五苯環在疏水性氮化鋁上的成長機制研究｜國立清華大學博碩士論文庫

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研究生：	古國欣 Kuo-Hsin Ku
論文名稱：	五苯環在疏水性氮化鋁上的成長機制研究 The growth of pentacene on hydrophobic AlN
指導教授：	黃振昌 J. Hwang
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 材料科學工程學系 Materials Science and Engineering
論文出版年：	2008
畢業學年度：	96
語文別：	中文
論文頁數：	65
中文關鍵詞：	五苯環、氮化鋁、有機薄膜電晶體
外文關鍵詞：	pentacene, AlN, OTFT
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本論文研究五苯環成長於介電層薄膜時的初期的成長機制。我們觀察到五苯環在氮化鋁以及在二氧化矽的表面成長時，以完全不同的堆疊方式向上成長。此成長模式的差異主要是因為兩種基材的表面能不同所導致。從原子力顯微鏡的影像結果可以看出，低表面能的氮化鋁薄膜，讓五苯環以二維的平面島狀方式成長，而表面能較高的二氧化矽則讓五苯環以成核密度較高，三維的方式向上堆疊。因此載子在元件的底層傳輸時，成長於氮化鋁薄膜的五苯環，由於晶界較少，提供載子一個順暢的傳輸路徑，提高了元件的載子遷移率。爲了確定五苯環薄膜的性質，也以X光繞射、拉曼光譜觀察其結構性質的不同。
了解氮化鋁作為介電層的優勢之後，我們進ㄧ步探討製程參數的調整，以便改善其薄膜性質。實驗結果顯示以低製程溫度，低電子鎗功率，可以得到較平整的氮化鋁薄膜，有利於載子的傳輸。以高氮氣/氬氣流量比成長，可避免薄膜內的鋁原子過多，而降低元件漏電流。

目錄
第一章    緒論
1-1    OTFT簡介…………………………………………………………1
1-2 OTFT的元件結構……………………………………………………2
1-3 OTFT載子傳輸………………………………………………………2
1-4 OTFT所使用的介電材料……………………………………………4
1-4-1基材……………………………………………………………4
1-4-2主動層…………………………………………………………4
1-4-3介電層…………………………………………………………5
1-5氮化鋁(Aluminum Nitride)與五苯環(Pentacene)的應用與材料特性………………………………………………………………………6
1-5-1 氮化鋁之應用與特性………………………………………6
1-5-2 五苯環之應用與特性………………………………………8
1-6 研究動機……………………………………………………………9
1-7論文架構……………………………………………………………10
第二章 實驗方法與原理………………………………………………18
2-1介電層的沉積………………………………………………………18
2-2 pentacene的沉積…………………………………………………21
2-3 OTFT 的製備………………………………………………………22
2-4  材料分析…………………………………………………………23
2-4-1 表面能 (Surface Energy)量測…………………………23
2-4-2 原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy)……………24
2-4-3 拉曼光譜 …………………………………………………25
2-4-4 X-ray  繞射分析…………………………………………25
2-4-5 光電子能譜分析儀(ESCA) ………………………………26
第三章 結果與討論……………………………………………………32
3-1 Pentacene在不同介電材料上成長初期之機制及其薄膜性質…32
3-1-1 成膜初期形貌 ……………………………………………32
3-1-2 介電層的表面能 …………………………………………34
3-1-3 兩種介電層上五苯環之拉曼訊號 ………………………35
3-1-4 五苯環之X-Ray 繞射圖譜 ………………………………36
3-2製程溫度與氣體流量對於氮化鋁薄膜特性之影響………………36
3-2-1製程溫度對所成長之氮化鋁薄膜之影響…………………37
3-2-2不同氣體流量所製作之氮化鋁薄膜………………………39
第四章 結論……………………………………………………………65



圖目錄

圖1-1 OTFT之元件結構(a)Top gate (b)Top contact(c)Bottom contact元件結構示意圖………………………………………………11
圖1-2 p-type,top contact OTFT元件的操作示意圖(a)無偏壓(b)accummulation mode  (c)depletion mode ………………………12
圖1-3 氮化鋁的原子結構 ……………………………………………13
圖1-4 pentacene原子鍵結結構………………………………………13
圖2-1 本論文實驗流程 ………………………………………………27
圖2-2 反應式磁控濺鍍 ………………………………………………28
圖2-3 元件結構示意圖 ………………………………………………29
圖 2-4 接觸角示意圖…………………………………………………29
圖2-5 AFM 量測系統示意圖 …………………………………………30
圖3-1 各種OTFT介電層材料的載子遷移率表現 …………………41
圖3-2不同厚度的pentacene在AlN之AFM形貌，厚度分別為
(a)1nm (b)2nm (c)5nm (d)10nm (3μm×3μm)………………………41
圖3-3 Pentacene在SiO2之成長初期AFM形貌(3μm×3μm) ………42
圖3-4 AFM深度統計結果(a)pentacene 1nm 成長於AlN (b)pentacene 1nm 成長於SiO2………………………………………………………44
圖3-5 Pentacene在AlN以及SiO2上之成長模式示意圖…………45
圖3-6 SiO2與diiodo-methane,water,ethylene glycol之接觸情形與接觸角(a)diiodo-methane 34.9°(b)D.I.water 18.6°(c)ethylene glycol 2.3°……………………………………………………………46
圖3-7 AlN與diiodo-methane,water,ethylene glycol之接觸情形與接觸角(a)diiodo-methane 46.6°(b)D.I.water 78.3°(c)ethylene glycol 55.7°…………………………………………………………47
圖3-8 Pentacene 成長於AlN and SiO2兩種介電層之拉曼光譜(a)厚度1-100nm之pentacene 成長於AlN上(b) 厚度1-100nm之pentacene成長於SiO2上(c)1nm pentacene於AlN和SiO2之拉曼光譜(d)2nm pentacene於AlN和SiO2之拉曼光譜………………………49
圖3-9 Pentacene在(a)1158cm-1及(b)1178cm-1拉曼訊號的振動模式示意圖 …………………………………………………………………51
圖3-10不同厚度pentacene 之XRD訊號(a)pentacene成長於AlN (b)pentacene成長於SiO2 ……………………………………………52
圖3-11以磁控濺鍍室溫成長AlN之TEM diffraction pattern …53
圖3-12以磁控濺鍍於室溫成長氮化鋁薄膜(a)TEM 影像以及(b)局部影像富立葉轉換(c)反富立葉轉換……………………………………54
圖3-13以不同製程溫度所成長AlN之XRD訊號 ……………………55

圖3-14以不同製程溫度所成長之AlN之AFM表面形貌(a)150℃(b)200℃(c)250℃(d)350℃ …………………………………………56
圖3-15 氮化鋁薄膜表面能與製程溫度之關係 ……………………57
圖3-16 氮化鋁薄膜表面能與製程時電子槍功率之關係……………57
圖3-17不同氮流率下成長氮化鋁薄膜之ESCA圖譜…………………59
圖3-18 氮化鋁薄膜在不同氮流率比對鋁所擷取的歐傑影像 ……61
圖3-19氮化鋁薄膜在不同氮流率比對氮所擷取的歐傑元素影像…62

表目錄
表1-1常用於OTFT之介電層材料性質………………………………14
表3-1 petacene成長於AlN之拉曼訊號分析………………………50
表3-2 petacene成長於SiO2之拉曼訊號分析 ……………………50
表3-3 不同製程溫度之氮化鋁所測得之水和甘油接觸角 …………57
表3-4 不同氮流率所製作出的AlN薄膜成份………………………60
表3-5各種用於OTFT的介電層表面能之比較………………………63

                                

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