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研究生: 許庭嫚
Xu, Ting-Man
論文名稱: 低電壓操作有機場效電晶體之電特性研究
Low-Voltage Operated Organic 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 - 光電科學與工程學系
Department of Photonics
論文出版年: 2017
畢業學年度: 105
語文別: 中文
論文頁數: 87
中文關鍵詞: 小偏壓PTCDI-C13H27有機薄膜電晶體機械穩定性
外文關鍵詞: low-voltage operated, PTCDI–C13H27, organic thin-film transistors, flexible
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  • 本實驗研究以高介電係數的金屬氧化物(Al2O3)作為介電層與小分子PTCDI-C13H27為主動層的N型元件。藉由量測元件的電特性如輸出電流曲線、轉換特性曲線與電容量測,探討元件製作在不同基板(玻璃基板與PES軟板)上是否會影響元件整體的電特性,以及將元件製作在PES軟板上並利用線性移動式平台將撓曲元件的曲率半徑控制在r = +40、+20、+10 mm與r = -40、-20、-10 mm 下由0次撓曲至10000次,並在過程中量測元件的輸出電流曲線、轉換特性曲線以及元件MISM結構的電容量測,測試軟性有機薄膜電晶體的機械穩定性。
    在不同基板上的元件中,從元件之電特性結果可得知其基板材質並不會影響介電層阻擋漏電流的能力以及通道電流的大小。從MIM與MISM結構的元件電容值來看,不同的基板也並不會改變整體元件的電容值。
    在軟板撓曲實驗中,以r = +40、+20、+10 mm與r = -40、-20、-10 mm撓曲由0至10000次的過程中,發現撓曲過後元件的飽和電流值會跟著撓曲次數的增加而下降,次臨界擺幅值與臨界電壓值則會跟著撓曲次數的增加而上升,且曲率半徑的減少其飽和電流值下降的幅度,以及次臨界擺幅值與臨界電壓值上升的幅度都更劇烈。在電容量測方面,元件MISM結構的電容值會隨著不斷的撓曲而在累積電荷區出現下降的趨勢,代表介電層隨著撓曲次數的增加而受到嚴重的影響。

    In this thesis, we discuss the N,N’-ditridecyl-3,4,9,10-perylene tetra carboxylic acid imide (PTCDI-C13H27)-based organic thin-film transistors (OTFTs) fabricated on different substrates including rigid and flexible substrates. A linear mobile platform was used to control the curvature of the devices formed on the PES substrate to study the mechanical electrical stabilities. Bending radius of 10, 20 and 40 mm, and 10,000 bending times were performed on the flexible devices under both compressive and tensile states. Interestingly, the drain current of the devices increases with increasing the bending times under the curvature of 20 mm.
    The electrical characteristics of all devices analyzed by use of transistor, metal-insulator-metal (MIM) structure, and metal-insulator-semiconductor-metal structure indicate that the performances of devices was unrelated to the type of substrate. However, the saturated drain currents of the flexible devices decreased with increasing the bending times, besides the curvature of 20 mm. The subthreshold swing and the threshold voltage increased with increasing the bending times for all bending curvatures. To realize the mechanism of the decrease of electrical performances under large bending times, the capacitance measurements were performed on the flexible devices with MISM structure. The capacitance of flexible device in the cumulative charge region decreased with increasing the bending times, indicating that the bending process damaged the dielectric layer.

    目錄 中文摘要 I Extend Abstract III 誌謝 IX 目錄 X 表目錄 XIII 圖目錄 XIV 第一章 簡介 1 1.1有機半導體簡介 1 1.2 N-type有機半導體之發展 2 1.3高介電係數(High-K)金屬氧化物之發展 3 1.4研究動機 4 第二章 有機薄膜電晶體概論 6 2.1有機半導體 6 2.1.1 有機半導體的傳輸機制 6 2.1.2有機薄膜電晶體的基本結構 7 2.1.3有機薄膜電晶體基本原理 8 2.1.4 有機薄膜電晶體的基本公式及特性 9 2.2駢苯衍生物(PTCDI) 11 2.3高介電係數金屬氧化層材料(High-k metal oxide material) 12 第三章 苯衍生物材料合成與有機薄膜電晶體製程與分析 18 3.1 前言 18 3.2 烷基駢苯衍生物的合成及高分子介電層配置 19 3.2.1實驗儀器及使用藥品 19 3.2.2 有機化合物的合成技術 21 3.2.3 高分子介電層的配製 22 3.3 有機薄膜電晶體的製程 22 3.3.1 基板清洗步驟 22 3.3.2 高分子介電層製作 24 3.3.3閘極絕緣層薄膜製程 24 3.3.4 物理氣相沉積製程 25 3.4 有機薄膜電晶體量測及分析儀器 26 3.4.1電性量測 26 第四章 不同基板與不同撓曲半徑下薄膜電晶體電特性研究 33 4.1 前言 33 4.2 薄膜電晶體電特性分析 34 4.2.1不同基板之電特性結果 34 4.2.2軟性薄膜電晶體之撓曲電特性結果 35 4.3 薄膜電晶體電容分析 41 4.3.1 不同基板之電容結果 41 4.3.2 軟性薄膜電晶體之撓曲電容結果 41 第五章 結論 82 5.1 實驗結論 82 5.2 未來工作 83 參考文獻 84 表目錄 表3.1 高分子介電層C-PVP配置參數 30 表4.1不同基板之有機薄膜電晶體電特性表 48   圖目錄 圖2.1 有機半導體的載子傳輸機制 13 圖2.2 (A)下閘極上接觸式結構 (B)下閘極下接觸式結構 (C)上閘極結構 14 圖2.3 PTCDI-C13H27的分子結構 15 圖2.4 PTCDI分子排列方式 16 圖2.5 合成PTCDI之化學反應式,R=CnH2n+1(n = 2~13) 17 圖3.1 PTCDI合成流程圖 28 圖3.2高分子化學結構 (A) PVP (B) PMF 。 29 圖3.3高分子PES化學結構 31 圖3.4 PTCDI之低電壓元件結構圖(A)玻璃基板(B)PES軟板 32 圖4.1 (A)曲率方向正值 (B)曲率方向負值 45 圖4.2 (A) MISM元件結構 (B)MIM元件結構 46 圖4.3 PTCDI元件之玻璃基板(A)轉換特性曲線(B)輸出特性曲線;PTCDI元件之PES基板(C)轉換特性曲線(D)輸出特性曲線 47 圖4.4 PTCDI元件之玻璃基板(A)MIM(B)MISM;PTCDI元件之PES軟板(C) MIM (D) MISM的電容值 49 圖4.5以r = +40 mm在撓曲不同次數後所量測的(A)轉換特性曲線 (B)次臨界擺幅 50 圖4.6 以r = -40 mm在撓曲不同次數後所量測的(A)轉換特性曲線 (B)次臨界擺幅 51 圖4.7 以r = +40 mm在撓曲不同次數後所量測的(A)臨界電壓 (B) 52 圖4.8 以r = -40 mm在撓曲不同次數後所量測的(A)臨界電壓 (B) 53 圖4.9 以r = +40 mm在撓曲不同次數後在VGS=2 V且VDS =3V下所量測的(A)輸出特性曲線(B)飽和電流值 54 圖4.10 以r = -40 mm在撓曲不同次數後在VGS=2 V且VDS =3V下所量測的(A)輸出特性曲線 (B)飽和電流值 55 圖4.11 以r = +20 mm在撓曲不同次數後所量測的(A)轉換特性曲線 (B)次臨界擺幅 56 圖4.12 以r = -20 mm在撓曲不同次數後所量測的(A)轉換特性曲線 (B)次臨界擺幅 57 圖4.13 以r = +20 mm在撓曲不同次數後所量測的(A)臨界電壓 (B) 58 圖4.14 以r = -20 mm在撓曲不同次數後所量測的(A)臨界電壓 (B) 59 圖4.15 以r = +20 mm在撓曲不同次數後在VGS=2 V下所量測的(A)輸出特性曲線 (B)飽和電流值 60 圖4.16 以r = -20 mm在撓曲不同次數後在VGS=2 V下所量測的(A)輸出特性曲線 (B)飽和電流值 61 圖4.17 以r = +10 mm在撓曲不同次數後所量測的(A)轉換特性曲線 (B)次臨界擺幅 62 圖4.18 以r = -10 mm在撓曲不同次數後所量測的(A)轉換特性曲線 (B)次臨界擺幅 63 圖4.19 以r = +10 mm在撓曲不同次數後所量測的(A)臨界電壓(B) 64 圖4.20 以r = -10 mm在撓曲不同次數後所量測的(A)臨界電壓 (B) 65 圖4.21 以r = +10 mm在撓曲不同次數後在VGS=2 V且VDS =3V下所量測的(A)輸出特性曲線 (B)飽和電流值 66 圖4.22 以r = -10 mm在撓曲不同次數後在VGS=2 V且VDS =3V下所量測的(A)輸出特性曲線 (B)飽和電流值 67 圖4.23 元件以曲率半徑分別為 +40、+20、+10 mm撓曲後,給予VGS=2 V且VDS =3V所量測的飽和電流值除以該曲率半徑(未撓曲前)的飽和電流值的規一化疊圖 68 圖4.24 元件以曲率半徑分別為 -40、-20、-10 mm撓曲後,給予VGS=2 V且VDS =3V所量測的飽和電流值除以該曲率半徑(未撓曲前)的飽和電流值的規一化疊圖 69 圖4.25 元件以曲率半徑分別為 +40、+20、+10 mm撓曲後量測轉換特性曲線所計算出的臨界電壓值疊圖 70 圖4.26 元件以曲率半徑分別為-40、-20、-10 mm撓曲後量測轉換特性曲線所計算出的臨界電壓值疊圖 71 圖4.27 元件以曲率半徑分別為 +40、+20、+10 mm撓曲後量測轉換曲線所計算出的次臨界擺幅值疊圖 72 圖4.28 元件以曲率半徑分別為 +40、+20、+10 mm撓曲後量測轉換曲線所計算出的次臨界擺幅值疊圖 73 圖4.29 MISM元件架構在曲率半徑r = +40mm下撓曲後的電容值(A)撓曲0、1000、5000、10000次 (B)撓曲0、1000、5000次 (C)平均電容值 74 圖4.30 MISM元件架構在曲率半徑r = -40mm下撓曲後的電容值(A)撓曲0、1000、5000、10000次 (B)平均電容值 75 圖4.31 MISM元件架構在曲率半徑r = +20mm下撓曲後的電容值(A)撓曲0、1000、5000次 (B)平均電容值 76 圖4.32 MISM元件架構在曲率半徑r = -20mm下撓曲後的電容值(A)撓曲0、1000、5000、10000次 (B)平均電容值 77 圖4.33 MISM元件架構在曲率半徑r = +10mm下撓曲後的電容值(A)撓曲0、50、100、200次 (B)平均電容值 78 圖4.34 MISM元件架構在曲率半徑r = -10mm下撓曲後的電容值(A)撓曲0、50、100、200次 (B)平均電容值 79 圖4.35 元件MISM架構控制在曲率半徑分別為 +40、+20、+10 mm撓曲後並給予電壓3 V所量測的電容值除以改曲率半徑的初始(未撓曲前)電容值的規一化疊圖。(圖(B)為圖(A)中去除在曲率半徑為+40時撓曲10000次後的數值) 80 圖4.36 元件MISM架構控制在曲率半徑分別為 -40、-20、-10 mm撓曲後並給予電壓3 V 所量測的電容值除以改曲率半徑的初始(未撓曲前)電容值的規一化疊圖 81

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    下載圖示 校內:2022-12-31公開
    校外:2022-12-31公開
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