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系統識別號 U0026-2708201922433000
論文名稱(中文) 研究導入富勒烯衍生物在介電層對五苯環電晶體的記憶效應影響
論文名稱(英文) Study of a fullerene derivative for use in pentacene-based thin-film transistor-type memory devices
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 107
學期 2
出版年 108
研究生(中文) 厲秉杰
研究生(英文) Bing-Jie Li
學號 L76064323
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 73頁
口試委員 指導教授-鄭弘隆
口試委員-周維揚
口試委員-王右武
口試委員-阮至正
中文關鍵字 富勒烯衍生物  五苯環  High-K材料  有機薄膜電晶體  記憶效應  複合薄膜 
英文關鍵字 fullerene derivative  pentacene  High-K materials  organic thin-film transistors  memory window 
學科別分類
中文摘要 本論文使用氧化鋁/聚醯亞胺(Polyimide,PI)雙層薄膜為介電層,製作可低電壓操作之五苯環(pentacene) 有機薄膜電晶體式記憶元件,研究導入 [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM)於介電層PI對元件的記憶效應的影響 。故本論文進一步探討PCBM混摻修飾PI層之五苯環電晶體記憶效應是否為PI溶液濃度稀釋、PCBM載子陷補抑或是上述兩者共同影響,及對比PCBM修飾PI層表面和混摻修飾PI層之五苯環電晶體。以半導體參數分析儀比較不同修飾層參數之五苯環電晶體相關記憶效應,利用表面接觸角分析儀、原子力顯微鏡與掃描式開爾文探針顯微鏡,探討PCBM於於修飾層結構中的分佈位置與介面寫入效應。
經實驗後,發現PCBM混摻修飾PI層之五苯環電晶體利用PCBM之電子受體特性具有記憶效應,與PI溶液濃度稀釋之五苯環電晶體受閘極偏壓控制能力增強具記憶效應原理不同。PCBM修飾PI層表面之五苯環電晶體亦可得寫入區間 。為了驗證PCBM混摻修飾結構之PCBM於修飾層與主動層介面分佈,可由PCBM修飾PI層表面與混摻修飾PI層結構之薄膜表面能極性項與表面電位皆下降特性,推得PCBM分佈於修飾層PI表面,且驗證記憶寫入效應來自於PCBM與五苯環介面缺陷的載子陷補作用。
進行記憶元件訊號清除時,使用PCBM進行混摻或修飾PI層表面之五苯環電晶體皆可單獨利用照光達到清除效果,由於不需外加清除電壓,此舉有助降低元件功耗。可由照光電容之電荷提早累積印證臨界電壓往原點偏移,以及缺陷能態密度增長率減小,鬆弛時間變短得證。且pentacene對介面載子清除能力不受PCBM修飾PI層表面或混摻結構影響。在多次寫入清除操作下,二者元件皆可穩定操作且保有一定記憶窗口。
根據上述結果知可用PCBM修飾PI作為記憶元件之駐極體層,並以五苯環與氧化鋁達成低功耗元件之需求。
英文摘要 Thin-film transistor-type organic memory devices have high potential for applications in wearable devices or unmanned vehicles that feature low power consumption and detection ability. In this study, thin-film transistor-type pentacene-based memory devices were fabricated. [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) was used to modify the polyimide (PI) dielectric layer. The role of PCBM in the electrical performance of pentacene-based memory devices was also investigated.
Three kinds of solution-processing dielectric layers of memory devices, including the single PI layer (Device A), the PI:PCBM blending layer (Device B), and the PI/PCBM bilayer (Device C), were prepared. Device A showed a low programming threshold voltage of 0.1 V. Device B performed a small subthreshold swing (s.s.) of 0.16 V/dec, a memory window (VM) of 0.49 V, and a low threshold voltage. Device C presented a small s.s. of 0.19 V/dec and a large VM of 0.89 V. Experimental results indicated that the PCBM-modified PI dielectric layer could increase the memory window of pentacene-based memory devices. The charge erasing capability of Devices B and C could be achieved by laser irradiation without bias voltage, which is beneficial for the decrease in the device’s power consumption.
論文目次 目錄

中文摘要 I
Extended Abstract III
誌謝 XI
目錄 XII
表目錄 XVI
圖目錄 XVII
第一章 緒論 1
1.1 有機半導體介紹 1
1.2 有機記憶元件 1
1.2.1 電阻式記憶體 2
1.2.2 電荷補陷式記憶體 2
1.3 研究動機 3
第二章 有機薄膜電晶體與記憶體元件操作原理 6
2.1 有機半導體傳輸機制 6
2.2 有機薄膜電晶體的基本公式及特性 6
2.2.1 輸出曲線之線性區與飽和區汲極電流 7
2.2.2臨界電壓 7
2.2.3 次臨界擺幅 8
2.2.4 電流開關比 8
2.3 有機記憶元件操作原理 8
2.3.1 記憶體寫入與清除與記憶窗口 9
2.3.2 記憶保持度與耐久度 9
2.3.3 介面缺陷態位密度 10
第三章 實驗方法與儀器介紹 13
3.1 實驗材料 13
3.2 有機薄膜電晶體製成 13
3.2.1 基板切割與清潔 14
3.2.2 基板蒸鍍閘極 14
3.2.3 高介電係數金屬氧化層 14
3.2.4 旋轉塗佈製程 15
3.2.5 P型有機半導體材料與電極蒸鍍製程 15
3.3 元件分析實驗儀器 16
3.3.1 半導體參數分析儀 16
3.3.2 照光清除量測控制系統 16
3.3.3 電容分析儀 16
3.3.4 原子力顯微鏡 17
3.3.5 掃描式凱爾文顯微鏡 17
3.3.6 紫外光-可見光光譜儀 18
3.3.7 接觸角分析儀 18
第四章 實驗結果與討論 22
4.1 前言 22
4.2有機非揮發電晶體式記憶元件電特性分析 22
4.2.1 寫入效應與轉換輸出特性曲線分析 23
4.3 薄膜特性分析 25
4.3.1 原子力顯微鏡分析 25
4.3.2接觸角分析 26
4.3.3掃描式開爾文探針顯微鏡分析 27
4.3.4 吸收光譜分析 27
第五章 記憶特性分析 45
5.1 前言 45
5.2 記憶窗口分析 45
5.2.1 絕對寫入效率分析 45
5.2.2 記憶保持度 46
5.2.3 光清除記憶區間分析 47
5.3 記憶耐久度 48
5.4 電容-電壓分析 48
5.5 電導分析 49
第六章 結論 69
6.1 實驗結論 69
6.2 未來工作 70
參考文獻 71

表目錄

表4.1 不同元件修飾層薄膜溶液參數配置示意表 29
表4.2 PI濃度改變且混摻PCBM之元件電特性參數示意表 30
表4.3 PI濃度改變且無混摻PCBM之元件電特性參數示意表 30
表4.4 PI濃度不變且混摻PCBM之元件電特性參數示意表 30
表4.5 PI/PCBM bilayer之元件電特性參數示意表 31
表4.6 不同修飾層薄膜表面方均根粗糙度參數表 31
表4.7 不同修飾層薄膜表面能參數表 32
表4.8 不同修飾層薄膜表面電位參數表 33
表5.1 不同修飾層薄膜之P型有機薄膜電晶體絕對寫入效率參數表 51
表5.2 元件C、I記憶保持力參數表 52
表5.3 元件C、I一般白光照射記憶清除參數表 52
表5.4 元件C、I不同波長記憶清除參數表 53
表5.5 元件C、I之MISM於頻率500Hz電量-電場曲線斜率參數表 53
表5.6 元件C不同波長之缺陷能態密度與鬆弛時間參數表 54
表5.7 元件I不同波長之缺陷能態密度與鬆弛時間參數表 56

圖目錄

圖1.1 電阻式記憶體結構示意圖 5
圖1.2 電荷補陷式記憶體結構示意圖 5
圖2.1 P型有機薄膜電晶體臨界電壓參數定義示意圖 11
圖2.2 P型有機薄膜電晶體次臨界擺幅參數定義示意圖 11
圖2.3 P型有機薄膜電晶體電流開關比參數定義示意圖 12
圖2.4 P型有機薄膜電晶體記憶窗口參數定義示意圖 12
圖3.1 本實驗所用材料與溶劑之化學結構。(a) nmp (b) PCBM (c) Pentacene 19
圖3.2 本實驗元件之修飾層藥品配置與製程參數。(a) 混摻結構溶液配置與薄膜製備 (b) ilayer結構溶液配置與薄膜製備 20
圖3.3 本實驗元件完整架構示意圖 21
圖4.1 本次實驗研究主軸 34
圖4.2 不同修飾層薄膜之P型有機薄膜電晶體轉換曲線特性圖:(a) 元件A (b) 元件A寫入區間 (c) 元件B (d) 元件B寫入區間 (e) 元件C (f) 元件C寫入區間 35
圖4.3 不同修飾層薄膜之P型有機薄膜電晶體轉換曲線特性圖:(a) 元件D (b) 元件D寫入區間 (c) 元件E (d) 元件E寫入區間 36
圖4.4 不同修飾層薄膜之P型有機薄膜電晶體轉換曲線特性圖:(a) 元件F (b) 元件F寫入區間 (c) 元件G (d) 元件G寫入區間 37
圖4.5 不同修飾層薄膜之P型有機薄膜電晶體轉換曲線特性圖:(a) 元件H (b) 元件H寫入區間 (c) 元件I (d) 元件I寫入區間 38
圖4.6 本次實驗使用元件架構 39
圖4.7 不同修飾層薄膜之AFM表面形貌圖。(a) 元件A (b) 元件B (c) 元件C (d) 元件D (e) 元件E (f) 元件F (g) 元件G (h) 元件H (i) 元件I 41
圖4.8 不同修飾層薄膜之SKPM表面影像圖。(a) 元件A (b) 元件B (c) 元件C (d) 元件H (e) 元件I 42
圖4.9 不同修飾層薄膜之SKPM平均電位比較圖。(a) 混摻薄膜 (b) 疊層薄膜 43
圖4.10 不同修飾層薄膜之吸收光譜 44
圖5.1 不同閘極偏壓之P型有機薄膜電晶體寫入窗口示意圖 (a)元件C (b) 元件I 58
圖5.2 不同修飾層之有機記憶元件記憶保持度分析圖 59
圖5.3 元件C不同照光波長之記憶耐久度分析圖 (a) 紅光 (b) 綠光 (c) 藍光 60
圖5.4 元件I不同照光波長之記憶耐久度分析圖 (a) 紅光 (b) 綠光 (c) 藍光 61
圖5.5 不同電容元件架構圖 (a) MIM (b) MISM 62
圖5.6 不同修飾層之MIM元件架構電容圖 (a) 元件A (b) 元件C (c) 元件H (d) 元件I 63
圖5.7 不同修飾層之MISM元件架構電容圖 (a) 元件A (b) 元件C (c) 元件H (d) 元件I 64
圖5.8 不同照光波長之MISM元件架構電容響應圖。元件C:(a) 紅光 (b) 綠光 (c) 藍光。元件I:(d) 紅光 (e) 綠光 (f) 藍光 65
圖5.9 元件C不同照光波長之電量-電場曲線圖:(a) original (b) 紅光 (c) 綠光 (d) 藍光 66
圖5.10 元件I不同照光波長之電量-電場曲線圖:(a) original (b) 紅光 (c) 綠光 (d) 藍光 67
圖5.11 不同修飾層之MISM元件之導納圖:(a) 元件A (b) 元件C (c) 元件H (d) 元件I 68
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