臺灣博碩士論文加值系統

本論文利用熱蒸鍍的方式來沉積Pentacene有機半導體薄膜，並利用頂部閘極式結構來製作酸性離子感測元件，以及利用濺鍍的方式沉積氮化鋁介電層。介電層的沉積使用較大的遮罩，以達成覆蓋Pentacene的目的。但以電晶體的機制而言，本論文中尚未做到汲極電流的飽和趨勢。在熱蒸鍍Pentacene中，我們利用不同蒸鍍條件鍍率0.4 Å/s、0.8 Å/s、1.2 Å/s 與基板溫度60℃、80℃、100℃的搭配，探討Pentacene的成膜品質，發現在條件0.4 Å/s, 80℃、0.4 Å/s, 100℃、0.8 Å/s, 60℃皆能有薄膜相的產生，而0.8 Å/s, 60℃則是會有塊狀相的結構。在AFM量測下0.4 Å/s, 80℃、0.4 Å/s, 100℃皆得到grain size為0.5μm~0.7μm，基板溫度越高越能形成較大的晶粒狀態，而0.8 Å/s, 60℃的grain size為0.1μm。
我們選擇此三種條件做離子感測元件的應用，我們得到在0.4 Å/s, 80℃、0.4 Å/s, 100℃以汲極電壓給予-1(V)能達到μA的等級，在各PH值的鑑別能力也能達到0.45μA以上。
由於本論文中之汲極電流電壓的量測數據，我們並沒有得到汲極的飽和電流趨勢，因此我們尚未作出利用電晶體感測的機制，目前只能說他是一電阻式PH值感測元件。

In this thesis, we deposit Pentacene organic thin film by thermal evaporation system, and deposit AlN dielectric layer by DC sputter. We manufacture acid solution ion sensor device by top gate structure. For covering Pentacene thin film, we deposit AlN dielectric layer with large shadow mask. For research quality of Pentacene thin film, we choose different thermal evaporator rate was 0.4 Å/s、0.8 Å/s、1.2 Å/s with substrate temperature 60℃、80℃、100℃. We know condition of (a)0.4 Å/s, 80℃(b)0.4 Å/s, 100℃(c)0.8 Å/s, 60℃ to find thin film phase, but we find bulk phase in condition of 0.8 Å/s, 60℃. Measurement of AFM, (a)0.4 Å/s, 80℃(b)0.4 Å/s, 100℃ grain size is 0.5μm~0.7μm. And 0.8 Å/s, 60℃ grain size is 0.1μm. So the higher substrate temperature and lower thermal rate can get large grain size.
We manufactured ion sensor device that used three different conditions. We find the result can reach μA level when drain voltage is -1 (V) and gate voltage is -0.5(V) with conditions are 0.4 Å/s, 80℃, and 0.4 Å/s, 100℃. PH value of the ability to identify can reach to 0.45μA above.

目錄
摘要--------------------------------------------------------------------------I
Abstract -------------------------------------------------------------------II
目錄-------------------------------------------------------------------------III
圖目錄------------------------------------------------------------------------VI
表目錄------------------------------------------------------------------------IX
第一章 緒論--------------------------------------------------------------------1
第二章 文獻回顧----------------------------------------------------------------5
2-1 有機半導體材料Pentacene簡介------------------------------------------------5
2-2 有機半導體之傳導方式--------------------------------------------------------7
2-2-1 分子鏈間與分子鏈上之傳導------------------------------------------------7
2-2-2 MTR能帶捕捉理論-------------------------------------------------------9
2-3 有機薄膜電晶體之簡介-------------------------------------------------------10
2-4 有機薄膜電晶體之結構-------------------------------------------------------11
2-4-1 Top contact 結構-----------------------------------------------------12
2-4-2 Bottom contact 結構--------------------------------------------------12
2-4-3 Top gate 結構--------------------------------------------------------12
2-5 有機薄膜電晶體之工作原理---------------------------------------------------14
2-5-1 薄膜電晶體工作原理-----------------------------------------------------14
2-5-2 有機薄膜電晶體之操作模式-----------------------------------------------16
2-6 有機薄膜電晶體之參數-------------------------------------------------------20
2-6-1 電流電壓之關係----------------------------------------------------------20
2-6-2 遷移率---------------------------------------------------------------21
2-6-3 臨限電壓-------------------------------------------------------------21
2-6-4 次臨限斜率------------------------------------------------------------22
2-7 有機薄膜電晶體酸性液體感測器之簡介------------------------------------------23
2-7-1 離子感測場效應電晶體ISFET---------------------------------------------23
2-7-2 延伸式電子場效應電晶體EGFET-------------------------------------------27
第三章 實驗儀器、材料、內容-----------------------------------------------------28
3-1 實驗材料-----------------------------------------------------------------29
3-2 實驗設備-----------------------------------------------------------------31
3-2-1 熱蒸鍍系統------------------------------------------------------------31
3-2-2 多靶濺鍍系統----------------------------------------------------------32
3-2-3 膜後監控系統----------------------------------------------------------32
3-3 氮化鋁薄膜結合並五苯有機薄膜酸性溶液感測元件製作------------------------------33
3-3-1 基板清洗-------------------------------------------------------------33
3-3-2 銦錫氧化物汲極、源極之微影蝕刻------------------------------------------34
3-3-3 Pentacene之熱蒸鍍----------------------------------------------------34
3-3-4 常溫氮化鋁之濺鍍------------------------------------------------------35
3-3-5 使用銀膠連接元件與PCB板-----------------------------------------------36
3-3-6 環氧樹指之封裝----------------------------------------------------------37
3-4 實驗分析方法與分析儀器-----------------------------------------------------39
3-4-1 X-ray 繞射分析-------------------------------------------------------39
3-4-2 原子力顯微鏡表面grain-size分析----------------------------------------39
3-4-3 4155C電性量測--------------------------------------------------------40
第四章 實驗結果討論------------------------------------------------------------41
4-1 Pentacene特性分析--------------------------------------------------------41
4-1-1 X-ray分析------------------------------------------------------------41
4-1-2 原子力顯微鏡AFM分析---------------------------------------------------46
4-2 酸性感測元件電性分析-------------------------------------------------------50
4-2-1 不同PH值溶液下源極電流電壓分析------------------------------------------50
4-2-2 元件穩定度測試--------------------------------------------------------54
4-2-3 氮化鋁薄膜於各PH值溶液中之量測與漏電流量測-------------------------------55
4-2-4 氮化鋁薄膜之C-V量測---------------------------------------------------59
4-2-5 閘極偏壓對汲極電流之影響-----------------------------------------------60
第五章 結論-------------------------------------------------------------------68
第六章 未來展望---------------------------------------------------------------70
第七章 參考資料---------------------------------------------------------------71
圖目錄
圖2-1 Pentacene結晶相繞射峰值---------------------------------------------------6
圖2-2有機半導體分子鏈之導電機制---------------------------------------------------7
圖2-3參雜氧化劑之對位苯乙炔導電原理(a)聚乙炔上之π鍵氧化為正電荷(b)(c)導電載子之自由移動(d)經由打斷再結合後的聚乙炔增加了導電能力。----------------------------------------9
圖2-4 1986以來有機半導體材料載子遷移率比較圖--------------------------------------11
圖2-5 (a)有機薄膜電晶體上接觸式結構(b)下接觸式結構--------------------------------13
圖2-6有機薄膜電晶體上閘極式結構--------------------------------------------------13
圖2-7 MOS元件結構圖------------------------------------------------------------16
圖2-8所示為一個NMOS之ID -VD在不同VG的特性圖--------------------------------------16
圖2-9金屬的功函數大於P型半導體的功函數(a)接觸前(b)接觸後之理想能--------------------18
圖2-10歐姆接觸電壓電流特性曲線圖-------------------------------------------------18
圖2-11金屬的功函數小於P型半導體的功函數(a)接觸前(b)接觸後之理想能帶圖----------------19
圖2-12蕭特基接觸電流電壓特性曲線圖-----------------------------------------------20
圖2-13 左為ID開根號對VG做圖，取斜率(圖中紅線)交於VG的值為臨限電壓。右為取logID對VG作圖，綠色線之斜率為次臨限斜率--------------------------------------------------------22
圖2-14 ISFET量測與元件結構圖----------------------------------------------------25
圖2-15量測中溶液中離子與閘極偏壓之關係--------------------------------------------26
圖2-16 ISFET在不同PH值下電流電壓關係圖-------------------------------------------26
圖2-17 EGFET元件結構與量測示意圖------------------------------------------------27
圖3-1 熱蒸鍍系統內部結構示意圖--------------------------------------------------31
圖3-2 DC直流濺鍍系統示意圖------------------------------------------------------32
圖3-3 石英震盪器-膜厚監控系統---------------------------------------------------33
圖3-4氮化鋁薄膜結合並五苯有機薄膜酸性溶液感測元件----------------------------------36
圖3-5 PCB板與元件連接示意圖----------------------------------------------------37
圖3-6經環氧樹脂封裝後氮化鋁薄膜結合並五苯有機薄膜酸性溶液感測元件--------------------38
圖3-7氮化鋁薄膜結合並五苯有機薄膜酸性溶液感測元件俯視圖-----------------------------38
圖3-8布拉格繞射原理示意圖-------------------------------------------------------39
圖3-9 4155C-------------------------------------------------------------------40
圖4-1(a) 0.4 Å/s，60℃(b) 0.4 Å/s，80℃(c) 0.4 Å/s，100℃之XRD繞射峰值----------42
圖4-2(d) 0.8 Å/s，60℃(e) 0.8 Å/s，80℃(f) 0.8 Å/s，100℃之XRD繞射峰值----------43
圖4-3 (g) 1.2 Å/s，60℃(h)1.2 Å/s，80℃(i)1.2 Å/s，100℃之XRD繞射峰值-----------44
圖4-4(a) 0.4Å/s、60℃(b) 0.4Å/s、80℃(c) 0.4Å/s、100℃此三種條件下之AFM量測------47
圖4-5(a) 0.8Å/s、60℃(b) 0.8Å/s、80℃(c) 0.8Å/s、100℃此三種不同條件下之AFM量測---48
圖4-6(a) 1.2Å/s、60℃(b) 1.2Å/s、80℃(c) 1.2Å/s、100℃此三種條件下之AFM量測------49
圖4-7酸性感測元件量測示意圖-----------------------------------------------------50
圖4-8 Pentacene熱蒸鍍條件為0.8Å/s，60℃下之電流電壓量測--------------------------51
圖4-9 Pentacene熱蒸鍍條件為0.4Å/s，80℃下之電流電壓量測--------------------------52
圖4-10 Pentacene熱蒸鍍條件為0.4Å/s，100℃下之電流電壓量測------------------------53
圖4-11、0.4Å/s，100℃當汲極電壓為-1(V)時，在PH=5溶液下量測之電流v.s.時間關係圖-----55
圖4-12 AlN/ITO元件在不同PH溶液下之量測------------------------------------------56
圖4-13 Al/AlN/ITO漏電流量測結果-----------------------------------------------57
圖4-14 當VG=-0.5時漏電流約為-6.8 10-10(A)-------------------------------------58
圖4-15 MIM結構之C-V量測-------------------------------------------------------60
圖4-16 PH=2的溶液下，不同閘極電壓對於汲極電流之影響-------------------------------64
圖4-17 PH=3的溶液下，不同閘極電壓對於汲極電流之影響--------------------------------64
圖4-18 PH=4的溶液下，不同閘極電壓對於汲極電流之影響--------------------------------65
圖4-19 PH=3的溶液下不同閘極電壓與沒有放置參考電極的電流電壓量測---------------------65
圖4-20 PH=4的溶液下不同閘極電壓與沒有放置參考電極的電流電壓量測---------------------66
圖4-21不同閘極偏壓下汲極電流改變量-----------------------------------------------66
圖4-22 在PH=2量測下AlN產生漏電的示意圖-------------------------------------------67
表目錄
表2-1 三種有機薄膜電晶體結構之比較-----------------------------------------------14
表2-2金屬與半導體接觸能帶關係圖--------------------------------------------------17
表3-1本實驗Pentacene熱蒸鍍條件--------------------------------------------------34
表4-1 Pentacene之熱蒸鍍條件----------------------------------------------------41
表4-2不同Pentacene蒸鍍條件下，各PH值間電流差值對照表------------------------------53

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