臺灣博碩士論文加值系統

有機場效電晶體近年來在日常生活應用廣泛，在元件越作越小之時，閘極的氧化層厚度也跟著越做越小，傳統的二氧化矽能提供的厚度已經不足以阻擋漏電流，因此需要開發高介電材料，取代傳統二氧化矽，使其元件更為縮小為本實驗目的。
傳統以SiO2為介電層材料其C值為10 nF/cm2，本篇選用多種High-K材料其中又以ErTixOy這個材料有最高的電容值240 nF/cm2應有不錯的電性表現。

本篇主要研究以不同的高介電常數之介電層，利用不同的自組裝單層膜修飾後，探討其電性之影響，首先將介電層為TiO2、Al2O3、Ho2O3、GdOx、EuOx、ErTixOy、Sm2O3長上不同的自組裝單層，再經由真空蒸鍍方式沉積Pentacene有機薄膜，利用原子力顯微鏡(AFM)，電性量測系統探討薄膜形貌以及電性效能分析。最後結果顯示，在不同介電層材料與其不同的退火溫度時，其成膜特性也不會一樣；當使用退火溫度200 ℃之Sm2O3作為介電層，從AFM可得知其連續性佳，且擁有最佳載子傳輸率3 cm2/Vs。

Organic field effect transistors have been applied widely in recent years. For the development of the semiconductor industry, there is a tendency to reduce the size of device, thinner dielectric layer can afford higher capacity and reduce the control of gate. Investigating High-k gate dielectrics is a important issue to improve whole performance.
Traditionally dielectrics material use SiO2,it’s capacity is 10 nF/cm2, in this study we choose many High-k materials, among these material ErTixOy have the highest capacity 240 nF/cm2 should be a good performance.
In this study, we use different dielectric material, and use different SAMs to modify the dielectric surface, and discussed the performance. First we use TiO2, Al2O3, Ho2O3, GdOx, EuOx, ErTixOy, Sm2O3 as the dielectric material and use different SAMs to modify, and then deposited Pentacene on the device, and prob into the surface and mobility by atom force microscope(AFM).
Finally the result indication,when in the different material and different annealing temperature, the film characteristics will be different;at the 200 ℃annealing temperature Sm2O3 be the dielectric material have the best mobility 3 cm2/Vs, at the AFM data we can know the film have large grain size and small grain boundary.

總目錄
謝誌 I
論文摘要 II
Abstract.. III
總目錄 V
圖目錄 VIII
表目錄 XI
壹、 序論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機 3
1-3 有機場效電晶體簡介 5
1-3.1有機場效電晶體元件構造 5
1-3.1.1 基板(Substrate) 5
1-3.1.2 閘極(Gate) 5
1-3.1.3 絕緣層(Insulator) 6
1-3.1.4 有機半導體層(Organic semiconductor) 6
1-3.1.5 導電極(Electrode) 6
1-3.2有機場效電晶體運作原理 8
1-3.3有機場效電晶體公式與參數 9
1-3.4載子傳導模式 11
1-4 有機半導體簡介 13
1-4.1正型(P-type)材料 15
1-4.2負型(N-type)材料 15
1-4.3 P-type與N-type 運作原理 16
1-5 高介電材料k值 18
1-6 自組裝單層膜 19
1-7 有機半導體材料成膜技術 21
貳、 實驗過程 24
2-1 實驗用藥品 24
2-2 量測儀器 25
2-3 元件製備 26
2-3.1 矽晶片清洗 26
2-3.2 氧電漿清洗 26
2-3.3 自組裝單層薄膜 26
2-3.4 真空蒸鍍有機半導體材料 27
2-3.5 真空蒸鍍金屬電極 27
2-4原子力顯微鏡 28
參、結果與討論 29
3-1 TiO2元件之探討 29
3-1.1 TiO2基板薄膜沉積形貌 29
3-1.2 TiO2元件之電性探討 31
3-2 Al2O3元件之探討 34
3-2.1 Al2O3基板薄膜沉積形貌 34
3-2.2 Al2O3元件之電性探討 36
3-3 Ho2O3元件之探討 39
3-3.2 Ho2O3基板薄膜沉積形貌 39
3-3.3 Ho2O3元件之電性探討 43
3-4 GdOX元件之探討 45
3-4.1 GdOX基板薄膜沉積形貌 45
3-4.2 GdOX元件之電性探討 49
3-5 EuOX元件之探討 52
3-5.1 EuOX基板薄膜沉積形貌 52
3-5.2 EuOX元件之電性探討 56
3-6 ErTixOy元件之探討 59
3-6.1 ErTixOy基板薄膜沉積形貌 59
3-6.2 ErTixOy元件之電性探討 62
3-7 Sm2O3元件之探討 65
3-7.1 Sm2O3基板薄膜沉積形貌 65
3-7.2 Sm2O3元件之電性探討 68
3-8 CN-SAMs與Y-SAMs條件下電性比較 71
肆、 結論及未來發展 72
伍、 文獻參考 73




















圖目錄

圖1-1 (a)三星4.5吋可彎曲式手機(b)可彎曲式電子紙 2
圖1-2 自組裝單層材料 4
圖1-3 有機場效電晶體結構 7
圖1-4 有機場效電晶體之結構 7
圖1-5 P型有機場效電晶體之工作原理 8
圖1-6 (a)汲極電流對汲極電壓關係圖(b)汲極電流對閘極電壓關係圖 9
圖1-7 分子間載子跳躍傳輸示意圖 12
圖1-8 有機小分子 13
圖1-9 有機高分子 14
圖1-10 有機金屬錯合物 14
圖1-11 常見P型半導體材料 15
圖1-12 常見N型半導體材料 16
圖1-13 有機電晶體電荷傳遞能階示意圖 17
圖1-14 磷酸根自組裝 19
圖1-15 Pentacene與defet之間能階關係 20
圖1-16 (a)真空蒸鍍(b)真空濺鍍 21
圖1-17 液相製程 23
圖2-1 原子力顯微鏡 28
圖3-1 Pentacene沉積在不同SAMs之TiO2基板薄膜形貌 (a) Non (b) PO (c) C18 (d) Y (e) CN (掃描範圍為3 μmｘ3 μm)........................................................................31圖3-2 TiO2元件在不同SAMs修飾基板之ID-VD電性圖(a) Non (b) PO (c) C18 (d) Y (e) CN........................................................................................................................................32
圖3-3 Pentacene沉積在不同SAMs之Al2O3基板薄膜形貌 (a) Non (b) PO (c) C18 (d) Y (e) CN (掃描範圍為3 μmｘ3 μm)…………………………………………………35圖3-4 Al2O3元件在不同SAMs修飾基板之ID-VD電性圖(a) Non (b) PO (c) C18 (d) Y (e) CN……………………………………………………………………………………...37
圖3-5 不同退火溫度之C18修飾Ho2O3基板 (a) 700 ℃ (b) 800 ℃ (c) 900 ℃(掃描範圍為3μmｘ3μm).....................................................................................................40
圖3-6 不同退火溫度之CN修飾Ho2O3基板(a) 700 ℃ (b) 800 ℃ (c) 900 ℃(掃描範圍為3μmｘ3μm)………………………………………………………………………….41
圖3-7 不同退火溫度之Y修飾Ho2O3基板(a) 700 ℃ (b) 800 ℃(掃描範圍為3 μmｘ3 μm)……………………………………………………………………………………….42
圖3-8 Ho2O3元件在不同退火溫度與SAMs修飾基板之ID-VD電性圖(a) CN-700 ℃ (b)Y-700 ℃ (c) Y-800 ℃.................................................................................................43
圖3-9 不同退火溫度之C18修飾GdOX基板 (a) 700 ℃ (b) 800 ℃ (c) 900 ℃(掃描範圍為3 μmｘ3 μm)...................................................................................................46
圖3-10 不同退火溫度之CN修飾GdOX基板 (a) 700 ℃ (b) 800 ℃ (c) 900 ℃(掃描範圍為3 μmｘ3 μm).......................................................................................................47
圖3-11 不同退火溫度之Y修飾GdOX基板(a) 800 ℃ (b) 900 ℃(掃描範圍為3 μmｘ3μm)...............................................................................................................................48
圖3-12 GdOX元件在不同退火溫度與SAMs修飾基板之ID-VD電性圖 (a) C18-800 ℃ (b) CN-700 ℃ (c) CN-800 ℃ (d)CN-900 ℃ (e) Y-800 ℃ (f) Y-900 ℃.................50圖3-13 不同退火溫度之C18修飾EuOX基板 (a) 700 ℃ (b) 800 ℃(掃描範圍為3 μmｘ3 μm).......................................................................................................................53
圖3-14 不同退火溫度之CN修飾EuOX基板 (a) 700 ℃ (b) 800 ℃ (c) 900 ℃(掃描範圍為3 μmｘ3 μm)……………………………………………………………………...54
圖3-15 不同退火溫度之Y修飾EuOX基板 (a) 700 ℃ (b) 800 ℃ (c) 900 ℃(掃描範圍為3 μmｘ3 μm)……………………………………………………………………...55圖3-16 EuOX元件在不同退火溫度與SAMs修飾基板之ID-VD電性圖 (a) CN-700 ℃(b) CN-800 ℃ (c) CN-900 ℃ (d) Y-700 ℃ (e)Y-800 ℃ (f) Y-900 ℃.................57
圖3-17 不同退火溫度之C18修飾ErTixOy基板 (a) 700 ℃ (b) 800 ℃ (c) 900 ℃(掃描範圍為3 μmｘ3 μm)………………………………………………………………60
圖3-18 不同退火溫度之CN修飾ErTixOy基板 (a) 800 ℃ (b) 900 ℃(掃描範圍為3 μmｘ3 μm)…………………………………………………………………..……………60圖3-19 不同退火溫度之Y修飾ErTixOy基板 (a) 700 ℃ (b) 800 ℃(掃描範圍為3 μmｘ3 μm)………………………………………………………………...……………...61圖3-20 ErTixOy元件在不同退火溫度與SAMs修飾基板之ID-VD電性圖 (a) C18-700 ℃ (b) C18-800 ℃ (c) C18-900 ℃ (d) CN-800 ℃ (e) CN-900 ℃ (f) Y-700 ℃…..63圖3-21 不同退火溫度之Sm2O3 基板 (a) 200 ℃ (b) 400 ℃ (c) 600 ℃(掃描範圍為3 μmｘ3 μm)………………………………………………………………………………..66
圖3-22 不同退火溫度與C18修飾之Sm2O3 基板 (a) 200 ℃ (b) 400 ℃ (c) 600 ℃(掃描範圍為3 μmｘ3 μm)………………………………………………………………..67圖3-23 Sm2O3元件在不同退火溫度與SAMs修飾基板之ID-VD電性圖 (a) NON-200 ℃ (b) C18-200 ℃ (c) NON-400 ℃ (d) C18-400 ℃ (e)NON-600 ℃ (f) C18-600 ℃…………………………………………………………………………………………..69











表目錄

表1-1 High-k材料之k值大小常見材料之k值與鑭系元素之k值…………………..18表1-2 SAM之dipole moment…………………….………………………………….20
表3-1 TiO2元件在不同SAMs修飾基板之電性……………………………………33
表3-2 Al2O3元件在不同SAMs修飾基板之電性 38
表3-3 Ho2O3元件在不同退火溫度與SAMs修飾基板之電性 44
表3-4 GdOX元件在不同退火溫度與SAMs修飾基板之電性 51
表3-5 EuOX元件在不同退火溫度與SAMs修飾基板之電性 58
表3-6 ErTixOy元件在不同退火溫度與SAMs修飾基板之電性 64
表3-7 Sm2O3元件在不同退火溫度與SAMs修飾基板之電性 70
表3-8 CN-SAMs修飾下不同元件之電性比較 71
表3-9 Y-SAMs修飾下不同元件之電性比較 71

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