Per realizzare le misure di rumore gli oLED sono stati polarizzati a tensione costante e si sono misurate le fluttuazioni della corrente rispetto al proprio valore medio. Si `e eseguita un’analisi delle fluttuazioni sia in funzione della frequenza, calcolandone la densit`a spettrale di potenza, sia in funzione del tempo. A questo scopo `e necessario avere un sistema di misura in grado di polarizzare il dispositivo, misurare le fluttuazioni della corrente al variare del tempo e calcolarne la densit`a spettrale di potenza con grande sensibilit`a anche quando gli oLED sono polarizzati con basse tensioni e la corrente `e molto piccola. Per misurare il rumore si `e utilizzato l’analizzatore di spettro a correlazione con i front-end di corrente (par. 2.4.1) con le opportune modifiche per poter svolgere tutte le analisi rchieste del rumore degli oLED.
Un prima semplice modifica si `e resa necessaria per avere in uscita non solo la densit`a spettrale di potenza media del segnale durante tutta la durata della misura, come normalmente produce lo strumento a correlazione, ma anche l’andamento con il tempo delle fluttuazioni della corrente portata dall’oLED. Per implementare questa nuova funzionalit`a dell’analizzatore di spettro a correlazione `e stato sufficiente agire a livello del software di gestione modificandolo in modo da avere in uscita non solo la cross-correlazione tra i due canali ma anche i segnali digitalizzati e non elaborati. Ovviamente sui segnali nel tempo la sensibilit`a sar`a minore rispetto a quella ottenibile per la densit`a spettrale di potenza perch´e non `e possibile eseguire l’operazione di cross-correlazione che richiede una media temporale. Il vantaggio di utilizzare lo strumento a correlazione anche per questo tipo di misure temporali `e principalmente di comodit`a: si utilizza lo stesso apparato sperimentale dalla bassa polarizzazione, dove come vedremo si hanno fluttuazioni di corrente stazionare e di basso valore, alle condizioni di alta polarizzazione, ove sono pi`u interessanti i cambiamenti delle fluttuazioni con il tempo.
La polarizzazione del dispositivo organico a tensione costante fino a quasi 20 V ha richiesto una seconda modifica allo strumento a correlazione. Non si `e potuto infatti utilizzare diretta-mente le terre virtuali degli amplificatori di ingresso dei due canali perch´e queste avrebbero permesso tensioni al pi`u di 10 V (par. 2.4.1). Anche la soluzione tramite accoppiamento in alternata adottata per le misure sul CdTe del capitolo 3 (descritto al par. 2.4.4) non `e in questo caso utilizzabile perch´e ad alta polarizzazione la resistenza mostrata dall’oLED non
`e costante nel tempo. Con lo schema ad accoppiamento in AC la modifica della resistenza dell’oLED implica anche un cambiamento della tensione su di esso a causa della differente partizione resistiva con le resistenze di polarizzazione, rendendo difficile l’analisi delle misure di rumore perch´e eseguite con condizioni di polarizzazioni differenti nel tempo sia in tensione sia in corrente.
La soluzione adottata per soddisfare alla richiesta di tensione di polarizzazione costante in tutte le condizioni di lavoro `e mostrata nella figura 4.4. L’idea `e utilizzare direttamente le terre virtuali degli amplificatori per fissare la tensione dell’oLED ma riferendo i due canali a due masse distinte e con un differente potenziale. In questo modo ciascun amplificatore a transimpedenza pu`o operare in modo ottimale con la tensione della terra virtuale pari a quella della propria massa mentre la tensione di polarizzazione dell’oLED `e fissata dalla differenza di tensione tra le masse tramite il generatore esterno Vpol.
Il rumore introdotto da Vpol introduce un segnale correlato in modo analogo a quanto visto per il rumore di tensione degli amplificatore (par. 2.5). Affinch´e la sensibilit`a dello strumento non venga degradata bisogna prestare la massima cura per filtrare adeguatamente il rumore di Vpol.
Il principale svantaggio di questa configurazione `e la difficolt`a a schermare efficacemente
Figura 4.4: Schema dello strumento a correlazione con polarizzazione del DUT tramite masse dei due canali separate.
i disturbi perch´e si realizzano facilmente degli anelli di larga area tra le diverse masse che si comportano da spire e captano efficacemente i disturbi elettromagnetici.
Il rumore misurato negli oLED ha in genere un valore abbastanza elevato e apparentemente non si presentano difficolt`a a misurarlo. In realt`a, l’elevata capacit`a (circa 5 nF) dei dispositivi testati impone un valore della resistenza di feedback RF basso (pochi kΩ) per mantenere la stabilit`a del circuito con una banda adeguata (fino a 100 kHz), rendendo necessario l’utilizzo dello strumento a correlazione per raggiungere ugualmente la sensibilit`a di misura richiesta nei casi a bassa corrente.
4.4 Risultati sperimentali
Allo scopo di caratterizzare tutti i regimi di funzionamento degli oLED, le misure di rumore sono state realizzate a differenti tensioni di polarizzazione: in polarizzazione inversa, a bassa polarizzazione diretta (sotto la tensione di accensione del LED), a tensioni normali di lavoro (appena sopra l’accensione) e ad alta polarizzazione diretta. I risultati presentati si riferiscono a dispositivi di spessore di 80 nm o 160 nm con elettrodo metallico di Alluminio o di Allumi-nio+Calcio. Comunque, se non diversamente indicato, le misure si riferiscono a dispositivi con spessore di 160 nm e contatto di Alluminio.
Le caratteristiche elettriche degli oLED preparati con il mLPPP sono ben note [97]. Usando l’ITO e l’alluminio come elettrodi iniettori di portatori di carica risulta una tensione di ac-censione piuttosto elevata perch´e il mLPPP `e un semiconduttore polimerico a largo gap con un alta differenza fra i sui livelli HOMO e LUMO e le funzioni di lavoro dei materiali de-gli elettrodi. Inoltre, come `e comune per polimeri a catena rigida, la corrente di accensione dipende dallo spessore a causa dell’orientamento preferenziale delle catene di mLPPP vicino alla superficie: per spessori sottili `e necessario un campo elettrico molto pi`u alto rispetto a quelli spessi. Nei primi, infatti, la struttura relativamente ordinata delle catene non permette la creazione casuale di percorsi da un elettrodo all’altro lungo i quali `e alta la probabilit`a di hopping, come accade nella pi`u disordinata distribuzione di catene che si ha con spessori maggiori. Da quanto riportato in letteratura [97] sulla dipendenza del campo elettrico neces-sario alla soglia della corrente usando elettrodi di ITO e Alluminio, ci si aspetta un valore di 0.55 MV/cm per spessori di mLPPP di 160 nm, cio`e una tensione di 9V come conferma una
CAPITOLO 4 DISPOSITIVI ORGANICI: IL RUMORE COME MEZZO DIAGNOSTICO 4.4
-30 -20 -10 0 10 20
0 100µ 200µ 300µ 400µ
C o rr en te [A ]
Tensione [V]
Figura 4.5: Tipica caratteristica I − V dei diodi emettitori di luce organici testati.
tipica caratteristica I − V dei dispositivi utilizzati mostrata nella figura 4.5, che evidenzia anche le loro buone propriet`a rettificanti.
I dispositivi sono stati prima testati polarizzandoli in inversa (elettrodo di ITO connesso come catodo) allo scopo di escludere l’influenza di correnti parassite dovute a microcircuiti dello strato attivo originati dal processo di fabbricazione. La corrente stazionario misurata `e stata tipicamente di 100 nA per tutti i dispositivi testati fino a tensioni inverse di -14V. Come esempio dei segnali ottenuti in inversa, nella fig. 4.6a `e riportata la fluttuazione della corrente dell’oLED in funzione del tempo e nella fig. 4.6b `e riportata la corrispondente densit`a spettrale di potenza. La densit`a spettrale di potenza del rumore di corrente mostra, nell’intervallo di frequenze misurato, un rumore in eccesso con un andamento del tipo 1/fapi`u di cinque ordini di grandezza maggiore rispetto al rumore shot pari a SI = 2qI ∼= 3 · 10−26A2/Hz. Valori cos`ı elevati di rumore sono giustificabili considerando la struttura disordinata del polimero e la rugosit`a dei contatti polimero-elettrodo. Si noti che l’esponente a dell’andamento in frequenza `e di circa 1.3.
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 -15n
-10n -5n Ibias +5n +10n +15n
Vbias = -14V Ibias < 100nA
Corrente [A]
Tempo [s]
10 100 1k 10k
10-20 10-19 10-18 10-17 10-16
Vbias = -14V Ibias < 100nA
Rumore di corrente [A2 /Hz]
Frequenza [Hz]
a) b)
Figura 4.6: a) Rumore di corrente in funzione del tempo di un oLED in mLPPP con applicata una tensione inversa di 14V; b) corrispondente densit`a spettrale di potenza.
1 10 100 1k 10k 100k 10-24
10-22 10-20 10-18
R u m o re d i c o rr e n te [ A
2/H z ]
Frequenza [Hz]
Rumore shot teorico
Vbias= 10.35V Ibias= 13PA
Figura 4.7: Densit`a spettrale di potenza del rumore di corrente di un oLED in mLPPP con una tensione in diretta di 10.35 V. Il valore teorico del rumore shot non `e raggiunto entro le possibilit`a di misura a causa dell’elevata capacit`a degli oLED.
Gli spettri di rumore della corrente che scorre nei dispositivi sono stati misurati per varie condizioni di polarizzazione diretta, da bassa a ben sopra la soglia di elettroluminescenza.
Come esempio, la figura 4.7 riporta lo spettro del rumore di corrente di un dispositivo di spessore 160 nm polarizzato appena sopra la tensione di soglia (Vbias = 10.35 V e ID = 13 µA).
Lo spettro `e ancora dominato da un rumore in eccesso del tipo 1/fa con una pendenza di a ∼= 1.3.
L’analisi della pendenza del rumore a bassa frequenza di tutti gli spettri misurati mostra una significativa costanza del suo valore al variare delle condizioni di polarizzazione. Senza riguardo del segno e del valore della tensione applicata, la pendenza degli spettri 1/fa rimane compresa tra a = 1.25 e a = 1.35. Lo stesso comportamento `e stato anche trovato per tutti i dispositivi pi`u sottili investigati, come per esempio pu`o essere visto nella figura 4.8.
Questa pendenza degli spettri `e una caratteristica che pu`o essere utilizzata come guida per arguire un’origine del rumore differente dall’intrappolamento da stati localizzati con energie di attivazione nel gap del materiale. Infatti colpisce la similitudine degli spettri ottenuti con quelli trovati nei dispositivi inorganici al loro primo stadio di sviluppo e attribuiti alla microfisica dei contatti tra gli elettrodi di metallo e il semiconduttori in un importante lavoro di Macfar-lane [66]. La teoria di questo tipo di rumore (chiamato ‘contact noise’) si applica a dispositivi a semiconduttore con un’adesione non omogenea dell’interfaccia metallo/semiconduttore e assume l’emissione di portatori dalla superficie dei contatti solo in aree localizzate ove ioni adsorbiti possono alzare localmente la barriera Schottky. La diffusione di ioni sulla super-ficie causa fluttuazioni casuali della loro concentrazione, provocando cos`ı variazioni casuali dell’altezza della barriera di potenziale e perci`o della corrente emessa.
Dall’analisi teorica di questa situazione si ricavano degli spettri di potenza del tipo 1/fa con un esponente a variabile tra 1.1 e 1.5 in base all’intervallo di frequenza considerato, della forma delle aree localizzate e della temperatura del campione. La descrizione fisica di que-sto fenomeno si pu`o applicare molto bene al caso di dispositivi organici e trova supporto nell’inomogeneit`a delle interfacce ITO-mLPPP e Al-mLPPP dovuto alle contaminazione della deposizione ‘wet cleaning’ della superficie di ITO e sull’inevitabile povera adesione fra lo strato organico attivo e i materiali degli elettrodi, che rendono la situazione attuale dei dispositivi organici comparabile a quelle dei materiali inorganici all’inizio del loro sviluppo negli anni
CAPITOLO 4 DISPOSITIVI ORGANICI: IL RUMORE COME MEZZO DIAGNOSTICO 4.5
100 1k 10k 100k
10-22 10-20 10-18 10-16
dopo polarizzazione inversa
dopo polarizzazione diretta spettro iniziale
Frequenza [Hz]
Rumore di corrente [A2 /Hz]
Figura 4.8: Spettro di rumore di un oLED in mLPP sottile (80 nm) eseguita alle stesse condizioni di lavoro (Vbias= 2 V) dopo sequenze di polarizzazione differente.
’40. Un approccio sistematico per testare questo fenomeno `e reso difficile dal tempo medio di vita dei dispositivi a nostra disposizione che rende problematico eseguire misure in differenti condizioni di polarizzazione e di temperatura senza essere condizionati da fenomeni di invec-chiamento dei dispositivi. Comunque, `e attualmente in corso una serie di misure per tentare di chiarire se il rumore misurato `e veramente attribuibile al contact noise.
Sui dispositivi testati `e stato osservato una dipendenza del loro comportamento dalla storia passato del dispositivo, come gi`a riportato in letteratura [39]. Il livello del rumore degli oLED polarizzati in diretta cambia fortemente se il dispositivo si trovava in polarizzazione inversa o in diretta prima di eseguire la misura di rumore in condizione di polarizzazione diretta, come mostra la gi`a citata fig. 4.8. La figura si riferisce ad un diodo con uno spessore del materiale attivo di 80 nm ma un comportamento simile `e stato trovato per dispositivi pi`u spessi.
Lo spettro del rumore di corrente `e stato prima misurato ad un certo valore di polarizza-zione (in questo caso di Vbias = 2 V corrispondente ad una corrente di ID ∼= 18 µA), indicato nella figura con ‘spettro iniziale’. Il dispositivo `e stato in seguito polarizzato in diretta con valori maggiori della soglia di elettroluminescenza per parecchi minuti, dopo di che si `e ritor-nati con la stessa polarizzazione iniziale (ancora Vbias= 2 V ma con una corrente leggermente inferiore, ID ∼= 10 µA). Lo spettro ottenuto `e indicato nella figura con ‘dopo polarizzazione diretta’. Si pu`o osservare che i due spettri sono quasi esattamente sovrapposti e che quindi questo cambiamento della polarizzazione non ha avuto sostanzialmente effetti sul rumore di corrente. Sempre lo stesso dispositivo `e stato in seguito polarizzato in inversa (Vbias = −4 V) per qualche minuto dopo di che `e stato riportato ancora in diretta con Vbias= 2 V e lo spettro misurato `e riportato sempre nella figura 4.8 con l’etichetta ‘dopo polarizzazione inversa’. In questo caso il rumore prodotto dal dispositivo `e molto pi`u basso di quello iniziale. Questa riduzione del rumore `e solo parzialmente dovuto alla corrispondente riduzione della corrente (ID ∼= 4 µA) che lentamente (con transitori di parecchi minuti) tende a ritornare alla condi-zione precedentemente misurata nello stato iniziale. L’effetto della polarizzacondi-zione in inversa sul rumore ha un effetto nel tempo molto pi`u lungo del transitorio della corrente, indicando che sta avvenendo anche un riassestamento del fenomeno di trasporto . Si noti che anche in queste misure lo spettro varia sempre come 1/facon a ∼= 1.35, con una pendenza leggermente superiore dopo la polarizzazione inversa. Il rumore termico e lo shot sono sempre trascurabili alle frequenze analizzate rispetto al rumore in eccesso presente .
17 18 106µ
108µ 110µ 112µ 114µ 116µ
b) a)
C o rr e n te [ A ]
Tempo [s]
139 140
Figura 4.9: Andamento temporale della corrente circolante in un oLED dopo pochi secondi dall’applicazione di una polarizzazione costante (sezione a) e dopo qualche minuto (sezione b)