有机物绝缘材料的性能

作者: 东莞市美鑫绝缘材料有限公司 日期: 2018-03-05 人气: - 评论: 0

有机物是天然的绝缘材料,在普通的电气绝缘方面等得到广泛的应用,典型的绝缘材料日常生活中处处可见,如塑料(聚乙烯、聚氯乙烯、尼龙等)橡胶等的电阻率很高;很多有机物、有机物的混合材料及添加无机纳米材料的有机物都是很好的绝缘材料,为了实现不同功能的绝缘材料,人们在这些方面进行了广泛的研究。

醋酸乙烯树脂通常用的有机场效应管的栅介质材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),然而由于它的低介电常数和薄膜制备上的问题,促使人们研究新的替代物。

醋酸乙烯树脂(PVAc)是目前正在研究作为有机薄膜晶体管(OTFrs)的栅绝缘层,因为它能通过乙烯醇的水解,并且与无机材料粒子形成化合物,它的介电常数在3293之间适合作为OTFr的绝缘层,韩国的Park等人通过旋涂的方法在铝基上沉积了200 nmPVAc薄膜,使用1(质量)PVAc001(质量)的有机粘土的氯仿溶液,他们得到添加了有机粘土的材料的介电常数为389,相对于没有掺人有机粘土时的介电常数增加了045左右。

偏二氟乙烯和三氟胸苷的混合物(P(VDFTrFE))具有较高的介电常数(11),它能增加OFETs的跨导,从而降低工作电压,在一定的厚度范围内(>1m)对晶体管没有滞后效应,是作为OFET器件栅极的最佳候选材料之一。同时在当材料的厚度<1 Ixm时,薄膜具有典型的铁电介质的极化滞后曲线,因此它同时又是作为有机存储器电介质可选材料。制备这种材料只需要传统的旋涂设备就可以完成,不需其他辅助装置。和其他功能薄膜一样,绝缘薄膜有它自身的性质及表征方法。

下面是对绝缘薄膜的一些主要性能表征方法的介绍。

(1)电击穿强度。绝缘薄膜的击穿一般分为瞬时电击穿、热击穿和老化击穿。在瞬时电击穿中,又分为本征性击穿和非本征性击穿。前者是结构完美的薄膜在电场瞬时作用下发生的电击穿,后者是结构中含有缺陷的薄膜在同样条件下发生的击穿。与此相对应的击穿场强称为薄膜的本征性击穿场强和非本征性击穿场强。本征性击穿场强是薄膜的固有击穿场强,取决于薄膜本身,非本征性击穿场强取决于薄膜中的缺陷情况,不属于薄膜的固有特性。

热击穿是由于电介质中存在传导电流和交变场下的位移电流所引起的发热量来不及散失而使局部介质温度升高,直至丧失绝缘性能而遭到热破坏。热击穿电场强度受环境温度、散热条件、样品几何形状等外界因素影响很大,是非本征的。较为本征的击穿是由固体中的传导电子或传导空穴在电场中的获能速率以及它们与固体中的声子或杂质、缺陷的碰撞造成的失能速率的相互平衡所完全决定。只有在很严格的实验条件下才能测出表征薄膜本身特性的击穿场强。

为了测得薄膜的实有击穿场强,现在常用样品的结构是MIS(金属一绝缘层一半导体)型或MIM型微型电容器,基片多用单晶SiGaAs,样品的金属电极多用Al,厚度为亚微米级。

介质薄膜电击穿场强的测试方法很多,其中最常用的是连续升压击穿(RVB)法,简称升压法,有时也用步进法。升压法的优点是简单、明确,很快测得薄膜的瞬时击穿场强;缺点是不能揭示与击穿紧密相关的薄膜的其他性能,也不能显示出击穿过程和击穿机理。此外,该法对介质薄膜中的偶然缺陷还不够敏感。因此,又产生了不少其他的测试方法,如恒压击穿(CVB)法、恒流击穿(CCB)法、电晕放电(CD)法、随机噪声信号(RTN)法等。

由于电击穿场强属于材料的强度参数,所以具体数值分散性较大,因此给出的测试结果常为三种形式:一种是击穿概率分布图;另一种是击穿积分概率曲线;第三种是给出击穿场强数值范围。在这三种形式中,实用意义较大的是击穿积分概率曲线。因为该曲线不但能反映样品的质量及其分散程度,进而反映制造工艺水平和工艺稳定性,还可以依此确定薄膜在实用时的有关电场强度,如工作场强、筛选场强等。否则,无法设计使用该种薄膜的有关器件和集成电路。此外,还可由此知道所用工艺水平及其稳定程度。

绝缘薄膜的电阻率一般在1081018 n·m之间。高绝缘材料加上直流电压后,通过试样的电流是很微小的,极易受到外界干扰的影响,造成较大的测试误差。被测试样、测试电极和测试系统均应采取严格的屏蔽措施,并且需要考虑设备的可靠性问题,消除这些影响带来的测试结果的偏差。

(2)环境温、湿度。一般材料的电阻值随环境温、湿度的升高而减小。相对而言,表面电阻()对环境湿度比较敏感,而体电阻()则对温度较为敏感。湿度增加,表面泄漏增大,体电导电流也会增加。温度升高,载流子的运动速率加快,介质材料的吸收电流和电导电流会相应增加。据有关资料报道,一般介质在70时的电阻值仅为在20℃时的10%。因此,测量材料的电阻时,必须指明试样与环境达到平衡的温、湿度。

(3)测试电压(电场强度)。介质材料的电阻()值一般不能在很宽的电压范围内保持不变,即欧姆定律对此并不适用。常温条件下,在较低的电压范围内,电导电流随外加电压的增加而线性增加,材料的电阻值保持不变。超过一定电压后,由于离子化运动加剧,电导电流的增加远比测试电压增加得快,材料呈现的电阻值迅速降低。由此可见,外加测试电压越高,材料的电阻值越低,以致在不同电压下测试得到的材料电阻值可能有较大的差别。值

得注意的是,导致材料电阻值变化的决定因素是测试时的电场强度,而不是测试电压。对相同的测试电压,若测试电极之间的距离不同,对材料电阻率的测试结果也将不同,正负电极之间的距离越小,测试值也越小。

(4)测试时间。用一定的直流电压对被测材料加压时,被测材料上的电流不是瞬时达到稳定值的,而是有一衰减过程。在加压的同时,流过较大的充电电流,接着是比较长时间缓慢减小的吸收电流,最后达到比较平稳的电导电流。被测电阻值越高,达到平衡的时间则越长。因此,测量时为了正确读取被测电阻值,应在稳定后读取数值或取加压1 min后的读数值。

另外,高绝缘材料的电阻值还与其带电的历史有关。为准确评价材料的静电性能,在对材料进行电阻()测试时,应首先对其进行消电处理,并静置一定的时间,静置时间可取5min,然后,再按测量程序测试。一般而言,对一种材料的测试,至少应随机抽取35个试样进行测试,以其平均值作为测试结果。

(5)测试设备的泄漏。在测试中,线路中绝缘电阻不高的连线,往往会不适当地与被测试样、取样电阻等并联,对测量结果可能带来较大的影响。因此,为减小测量误差,应采用保护技术,在漏电流大的线路上安装保护导体,以基本消除杂散电流对测试结果的影响。

(6)介电常数。MOS结构电容一电压特性(简称Cy特性)测量是检测MOS器件制造工艺的重要手段。MOS电容它类似于金属和介质形成的平板电容器。但是,由于半导体中的电荷密度比金属中的小得多,所以充电电荷在半导体表面形成的空间电荷区有一定的厚度(为微米量级),而不像金属中那样,只集中在一薄层中(01 nm)内。

半导体表面空间电荷区的厚度随K而变化,所以MOS电容是微分电容。


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