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系統識別號 U0026-0409201500202500
論文名稱(中文) 變溫成長五苯環主動層對雙載子有機薄膜電晶體的電性影響研究
論文名稱(英文) Correlation of growth of pentacene films at various temperature conditions to ambipolar thin-film transistors characteristics
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 光電科學與工程學系
系所名稱(英) Department of Photonics
學年度 103
學期 2
出版年 104
研究生(中文) 陳奕甫
研究生(英文) Yi-Fu Chen
學號 L76021113
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 69頁
口試委員 指導教授-鄭弘隆
口試委員-周維揚
口試委員-唐富欽
口試委員-葉柏良
中文關鍵字 有機半導體  雙極性傳輸  五苯環  界面缺陷 
英文關鍵字 organic semiconductor  field-effect transistors  pentacene  Raman spectroscopy 
學科別分類
中文摘要 本論文研究熱蒸鍍(PVD)主動層時,對待蒸鍍基板做加溫處理,對其有機薄膜電晶體的電特性影響,並探討造成其電性變化的原因。
本研究中所使用的主動層材料為五苯環素(Pentacene),此材料具有雙極性傳輸特性,可做為P型或N型電晶體,而所使用的介電層則有PMMA以及PVNP兩種材料,分別配成重量百分濃度為5%、1%及0.5%的溶液旋轉塗佈於基板上,實驗中發現,當蒸鍍時基板加熱到60℃時,相較於未加熱機板蒸鍍之元件,其P型電性有提升的現象,然而N型電性卻下降,對此現象將分為兩部份去分析:主動層與介電層介面的影響以及主動層本身的影響。
界面分析方面使用的接觸角的量測計算介電層之表面能,並分析導納,計算介面之缺陷密度,在表面能的計算中發現,當介電層加熱後其表面能中極性項會上升,此項影響會造成主動層傳遞電子的缺陷增加,此項結果也與缺陷密度計算結果吻合。
主動層分析則是使用拉曼光譜分析與原子力顯微鏡量測表面,拉曼光譜的結果顯示加熱會造成其電子傳遞相關的結構均勻性下降,因此導致其N型電性下降,而與電洞傳遞相關的結構均性會提升,也因此P型操作的電性表現會提升,原子力顯微鏡的結果發現經過加溫基板蒸鍍後結晶的邊界會增加,因此不利於電子的傳遞。
英文摘要 We investigated the effects of substrate temperature on the ambipolar electrical characteristics of pentacene-based organic thin-film transistors (OTFTs) by heating a substrate during pentacene layer deposition. In the experiment, we used pentacene and poly(methyl methacrylate) (PMMA) to generate semiconductor and buffer layers, respectively, and fabricate a typical bottom-gate/top contact OTFTs.
The measured electrical characteristics suggest that the performance of OTFTs containing pentacene layers deposited on heated substrates improved during p-channel operations but worsened during n-channel operations. Moreover, the OTFTs also exhibit an increased interfacial electron trap density in n-channel operations. By measuring the contact angles of surface energy of PMMA buffer, we observed an increase in the polar component of surface free energy at high temperatures. Thus, the increased electron trap density is attributed to the presence of many ester polar functional groups on the PMMA surface given that these groups function as electron traps. Raman spectroscopy is used to analyze the microstructure of the pentacene layer, and different microstructures are observed when pentacene layers are deposited on various temperature substrates. These results explain the dissimilar ambipolar performance levels of OTFTs when pentacene layers deposited on a substrate at varying temperatures.
論文目次 目錄

中文摘要 I
Abstract II
致謝 IX
目錄 X
第一章 緒論 1
1-1 有機薄膜電晶體簡介 1
1-2 有機薄膜電晶體概論 2
1-2.1有機薄膜電晶體基本架構 2
1-2.2單極性/雙極性傳輸特性 2
1-2.3有機薄膜電晶操作原理 3
1-2.4有機薄膜電晶體基本電特性 4
1-2.5雙極性有機薄膜電晶體操作原理 5
1-3 研究動機 6
第二章 元件製程與分析工具 10
2-1 實驗材料 10
2-1.1有機半導體材料 10
2-1.2基板、高分子修飾層材料 10

2-2 有機薄膜電晶體製程 11
2-2.1清洗基板 11
2-2.2旋轉塗佈修飾層 11
2-2.3成長有機半導體與金屬電極 11
2-3 實驗分析儀器 12
2-3.1元件電性分析 12
2-3.2接觸角 12
2-3.3原子力顯微鏡 13
2-3.4拉曼光譜 14
第三章 蒸鍍時基板昇溫對五苯環有機薄膜電晶體雙載子特性的影響 18
3-1 前言 18
3-2 實驗方法 19
3-3 雙極性有機薄膜電晶體電特性分析 19
3-3.1蒸鍍時基板昇溫對五苯環有機薄膜電晶體雙載子特性的影響 20
3-4 半導體層與修飾層界面研究 20
3-4.1接觸角分析 21
3-4.2缺陷密度與載子缺陷鬆弛時間計算 22
3-5 半導體層研究 24
3-5.1拉曼光譜分析 24
3-5.2AFM表面分析 25
3-6 綜合討論 26
第四章 總結與未來展望 65
參考文獻 67

表目錄

表3-1於不同基板溫度下成長pentacene於PMMA作為介電層之電晶體操作特性。SS:次臨界斜率;V_T:飽和區臨界電壓;on/off ratio:開關電流比。 28
表3-2於不同基板溫度下成長pentacene於PVNP作為介電層之電晶體操作特性。SS:次臨界斜率;V_T:飽和區臨界電壓;on/off ratio:開關電流比。 29
表3-3不同溫度下PMMA表面能之變化。γ^d:介電層表面自由能的非極性項;γ^p介電層表面自由能的極性項;R_12:主動層與介電層間的介面自由能。 30
表3-4不同溫度下PVNP表面能之變化。γ^d:介電層表面自由能的非極性項;γ^p介電層表面自由能的極性項;R_12:主動層與介電層間的介面自由能。 31
表3-5對照組玻璃在不同溫度下之表面能。γ^d:介電層表面自由能的非極性項;γ^p介電層表面自由能的極性項;R_12:主動層與介電層間的介面自由能。 32
表3-7介電層為PMMA在不同基板溫度下蒸鍍主動層的缺陷態特性參數。D_it:缺陷態密度;τ_it:介面缺陷鬆弛時間。 33
表3-7介電層為PVNP在不同基板溫度下蒸鍍主動層的缺陷態特性參數。D_it:缺陷態密度;τ_it:介面缺陷鬆弛時間。 34
表3-8以PMMA為介電層經過不同溫度下蒸鍍主動層所製作之薄膜在264cm-1、1177 cm-1及1371 cm-1三個波峰中心的半高寬變化。FWHM:半高寬。 35
表3-9以PVNP為介電層經過不同溫度下蒸鍍主動層所製作之薄膜在264cm-1、1177 cm-1及1371 cm-1三個波峰中心的半高寬變化。FWHM:半高寬。 36

圖目錄

圖1-1有機薄膜電晶體結構:(a)下閘極底部接觸;(b)下閘極頂部接觸;(c)上閘極底部接觸。 7
圖1-2 pentacene分子的能接與金屬功函數示意圖 8
圖1-3薄膜電晶體操作於線性區與飽和區示意圖 9
圖2-1(a)pentacene分子結構圖;(b)PMMA分子結構圖;(c)PVNP分子結構圖。 15
圖2-2對基板加熱蒸鍍示意圖,將基板面向下固定在上方的基板放置處,並通電流使其升溫,可控制電流大小來調整施加的溫度,下方蒸鍍源通電流加溫使pentacene揮發,附著到上方的基板。 16
圖2-3接觸角量測示意圖,對樣品滴上液滴,量測左右兩邊的角度,通過計算即可得到樣品之表面能。 17
圖3-1實驗使用之元件架構 37
圖3-2(a)使用介電層為PMMA0.5wt%所製作元件操作在N通道操作的輸出曲線;(b)使用介電層為PMMA0.5wt%經過加溫蒸鍍所製作元件操作在N通道的輸出曲線;(c)使用介電層為PMMA0.5wt%所製作元件操作在P通道的輸出曲線;(d)使用介電層為PMMA0.5wt%經過加溫蒸鍍所製作元件操作在P通道的輸出曲線。 38
圖3-3(a)使用介電層為PMMA1wt%所製作元件操作在N通道操作的輸出曲線;(b)使用介電層為PMMA1wt%經過加溫蒸鍍所製作元件操作在N通道的輸出曲線;(c)使用介電層為PMMA1wt%所製作元件操作在P通道的輸出曲線;(d)使用介電層為PMMA1wt%經過加溫蒸鍍所製作元件操作在P通道的輸出曲線。 39
圖3-4(a)使用介電層為PMMA5wt%所製作元件操作在N通道操作的輸出曲線;(b)使用介電層為PMMA5wt%經過加溫蒸鍍所製作元件操作在N通道的輸出曲線;(c)使用介電層為PMMA5wt%所製作元件操作在P通道的輸出曲線;(d)使用介電層為PMMA5wt%經過加溫蒸鍍所製作元件操作在P通道的輸出曲線。 40
圖3-5使用介電層為PVNP0.5wt%所製作元件操作在N通道操作的輸出曲線;(b)使用介電層為PVNP0.5wt%經過加溫蒸鍍所製作元件操作在N通道的輸出曲線;(c)使用介電層為PVNP0.5wt%所製作元件操作在P通道的輸出曲線;(d)使用介電層為PVNP0.5wt%經過加溫蒸鍍所製作元件操作在P通道的輸出曲線。 41
圖3-6(a)使用介電層為PVNP1wt%所製作元件操作在N通道操作的輸出曲線;(b)使用介電層為PVNP1wt%經過加溫蒸鍍所製作元件操作在N通道的輸出曲線;(c)使用介電層為PVNP1wt%所製作元件操作在P通道的輸出曲線;(d)使用介電層為PVNP1wt%經過加溫蒸鍍所製作元件操作在P通道的輸出曲線。 42
圖3-7(a)使用介電層為PVNP5wt%所製作元件操作在N通道操作的輸出曲線;(b)使用介電層為PVNP5wt%經過加溫蒸鍍所製作元件操作在N通道的輸出曲線;(c)使用介電層為PVNP5wt%所製作元件操作在P通道的輸出曲線;(d)使用介電層為PVNP5wt%經過加溫蒸鍍所製作元件操作在P通道的輸出曲線。 43
圖3-8(a)介電層為PMMA0.5wt%操作在N通道下的轉換曲線,圖中紅色的線為經過加熱蒸鍍的曲線;(b)介電層為PMMA0.5wt%操作在P通道下的轉換曲線,圖中紅色的線為經過加熱蒸鍍的曲線。 44
圖3-9(a)介電層為PMMA1wt%操作在N通道下的轉換曲線,圖中紅色的線為經過加熱蒸鍍的曲線;(b)介電層為PMMA1wt%操作在P通道下的轉換曲線,圖中紅色的線為經過加熱蒸鍍的曲線。 45
圖3-10(a)介電層為PMMA5wt%操作在N通道下的轉換曲線,圖中紅色的線為經過加熱蒸鍍的曲線;(b)介電層為PMMA5wt%操作在P通道下的轉換曲線,圖中紅色的線為經過加熱蒸鍍的曲線。 46
圖3-11(a)介電層為PVNP0.5wt%操作在N通道下的轉換曲線,圖中紅色的線為經過加熱蒸鍍的曲線;(b)介電層為PVNP0.5wt%操作在P通道下的轉換曲線,圖中紅色的線為經過加熱蒸鍍的曲線。 47
圖3-12(a)介電層為PVNP1wt%操作在N通道下的轉換曲線,圖中紅色的線為經過加熱蒸鍍的曲線;(b)介電層為PVNP1wt%操作在P通道下的轉換曲線,圖中紅色的線為經過加熱蒸鍍的曲線。 48
圖3-13(a)介電層為PVNP5wt%操作在N通道下的轉換曲線,圖中紅色的線為經過加熱蒸鍍的曲線;(b)介電層為PVNP5wt%操作在P通道下的轉換曲線,圖中紅色的線為經過加熱蒸鍍的曲線。 49
圖3-14 pentacene分子對應之拉曼振動 50
圖3-15(a)介電層為PMMA0.5wt%的pentacene薄膜波峰中心為264cm^(-1)的拉曼光譜;(b)介電層為PMMA0.5wt%經加溫蒸鍍的pentacene薄膜波峰中心為264cm^(-1)的拉曼光譜。 51
圖3-16(a)介電層為PMMA1wt%的pentacene薄膜波峰中心為264cm^(-1)的拉曼光譜;(b)介電層為PMMA1wt%經加溫蒸鍍的pentacene薄膜波峰中心為264cm^(-1)的拉曼光譜。 52
圖3-17(a)介電層為PMMA5wt%的pentacene薄膜波峰中心為264cm^(-1)的拉曼光譜;(b)介電層為PMMA5wt%經加溫蒸鍍的pentacene薄膜波峰中心為264cm^(-1)的拉曼光譜。 53
圖3-18 (a)介電層為PVNP0.5wt%的pentacene薄膜波峰中心為264cm^(-1)的拉曼光譜;(b)介電層為PVNP0.5wt%經加溫蒸鍍的pentacene薄膜波峰中心為264cm^(-1)的拉曼光譜。 54
圖3-19(a)介電層為PVNP1wt%的pentacene薄膜波峰中心為264cm^(-1)的拉曼光譜;(b)介電層為PVNP1wt%經加溫蒸鍍的pentacene薄膜波峰中心為264cm^(-1)的拉曼光譜。 55
圖3-20(a)介電層為PVNP5wt%的pentacene薄膜波峰中心為264cm^(-1)的拉曼光譜;(b)介電層為PVNP5wt%經加溫蒸鍍的pentacene薄膜波峰中心為264cm^(-1)的拉曼光譜。 56
圖3-21(a)介電層為PMMA0.5wt%的pentacene薄膜在波段為1100~1400cm^(-1)的拉曼光譜;(b)介電層為PMMA0.5wt%經加溫蒸鍍的pentacene在波段為1100~1400cm^(-1)的拉曼光譜。 57
圖3-22(a)介電層為PMMA1wt%的pentacene薄膜在波段為1100~1400cm^(-1)的拉曼光譜;(b)介電層為PMMA1wt%經加溫蒸鍍的pentacene在波段為1100~1400cm^(-1)的拉曼光譜。 58
圖3-23(a)介電層為PMMA5wt%的pentacene薄膜在波段為1100~1400cm^(-1)的拉曼光譜;(b)介電層為PMMA5wt%經加溫蒸鍍的pentacene在波段為1100~1400cm^(-1)的拉曼光譜。 59
圖3-24 (a)介電層為PVNP0.5wt%的pentacene薄膜在波段為1100~1400cm^(-1)的拉曼光譜;(b)介電層為PVNP0.5wt%經加溫蒸鍍的pentacene在波段為1100~1400cm^(-1)的拉曼光譜。 60
圖3-25(a)介電層為PVNP1wt%的pentacene薄膜在波段為1100~1400cm^(-1)的拉曼光譜;(b)介電層為PVNP1wt%經加溫蒸鍍的pentacene在波段為1100~1400cm^(-1)的拉曼光譜。 61
圖3-26(a)介電層為PVNP5wt%的pentacene薄膜在波段為1100~1400cm^(-1)的拉曼光譜;(b)介電層為PVNP5wt%經加溫蒸鍍的pentacene在波段為1100~1400cm^(-1)的拉曼光譜。 62
圖3-27 (a)pentacene成長於PMMA1wt%的AFM表面圖;(b) pentacene成長於PMMA1wt%經加溫蒸鍍的AFM表面圖,掃描大小為5μm×5μm。 63
圖3-28 (a)pentacene成長於PVNP1wt%的AFM表面圖;(b) pentacene成長於PVNNP1wt%經加溫蒸鍍的AFM表面圖,掃描大小為5μm×5μm。 64
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