半導體之摻雜、介電層及其表面處理對n-型苝苯亞醯胺衍生物有機薄膜電晶體之影響

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研究生：	丁姮彣 Ting, Heng-Wen
論文名稱：	半導體之摻雜、介電層及其表面處理對n-型苝苯亞醯胺衍生物有機薄膜電晶體之影響 Effects of Doping, Dielectric Materials and their Surface Treatments on n-type Perylene Diimide Derivatives Organic Thin Film Transistors
指導教授：	游萃蓉 Yew, Tri-Rung
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：	2009
畢業學年度：	97
語文別：	中文
論文頁數：	92
中文關鍵詞：	有機薄膜電晶體
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本研究目的為開發可溶式、高空氣穩定度、高載子移動率的有機薄膜電晶體，使其能應用於製程溫度在200°C以下的印刷(printing)製程及不耐高溫之軟性基板上。主要是利用可溶式n-型(n-type)有機半導體苝苯亞醯胺衍生物(perylene diimide derivatives)，N,N′-bis(3-fluoro-5-trifluoromethyl-benzyl)tetrachloroperylene-3,4,9,10-bis-(dicarboximide) (簡稱為TC-PDI-F)為半導體材料，以旋轉塗佈法，將TC-PDI-F塗佈於以熱氧化二氧化矽(thermal-SiO2)為閘極介電層之基板上，製作有機薄膜電晶體(organic thin film transistor, OTFT)。並藉由半導體層的摻雜與閘極介電層上的表面處理，提升有機電晶體元件效能。另方面，本研究也將TC-PDI-F整合在可溶式介電層(液相沉積二氧化矽, liquid-phase-deposited SiO2, 簡稱LPD-SiO2)上，以可溶式製程製作有機薄膜電晶體。期待未來可整合軟性基板，製作全可溶式、可撓式薄膜電晶體，以應用在軟性電子產品上。
結果顯示，本研究所使用的半導體材料(TC-PDI-F)，可以低溫、溶液方式，利用旋轉塗佈法塗佈在含熱氧化二氧化矽(thermal-SiO2) 之矽基座上，製作有機電晶體，但TC-PDI-F在未經任何表面處理的thermal-SiO2上的成膜性不好，且製作成底接觸有機薄膜電晶體(bottom contact OTFT)後未有電晶體特性。
為提升TC-PDI-F在thermal-SiO2上之成膜性及電晶體效能，本研究中具體的做法及研究重點為：(1)在閘極介電層thermal-SiO2上施以表面處理，改變thermal-SiO2表面性質，預期能改善有機半導體層在thermal-SiO2上的附著性、減少閘極介電層/半導體層介面缺陷(trap states)、增加TC-PDI-F在thermal-SiO2上之晶體排列性，並提升TC-PDI-F 有機薄膜電晶體效能(例如以三甲基矽甲基鋰分子修飾thermal-SiO2並製作成有機薄膜電晶體之元件效能為：載子遷移率μ= 4.44×10-5 cm2V-1s-1、開關電流比Ion/Ioff = 10，起始電壓Vth = 32 V)；(2) 以TC-PDI-F為主要半導體材料，利用摻雜的方式，期望能提高有機半導體層之載子濃度、改變電子結構(增加電子能階中的施子能階，即donor levels)、幫助TC-PDI-F有序地排列，以提升TC-PDI-F 有機薄膜電晶體效能及穩定度(例如加入LiF之摻雜物後，可使有機薄膜電晶體效能達到μ= 2.71×10-5 cm2V-1s-1、Ion/Ioff = 12， Vth = 25 V)。
此外，本研究也將有機半導體材料TC-PDI-F，試製在液相沉積二氧化矽(LPD-SiO2) 之可溶式閘極介電層上，製作成有機薄膜電晶體。結果顯示以LPD-SiO2做為閘極介電層，能進一步有效提升TC-PDI-F 有機薄膜電晶體元件效能達μ= 0.26 cm2V-1s-1、Ion/Ioff = 19 、Vth = 11 V，此結果揭示以可溶式製程，在大氣環境下以TC-PDI-F作為半導體層，LPD-SiO2作為閘極介電層，製作有機薄膜電晶體之可行性，將有助於未來可溶式、可撓曲有機薄膜電晶體之開發及應用於軟性電子產品上。

第一章    緒論    20
1-1    前言    20
1-2    有機薄膜電晶體(OTFT)    22
1-3    OTFT元件結構與工作原理    25
1-4    OTFT元件效能參數及其擷取    27
1-4-1    載子遷移率(mobility, μ)    27
1-4-2    起始電壓(threshold voltage, Vth)    28
1-4-3    開關電流比(on/off current ratio, Ion/Ioff)    29
    29
1-5    有機半導體傳導機制    29
1-6    n-型(n-type)有機半導體材料    30
1-7    半導體層之摻雜    32
1-8    閘極介電層材料及其與有機半導體層介面    32
第二章    文獻回顧    33
2-1    有機薄膜電晶體    34
2-2    n-型(n-type)有機半導體    36
2-3    苝苯亞醯胺衍生物(Parylene diimide derivative) n-型有機半導體材料…………………………………………………………………...37
2-4    苝苯亞醯胺衍生物n-型有機半導體材料(TC-PDI-F)之簡介    39
2-5    閘極介電層材料及其與有機半導體之介面    41
第三章    實驗流程與方法    44
3-1    有機半導體材料TC-PDI-F之合成、純化與鑑定    45
3-2    基板與閘極介電層之清洗與製備    47
3-3    閘極介電層上之表面處理及其特性分析    48
3-4    有機半導體材料TC-PDI-F薄膜製備及特性分析    50
3-5    製作TC-PDI-F有機電晶體及電性、穩定度分析    51
3-6    分析儀器    53
3-6-1    核磁共振儀（Nuclear Magnetic Resonance, NMR）    53
3-6-2    質譜儀（Mass Spectrometer, MS）    54
3-6-3    原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope, AFM）    55
3-6-4    X光繞射分析儀 （X-Ray Diffractometer, XRD）    56
3-6-5    化學分析電子儀 (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis, ESCA)    57
3-6-6    傅立葉變換紅外光譜儀 (Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR )    58
3-6-7    接觸角量測儀 (Contact Angle Meter)    59
3-6-8    電性量測儀 （Semiconductor Parameter Analyzer）    62
第四章    實驗結果與討論    63
4-1    有機半導體材料TC-PDI-F之合成與鑑定    63
4-2    閘極介電層之表面處理對TC-PDI-F OTFT電性之影響    64
4-2-1    以含有碳鏈烷基(alkyl-group)分子進行表面處理    67
4-2-2    以含有苯基(phenyl-groups)分子進行表面處理    70
4-2-3    以含有鋰原子的分子進行表面處理    78
4-2-4    以含有氟基(floro-group)之分子進行表面處理    80
4-2-5    以含有氯基(chloro-group)之分子進行表面處理    84
4-2-6    以有羥基(hydroxyl-group)之分子進行表面處理    85
4-2-7    以含有羧基 (carboxyl-group)之分子之介面處理    87
4-2-8    以含有胺基 (amino-group)之分子進行表面處理    87
4-2-9    以有機高分子PVP 及PMMA進行表面處理    89
4-3    摻雜物對TC-PDI-F有機電晶體電性之影響    90
4-3-1    以CdSe/ZnS核殼型量子點做為半導體層之摻雜物    92
4-3-2    以LiF做為半導體層之摻雜物    95
4-3-3    以奈米碳球做為半導體層之摻雜物    98
4-3-4    以二環戊二烯亞鐵做為半導體層之摻雜物    99
4-3-5    以四氯苯做為半導體層之摻雜物    100
4-3-6    以NTCDA做為半導體層之摻雜物    101
4-3-7    以NTCDI-F做為半導體層之摻雜物    102
4-4    以可溶式SiO2做為閘極介電層TC-PDI-F OTFT    103
第五章    結論    107
第六章    未來展望    109
第七章    參考文獻    110

                                

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