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研究生： 蔡維勛
Tsai, Wei-Shiun
論文名稱： 高分子聚合物於有機互補式場效電晶體的應用
Polymer dielectrics applied in organic complemetary field effect transistors
指導教授： 周維揚
Chou, Wei-Yang
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： 2011
畢業學年度： 99
語文別： 中文
論文頁數： 96
中文關鍵詞： 烷基駢苯衍生物 、五環素 、有機反相器 、交聯聚4-乙基苯酚
外文關鍵詞： N,N’-dioctadecy1-3,4,9,10-perylenetetracarboxylic diimide, Pentacene, organic complementary metal-oxide-semiconductor, cross-linked poly(4-vinylphenol)
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    • 本實驗利用五苯環素與自行合成之烷基駢苯衍生物做為主動層，並製作成有機互補式金氧半場效電晶體，並改變不同修飾層以了解不同表面特性對電晶體電性之影響，最後利用CPVP良好的表面修飾特性與絕緣特性製作有機閘極絕緣層以取代無機絕緣層。
    本研究分為兩部分，第一部為研究各種修飾層對於有機互補式金氧半場效電晶體的影響，分別利用聚亞醯胺(PI- P990623-1-(B))、 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、交聯聚4-乙基苯酚(CPVP)與未上修飾層之元件比較，我們發現三種修飾層在元件電性上皆有不同程度上的改善，其中我們發現CPVP所製作之元件有最佳之電性匹配度與低消耗功率。為了解這種差異所造成的原因我們開始對修飾層與半導體層薄膜作材料分析，從材料分析可以了解到CPVP 作為表面修飾對於兩種半導體材料皆對薄膜有顯著的改善，因而有最佳的匹配度。
    第二部分利用CPVP良好的絕緣特性製作有機閘極絕緣層並製作成有機互補式金氧半場效電晶體，從實驗中可以發現利用有機絕層層所製作之元件特性仍會有高匹配度，且有較小的遲滯效應，進而證明有機絕緣層取代無機絕緣層可行性。

    An organic complementary metal-oxide-semiconductor(OCMOS) device that use pentacene and N,N’-dioctadecy1-3,4,9,10-pery -lenetetracarboxylic diimide (PTCDI-C13H27) as the active layers is reported. The dielectric properties and semiconductor film quality improved by tuning the modification layers in the OCMOS
    Polymide (PI-P990623-1-(B)), poly(methyl methacrylate) (PMMA), and cross-linked poly(4-vinylphenol) (C-PVP) are used as modification layers of SiO2 gate- dielectric. By analyzing the properties of pentacene and PTCDI-C13H27 films deposited on modification layers, large grain size and crystallization of the pentacene and PTCDI-C13H27 films formed on C-PVP for these semiconductor films were obtained. A high -performance C-PVP-modified OCMOS. The high -performance OCOMS is completed by using C-PVP as the gate dielectric.; indicating that expectation will realized in translating academic flexible electronics research to industry in the future.

    中文摘要…………………………………………………………………I ABSTRACT……………………………………………………………II 誌謝……………………………………………………………………. III 目錄………………………………………………………………….... IV 表目錄……………………………………………………………...…VIII 圖目錄………………………………………………………….………IX 第一章 緒論…………………………………………………………..…1 1-1有機薄膜電晶體之簡介……………………………………………..1 1-2 互補式場效電晶體之簡介………………………………………….2 1-3研究動機……………………… …………………………………….2 1-4 章節架構…………………………………………………………….3 第二章 薄膜特質簡介和實驗儀器原理………………………………..5 2-1 有機半導體薄膜簡介…………………………………………….....5 2-1.1 五苯環素………………………………………………......5 2-1.2 烷基駢苯衍生物…………………………………………..5 2-2 高分子修飾層與絕緣層……………………………………….........6 2-2-1聚甲基丙烯酸甲酯 (Polymethylmethacrylate，PMMA)……..7 2-2-2聚亞醯胺 (Polyimide，PI)…………………………………….7 2-2-3聚4-乙基苯酚 (Poly(4-vinylphenol)，PVP)…………………8 2-3 實驗儀器…………………………………………………………...10 2-3-1 X-Ray繞射量測系統(X-Ray Diffraction，XRD)…………..10 2-3-2原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy，AFM) ………….11 2-3-3掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy，SEM)….11 2-3-4 接觸角與表面... 12 2-3-5 物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition,，PVD)……….13 2-3-6 電性量測系統………………………………………………13 第三章 有機薄膜電晶體與反相器原理………………………………23 3-1有機薄膜電晶體原理………………………………………………23 3-2有機薄膜電晶體之結構……………………………………………23 3-3有機電晶體之操作方法……………………………………………23 3-3-1電流電壓關係……………………………………………….24 3-3-2臨界電壓…………………………………………………….25 3-3-3次臨界擺幅之定義………………………………………….26 3-3-4電流開關比………………………………………………….26 3-3-5載子遷移率………………………………………………….26 3-4反相器介紹…………………………………………………............27 3-4-1理想的反相器………………………………………………27 3-4-2實際的反相器……………………………………………….27 3-4-3負載式反相器……………………………………………….28 3-4-4單極性反相器……………………………………………….29 3-4-5互補式場效電晶體………………………………………….29 第四章 高分子修飾層對互補式場效電晶體電性影響………………37 4-1 前言……………………………………………..….….…...............37 4-2 實驗材料……………………………………...….….……………..38 4-3 元件製程………………………………….….…...….......................39 4-4有機電晶體與互補式場效電晶體之電性分析………….….…......41 4-4-1有機電晶體電性量測…..………….…...…………………..41 4-4-2互補式場效電晶體量測…………...………………...……..42 4-5高分子修飾層與有機半導體薄膜特性分析………………………43 4-5-1表面能量測分析…………………………………………….44 4-5-2 X-Ray繞射分析…………………………………………….44 4-5-3原子力顯微鏡分析………………………………………….45 4-6 OCMOS穩定性測試……………………………………………….46 4-6-1 OCMOS高低電壓輸出穩定性測試……………………….47 4-6-2 OCMOS連續操作穩定性測試…………………………….47 4-7結果與討論…………………………………………………………47 第五章 利用高分子聚合物製作有機閘極介電層之有機互補式反相器………………………………………………………………………..76 5-1前言………………………………………………………………....76 5-2實驗材料………………………………………………………........76 5-3元件製程……………………………………………………………77 5-4有機電晶體與互補式反相器之電性分析…………………………78 5-4-1有機電晶體與有機互補式反相器電性量測………………...78 5-4-2不同絕緣層上的遲滯效應…………………………………...79 5-5結果與討論……………………………………………………..…..80 第六章結論與未來工作 結論.…………………….…..…………………....…………....………..91 未來工作.…………………….…..…………………....…………....…..92 參考文獻………………………………………………………………..93 表目錄 表2-1 p-type有機半導體研究發展……………………………………15 表2-2 n-type有機半導體研究發展……………………………………16 表4-1高分子修飾層製程參數…………………………………………49 表4-2 Pentacene成長在不同高分子修飾層上之有機薄膜電晶體的電特性表…………………………………………………………………..50 表4-3 PTCDI-C13H27成長在不同高分子修飾層上之有機薄膜電晶體的電特性表……………………………………………………………..51 表4-4各種OCMOS之電特性表…………………………….………..52 表4-5各種修飾層之接觸角量測與表面能計算結果…………………53 表4-6 Pentacene X-ray 繞射圖………………………………………..54 表4-7 PTCDI-C13H27 X-ray 繞射圖………………………….………..55 表5-1高分子絕緣層製程參數…………………………………….…..81 表5-2利用高分子聚合物作為閘極介電層的電晶體電性……….…..82 表5-3利用高分子聚合物作為修飾層與閘極絕緣層之OCMOS電性比較………………………………………………………………………..83 圖目錄 圖2-1半導體化學結構圖…………………………………………….17 圖2-2高分子修飾層化學結構圖…………………………………….18 圖2-3 X-ray 布拉格繞射示意圖……………………………………..19 圖2-4 AFM表面量測示意圖…………………………………………20 圖2-5 SEM量測示意圖………………………………………………21 圖2-6接觸角定義的力與角度……………………………………….22 圖3-1薄膜電晶體結構……………………………………………….31 圖3-2電晶體參數的萃取…………………………………………….32 圖3-3理想的反相器輸出曲線……………………………………….33 圖3-4實際的反相器輸出曲線 ………………………………………34 圖3-5 (a)電阻式反相器 (b)單極反性相器 (c)電阻式與單極性反相器輸出曲線圖.…………………………………………………………….35 圖3-6 (a)互補式場效電晶體 (b)互補式場效電晶體輸出曲線圖 ………………………………………………………………………….36 圖4-1元件結構圖……………………………………………………..56 圖4-2二氧化矽與修飾過後之MIM結構的電容-電壓量測曲線…..57 圖4-3二氧化矽上電晶體電性……………………………………….58 圖4-4 PI修飾後電晶體電性 ………………………………………..59 圖4-5 PMMA修飾後電晶體電性……………………………………60 圖4-6 CPVP修飾後電晶體電性 ……………….…………………….61 圖4-7二氧化矽上製成之OCMOS電性……………………………….62 圖4-8 PI修飾後製成之OCMOS電性 ……………………………….63 圖4-9 PMMA修飾後製成之OCMOS電性………………………….64 圖4-10 CPVP修飾後製成之OCMOS電性………….……………….65 圖4-11各種OCMOS轉換曲線比較….………………………………66 圖4-12成長於不同修飾表面之電晶體電性參數比較………………..67 圖4-13 P entacene成長於各種修飾層之X-Ray繞射分析……………68 圖4-14 PTCDI-C13H37成長於各種修飾層之X-Ray繞射分析………69 圖4-15各種修飾層上Pentacene薄膜的AFM圖…………………….70 圖4-16各種修飾層上Pentacene薄膜的3D AFM圖…………………71 圖4-17各種修飾層上PTCDI-C13H27薄膜的AFM圖……………….72 圖4-18各種修飾層上PTCDI-C13H27薄膜的3D AFM圖……………73 圖4-19不同表面上之OCMOS長時間高低態操作的穩定性.………74 圖4-20 CPVP修飾層上之OCMOS的連續操作穩定度.…………….75 圖5-1元件結構圖………………………………………………………84 圖5-2 CPVP絕緣層SEM圖……………………………………………85 圖5-3 CPVP之MIM結構的電容-電壓量測曲線……………………86 圖5-4 Pentacene薄膜電晶體電特性曲線圖…………………………..87 圖5-5 PTCDI-C13H27薄膜電晶體電特性曲線圖……………………...88 圖5-6利用CPVP閘極絕緣層製成之OCMOS電性……...…………89 圖5-7 CPVP閘極絕層與CPVP/SiO2修飾層上製作之OCMOS電性比較……………………………………………………………..90

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    下載圖示 校內：2016-08-16公開
    校外：2016-08-16公開
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