第四章 實驗結果與討論
4.4 雙層結構在不同介電層上的表現
由由前面的討論得知PVCN 與 PTCDI-C8 有機材料間有不匹配的問題，且不同介電 層上的N 型通道電性比較也得到印證，然而 PVCN 對於 pentacene 來說卻是一個不錯的 介電材料。因此雙層結構將先蒸鍍pentacene 後再蒸鍍 PTCDI-C8，藉由 pentacene 修飾 PTCDI-C8 以期達到無遲滯效應的 ambipolar OTFTs。由於在 PVCN 介電層上會增強 N 型與P 型通道的電性，尤其是 P 型電性，因此有機半導體的膜厚並不需要太厚，pentacene 與PTCDI-C8 的膜厚分別僅需要 5 nm 和 30 nm 即可達較為匹配的 P 型與 N 型電性之雙 載子傳輸特性。
然而在 PVCN 介電層上 5 nm 厚的 pentacene 之 P 型電性仍然強過 30 nm 厚的 PTCDI-C8 之 N 型電性，如圖 4-12 之 PVCN 介電層上電性所示，其在 ID-VD與ID-VG圖 上都可以明顯發現P 型電性強過 N 型電性許多。由圖 4-12 不同介電層的電性比較可以 發現，大氣環境下的雙層結構在SiO2介電層上仍無法呈現N 型通道電性，經過 PMMA 與PVCN 介電層的修飾後即可以呈現 N 型通道的電性，而且 PVCN 介電層上的電性遠 較PMMA 介電層上的好。從 ID-VD圖的電流可以發現，當VG = -60 V 時，PVCN 上的 P 型飽和電流高達2.2x10-5 A，而 PMMA 上的 P 型飽和電流僅達 5x10-7 A；當 VG = 60 V 時， PVCN 上的 N 型飽和電流高達 7x10-6 A，而 PMMA 上的 N 型飽和電流僅達 3x10-7 A。
-60 -40 -20 0 20 40 60
圖 4-13 是雙層結構 ambipolar OTFTs 第一層 pentacene 與堆疊在第二層 PTCDI-C8 的AFM 表面型態。從第一層 pentacene 的表面型態可以發現，不同介電層上的 pentacene roughness (Ra)大小為 PMMA > SiO2 > PVCN，其中 pentacene 在 PVCN 上的薄膜連續而 平整，其Ra 僅 0.32 nm 與塗佈 PVCN 介電層後的 Ra 幾乎一樣，如圖 4- 3 所示，良好 的成膜性可以解釋PVCN 介電層上 P 型電性會特別高的原因。而 SiO2與PMMA 介電層 上的 pentacene 晶粒較為大顆，但與 PVCN 上的 pentacene 薄膜相較之下卻也不平坦許 多，SiO2上有晶粒不連續而深的裂縫，推測其黑色的裂縫即為SiO2表面，Ra 為 1.85 nm。
因為SiO2表面在大氣環境下會與水、氧產生電子缺陷[63]，因此裸露的 SiO2表面可能是 造成N 型通道無法呈現的原因；而 PMMA 上的 pentacene 晶粒連續但是表面的峰谷起伏 較大，Ra 為 1.86 nm。
第二層PTCDI-C8 的表面型態可以發現，不同介電層上的 PTCDI-C8 roughness (Ra) 大小為 PMMA > SiO2 > PVCN，推測底層 pentacene 薄膜的平整度對沉積在上面 PTCDI-C8 的結晶度造成影響，因此第二層 PTCDI-C8 的 Ra 趨勢與第一層 pentacene 的 Ra 趨勢相同。三種介電層上的 PTCDI-C8 皆有棒狀結晶顆粒且表面上有圓形顆粒狀的雜 質，尤其是 PMMA 上圓形顆粒狀的雜質幾乎完全散布蓋過下面的 PTCDI-C8 棒狀結晶 顆粒，可能會造成沉積電極時的接觸電阻大增，其Ra 為 10.3 nm；SiO2上圓形顆粒狀 的雜質較少，PTCDI-C8 的棒狀結晶可以看到明顯，但結晶顆粒並沒有非常均勻的散布，
可以看到結晶顆粒間有顏色較深的谷，代表有些地方比較少 PTCDI-C8 的棒狀結晶顆 粒；PVCN 上圓形顆粒狀的雜質亦也不多，且與 PMMA 上的 PTCDI-C8 棒狀結晶分佈 相較下，其分佈較為均勻、平坦，沒有顏色較深、較少結晶顆粒的谷，其Ra 為 3.74 nm。
Pentacene on SiO2
Pentacene on PMMA
Pentacene on PVCN
Top PTCDI-C8
Ra~0.32nm
Ra~10.3nm Ra~1.86nm
Ra~1.85nm Ra~4.31nm
Ra~ 3.74nm
圖4-16 雙層結構中，底層的 pentacene 與上層的 PTCDI-C8 分別在 SiO2、PMMA、PVCN 介電層上的 AFM 圖。
圖4-14 是大氣環境下，綜合比較不同介電層上的元件在 VG = ± 60 V 時的 ID-VD與 ID-VG電性圖。從圖中的ID-VD或ID-VG圖中可以發現不管是P 型或 N 型電性，PVCN 介 電層上 ambipolar OTFTs 的導通電流皆比 SiO2、PMMA 介電層上的導通電流還要高。
PMMA 介電層上 ambipolar OTFTs 的 P 型和 N 型電性比 PVCN 介電層上 ambipolar OTFTs 的P 型和 N 型電性還匹配，但是電性相較之下卻差很多，推測是有機半導體層膜厚太薄 使電性表現不佳。
表4-5 是大氣環境下，不同介電層上雙極性電晶體的電性數據比較。由表中可以看 到，雙極性電晶體在PVCN 介電層上的有機半導體層 pentacene 僅厚 5 nm 與 PTCDI-C8 僅厚30 nm，其 N 型與 P 型的 mobility 即可以達到 0.048 cm2/Vs 與 0.060 cm2/Vs，而臨
界電壓為 22 V 與 -3 V，遲滯僅 0.5 V 與 0.3 V。有機半導體層在相同的膜厚下，其元
Ambient condittion Mobility (cm2/Vs) Vt (V) Hysteresis (V)
SiO2 - - -