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研究生:余頌龍
研究生(外文):Sang-Lung Yu
論文名稱:於軟板上製作pentacene有機薄膜電晶體
論文名稱(外文):Fabrication of Pentacene Organic Thin-Film Transistor on Flexible Substrate
指導教授:吳幼麟
指導教授(外文):You-Lin Wu
學位類別:碩士
校院名稱:國立暨南國際大學
系所名稱:電機工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2006
畢業學年度:94
語文別:中文
論文頁數:58
中文關鍵詞:有機薄膜電晶體軟板
外文關鍵詞:OTFTflexible substrate
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本篇論文旨在將以五環素(pentacene)為主動層之有機薄膜電晶體(Organic Thin-Film Transistor﹐OTFT)元件製作在軟性基板上,於元件製作完成後,進行電性之量測,並對其電性之結果加以探討。

現今之電腦顯示器愈做愈薄,最近,甚至提出了所謂電子紙張(Electronic Paper)的概念。 所謂電子紙張(Electronic Paper)即是可撓式面板(Flexible Display),也就是將顯示器製作於可撓曲之基板上,亦即軟性電子。目前以有機材料製作的顯示器,已有部分之產品問市,但用來驅動有機顯示器之有機電晶體其特性卻仍有待改進。

因為傳統電晶體是以矽(Silicon)為主要製作材料,需要高溫之製程,因而所使用之基底也必須是耐高溫,這使得基底是硬而不可折的。因為有機材料具有低溫製程的優點,所以基底可改用軟性的塑膠基板,那麼就可以達到可撓式的目標。在本論文中,我們嘗試將有機薄膜電晶體製作於軟性基板之上並量測其電性,所使用的基板材料為聚對苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Terephthalate;PET)。而薄膜電晶體的主動層材料部分,由於五環素(Pentacene)是目前研究中載子遷移率最高(~3cm2V-1S-1)的有機材料,所以我們選擇Pentacene作為電晶體之主動層。

實驗結果顯示,於PET軟板上製作有機薄膜電晶體是可行的。雖然,由於PET軟板在蒸鍍源/汲極金屬過程中因加熱溫度過高而造成閘極漏電流,且因PET軟板在製程中有收縮的現象而導致沉積出結構較為鬆散的pentacene薄膜,但我們所得到之有機薄膜電晶體仍具有0.04 cm2V-1s-1的載子遷移率。我們只要把結構稍作修改,就可以避免在蒸鍍源/汲極金屬過程中因加熱溫度過高而造成閘極漏電流,且在軟板的清洗步驟上及pentacene的沉積製程上加以注意並改進,應該就可以提升元件的載子遷移率。
The purpose of this thesis is to fabricate pentacene organic thin-film transistors (TFT) on flexible substrate﹐measure and study their electrical characteristics.

Fabricating organic TFT on plastic substrate as switching device is necessary for the flexible display and the so-called electronic paper. Although, displays made from organic materials have been developed and even commercialized in recent years, improvements in some of their characteristics, such as carrier mobility, are still needed.

Conventionally, most TFTs are fabricated on inorganic silicon wafer or glass substrate because silicon or glass substrate can endure high processing temperature. On the other hand, low processing temperature of organic TFTs allows them to be fabricated on plastic substrate.

In this work, we tried to fabricate a OTFT on a flexible substrate, the PET(polythylene terephthalate). According to the literature, organic TFT using pentacene as the active layer can have the highest mobility which is about 3cm2V-1S-1. Therefore, we used pentacene as the active layer for our organic TFT.

In this thesis we successfully demonstrated the fabrication of pentacene organic TFT on PET plastic substrate. The highest mobility of our OTFT is only about μ  0.04 cm2V-1S-1 due to high gate leakage current and the plastic substrate shrinkage during thermal processing.

The substrate shrinkage and gate leakage current are likely to be eliminated by adopting alternative device structure so that high-temperature damage during source/drain evaporation can be avoided, and by carefully performing flexible substrate pre-cleaning process as well as pre-heating the flexible substrate to reduce substrate shrinkage during subsequent processing.
目次
第一章:緒論
1-1 研究動機---------------------------------------1
1-2 文獻回顧---------------------------------------2
第二章:有機薄膜電晶體介紹
2-1 使用有機材料的優點----------------------------11
2-2 有機半導體材料之種類--------------------------11
2-3 有機半導體結構--------------------------------12
2-4 有機半導體導電機制----------------------------12
2-5 有機半導體傳導方式----------------------------14
2-6 有機半導體—金屬接觸--------------------------16
2-7 有機小分pentacene的性質----------------------17
2-8 有機半導體操作模式----------------------------18
2-9 有機半導體重要參數----------------------------20
第三章:實驗流程
3-1 保護層對pentacene薄膜特性影響的實驗----------33 3-2 有機薄膜電晶體的操作--------------------------35
3-3 PET軟板漏電流測試-----------------------------38
3-4 實驗應注意事項--------------------------------39
第四章:結果與討論
4-1 保護層對pentacene薄膜特向的影響--------------44
4-2 製作於軟板上的有機薄膜電晶體------------------45
4-3 軟板的漏電流測試------------------------------47
第五章:未來工作------------------------------------------55
參考文獻---------------------------------------------------57













圖表目錄
第一章 緒論
表1-1 有機半導體與傳統無機半導體之差異-------------6
表1-2 近年來有機材料載子遷移率發展圖〔日本AIST〕---------------------------------------------------7
圖1-1 OTFT的結構圖---------------------------------8
圖1-2 TFT的結構圖----------------------------------8
圖1-3-1 Top contact結構----------------------------9
圖1-3-2 bottom contact結構-------------------------9
圖1-4 pentacene XRD圖譜---------------------------10
第二章 有機薄膜電晶體介紹
表2-1 pentacene材料的基本特性資料-----------------23
表2-2 金屬-半導體接觸關係-------------------------23
表2-3 常用金屬之功函數----------------------------24
圖2-1 (a)有機高分子材料(b)有機小分子材料----------25
圖2-2 絕緣體、半導體與金屬的能帶表示圖-------------26
圖2-3 偏極子、雙偏極子能帶表示圖-------------------27
圖2-4 聚乙炔摻雜氧化物—碘分子的導電原理----------28
圖2-5 分子鏈間的傳導機制--------------------------29
圖2-6 pentacene和ITO、Al、Au金屬接觸能帶圖-------30
圖2-7-1 ITO-Pentacene-Al的接觸能帶圖--------------31
圖2-7-2 ITO-Pentacene-Au的接觸能帶圖--------------31
圖2-8 一般常見OTFT之IDS-VDS與IDS-VGS圖-----------32
第三章:實驗流程
圖3-1 實驗一結構圖--------------------------------41
圖3-2 實驗二OTFT之製作流程-----------------------42
圖3-3 實驗二OTFT結構圖---------------------------43
圖3-4 實驗三結構圖--------------------------------43
第四章:結果與討論
圖4-1 No anneal,anneal 80℃、100 ℃、150℃及200 ℃之XRD圖------------------------------------------48
表4-1 pentacene經anneal後之(001)/(003),(002)/(003)能量比較圖----------------------------------49
圖4-2 No anneal,80℃,100 ℃,150℃,200 ℃XRD比較圖------------------------------------------------50
圖4-3 No anneal,80℃,100 ℃,150℃,200 ℃XRD比較圖------------------------------------------------50
圖4-4-1 以鋁當閘極之OTFT IDS-VDS量測----------------51
圖4-4-2 鋁當閘極之IDS-VGS量測-----------------------52
圖4-4-3 鋁當閘極求得之gm圖------------------------52
圖4-5 以銅當閘極之OTFTIDS-VDS量測------------------53
圖4-6 以AFM觀察沈積在軟板上之pentacene表面-------53
圖4-7 軟板50℃、100℃、150℃退火15分鐘及室溫之漏電流比較--------------------------------------------54
圖4-8 軟板150℃退火10、15、20及30分鐘之漏電流比較--------------------------------------------------54
第五章:未來工作
圖5-1 OTFT的新結構--------------------------------56
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