第三章 實驗結果與討論
3.2 傳電子型有機薄膜電晶體元件特性
文獻上，無論是傳電動型或是傳電子型有機半導體材料，過 去的研究多針對於有機分子特性上的開發。所以搭配的有機薄膜電晶 體元件的選擇上就較為單一，大多只是針對上接觸式電極元件結構做 改良。但也如前言所述，上接觸式電極的元件結構並非有利於有機薄 膜電晶體實際應用在產品之上。而下接觸式元件結構又因為本身跟有 機半導體材料有匹配性的限制下，以過去發表文獻中，僅有Yoo的研 究 團 隊 發 表 在 2006 年 “Applied Physics Letters” 上 所 開 發 出 以 PDI-8CN2為主的下接觸式電極有機薄膜電晶體。但此元件僅在真空 下量測電晶體特性，且電晶體本身有電流開關比過小的缺點。鑑於 此，本論文中針對傳電子型有機半導體材料進行化學結構改良，並著 重於下接觸式電極元件結構開發，來提高有機薄膜電晶體的實際應用
性。
本論文電晶體的元件測試實驗中，因應跟過文獻比對的需 求，會同時將合成出的傳電子型有機材料製作在上接觸式電極元件結 構之上，一方面可以與過去文獻相對應，另一方面則可以清楚瞭解有 機材料於兩種不同元件結構形式中的特性差異。如此，實驗上先將過 去文獻中最常使用的傳電洞型有機材料（pentacene）製作在我們自身 製程的元件之上，以瞭解元件是否有達到一般文獻上的水準。如圖 3-2 所示，
圖3-2 Pentacene 有機薄膜電晶體元件特性圖
以pentacene製作出的上接觸式電極元件，經過量測計算後，得到元件 的電荷傳輸速率為0.28 cm2 V-1 s-1、元件電流開關比為105、元件臨界 電壓為-0.3 V。此一元件特性在過去文獻所發表相關數據中，已是屬
於所有元件特性的平均值之上，代表對於實驗室所製作出的有機薄膜 電晶體元件，其效能是沒有問題的。而由於本論文中所使用的傳電子 型有機小分子材料皆為實驗室自行合成，除了化學結構鑑定無誤外，
我們也嘗試將文獻中已發表的傳電子型材料NTCDI-CF3製作在我們 的上接觸式電極元件結構之上，如圖3-3 所示，
圖3-3 NTCDI-CF3有機薄膜電晶體元件特性圖
以NTCDI-CF3 為主的上接觸式元件有機薄膜電晶體，經過量測計算 之後，得到電晶體元件的電荷傳輸速率為0.1 cm2 V-1 s-1、元件電流開 關比為105、元件的臨界電壓為-10 V。藉由得到的電性量測結果去比 對Katz研究團隊所發表的元件特性，發現電晶體的電性幾乎是相同 的，這也明顯的驗證出，實驗室自行合成有機傳電子型的這類小分子 材料，的確是跟過去文獻中所發表的結果相一致，也更確定了本實驗
的準確性。基於前置的對照實驗後，我們隨即將合成出新化學結構的 有機傳電子型材料NTCDI-OCF3導入電晶體元件之中。相同的，實驗 上也先將有機半導體材料製作成上接觸式電極元件結構，以方便與過 去文獻中元件特性相比對。由於NTCDI-OCF3這個有機半導體材料屬 於新開發的有機材料，元件製作之前需先驗證出最佳的蒸鍍條件。實 驗上會變換蒸鍍時不同的基板溫度得到適合的有機分子排列，同時也 藉由元件特性表現，找出最佳化的元件製作條件。如圖3-4 所示，
圖3-4 不同基板溫度對應元件的電荷傳輸速率
從實驗中可以很明確的視出當基板溫度為 40C 時，元件得到的電子 傳輸速率為最高，詳細的元件特性如表一所示：
表一 基板溫度與元件特性：
在得到相關最佳製程條件之後，我們將NTCDI-OCF3製作成上接觸式 電極有機薄膜電晶體。如圖3-5 所示，
圖 3-5 NTCDI-OCF3有機薄膜電晶體元件特性圖
元件ID-VG圖係閘極施加由-40 V到 50 V，汲極電壓固定為 50V得到 電晶體ID-VD圖。另外汲極施加由 0 V到 50 V，閘極分別施加一特定 電壓（0, 10, 20…50 V）得到電晶體元件ID-VD圖。經過量測計算後，
以NTCDI-OCF3為主的傳電子型有機薄膜電晶體之電子傳輸速率為 0.08 cm2 V-1 s-1、電晶體電流開關比為105、元件臨界電壓為-4.3 V。
其元件特性以上接觸式電極元件來說，雖然無過去文獻上所發表的其 他材料特性來得佳，但皆已達一定水準。
由於本論文著重於下接觸式電極元件開發，故隨即將所有材 料導入製程之中，比較之間的差異性。圖3-6 為NTCDI-CF3製做成上 接觸式電極與下接觸電極元件結構的電性比較圖，
圖3-6 NTCDI-CF3上接觸式電極與下接觸式電極元件特性
上接觸電極得元件特性已於前段所描述，並且得到一個不錯的電子傳
輸速率為0.1 cm2 V-1 s-1。反觀將NTCDI-CF3這個有機材料製做成下接 觸電極電晶體時，相同的半導體材料所呈現出來電晶體特性卻下降很 多。經過量測計算後，下接觸式電極元件得到的電子傳輸速率為9 10-4 cm-2 V-1 s-1、元件電流開關比為 10-4、電晶體臨界電壓為11 V。
也如同過去文獻中所描述，即使為同樣的有機半導體材料，其會因為 使用的元件結構不同，電晶體特性也會有所差異。到目前為止，幾乎 使用下接觸式電極元件結構的有機薄膜電晶體，都面臨著特性不佳的 處境。同樣的我們將實驗室新改良出的傳電子型有機小分子材料 NTCDI-OCF3製作在兩種不同的元件結構之上，得到電晶體電性圖如 圖3-7，
圖3-7 NTCDI-OCF3上接觸式電極與下接觸式電極元件特性
上接觸式電極元件結構也已於前文中所描述，然而，實驗結果發現以
NTCDI-OCF3為主的下接觸式電極元件經過量測計算後，得到電子傳 輸速率為0.01 cm2 V-1 s-1、元件開關比為105、電晶體臨界電壓為-4.3 V。此一材料應用在下接觸式電極元件上，特性並無因為改變電晶體 元件結構而大幅下降。雖然特性還是比上接觸式電極元件特性來得較 差，但電晶體的特性已維持在相同的級數當中。以NTCDI-OCF3為主 的有機薄膜電晶體，就目前實驗結果來看，似乎可以應用在下接觸式 電極元件結構之上。即使在上接觸式電極元件結構中，NTCDI-OCF3 的材料特性不及過去文獻中Katz研究團對所發表NTCDI-CF3，但就表 二所述，
表二 NTCDI-CF3與NTCDI-OCF3在下接觸式電極元件特性
當 兩 種 材 料 製 作 成 下 接 觸 式 電 極 元 件 結 構 後 ， 明 顯 的 發 現 以 NTCDI-OCF3為主的電晶體元件特性比NTCDI-CF3提高許多。這也直
接驗證了當初實驗所提出的構想，利用改良有機物的化學結構提升下 接觸式電極元件的電晶體特性，在這個兩種元件比較當中已經非常明 確。