實驗儀器

第三章實驗架構

3.2 實驗儀器

中文名稱 (英文名稱)

廠牌型號 用途

真空烘箱(Vacuum Oven) Yield Engineering

Systems, YES - 5 蒸鍍HMDS

旋轉塗佈機(Spin coater) Chemat Technology,

KW-4A 修飾層之旋轉塗佈

熱蒸鍍機

(Thermal coater) ULVAC, CRTM-6000 蒸鍍pentacene、金和鋁

電流-電壓量測機台

(I-V parameter analyzer) Keithley 4200 量測元件基本電性原子力顯微鏡 (Contact angle)

Kruss Universal

Surface Tester, GH100

量測薄膜表面的接觸角與表面能

電容-電壓量測機台 HP4284A 量測元件電容值和電容電壓特性曲線

3.3 原子力顯微鏡操作步驟及原理：

一、雷射光束對位：

旋轉雷射模組(圖 3.3)上方的兩顆旋鈕，改變雷射光源的位置，使雷射光點照射於懸臂頂點（如圖3.4 中橢圓紅色光點的位置）。此動作會直接影響 SUM 值，

當光點落在懸臂頂點時，理論上應有最大的SUM 值。Tapping mode 的 SUM 值只須大於2 即可。

圖 3.3 原子力顯微鏡的雷射模組

圖 3.4 雷射光點位置示意圖

二、樣品放置、防震系統、載台移動：

1、樣品放置：可用雙面膠黏樣品，或貼兩條膠帶於樣品兩側。

2、防震系統：開氮氣使載台浮起，避免外界震動而使儀器共振，影響 AFM 量測精確。

3、載台移動：（surface focusing）

將雷射光點對到樣品上欲量測的位置，注意移動時樣品的高度，不能撞到鏡頭。接著將鏡頭降落（注意移動滾輪時只能用掌心動）。

三、光學顯微鏡對位：（tip focusing）

首先把針對清楚，接著將十字的中心對到針的前端中央。（此舉為將 CCD 所看到的位置調到針所掃的位置，使得CCD 看到的跟掃的位置是相同的。）

四、樣品表面或探針反射影像對位：（surface focusing）

五、震動頻率校正：

按 Auto tune 白色曲線為震動頻率曲線，黃色曲線表示相位，中間值表示共振頻率。

六、下針前的參數還原：

scan size 1um aspec ratio 1:1 x offset 0 nm y offset 0 nm scan angle 0 scan rate 1 Hz

samples/line 256 Lines 256

Integral gain 0.6 Proportional gain 0.6 Scan size 最大不要超過 30um。

儀器最佳的resolution 為 100nm~800、900nm。

Drive amplitude(給針的驅動電壓)最好小於 200mV。否則當表面起伏很小時，則表面形貌會模糊掉。

七、下針後的注意事項：

1、scan size 越大則 scan rate 要越慢。

2、將 trace 和 retrace 的線重合，這樣量到的圖形才是正確的，可以調的值為：IG、PG、Amplitude setpoint、scan rate、scan size。

3、Amplitude setpoint 值越小表示針壓越大(tapping mode 適用)

4、Integral gain and Proportional gain:對於樣品距離的回饋，如果樣品側示圖有很多的小 peak 代表太靈敏則 IG and PG 的值要調小，假如曲線很平緩則代表太不靈敏則 IG and PG 的值要調大。

第四章實驗結果與討論

4.1 介面修飾對元件V

_to

和V

_FB

的影響

本實驗是利用不同的有機材料修飾基板，包含PVP、PMMA和HMDS三種，

利用介面修飾改變基板表面的特性，進而影響了元件(device)的特性曲線(ID-Vg)，

如圖 4.1 所示。由圖我們可以發現經過不同修飾的元件，電晶體啟動的電壓不同 (turn-on voltage，Vto)，Vto即是指電流呈指數上升時外加的閘極電壓值。元件開啟順序分別是PVP、SiNx、HMDS，最後開啟的是經由PMMA修飾的元件。ID-Vg的

n

⁺⁺

Si SiN

Polymer-treated layer

pentacene

n

⁺⁺

Si SiN

Polymer-treated layer

pentacene

圖 4.2 量測I_D-V_g的元件結構圖

量測電容的結構是使用金屬-絕緣層-半導體的結構，此結構稱為 MIS 結構 (metal insulator semiconductor)，如圖 4.3 所示。

n

⁺⁺

Si SiN

Polymer-treated layer

pentacene Al

圖 4.3 量測 C-V 的 MIS 結構圖

電容的特性曲線(C-V)，如圖 4.4 所示，我們定義VFB(flat band voltage)為電荷受到吸引開始填補捕捉陷阱的電壓值，隨著基板表面修飾材料不同，VFB也隨著改變。由圖4.4 可觀察出VFB的變化趨勢跟Vto是一樣的，但是元件VFB和Vto值的差值是不同的。C-V的曲線是閘極(Vg)從+20V掃到-20V，而集極端(VD)是維持接地的狀態，頻率是1kHz，交流電壓是 25mV，由於C-V曲線在-20V時電容已沒有變化，所以沒有繼續增加偏壓。

我們將不同修飾元件的VFB、Vto值以及差值整理在表 4.1 中，推測造成此現象的原因是陷阱捕捉(trap density)密度的改變。

-20 -10 0 10 20

4.2 陷阱捕捉(trap density)

由圖 4.4 我們可以計算出從載子開始被吸引填補捕捉陷阱到元件可以啟動所需要的電荷總量，計算方式如圖4.5 所示。圖中兩條虛線相交的點即為VFB，此篇論文中的VFB都是利用相同的方法定義出來的。

V

Capacitance(F)

V

(V)

圖 4.5 C-V 示意圖

圖4.5 中的粗實線是代表Vg=Vto的直線，由這三條線在加上C-V曲線，所圍起來的區域大小定義為電晶體開啟之前所必須填滿捕捉陷阱的總電量，也就是圖上畫斜線的面積。計算的結果整理在表4.2 中，表中Vto即是由I-V曲線定義出來的，

而不可以移動的電量則是利用圖 4.5 所表示的斜線區域面積大小計算得到的結果，因為載子是填補捕捉陷阱，所以我們稱呼為被捕陷電量(trapped charges)。VFB

在圖4.5 當中也有描述，VFB-Vto是電荷從開始填補捕捉陷阱到電晶體開啟的電壓差值。因此VFB與Vto之間的差異越大，則被捕陷的電荷越多，這表示基板經由不

同材料修飾後，整體捕捉陷阱數目改變。

表 4.2 不同修飾的元件參數值

V_to(V)

被捕陷的電荷 (庫倫)

V_FB(V) V_FB-V_to

SiNx 0 8.91 × 10^-9 10.55 10.55 SiN_x+HMDS -2 1.08 × 10^-8 9.43 11.43 SiN_x+7nmPMMA -4 4.16 × 10^-9 2.29 6.29 SiN_x+2~3nmPVP 2 7.00 × 10^-9 12.14 10.14

由圖 4.5 計算出陷阱捕捉的總電量後，我們必須更詳細的定義出捕捉陷阱所在的區域。捕捉陷阱可以分成晶粒內部和晶粒邊界(grain boundary)兩部份來探討。

4.3 晶粒內部

我們利用 X 光晶格繞射來判定五環素成長在不同修飾層的晶格排列的狀態，蒸鍍厚度600 Å，結果如圖 4.6 所示。

5 10 15 20 25 30

log (intensity)

(005') (004')

(003') (002')

(001')

PMMA

PVP

HMDS

SiN

2θ

圗 4.6 五環素成長在不同修飾層的 X 光繞射圖，五環素厚度 600 Å。

五環素成長在不同修飾的介面上厚度600 Å，經 X 光晶格繞射的結果，由圖 4.6 可以發現在這四種介面上成長的五環素都只有單一種相就是 thin-film phase[40]。在強度上的表現，由圖 4.7 可以發現第二繞射峰強度上的表現以 PMMA 最強，PVP 次之，緊接著是未修飾的，強度最弱的是經 HMDS 修飾的元件，而選擇第二繞射峰的原因是由於掃描角度在十度內會包含儀器造成的誤差。

11.00 11.2 11.4 11.6 11.8 500

1000 1500 2000 2500 3000

in te n s it y

2θ

SiN_x HMDS PVP PMMA

圖 4.7 第二根繞射峰放大的圖形

我們推測五環素的排列整齊度較差，會導致陷阱捕捉的數量變的較多，我們將X 光晶格繞射第二根繞射峰的強度與表 4.2 陷阱捕捉數量對照，將數據整理在表4.3，可發現 X 光繞射結果強度越弱的，五環素排列越混亂，捕捉陷阱也越多。

表 4.3 X 光繞射強度與捕捉陷阱數目整理

Intensity(強度) 被捕陷的電荷(庫倫) SiNx 1807 8.91×10^-9

SiN_x+HMDS 1490 1.08×10^-8 SiN_x+7nmPMMA 2457 4.16×10^-9 SiNx+2~3nmPVP 2308 7.00×10^-9

4.4 晶粒邊界

五環素沉積在基板上，平行基板的方向跟垂直方向的成長是互相獨立的，為了進一步了解晶粒邊界對於捕捉陷阱的影響，我們將晶粒邊界分成X-Y 平面與 Z 方向兩部分來討論

4.4.1 Z 軸方向

我們引入 sherrer equation 計算晶粒大小，由公式計算得到的數值是代表 (001＇)方向的晶粒高度，也就是 Z 軸方向。

Sherrer equation：

θ

表 4.4 不同修飾 Z 方向晶粒大小

Grain size(Å)

SiN_x 362.94

SiN_x+HMDS 362.94

SiN_x+7nmPMMA 385.75

SiN_x+2~3nmPVP 341.22

4.4.2 X-Y 平面-五環素厚度 100 Å

利用原子力顯微鏡量測五環素的表面形貌，五環素厚度是100 Å，量測結果 如圖 4.8 所示，由於目前沒有比較好分析晶粒大小的方式，雖然原子力顯微鏡有內建程式可以計算晶粒大小，但是由於五環素的晶粒形狀較特殊有樹枝狀跟塊狀，程式在分析上明顯有誤差，於是我們仿造內建程式的寫法，設定一個基準面，

分析在基準面上的狀況。

我們用來分析的軟體是 MATLAB，利用 MATLAB 程式分析晶粒邊界的長度，將數據整理在表4.5。

表 4.5 五環素厚度 100 Å 的邊界長度

啟動電壓(V) 邊界長度(/um)

SiN_x 0 8.8

SiNx+HMDS -2 9.7

SiN_x+7nmPMMA -4 10.1

SiN_x+2~3nmPVP 2 8.6

將邊界長度和啟動電壓做比較，可以發現邊界長度越短的元件會越早開啟，

這是因為載子在傳輸的過程當中，通過的晶粒邊界越少，則載子被捕捉的機會也會減少。

(a) (b)

(c) (d)

圖 4.8 厚度 100 Å的五環素表面形貌。 (a) SiN_x的元件、(b)經HMDS修飾、(c)經 PMMA修飾、(d)經PVP修飾。[面積大小 1.67um*1.67um]

4.4.3 X-Y 平面-五環素厚度 600 Å

利用原子力顯微鏡量測五環素的表面形貌，製作成元件的五環素厚度是 600Å，量測結果如圖 4.9 所示。我們同樣使用 MATLAB 程式分析，將分析結果列在表4.6 中，發現邊界長度較短的元件，較容易啟動，而邊界長度較長的捕捉陷阱也較多，造成元件啟動較晚，此結果與薄的五環素得到的趨勢是相同的。

表 4.6 五環素厚度 600 Å 的邊界長度

啟動電壓(V) 邊界長度(/um)

SiNx 0 19.37

SiN_x+HMDS -2 21.2

SiN_x+7nmPMMA -4 23.44

SiNx+2~3nmPVP 2 18.36

(a) (b)

(c) (d)

4.9 厚度 600 Å的五環素表面形貌。 (a) SiNx的元件、(b)經HMDS修飾、(c)經 [面積大小 5um*5um]

圖

PMMA修飾、(d)經PVP修飾。

4.5 影響晶粒邊界的因素

面滴三種溶液（water, diiodo-methane, ethylene glycol），利用CCD 鏡頭拍攝畫面，

使用tangent 的方法求得液滴跟基板的夾角，數據列在表 4.7 中，而表 4.8 是列出接觸角量測儀的三種液滴特性。

表 4.7 將不同修飾的表面特性整理成表 Diiodo-

Methane Water Ethylen glycol

過PVP修飾的基板擁有比五環素大的表面能，所以基板表面會被五環素鋪滿，長

圖 4.10 (a)經HMDS和PMMA修飾的晶粒類似島狀結構、(b)SiN_x和經PVP修飾的 晶粒類似層狀結構。

表 4.8 接觸角量測儀三種液滴的特性

Density Viscosity Surface tension

Disperse

part Polar part

Water 1 1 72.8 26 46.8

Diiodo-Methane 3.33 2.76 50.8 44.1 6.7 Ethylen glycol 1.11 21.81 47.7 26.4 21.3

4.5.2 修飾層表面粗操度

有文獻指出表面粗糙度會影響晶粒大小，表面越粗糙則晶粒會越小。上一節利用表面能判定出五環素成長的方式可分成島狀跟層狀，此節近一步引入表面粗操度分析。利用原子力顯微鏡掃描修飾層的表面，藉此可看出成長五環素之前的表面形貌，結果如圖4.11 所示。

(a) (b)

(c) (d)

圖 4.11 (a) SiN_x的元件、(b)經HMDS修飾、(c)經PMMA修飾、

(d)經 PVP 修飾。[面積大小 5um*5um]

將圖 4.11 利用原子力顯微鏡內建的程式分析表面粗糙度，將數據列在表 4.9 中，從數據可發現的看到PMMA表面比HMDS粗操，所以五環素沉積在PMMA的晶粒又比HMDS來的小，也就是說晶粒邊界在PMMA的元件會比HMDS長；而SiNx

也比經PVP修飾的基板來的粗糙，所以五環素成長在SiNx表面的晶粒就比成長在經PVP修飾的表面小，PVP修飾的元件晶粒邊界就會比SiNx少。

表 4.9 不同修飾的表面形貌粗糙度與介面的最大捕捉陷阱數目關係表

RMS(nm) Vto(V) 邊界長度(/um)

SiN_x 0.401 0 19.37

SiN_x+HMDS 0.321 -2 21.2

SiN_x+7nmPMMA 0.463 -4 23.44 SiNx+2~3nmPVP 0.311 2 18.36

先使用表面能判定五環素成長的方式，五環素成長在PVP和SiNx都是層狀結構，所以在X-Y平面有較大的晶粒，又因為SiNx的表面比PVP粗操導致晶粒比較小，所以PVP的元件有比SiNx短的晶粒邊界長度；而五環素成長在PMMA和HMDS 是島狀結構，在X-Y平面的晶粒較小，又因為PMMA的表面很粗糙，導致五環素成長在PMMA的表面晶粒更小，所以PMMA的元件有較長的晶粒邊界長度。

第五章結論

用不同材料修飾改變基板表面特性，由X 光晶格繞射來判定五環素在排列上並無相變化的產生，但在電性上則有明顯的變化。以電流電壓曲線和電容電壓曲線互相比較，發現電晶體開啟順序和電荷開始累積的順序是ㄧ樣的，但是數值上

在文檔中介面修飾對有機薄膜電晶體元件特性之影響 (頁 46-0)

第三章 實驗架構

3.2 實驗儀器

3.3 原子力顯微鏡操作步驟及原理：

第四章 實驗結果與討論

4.1 介面修飾對元件V

和V

的影響

n

Si SiN

Polymer-treated layer

pentacene

n

Si SiN

Polymer-treated layer

pentacene

n

Si SiN

pentacene Al

4.2 陷阱捕捉(trap density)

V

V

Capacitance(F)

V

(V)

4.3 晶粒內部

5 10 15 20 25 30

log (intensity)

PMMA

PVP

HMDS

SiN

2θ

in te n s it y

4.4 晶粒邊界

θ

4.5 影響晶粒邊界的因素

第五章 結論

第三章實驗架構

第四章實驗結果與討論

第五章結論