簡易檢索 / 詳目顯示

回結果列表
研究生： 蔡仁傑
Tsai, Zen-Jay
論文名稱： N型有機薄膜電晶體之研究
The study of n-type organic thin film transistor
指導教授： 郭宗枋
Guo, Tzung-Fang
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 理學院 - 光電科學與工程研究所
Institute of Electro-Optical Science and Engineering
論文出版年： 2006
畢業學年度： 94
語文別： 中文
論文頁數： 89
中文關鍵詞： 有機薄膜電晶體 、N型
外文關鍵詞： organic thin film transistor, N-type, pentacene
相關次數： 點閱：59  下載：1 
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報

    • 中文摘要
    目前在有機薄膜電晶體裡，大多是電洞為主的元件(P-type)，而在N-type方面進步速度卻相當有限。為了將來能使CMOS-Like的元件(邏輯電路應用)，或是利用有機薄膜電晶體所設計的驅動電路能夠實現於各種軟性電子產品，N-tpye電晶體是必備的，本論文主要即是探討如何獲得好的N-type電性，包括元件介電層(dielectrics)的選擇、電極功函數與主動層LUMO、HOMO的匹配、以及週遭環境的影響等因素。在本論文最後也利用了假想的可能理論模型探討了N、P-type與雙載子元件的機制，發現介電層的選擇將會影響到有機薄膜電晶體的型態，因為它與主動層的接面將是最重要的關鍵，最後我們也搭配無機奈米顆粒材料增加其介電常數成功的改善了元件的臨界電壓，期待在不久的將來能夠看到有機薄膜電晶體能有更重大的發展與突破。

    Abstract
    An electron accumulation-mode operation in organic field-effect transistor (OFET) using a thin film of pentacene and Al source-drain electrode was demonstrated. Most of the reported transistors use organic semiconductors capable of transporting holes(p-type). The organic dielectrics play a important role to realize electrons transport. Appearance of the electron accumulation-mode in OFET was ascribed to the lowering of barrier for electron injection at a source electrode and introduced a complex dielectric.
    The present study indicates that the morphology of the semiconductor interface at the organic semiconductor/organic dielectric is a critical parameter for OFET properties such as electrons transport.

    目錄 中文摘要.......................................I Abstract......................................II 誌謝.........................................III 目錄.........................................IV 圖目錄.......................................VII 第一章 緒論....................................1 1-1 無機/有機半導體的發展.......................1 1-1-1 無機/有機電晶體之發展.................1 1-1-2 有機電致發光元件.....................6 1-1-3 軟性電子元件.........................8 1-2 CMOS的優點................................9 1-3 研究動機與大綱.............................11 1-3-1 研究動機.............................11 1-3-2 論文架構.............................13 第二章 薄膜電晶體基本原理.....................14 2-1 無機/有機半導體材料傳導機制.................14 2-1-1 無機半導體傳導機制...................14 2-1-2 有機半導體傳導機制...................15 2-2 場效電晶體操作原理.........................20 2-2-1 金氧半(MOS)二極體....................20 2-2-2 金氧半場效電晶體(MOSFET)操作原理......23 2-2-3 有機電晶體操作原理...................26 2-2-4 場效電晶體的重要參數.................28 2-3 顯示器驅動方式.............................32 2-3-1 被動式矩陣(Passive Matrix)............32 2-3-2 主動式矩陣(Active Matrix).............33 第三章 實驗方法與步驟.........................36 3-1 簡述.....................................36 3-2 實驗製程步驟..............................37 3-2-1 ITO基板閘極製作.....................38 3-2-2 閘極介電層製作......................41 3-2-3 主動層(Pentacene)之蒸鍍..............42 3-2-4 電極之蒸鍍..........................44 3-2-5 元件之量測..........................46 第四章 N-type電晶體實驗結果與討論.............47 4-1 N-type電晶體之研究.........................47 4-1-1 N-type場效電晶體的需求...............47 4-1-2 有機雙載子電晶體.....................47 4-2 電性分析與討論............................50 4-2-1 電性分析............................50 4-2-2 結果討論與推測......................61 第五章 結論以及未來研究與展望.................82 參考文獻......................................84 自述..........................................89 圖目錄 圖1.1 1948年成功的製作出以鍺為半導體、金為電極的點接觸電晶體。…………………………………………………………………2 圖1.2 1958年9月12日，德州儀器公司(Texas Instruments)的基爾比 (Jack Kilby) 所製作的第一塊IC。………………………………2 圖1.3 有機薄膜電晶體電洞載子遷移率的演進與a-Si:H載子遷移率比較。…………………………………………………………………5 圖1.4 有機薄膜電晶體電子載子遷移率的演進與a-Si:H載子遷移率比較。…………………………………………………………………6 圖1.5 無機與有機LED發展比較…………………………………………8 圖1.6 CMOS示意圖…………………………………………………………10 圖1.7 CMOS 輸入輸出特性曲線……………………………………………11 圖2.1 (a)上圖為導電帶部分填滿，下圖為導電帶與價電帶部分 重疊，(b)半導體，(c)絕緣體。…………………………15 圖2.2 聚乙炔分子能階狀態圖，當共軛長度增加時，能隙Eg最隨之變小。…………………………………………………………………17 圖2.3 中性、低摻雜度、高摻雜度與偏極子及雙偏極子能階示意圖……………………………………………………………………17 圖2.4 hopping transport ………………………………………………18 圖2.5(a) MOS二極體的透視圖……………………………………………21 圖2.6 MOS二極體在不同偏壓下三種操作模式……………………………22 圖2.7 N型MOSFET的剖面圖…………………………………………………23 圖2.8 N-MOSFET 的操作方式及輸出的I-V特性。(a)低汲電壓，(b)進入飽和區，(c)過飽和。………………………………………………24 圖2.9 有機薄膜電晶體結構種類…………………………………………26 圖2.10 電極於不同電壓下載子分佈情形………………………………28 圖2.11 使用Pentacene做為主動層，在VDS=-100V的VG-ID曲線…………30 圖2.12 被動電路結構示意圖……………………………………………33 圖2.13 主動矩陣驅動電路示意圖………………………………………35 圖2.14 有機薄膜電晶體主動矩陣驅動顯示器…………………………35 圖3.1 元件製程流程圖……………………………………………………37 圖3.2 ITO 閘極圖案化流程圖……………………………………………38 圖3.3 ITO閘極圖案畫完成圖………………………………………………40 圖3.4 Pentacene的分子結構式……………………………………………43 圖3.5 加熱蒸鍍儀示意圖，真空度7×10-6torr以下……………………43 圖3.6 (a) 為閘極介電層成膜在PEDOT/ITO 上，(b)利用shadow mask 定義pentacene 區域，避免cross-talk，以熱蒸鍍方式沈積 pentacene 100nm，(c)使用電極圖案化的shadow mask 固定在 元件上，蒸鍍金屬電極。………………………………………45 圖4.1(a) 利用雙層結構的異質接面，蒸鍍P-type(BP2T)與 N-type(F16CuPc)的半導體在上下兩層，使電子可以從LUMO較低 的N型有機半導體注入，電洞由HOMO較高的P型半導體注入，以 便製作成雙載子電晶體。………………………………………48 圖4.1(b) 利用摻混OC1C10-PPV 與PCBM，以溶液製程製作雙載子電晶 體，利用能階的重疊，降低有機半導體雙載子注入時的能位 障。………………………………………………………………49 圖4.1(c) 利用蒸鍍不同電極，以便在同一材料上能夠同時有匹配電子跟 電洞注入的良好條件。…………………………………………49 圖4.2(a) P-type元件結構剖面圖與各材料結構…………………………50 圖4.2(b) P-type元件ID-VD圖……………………………………………51 圖4.2(c) P-type元件ID-VG圖(VD=-100V) ………………………………51 圖4.2(d) Au電極功函數與有機半導體Pentacene能帶圖………………52 圖4.3(a) Ambipolar元件結構剖面圖與各材料結構……………………53 圖4.3(b) Ambipolar元件P-type ID-VD圖…………………………………54 圖4.3(c) Ambipolar元件N-type ID-VD圖…………………………………54 圖4.3(d) Al電極功函數與有機半導體Pentacene能帶圖………………55 圖4.4(a) P-type元件結構剖面圖與各材料結構…………………………56 圖4.4(b) P-type元件ID-VD圖……………………………………………57 圖4.4(c) N-type元件ID-VD圖……………………………………………57 圖4.5(a) 雙載子元件結構剖面圖與各材料結構………………………58 圖4.5(b) Au電極功函數與有機半導體Pentacene能帶圖………………59 圖4.5(c) Ambipolar元件P-type ID-VD圖…………………………………59 圖4.5(d) Ambipolar元件N-type ID-VD圖…………………………………60 圖4.6(a) N-type元件結構剖面圖與各材料結構…………………………61 圖4.6(b) N-type元件ID-VD圖……………………………………………62 圖4.6(c) N-type元件ID-VG圖(VD=80V)……………………………………62 圖4.7(a) 加入適量奈米顆粒N-type元件ID-VD圖………………………63 圖4.7(b) 加入適量奈米顆粒N-type元件ID-VG圖(VD=40V)……………64 圖4.8(a) 無外加電壓下，主動層電荷分布均勻………………………66 圖4.8(b) 閘極外加負偏壓下，Source-Drain指向閘極電場方向大小相同 …………………………………………………………………66 圖4.8(c) 閘極外加正偏壓下，閘極指向Source-Drain電場方向大小相同 …………………………………………………………………67 圖4.8(d) P-type元件操作在線性區時，電荷分佈與電場方向………67 圖4.8(e) P-type元件操作在飽和區時，電荷分佈與電場方向………68 圖4.8(f) P-type元件於反向操作(N-type元件接法)(VG=0) ………68，69 圖4.9(a) 閘極外加正偏壓下，閘極指向Source-Drain電場方向大小相同 …………………………………………………………………71 圖4.9(b) 閘極外加負偏壓下，Source-Drain指向閘極電場方向大小相同 ……………………………………………………………………72 圖4.9(c) N-type元件操作在線性區時，電荷分佈與電場方向…………72 圖4.9(e) N-type元件操作在飽和區時，電荷分佈與電場方向…………73 圖4.10(a) 閘極外加正偏壓下，閘極指向Source-Drain電場方向大小相 同………………………………………………………………75 圖4.10(b) 閘極外加負偏壓下，閘極指向Source-Drain電場方向大小相 同………………………………………………………………75 圖4.10(c) 雙載子於N-type模式下，ID電流受少數載子(電洞)支配情形 …………………………………………………………………76 圖4.10(d) 雙載子於P-type模式下，ID電流受少數載子(電子)支配情形 …………………………………………………………………76 圖4.11(a) Pentacene(50nm)於單層PVP的表面形態……………………78 圖4.11(b) Pentacene(50nm)於單層PVP的剖面分析……………………78 圖4.12(a) Pentacene(50nm)於單層PVA的表面形態……………………79 圖4.12(b) Pentacene(50nm)於單層PVA的剖面分析……………………79 圖4.13(a) Pentacene(50nm)於複合式介電層的表面形態………………80 圖4.13(b) Pentacene(50nm)於複合式介電層的剖面分析………………80

    參考文獻
    1.W. Shockley, "The Theory of p-n Junction in Semiconductors and p-n Junction
    Transistors." Bell Syst. Tech. J.,28,435(1949)
    2.D. Kahng and M. M. Atalla,”Silicon-Silicon Dioxide Surface Device,”in IRE
    Device Research Conference, Pittsburgh, (1960)
    3.M. Pope, H. Kallmann, P. Magnante, J. Chem. Phys.,38,2024(1963)
    4.C. K. Chiang, C. R. Fincher, Y. W. Park, A. J. Hegger, H. Shirakawa, E. J.
    Louis, S. C. Gua and A. G. MacDiarmid, Phys. Rev. Lett., 39, 1098 (1977)
    5.A. Tsumura, H. Koezuka and T. Ando, Appl. Phys, Lett.,49, 1210 (1986)
    6.C. W. Tang, S. A. VanSlyke, Appl. Phys. Lett., 51, 913 (1987)
    7.J. H. Burroughes, D. D. C. Bradley, A. R. Brown, R. N. Marks, K. Mackay, R.
    H. Friend, P. L. Burn, and A. B. Holmes, Nature (London) 347, 539 (1990)
    8.T. D. Anthopoulos, D. M. de Leeuw, S. Setayesh, E. Cantatore, C. Tanase, P.
    W. M. Blom, and J. C. Hummelen, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 871E, I11.9.1
    (2005)
    9. L.-L. Chua, J. Zaumseil, J.-F. Chang, E. E.-W. ou, P. K.-H. Ho,
    H. Sirringhaus, and R. H. Friend, Nature (London)434, 194
    (2005)
    10. T. B. Singh, F. Meghdadi, S. Gunes, N. Marjanovic, G. Horowitz,
    P. Lang,and N. S. Sariciftci, Adv. Mater. _(Weinheim, Ger.)
    17, 2315 (2005)
    11. T. Yasuda, T. Goto, K. Fujita, and T. Tsutsui, Appl. Phys. Lett.
    85, 2098 (2004)
    12. T. Yasuda and T. Tsutsui, Chem. Phys. Lett. 402, 395 (2005).
    13. T. D. Anthopoulos, C. Tanase, S. Setayesh, E. J. Meijer, J.
    C. Hummelen,P. W. M. Blom, and D. M. de Leeuw, Adv. Mater.
    (Weinheim, Ger.) 16,2174 (2004)
    14. R. J. Chesterfield, C. R. Newman, T. M. Pappenfus, P. C. Ewbank,
    M. H.Haukaas, K. R. Mann, L. L. Miller, and C. D. Frisbie, Adv.
    Mater.(Weinheim, Ger.)15, 1278 (2003)
    15. M. Yoon, S. A. DiBenedetto, A. Facchetti, and T. J. Marks, J.
    Am. Chem.Soc. 127, 1348 (2005)
    16. R. Brown,C.P.Tarrett,D.M.de Leeuw and M.Matters,”
    Field-effect transistors made from
    solution-processedorganic semiconductors,” Synth.
    Met.,88, pp.37-55,(1997)
    17. P. G. Le Comber and W. E. Spear,” Electronic Transportin
    Amorphous SiliconFilms,” Phys. Rev. Lett., 25,pp.
    509-511,(1970)
    18. G. Horowitz and P. Delannoy, “An analytical model for
    organic-based thin-film transistors“ J. Appl. Phys.,
    70,pp.469-475,(1991)
    19. G. Horowitz, R. Hajlaoui and P. Delannoy,
    “Temperature-dependence of the Field-effect mobility of
    sexithiophene Determination of the density of traps,“ J.
    Phys. III, 5, pp. 355-371, (1995)
    20. A. R. Brown,D.M.de Leeuw,E.E.Havinga and A.Pomp,“A
    universal relation between conductivity andfield-effect
    mobility in doped amorphous organic semiconductors“, Synth.
    Met., 68,pp.65-70,(1994)
    21. M.C.J.M. Vissenberg and M. Matters, ”Theory of the
    field-effect mobility in amorphous organic
    transistors,”Phys. Rev. B, 57, pp. 12964-12967,
    (1998)

    22. Gilles Horowitz,“Organic Field-Effect Transistors”,
    Advanced Materials, 10, pp. 365-377, (1998)
    23. S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices (Wiley, New
    York, 1981).
    24. R. A. Street and A.Salleo, Appl. Phys. Lett,81,2887,2002
    25. A. R. Brown, C. P. Jarrett, D. M. deLeeuw, M. Matters, Synth.
    Met., 88, pp.37-55,1994.
    26. Yen-Yi Lin, David J. Gundlach, Shelby F. Nelson, and Thomas
    N. Jackson, IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 44,
    1325
    27. T. Jung, B. Yoo, L. Wang, and A. Dodabalapur, Appl. Phys. Lett,88,183102,
    (2006)
    28. H. Wang, Jun Wang, X. Yan, J. Shi, Hongkun Tian,
    Yanhou Geng, and Donghang Yana,Appl.Phys.Lett,88, 133508,
    (2006)
    29. Constance Rost, David J. Gundlach, Siegfried Karg, and Walter Rie
    ß ,JOURNAL OF APPLIED PHYSICS , 95, 10 (2004)
    30. Eiji Kuwahara, Yoshihiro Kubozono, Tomoko Hosokawa,Takayuki Nagano, and
    Kosuke Masunari, Appl. Phys. Lett, 85, 4765 (2004)
    31. James S. Swensen, Cesare Soci, Alan J. Heeger, Appl. Phys. Lett, 87,
    253511 (2005)
    32. E. J. Meijer, D. M. De Leeuw, S. Setayesh, E. Van Veenendaal, B. H.
    Huisman, P. W. M. Blom, J. C. Hummelen, U. Scherf, T. M. Klapwijk, Nature
    Material,2 ,678, (2003)
    33. Dodabalapur, A.,Katz, H. E., Torsi, L. & Haddon, R. C.
    Organic heterostructure field-effect transistors.
    Science 296, 1560.1562 (1995).
    34. Dodabalapur, A.,Katz, H. E., Torsi, L. & Haddon, R. C.
    Organic field-effect bipolar transistors. Appl.Phys.
    Lett. 68, 1108.1110 (1996).
    35. Fang-Chung Chen, Chih-Wei Chu, Jun He, and Yang Yang, Appl.Phys. Lett.
    85, 3295 (2004).

    下載圖示 校內：2008-07-10公開
    校外：2008-07-10公開
    QR CODE