第三章 實驗結果與討論
3.5 下接觸式電極元件效能提升
我們在前面實驗結果中已經驗證到，以改良後的取代基-OCF3 為主的傳電子型有機半導體材料，可以有效的提升下接觸式電極元件 結構的效能。對於有機薄膜電晶體而言，有機半導體材料的選用實為 其中一項重要的研究，但在元件效能提升上，實驗上也可透過元件本 身電極的選用來達成。所以，實驗上我們設計將就這兩項重點，進一 步提升有機薄膜電晶體的效能。
如圖 3-23 所示，我們將NTCDI-OCF3再一次進行材料的改良，
利用擁有更大中心共軛主體的PTCDA結合-OCF3，合成出PTCDI-CF3
這個有機傳電子材料。
圖 3-23 PTCDI-OCF3材料化學結構與電晶體元件結構圖
主要由於有機半導體材料中，電荷主要是透過分子結構中的共軛系統 作為傳遞的途徑，加大的共軛系統將更有力於電荷傳遞效率。元件結 構的選擇上仍是以量測下接觸電極元件結構為主，但仍會先製作在上 接觸式電極元件結構之上以利比對過去文獻。如圖3-24，
圖 3-24 上接觸式電極元件特性（PTCDI-OCF3）
應用於上接觸式電極元件時，其電晶體電子傳輸速率為0.09~0.15 cm2 V-1 s-1、元件電流開關比為105、元件臨界電壓為1.3 V。同時我們也 將元件靜置於一般大氣條件之下長達 50 天再量測其電晶體特性，發 現元件的電子傳輸率約下降至0.05~0.08 cm2 V-1 s-1。對於無任何覆蓋 保護層的傳電子型有機薄膜電晶體而言，特性下降的程度不大且所有 量測皆是在一般大氣條件之下，是有利於成為穩定的有機半導體材 料。同樣的，我們也將PTCDI-OCF3這個有機傳電子型材料製作在下
接觸式電極元件結構之上，實驗上也選用兩組不同的金屬材料（ITO、
MoW）作為電晶體汲極與源極的電極材料。金屬電極的選用單純就 以一般半導體製程中可以製程的材料，原因是在於元件的最終目的，
仍是希望有機薄膜電晶體是可以適用在實際應用的電子元件之中。實 驗結果如圖3-25 所示，
圖3-25 PTCDI-OCF3之下接觸式電極元件特性圖
以ITO為主的下接觸式電極元件結構，其電晶體電子傳輸速率為 3.37
10-2 cm-2 V-1 s-1、元件電流開關比為 6.5 105、元件臨界電壓為-4 V。
而以MoW為主的下接觸式電極元件結構經過計算後，元件電子傳輸 速率為1.11 10-2 cm-2 V-1 s-1、元件的電流開關比為2.1 105、臨界電 壓為1.3 V。兩種金屬材質的有機薄膜電晶體，其表現出的元件效能 皆為一般文獻之中的水準之上，這也驗證了以-OCF3為主的強拉電子
取代基，不僅是可以套用在不同的共軛結構之上，對於元件的匹配 性，這類的有機分子結構也可以應用在不同金屬電極之上。 除了初 步元件量測之外，我們也將製作的元件置於真空下和一般大氣條件下 作元件的連續電壓測試，來檢視有機元件的穩定度。圖 3-26 為 PTCDI-OCF3為主的有機薄膜電晶體元件置於一般大氣條件下所進行 的連續電壓測試。
圖3-26 PTCDI-OCF3為主的有機薄膜電晶體連續電壓操作測試（一般 大氣條件下）
而圖3-27 則為將元件置於真空下所做的連續電壓操作結果。
圖3-27 PTCDI-OCF3為主的有機薄膜電晶體連續電壓操作測試（真空 環境下）
觀察兩種不同環境下所進行的元件量測結果發現，電晶體在經過連續 電壓操作的測試後，元件的輸出電流都會下降，而以下降的幅度來 看，真空下操作時元件輸出電留下降幅度較小。這說明了有機的電子 元件，尤其是傳電子型的有機半導體材料，對於空氣之中的水氣或是 氧氣都是敏感的，元件在水氧較少的環境之下，其穩定性是會比較高 的。另外，電晶體另外一個重要的效能即是臨界電壓的飄移，其主要 原因是來自於有機半導體層與無機介電層之間的介面問題所致，所以 不論是在空氣之中或是真空環境之下連續操作元件，都會產生臨界電
壓飄移的現象。綜合上述實驗結果，將有機半導體材料以較大共軛主 體的PTCDI-OCF3之電晶體，是可以成功提升元件的電子傳輸速率，
也驗證了之前所提到，增大共軛平面的分子結構是可以更有效率的提 升電子傳輸速率。
除了利用加大的共軛平面分子來提升下接觸式電極元件效能 外，我們無過去文獻中也瞭解到不同金屬的電極材料，也會與有機導 體間產生不同的傳輸能階，所以實驗上，我們以NTCDI-OCF3這個有 機材料為主，嘗試改變金屬電極達到提升元件效能的目的。圖 3-28 為有機分子化學結構與元件結構圖。
圖3-28 有機材料化學結構與元件結構圖
如圖，元件以玻璃為基板，ITO 為閘極電極，二氧化矽為元件介電層，
汲極與源極的選用上，仍以一般半導體製程中所經常使用材質，本實 驗為選用 Mo、ITO 和 MoW 三種不同金屬材料。圖 3-29 為 MoW 為
主的電晶體元件特性圖，
圖 3-29 MoW 為主的下接觸式電極元件結構電性圖
經過計算之後，電晶體電子傳速率為1.01 10-2 cm-2 V-1 s-1、元件電 流開關比為1.3 105、元件臨界電壓為 10.6 V。而圖 3-30 為以ITO為 主的下接觸式電極元件特性圖。
圖 3-30 ITO 為主的下接觸式電極元件結構電性圖
經過計算後，得到元件傳電子速率為1.09 10-2 cm-2 V-1 s-1、元件電 流開關比為2.1 105、元件臨界電壓為5.7 V。最後選用的電極材質 為Mo，其元件特性如圖 3-31 所示，
圖 3-31 Mo 為主的下接觸式電極元件結構電性圖
計算之後得到元件電子傳輸速率為3.58 10-2 cm-2 V-1 s-1、元件電流 開關比為5.2 105、元件臨界電壓為1.3 V。表三為三種不同電極元 件的特性值。
表三 不同電極材質之下接觸式電極元件特性值
不同金屬電極代表著擁有不同功函數值，而對於傳電子型的有機半導 體 材 料 而 言 ， 因 傳 遞 電 子 的 能 階 主 要 是 在 於 最 低 未 填 滿 軌 域
（LUMO），故理論上而言，擁有較低的金屬功函數的電極材料是比 較適合傳電子型有機材料。如圖3-32 所示，
圖 3-32 金屬電極與傳電子型有機半導體材料相關能階圖
由於 Mo 金屬電極有較低的金屬功函數值，故以元件量測結果相比 對，電晶體特性無論是電子傳輸速率、電流開關比或是元件臨界電 壓，都比其它兩種金屬電極為主的元件佳。其中以最明顯的臨界電壓 值來看，因為Mo 金屬電極與有機半導體之間的能障是最小，所以電 晶體所需驅動的電壓也不需因過大的能障而變大，僅需1.3 V 即能驅 動電晶體。而由實驗結果也驗證出改變元件電極材料，也可以成功提 升元件特性。