bi-layer Ambipolar OTFT特性探討

4.4.1 載子傳導機制

目前有不少文獻提到以pentacene為主動層材料的OTFT，加入特殊的絕緣層修飾

[49,50]

或是電極選用低功函數的金屬^[51]，也能夠操作在n-channel區域，這代表有機半導體 材料經過適當的處理就能展現雙極性的特性，而我們的Ambipolar OTFT雖然是利用兩種 不同電性的材料去製作的，理想上，電子和電洞是在不同層之間傳輸(圖4-18(a))，但難 保不是類似前述的原因，其實兩種載子是在同一層之間傳導的，為此，我們設計一個特 殊的結構(圖4-18(b))去證實我們的Ambipolar OTFT的載子傳輸路徑，確定n-channel電性 是否真的由PTCDI-C8 貢獻，而p-channel電性則是由pentacene提供。

圖4- 18 (a) bilayer 結構載子傳輸示意圖，特殊結構的(b)立體圖、(c)平面示意圖

圖4-18(b)為我們利用金屬氧化層修飾電極的結構將 pentacene 層(30nm)的通道挖空 製作 OTFT，如此一來，不管是電子還是電洞都只能在 PTCDI-C8 層(20nm)傳輸，經過 量測後(圖 4-19)，發現此元件操作在負偏壓並無 p-type 電性，但能夠操作在 n-channel 區域，這代表電子能在 PTCDI-C8 層傳導而電洞卻不行，且因為 pentacene 層沒有通道 所以沒有p-channel 電晶體的特性，因此電洞是在 pentacene 層流通的，由以上可知，我 們的Ambipolar OTFT 的載子確實在不同層傳輸。

-60 -40 -20 0 20 40 60

Drain C u rrent I

(

A)

Drain Voltage V

(V) D rain Current I

(

A)

no p-type 4-20(a)、(b)、(c)分別為測量有機 n-type(PTCDI-C8 20nm)、p-type(pentacene 30nm)與 bilayer 的MIS 結構之電容特性曲線。由圖 4-20(a)可知，在正偏壓得到的電容值為 1.193nF，等 到快接近負偏壓，突然減少到 1.136nF，然後維持此值到結束，表示 PTCDI-C8 確實只 能夠在正偏壓累積電子電荷，相同的道理，圖4-20(b)顯示 pentacene 也只能在負偏壓累 積電洞電荷，兩者皆與一般傳統MIS 結構相同，但是 bi-layer 的電容特性曲線(圖 4-20(c)) 卻有不同的現象發生，在大的正偏壓時電容值約在 1.145nF 附近，等到偏壓為 0V 時降 到最低約 1.082nF，這段電容的變化是由 PTCDI-C8 累積電子造成的，而在越大的負偏 壓時，又上升至 1.095nF，則是因為 pentacene 累積電洞所引起的，因此，bi-layer 的電 容特性曲線顯示我們的Ambipolar OTFT 確實能在正負兩種偏壓累積電荷。

-40 -20 0 20 40 1.12

1.14 1.16 1.18 1.20 1.22

Capaci tance (nF )

V

(V)

40 ---> -40 -40 ---> 40

-40 -20 0 20 40

1.16 1.18 1.20 1.22 1.24 1.26

C a pacitance (nF)

V

(V)

40 ---> -40 -40 ---> 40

(a)

(b)

圖4- 20 (a)PTCDI-C8(20nm)、(b)pentacene(30nm)的電容特性曲線，量測頻率為 100Hz

-40 -20 0 20 40

圖 4-20 (c) bilayer (pentacene(30nm) / PTCDI-C8(20nm))的電容特性曲線，量測頻率為 100Hz

圖 4-20 (c) bilayer (pentacene(30nm) / PTCDI-C8(20nm))的電容特性曲線，量測頻率為 100Hz

4.4.3 空氣穩定性 4.4.3 空氣穩定性

利用PMMA修飾SiO2基板可使以pentacene和PTCDI-C8 為主動層的Ambipolar OTFT 於大氣環境中量測，為了解它空氣穩定性(air stability)的好壞，我們將厚度最佳化的元 件(pentacene(30nm) / PTCDI-C8(10nm))作長時間量測(每隔幾天量測一次，非量測時間元 件放在乾燥箱中)，記錄於圖 4-21。由圖可知，此元件的electron mobility在十天後下降 了 40%左右，但之後以極為緩慢的速度下降，反觀hole mobility隨著元件在大氣中的時 間越長，一直持續下降，且下降幅度比electron mobility快，但pentacene本身是屬於較穩 定的材料，為此，我們製作了只有penatacene的元件(30nm)並做長時間量測，同樣記錄 於圖 4-22，發現其hole mobility下降的速度比Ambipolar OTFT的元件慢很多，接著看 pentacene (30nm)成長在PMMA與PTCDI-C8 (10 nm)上的表面形貌圖(圖 4-22)，發現兩者 的晶體形狀不太相同(前者似多邊形，後者則偏橢圓形)，而成長於PTCDI-C8 上會有類

2基板可使以pentacene和PTCDI-C8 為主動層的Ambipolar OTFT 於大氣環境中量測，為了解它空氣穩定性(air stability)的好壞，我們將厚度最佳化的元 件(pentacene(30nm) / PTCDI-C8(10nm))作長時間量測(每隔幾天量測一次，非量測時間元 件放在乾燥箱中)，記錄於圖 4-21。由圖可知，此元件的electron mobility在十天後下降 了 40%左右，但之後以極為緩慢的速度下降，反觀hole mobility隨著元件在大氣中的時 間越長，一直持續下降，且下降幅度比electron mobility快，但pentacene本身是屬於較穩 定的材料，為此，我們製作了只有penatacene的元件(30nm)並做長時間量測，同樣記錄 於圖 4-22，發現其hole mobility下降的速度比Ambipolar OTFT的元件慢很多，接著看 pentacene (30nm)成長在PMMA與PTCDI-C8 (10 nm)上的表面形貌圖(圖 4-22)，發現兩者 的晶體形狀不太相同(前者似多邊形，後者則偏橢圓形)，而成長於PTCDI-C8 上會有類

似PTCDI-C8 的雜質產生，導致水氣容易入侵，這應該就是影響Ambipolar OTFT空氣穩 定性的主因。雖然我們的元件在空氣中放置一段時間，效能會下降，但在 40 天後依然 可操作，在有關於Ambipolar OTFT的文獻中，算是有很好的表現了。

0 10 20 30 40

10^-3 10^-2 10^-1

field-effect mobilityμ (cm2 / Vs)

day

hole for ambipolar device electron for ambipolar device hole for only pentacene device

圖4- 21 空氣穩定性測試

圖4- 22 pentacene (30nm)成長在 PMMA 與 PTCDI-C8 (10 nm)上的表面形貌