簡易檢索 / 詳目顯示

研究生: 張彥宇
Chang, Yen-Yu
論文名稱: 新穎溶液式高介電常數材料之研製及其在五環素薄膜電晶體之應用
Novel solution-processed high-κ materials as the gate insulators for pentacene-based thin film transistors
指導教授: 王永和
Wang, Yeong-Her
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電機資訊學院 - 微電子工程研究所
Institute of Microelectronics
論文出版年: 2011
畢業學年度: 99
語文別: 中文
論文頁數: 107
中文關鍵詞: 有機薄膜電晶體等價置換可溶液式
外文關鍵詞: organic thin film transistors, isovalent substitution, solution-process
相關次數: 點閱:125下載:2
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
  • 在本研究中,嘗試用鍶及鎳元素以等價置換原理替換鋇與鈦元素形成之鈣鈦礦結構,並成功開發出可溶液式高介電常數材料作為閘極絕緣層應用於有機薄膜電晶體上,這些元件呈現不錯之電性,例如具有低臨界電壓(-1.51~-1.91 V),低臨界電壓擺幅(350~720 mV/decade),高載子移動率(3.00~10.04 cm2V-1s-1)及操作在低閘極電壓且具有超過103之電流開關比。透過XPS, XRD, AFM, UV/VIS, and Raman spectrum等量測,詳細分析物理參數和電性表現之相關性。此外,發現較高的原子密度具有更緻密的介電質且具有改善漏電流之特性。
    總歸而言,本研究已經成功開發出可溶液式新高介電常數材料作為閘極絕緣層應用於有機薄膜電晶體上。這個研究擁有了許多優勢,
    如具有較高載子移動率,低臨界電壓和低操作電壓,此結果也展現這些材料適用於有機電子上。

    I Based on isovalent substitution concept, Sr and Ni are used to replace Ba and Ti elements in pervoskite structures. High permittivity materials (Strontium Titanate , Strontium Zirconate Titanate, Strontium nickelate, Strontium Zirconate nickelate) have been prepared through solution-process. The applications to the gate insulating layers of pentacene-based thin film transistors have also been demonstrated. High transistor performances, such as low threshold voltage (-1.51 to -1.91 V), low subthreshold swing (350 to720 mV per decade), high mobility (3.00 to10.04 cm2v-1s-1) and practical on/off ratios of larger than 103 operated at low gate voltage have been achieved. X-ray photoelectron spectroscopy, X-ray Diffraction, Atomic Force Microscope, Ultraviolet and Visible Spectrophotometer, and Raman spectrum have been used to investigate the high-κmaterials. The improvements in reduced gate leakage current are partially due to the denser dielectrics with higher atomic density. The
    proposed high-κ materials are suitable for high mobility, low threshold voltage, and low operated voltage, which also indicated that is suitable for organic electronics.

    目錄 Abstract I 摘要 III 第一章 1 序論 1 1.2 有機薄膜電晶體 2 1.3 研究動機 3 第二章 6 文獻與理論回顧 6 2.1 有機薄膜電晶體的基本結構 6 2.2 五環素(Pentacene)材料簡介 7 2,3有機材料的傳導機制 7 2.3.1、跳躍傳輸 (Hopping) 7 2.3.2、Multiple Trapping and Release 8 2.4 Macus Hush Equation 9 2.5 重組能 10 2.6 有機薄膜電晶體的操作原理 12 2.7各項重要參數 12 2.7.1、載子移動率(Mobility) 12 2.7.2、臨界電壓(Threshold voltage) 13 2.7.3、次臨界擺幅(Subthreshold swing,S.S.) 14 2.7.4、開關電流比(On/Off current ratio) 15 第三章 20 實驗及量測儀器原理 20 在這個章節,會先介紹溶液配置之化學材料,接著介紹實驗儀器及製程製作流程,最後對於儀器之原理做說明之。 20 3.1 實驗材料 20 3.2 溶液配制 22 3.2.1、鈦酸鍶 22 3.2.2、鋯鈦酸鍶 22 3.2.3、鎳酸鍶 23 3.2.4、鋯鎳酸鍶 23 3.3 實驗儀器 24 3.3.1、物理氣相沉積蒸鍍 24 3.3.2、PVD濺射沉積 25 3.3.3、旋轉塗佈機 25 3.4 實驗步驟 26 3.5 量測儀器原理 27 3.5.1、X光電子能譜分析 (X-ray Photoelectron Spectroscopy) 27 3.5.2、原子力顯微鏡系統(Atomic Force Microscopy) 28 3.5.3、X-ray繞射量測系統 (X-ray diffraction) 28 3.5.4、紫外光與可見光光譜分析(Ultraviolet and visible spectroscopy)[22] 29 3.5.5、拉曼光譜儀量測系統(Raman Scattering)[24] 31 3.5.6、拉曼光譜原理[25] 31 3.5.6、Davydov splitting[26] 33 第四章 49 結果與討論 49 4.1、化學組成分析 49 4.1-1、鈦酸鍶(STO) 49 4.1-2、鋯鈦酸鍶(SZT) 50 4.1-3、鎳酸鍶(SNO) 51 4.1-4、鋯鎳酸鍶(SZN) 51 4.2、I-V量測 52 4.2.1、鈦酸鍶(STO) 52 4.2.2、鋯鈦酸鍶(SZT) 52 4.2.3、鎳酸鍶(SNO) 53 4.2.4、鋯鎳酸鍶(SZN) 53 4.3、原子密度與漏電流的關係 54 4.4、表面型態 55 4.4.1 Pentacene表面型態 55 4.4.2絕緣層薄膜表面型態 55 4.5、結晶型態 56 4.5.1、鈦酸鍶(STO) 56 4.5.2、鋯鈦酸鍶(SZT) 57 4.5.3、鎳酸鍶(SNO) 58 4.5.4、鋯鎳酸鍶(SZN) 58 4.6、Marcus-Hush equation 59 4.7、紫外光與可見光光譜分析 60 4.7.1、重組能公式 60 4.7.2、鈦酸鍶之重組能分析 61 4.7.3、鋯鈦酸鍶之重組能分析 62 4.7.4、鎳酸鍶之重組能分析 62 4.7.5、鋯鎳酸鍶之重組能分析 62 4.8、拉曼光譜分析 62 4.8.1、鈦酸鍶之拉曼光譜分析 63 4.8.2、鋯鈦酸鍶之拉曼光譜分析 64 4.8.3、鎳酸鍶之拉曼光譜分析 64 4.8.4、鋯鎳酸鍶之拉曼光譜分析 64 4.9、載子跳越率(hopping rate)之計算 64 第五章 100 結論 100 未來展望 102 References 103 表目錄 表1.1 P型有機半導體歷年研究成果 5 表3.1 Pentacene分子的拉曼光譜與振動關係 35 表4.1 電性比較表 66 表4.2 原子密度與漏電流之關係表 67 表4.3 原子密度與漏電流之關係表 68 表4.4 Hopping rage 比較表 69 圖目錄 圖2.1 Bottom contact OTFT 結構 16 圖2.2 Top contact OTFT 結構 16 圖2.3 苯環分子之σ和 π軌域基本組成結構 17 圖2.4 典型OTFTs ID-VD特性曲線 18 圖2.5 典型OTFTs ID-VG特性曲線 18 圖2.6 有機材料/絕緣層/閘極之能帶圖 (a) 未加偏壓 (b) 負偏壓 (c) 正偏壓 19 圖3.1 醋酸鍶之結構式 36 圖3.2 異丙醇鈦之結構式 36 圖3.3 正丙醇鋯之結構式 37 圖3.4 乙酰丙酮镍之結構式 37 圖3.5 五環素之結構式 38 圖3.6冰醋酸之結構式 38 圖3.7 二四戊二酮之結構式 39 圖3.8 乙二醇單甲醚之結構式 39 圖3.9 STO溶液泡製方法 40 圖3.10 SZT溶液泡製方法 40 圖3.11 SNO溶液泡製方法 41 圖3.12 SZN溶液泡製方法 41 圖3.13 熱蒸著系統 42 圖3.14濺鍍系統 43 圖3.15金屬沉積濺鍍系統 43 圖3.16 旋轉塗佈之示意圖 44 圖3.17 閘極之金屬遮罩 45 圖3.18 主動層之金屬遮罩 46 圖3.19 汲極/源極之金屬遮罩 46 圖3.20 電晶體製作流程圖 48 圖4.1 X光電子能譜(XPS)之原子激發能階光譜分析(a)Sr 3d, (b)Ti 2p, (c)O 1s 70 圖4.2 X光電子能譜(XPS)之原子激發能階光譜分析(a)Sr 3d, (b)Ti 2p, (c)Zr 3d, and (d)O 1s 72 圖4.3 X光電子能譜(XPS)之原子激發能階光譜分析(a)Sr 3d, (b)Ni 2p, (c)O 1s 73 圖4.4 X光電子能譜(XPS)之原子激發能階光譜分析(a)Sr 3d, (b)Ni 2p, (c)Zr 3d, and (d)O 1s 75 圖4.5 STO之ID-VD特性曲線 76 圖4.6 STO之ID-VG特性曲線 76 圖4.7 SZT之ID-VD特性曲線 77 圖4.8 SZT之ID-VG特性曲線 77 圖4.9 SNO之ID-VD特性曲線 78 圖4.10 SNO之ID-VG特性曲線 78 圖4.11 SZN之ID-VD特性曲線 79 圖4.12 SZN之ID-VG特性曲線 79 圖4.13 Pentacene成長在STO薄膜上之表面圖 80 圖4.14 Pentacene成長在SZT薄膜上之表面圖 81 圖4.15 Pentacene成長在SNO薄膜上之表面圖 82 圖4.16 Pentacene成長在SZN薄膜上之表面圖 83 圖4.17 STO絕緣層之表面粗糙度 84 圖4.18 SZT絕緣層之表面粗糙度 85 圖4.19 SNO絕緣層之表面粗糙度 86 圖4.20 SZN絕緣層之表面粗糙度 87 圖4.21 STO薄膜之X-ray繞射分析 88 圖4.22 SZT薄膜之X-ray繞射分析 88 圖4.23 SNO薄膜之X-ray繞射分析 89 圖4.24 SZN薄膜之X-ray繞射分析 89 圖4.25 Pentacene在STO絕緣層上之XRD量測 90 圖4.26 Pentacene在SZT絕緣層上之XRD量測 91 圖4.27 Pentacene在SNO絕緣層上之XRD量測 92 圖4.28 Pentacene在SZN絕緣層上之XRD量測 93 圖4.30 Pentacene在SZT絕緣層上之UV/VIS光譜分析 94 圖4.31 Pentacene在SNO絕緣層上之UV/VIS光譜分析 95 圖4.32 Pentacene在SZN絕緣層上之UV/VIS光譜分析 95 圖4.33 Pentacene在STO絕緣層上之拉曼極化光譜分析 96 圖4.34 Pentacene在SZT絕緣層上之拉曼極化光譜分析 97 圖4.35 Pentacene在SNO絕緣層上之拉曼極化光譜分析 98 圖4.36 Pentacene在SZN絕緣層上之拉曼極化光譜分析 99

    [1] V. Subramanian, J. M. J. Frechent, P. C. Chang,and S. K. Volkman, 」Processes, and Devices」, Proceeding of the IEEE., vol. 93,p.1330, 2005.
    [2] Z. T. Zhu, J. T. Mason, R. D. and G. G. Malliar, 「Humidity Sensors Based on Pentacene Thin-Film Transistors」, Appl. Phys. Lett., p.4643, 2002.
    [3] A. Tsumura, H. Koezuka and T.Ando, 」Macromolecular electronic device field-effect transistor with a polythiophene thin film」, Appl .Phys .Lett., 49,p.1210, 1986.
    [4] H. Koezuka, A. Tsumura, and T. Ando, 」Soluble and processable regioregular poly(3-hexylthiophene) for thin film field-effect transistor applications with high mobility」,Synth.Met., 18, p.699, 1987.
    [5] Y. Y. Lin, D. J. G., S. F. Nelson, IEEE Electron Device Lett., 18, p.87, 1997.
    [6] A. Benor, A. Hoppe, V. Wagner, D. Knipp, Organic Electronics 8/6, p.749, 2007.
    [7] P. R. L. Malenfant, C. D. D. a., Advanced Materials 14(2), p.99 , 2002.
    [8] C. D. Dimitrakopoulos, D. J. Mascaro, 」Organic thin-film transistors: A review of recent advances」, IBM J.RES.&DEV., 45, 2001.
    [9] C. D. Dimitrakopoulos, and P. R. L. Malenfant, Adv.Mater., 14, p.99, 2002.
    [10] F. F. Fang, J. H. Kim, H. H. Choi, Y. Seo, 「Organic/Inorganic Hybrid of Polyaniline/BaTiO3 Composites and Their Electrorheological and Dielectric Characteristics」, Wiley. Inter Science,. 26, 2007.
    [11] C. Y. Wei, S. H. Kuo, Y. M. Hung, W. C. Huang, F. Adriyanto, and Y.H. Wang,」 High-Mobility Pentacene-Based Thin-Film Transistors With a Solution-Processed Barium Titanate Insulator ,」 IEEE., 32, p.1, 2011.
    [12] Technical Laborotory, Murata Manufacturing Company, limited, Nagaoka,, Journal of The American Ceramic Society-Saburi., 44, p.54, 1961.
    [13] L. Sebastian, G. Weiser, and H. Bassler, 「Charge transfer transitions in solid tetracene and pentacene studied by electroabsorption」,Chemical Physics, 61, p.125-135, 1981.
    [14] S. H. Wen, A. Li, J. Song, W.-Q. Deng, K.-L. Han, and W. A. Goddard III, 「First-principles investigation of anisotropic hole mobilities in organic semiconductors,」 J. Phys. Chem. B., vol. 113, no. 26, p. 8813-8819, 2009.
    [15] V. Coropceanu, M. Malagoli, D. A. da Silva Filho, N. E. Gruhn, T. G. Bill, and J. L. Bre´das, 「Hole- and electron-vibrational couplings in oligoacene crystals: intramolecular contributions,」 Phys. Rev. Lett., vol. 89, no. 27, p. 275503.1-275503.4,2002.
    [16] H. L. Cheng, X. W. Liang, W. Y. Chou , Y. S. Mai, C. Y. Yang, L. R. Chang, and F. C. Tang, 「Raman spectroscopy applied to reveal polycrystalline grain structures and carrier transport properties of organic semiconductor films: Application to pentacene-based organic transistors,」 Org. Electron., vol. 10, p. 289-298, 2008.
    [17] H. Yamane, S. Nagamatsu, H. Fukagawa, S. Kera, R. Friedlein, K. K. Okudaira, and N. Ueno, 「Hole-vibration coupling of the highest occupied state in pentacene thin films,」 Phys. Rev. B, vol. 72, no. 15, p. 153412-153412-4, 2005.
    [18] 施敏,」半導體元件物理與製造技術」,高立出版社 ,p.223, 1997
    [19] S. M. Sze, 」Semiconductor Devices-Physics and Technology」, Wiley, New York., 431,1981
    [20] Wikipedia, 「Benzene」
    [21] V. Coropceanu, M. Malagoli, D. A. da Silva Filho, N. E. Gruhn, T.G. Bill, and J. L. Bre´das, 「Hole- and electron-vibrational couplings in oligoacene crystals: intramolecular contributions,」 Phys. Rev. Lett., vol. 89, no. 27, p. 275503.1-275503.4, 2002.
    [22] G. Hersberg, 「Molecular Spectra and Molecular Structure III. Electronic Spectra and Electronic Structure of Polyatomic Molecules, van Nostrand Reihold Company Inc., New York, 1966
    [23] G. Hersberg, 「Molecular Spectra and Molecular Structure III. Electronic Spectra and Electronic Structure of Polyatomic Molecules, van Nostrand Reihold Company Inc., New York, 1966
    [24] C. H. Hsiao, 「Growth of ii-vi compound semiconductors and their optoelectronic properties - dissertation for doctor of science,」 NCKU, p. 69-74, 2010.
    [25] 陳意仁, 「介電材料低溫交聯性聚乙烯苯酚應用於可饒曲性有機薄膜電晶體之研究」, 碩士論文, 國立成功大學, 2007.
    [26] 買昱椉, 「五環素薄膜初期成長機制研究」, 博士論文, 國立成功大學, 2007.
    [27] A. S. Davydov, 」Theory of Molecular Excitons」, McGraw-Hill, New York., p. 21, 1971.
    [28] L. Colangeli, V. Mennella,G. A. Baratta, E. Bussoletti and G. Strazzulla, 」Raman and infrared spectra of polycyclic aromatic hydrocarbon molecules of possible astrophysical interest」, Astrophys. J., 396. p. 369, 1992.
    [29] W. Y. Chou, C. W. Kuo, H. L. Cheng, Y. S. Mai, S. T. Lin, C. C. Chang, F. C. Tang, and J. S. Hwang, 」Novel Method of Pentacene Alignment Using Photoaligned Polyimide and Its Application in Thin-film Transistors」, Chemistry of Material., 16(23), p.2610-2615, 2004.
    [30] C. H. Hsiao, 「Growth of ii-vi compound semiconductors and their optoelectronic properties - dissertation for doctor of science,」 NCKU, p. 69-74, 2010
    [31] T. Gao, Y. Masuda, K. Koumoto,」 Band Gap Energy of SrTiO3 Thin Film Prepared by the Liquid Phase Deposition Method」, Journal of the Korean Ceramic Society., 40. p. 213~218, 2003.
    [32] L. L. Jiang, X. G. Tang, S. J. Kuang, and H. F. Xiong, 「Surface chemical states of barium zirconate titanate thin films prepared by chemical solution deposition,」 Appl. Surf. Sci., vol. 255, p. 8913, 2009.
    [33] S. G. Christoskova, N. Danova, M. Georgieva, O. K. Argirov, D. Mehandzhiev, 」Investigation of a nickel oxide system for heterogeneous oxidation of organic compounds」, Applied Catalysis A., 128. p.219~229, 1995.
    [34] L. E. Alexander, 」X-ray Diffraction Methods in polymer science」, Wiley, New York,429, 1969.
    [35] S. Guha , J. D. Rice, Y. T. Yau, C. M. Martin, M. Chandrasekhar, H.R. Chandrasekhar, R. Guentner, P. Scandiucci de Freitas and U. Scherf, 「Temperature dependent photoluminescence of organic semiconductors with varying backbone conformation,」 Phys. Rev. B., vol. 67, p. 125204-125204-7, 2003
    [36] Y. Xu, J. D. Mackenzie, 「theoretical explanation for ferroelectric-like properties of amorphous Pb(ZrxTi1-x)O3 and BaTiO3,」 Journal of Non-Crystalline Solids, 246, 136, 1999.

    下載圖示 校內:2016-08-24公開
    校外:2016-08-24公開
    QR CODE