable Philips PM2811 y para medir la corriente en el dispositivo se empleó un multímetro marca Keithley M2000. 3.

Análisis de la morfología

Inicialmente se realizó un estudio de la morfología de las capas obtenidas por SEM, como se muestra en la Figura 3.

En la imagen se puede observar que con una tasa de deposición 0,75 Å/s, la película posee una mayor cantidad de defectos superficiales, mientras que en 2,7 Å/s la película parece ser más uniforme que en el caso de las películas producidas a 1,7 Å/s. Sin embargo, en 3,1 Å/s la película pierde su uniformidad y se muestra más rugosa y con imperfecciones en su superficie, adicionalmente estudios recientes de películas de Alq3 producidas por este método son de carácter amorfo, como también lo hemos corroborado por difracción de rayos X [6].

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Como se requiere una película lo suficientemente uniforme sin imperfecciones sobre su superficie que puedan causar cortos entre el ánodo y el cátodo (ITO y Al respectivamente) se prefiere para este caso emplear una película gruesa para analizar su característica I vs. V.

Recordemos que esta relación es válida para el caso de semiconductores con estructura de bandas definidas, en el caso de los materiales orgánicos aun se encuentra en discusión si los niveles HOMO y LUMO pueden ser tratados como bandas.

Una vez obtenida la estructura de películas delgadas se procede a realizar las mediciones de I vs. V de las películas producidas. Es importante mencionar que esta labor fue bastante complicada debido a que la aparición de cortos entre los dos electrodos impedía la toma de la característica. En la figura 4 se presenta un ejemplo de la característica I vs. V de una de las muestras. 4.

Análisis de la Característica Eléctrica I vs. V

Después de producir la estructura ITO/Alq3/Al, se procedió a realizar una medición de las características eléctricas de dicha estructura y se procedió a realizar un análisis de su característica I vs. V por los modelos SCLC y TCLC [3][4][5].

Fig. 4: Característica corriente-voltaje para un dispositivo simple ITO/Alq3/Al.

4.2 Corriente Limitada por Trampas (TCLC)

4.1 Corriente Limitada por Carga Espacial (SCLC) Como la densidad de portadores al interior para los materiales producidos es muy baja, para que haya transporte al interior es necesario inyectar cargas desde los electrodos, entonces, desde el electrodo de ITO se inyectan huecos a la película orgánica, mientras que desde el aluminio se inyectan electrones, debido a la aplicación de un campo eléctrico. El esquema mediante el cual ocurre dicho proceso es mostrado en la figura 2. Entonces, las propiedades de transporte están asociadas al tunelamiento de cargas a través de las barreras debidas a la diferencia entre los niveles energéticos HOMO y LUMO con los niveles de función de trabajo de los electrodos. En general la forma en la que se inyecta la carga va a depender de cómo es el contacto entre el material semiconductor y el electrodo, entonces si el contacto es óhmico en las proximidades de los electrodos se forman cargas espaciales las cuales se oponen al flujo de corriente a través del material orgánico. Sin embargo con un campo aplicado lo suficientemente alto se produce una saturación en la corriente. Este modelo es conocido como SCLC y relaciona la corriente que fluye a través del circuito con el voltaje, por medio de la relación:

Ante posibles defectos en las estructuras del material orgánico es posible la aparición de niveles energéticos intermedios entre la barrera HOMO y LUMO del material orgánico, dichos defectos crean niveles energéticos ubicados entre el nivel HOMO y el LUMO del material orgánico, entonces se pueden considerar como trampas. Al haber inyección de electrones dichas trampas se llenan y empiezan a bloquear el paso normal de corriente a través del material orgánico. Entonces la corriente que se vuelve dependiente de la energía de dichas trampas, la expresión para dicha corriente es: l

jTCLC

j SCLC

l=

(1)

donde µ es la movilidad de los portadores ε0 es la permitividad del vacío y ε corresponde a la constante dieléctrica relativa del material y d el espesor de la película. Para este caso se ha considerado la movilidad como independiente del campo eléctrico aplicado.

l +1

v l +1 d 2l +1

(2)

donde jTCLC, corresponde a la densidad de corriente limitada por trampas de cargas, NC la densidad de estados en la banda de conducción, Nt la densidad de estados del total de trampas y Et la profundidad de la trampa, y l es un parámetro dependiente de la profundidad de las trampas, está dado por:

2

9 v = ε 0εµ 3 8 d

 ε 0ε   2l + 1    = N C µq  N q ( l + 1 )  t   l +1 

Et K BT

(3)

Sin embargo, aunque en esta aproximación no se tiene en cuenta que la movilidad de los portadores de carga depende del campo aplicado, al igual que tampoco se tiene en cuenta que la profundidad de las trampas también puede verse afectada por dicho campo.

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4.3 Característica de la Estructura creada La figura 4 muestra la característica I-V, de una estructura producida. El montaje se realizó a temperatura ambiente, teniendo en cuenta que debido a dicha condición la reproducividad de la medición con la misma estructura es difícil de obtener ya que el Alq3 se degrada rápidamente en un medio ambiente húmedo como el de Bogotá. De la gráfica se identifica de la primera parte una densidad de corriente lineal con el voltaje aplicado, obteniéndose una pendiente de 0,0063; posteriormente se encuentra una región con característica enunciada como SCLC, encontramos que la movilidad efectiva derivada es de 1,25×10-5 cm2/V·s. Esta movilidad de portadores es del orden de los valores más altos reportados en diferentes publicaciones referentes al Alq3[3]. Después de esta parte se puede observar una distorsión en la gráfica de corriente voltaje, la cual es atribuible a la presencia de trampas por lo cual la región siguiente ha sido considerada bajo la teoría de TCLC, se encuentra que el valor de el parámetro l es de aproximadamente 2.9, por lo cual es posible estimar la profundidad de las trampas en un valor de 0,11 eV, recordando que en los anteriores modelos se supuso que el valor de la movilidad de los portadores al interior del material es independiente del campo aplicado [3]. 5.

cm2/V·s y profundidad de trampas de 0,1 eV, son similares a los reportados. 6.

Agradecimientos

Los autores agradecen la valiosa colaboración del profesor Hernán Sánchez Machet del laboratorio de Películas Delgadas del Departamento de Física de la Universidad Nacional de Colombia, Sede Bogotá, por su colaboración en la fabricación de los contactos eléctricos de las estructuras realizadas. Referencias [1] C. W. Tang y S.A. VanSlyke. Organic Electroluminiscent diode. En: Applied Physical Letters 51(12)Sep 1987. 913. [2] M. Shaw, P. F. Seidler, Organic Electronic: Introduction, En: IBM Journal of Research & Devices, 45 (1) 2001, 3. [3] A. Moliton, W. Rammal, Transport mechanisms in tris(8-hydroxyquinoline)aluminium, European Physics. Journal of Applied Physics. 33 (19) Jul 2006, 175. [4] J. Kalinowski, Electroluminiscence in organics, Journal of Physics D: Applied Physics 32 (99) 1999, 179.

Conclusiones

Se logró producir películas del semiconductor orgánico identificado como Alq3 en condiciones de alto vacío a diferentes tasas de depósito y se fabricaron estructuras el tipo ITO/Alq3/Al para la medición de sus propiedades eléctricas. Se aplicaron los modelos SCLC y TCLC para interpretar la característica eléctrica de las películas orgánicas producidas. Los valores encontrados para la movilidad 1,25×10-5

[5] C.B. Lee, A. Uddin, Study of Alq3 thermal evaporation rate effects on OLEDs, Materials Science and Engineering B 112. May 2004, 14. [6] Z. Jian, J Lou, Effects of isomeric transformation on characteristics of Alq3 amorphous layers prepared by va-cuum deposition at various substrate temperatures. En: Journal of Applied Physics, 101. Jun 2007, 123708.

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