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研究生: 林鈺祥
Lin, Yu-Hsiang
論文名稱: 紅熒烯薄膜成長與其電晶體電性之臨場表現研究
In-situ growth and electrical characterization studies of rubrene thin film transistors.
指導教授: 楊耀文
Yang, Yaw-Wen
口試委員: 林滄浪
張瑞芬
楊耀文
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 理學院 - 化學系
Department of Chemistry
論文出版年: 2013
畢業學年度: 101
語文別: 中文
論文頁數: 128
中文關鍵詞: 紅熒烯臨場場效電晶體
外文關鍵詞: rubrene, OTFT, in-situ
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  • 本論文報導運用臨場電性量測技術來研究紅熒烯(rubrene)薄膜電晶體製作過程中,電晶體電性表現與薄膜厚度之變化關係。且利用不同層數之正二十酸鎘(Cadmium arachidate,CdA)薄膜作為基材,來改變基材表層島狀結構的密度,並成長rubrene薄膜於此經過CdA多層膜修飾後之基材。將CdA薄膜與rubrene薄膜分別藉由原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope,AFM)、X光繞射(X-ray Diffraction,XRD)、近緣X光吸收細微結構(Near-edge X-ray Absorption Fine Structure,NEXAFS)與光學顯微鏡來分析表面形貌、結構、分子位向與薄膜外觀。
    成長rubrene薄膜在具有苯環官能基表面之基材上,可觀察到其rubrene薄膜表面形貌高低差異大,且薄膜為非晶相。再基材經CdA多層膜修飾後,基材表面具豐富結構島狀形貌,於上成長出之rubrene薄膜,其表面形貌較呈平板片狀,且薄膜具高晶相,而且rubrene分子較站立於基材表面。
    以4層CdA薄膜成長於具長碳鏈官能基表面作為基材,所製作出之rubrene薄膜電晶體,在臨場量測電晶體特性時,可觀察到電晶體效能隨薄膜厚度而穩定增加,可於rubrene薄膜厚度35 nm時開始量測到場效電晶體特性,此時載子遷移率為4.58 × 10-4 cm2/Vs,而隨薄膜厚度增厚其電晶體載子遷移率也不斷向上提升,當厚度達140 nm時量測到最佳載子遷移率為0.16 cm2/Vs,經熱退火後處理後更提高至0.32 cm2/Vs。而電流開關比約為105,門檻電壓約在-25V。.


    We present in-situ transport measurement of rubrene thin film transistors. The rubrene based transistors were fabricated form rubrene grown onto the SiO2/Si substrate modified by Cadmium arachidate (CdA) multi-layers or self-assembled organosilane. The morphology, structure and crystallinity of CdA substrate and rubrene film were characterized by optical microscope, atomic force microscopy (AFM), near-edge absorption fine structure (NEXAFS), x-ray diffraction (XRD).
    Rubrene film grown on the substrate modified by aromatic terminated silane, the film shows the irregular pillar-like morphology and amorphous structure. Rrubrene film on multi-layers CdA substrate present more plate-like features and reveal the strong (200)-oriented crystallites on the surface. In addition, the ring plane of the aromatic core of rubrene molecule is stand-up configuration from thin to thick thickness of rubrene films.
    The transistor was fabricated form rubrene grown on 4 layers CdA film on SiO2/Si substrate modified by alkyl terminated silane have the characteristic of field effect transistor form 35 nm thickness of rubrene, and the hole mobility is 4.58 × 10-4 cm2/Vs. The hole mobility is increased after increasing the thickness of rubrene film. The highest mobility of 0.16 cm2/Vs was obtained when the rubrene film thickness reached to 140 nm. The final mobility was improved to 0.32 cm2/Vs, after the rubrene film was treated by post thermal annealing.

    摘要 i Abstract ii 致謝 iii 目錄 iv 圖目錄 vii 表目錄 xiii 第一章 緒論 1 1-1 有機場效電晶體簡介 1 1-2 具高度發展潛力之有機半導體分子-紅熒烯(rubrene) 4 1-3 臨場(in-situ)量測有機薄膜電晶體電性表現 6 1-3-1 有機薄膜厚度與電晶體表現之關係 6 1-3-2 有機材料與基材介面對於電晶體電性表現之影響 8 1-4 研究動機與目的 9 第二章 實驗技術與原理簡介 11 2-1 有機薄膜場效電晶體 11 2-1-1 場效電晶體簡介 11 2-1-2 有機薄膜場效電晶體工作原理 11 2-2 LB薄膜(Langmuir-Blodgett films) 17 2-3 同步加速器光源(Synchrotron Light Source) 20 2-4 X光光電子能譜(X-ray Photoemission Spectroscope, XPS) 22 2-5 近緣X光吸收細微結構(Near-Edge X-ray Absorption Fine Structure, NEXAFS)光譜 27 2-5-1 NEXAFS光譜原理 27 2-5-2 NEXAFS量測原理 31 2-6 原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)原理 35 2-7 X光繞射(X-ray diffraction, XRD)原理 37 第三章 實驗藥品、儀器設備與實驗步驟 39 3-1 實驗藥品 39 3-2 儀器設備 42 3-3 二氧化矽基材清洗及基材與電極表面自組裝單層分子薄膜成長 44 3-3-1 基材矽晶片清洗步驟 44 3-3-2 二氧化矽基材表面成長自組裝單層分子薄膜步驟 45 3-3-3 金電極表面成長自組裝單層分子薄膜步驟 45 3-4 LB成膜技術成長CdA薄膜 46 3-5 有機薄膜電晶體製作之真空蒸鍍系統介紹 47 3-6 真空蒸鍍金屬電極與有機薄膜實驗步驟 52 3-6-1 真空蒸鍍金屬電極步驟 52 3-6-2 真空蒸鍍有機薄膜步驟 53 3-7 臨場量測有機場效電晶體元件電性表現 54 3-8 原子力顯微鏡量測樣品表面形貌 56 3-9 超高真空(ultra-high vacuum, UHV)表面分析腔體 57 3-9-1 超高真空腔體系統 57 3-9-2 超高真空環境之達成 59 3-9-3 超高真空系統內樣品傳送與蒸鍍 60 3-10 X光光電子能譜(XPS)實驗方式 60 3-11 近緣X光吸收細微結構(NEXAFS)實驗方式 61 第四章 實驗結果與討論 62 4-1 電性量測系統組裝與測試 62 4-1-1 底閘極底接觸式場效電晶體元件電性量測系統組裝 63 4-1-2 製作F16CuPc有機場效電晶體元件測試自製量測系統可靠度 64 4-2 製作電晶體元件時基材各項條件之選擇 67 4-2-1 齊一通道與電極表面化學性質 70 4-2-2 臨場電性量測時rubrene薄膜蒸鍍溫度的決定 71 4-3 Rubrene薄膜電晶體之電性表現與薄膜厚度、基材結構、與熱退火之關係 76 4-3-1 三種基材之表面形貌與晶相分析 78 4-3-2 臨場量測有機薄膜電晶體電性效能隨有機薄膜厚度變化之結果 82 4-3-3 隨熱退火時間變化之有機薄膜電晶體電性量測結果 92 4-3-4 成長於不同基材rubrene薄膜表面形貌與晶相分析 94 4-3-5 綜合討論 97 4-4 不同厚度之rubrene薄膜綜合分析 99 4-4-1 AFM影像觀察rubrene薄膜表面形貌 100 4-4-2 NEXAFS分析薄膜rubrene分子位向 104 4-4-3 XRD結果與rubrene薄膜晶相關係討論 111 4-4-4 綜合討論 113 4-5 rubrene薄膜電晶體電性效能改善 115 4-5-1 臨場量測有機場效電晶體電性效能隨有機膜厚度變化之結果 116 4-5-2 AFM影像觀察與XRD量測結果 120 4-5-3 綜合討論 123 第五章 結論 125 第六章 參考資料 127

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