I-Shou University Institutional Repository:Item 987654321/18723

具堆疊介電層五苯環紫外光電晶體之研究

The study of pentacene-based ultraviolet

phototransistors with a stacked dielectric layer

研 究 生：林郁竣

指導教授：橫山明聰 教授

蘇 水 祥 教授

義守大學

電子工程學系

碩士班碩士論文

A Thesis Submitted to

Department of Electronic Engineering

I-Shou University

in

Partial Fulfillment of the Requirements

for the Master Degree

with a

Major in Electronic Engineering

July, 2015

Kaohsiung, Taiwan

Republic of China

具堆疊介電層五苯環紫外光電晶體之研究

研究生：林郁竣 指導教授：橫山明聰 教授

蘇 水 祥 教授

義守大學電子工程研究所

摘要

本研究以豬血清白蛋白(PSA)與 PMMA/SiO2為閘極介電層研製紫外光有機光 電晶體，在未照光下比較其電特性，以 PSA 為閘極介電層結構之光電晶體具飽和 電流、載子遷移率、臨界電壓分別為-28.1 µA、2.7 cm2 /Vs、-7.53 V，而以 PMMA/SiO2 為閘極介電層結構之飽和電流、載子遷移率、臨界電壓分別為-2.09 µA、0.126 cm2 /Vs、-9.2 V。經紫外光照射後，以 PSA 為閘極介電層之光電晶體特性衰退， 以 PMMA/SiO2為閘極介電層之光電晶體對應之電特性提升到-4.4 µA、0.28 cm2/Vs、 -8.4 V，故選用 PMMA/SiO2堆疊閘極介電層研究紫外光有機光電晶體之特性。 有機光電晶體製作時調變 pentacene 主動層厚度為 35、70、100 及 150 nm， 使用 10 W/ 、365 nm 紫外光光源照射光電晶體並觀察電特性，調變照射時間 探討 pentacene 主動層對於紫外光的吸收率，研究紫外光有機光電晶體之光敏值、 光響應、通道電阻。當 pentacene 主動層厚度為 100 nm 時，其光生成載子最多 使通道電阻值最低，紫外光有機光電晶體具較佳特性，其光敏值、光響應與通道 電阻分別為 3、0.21 與 1.8x106 Ω。

The study of pentacene-based ultraviolet

phototransistors with a stacked dielectric layer

Student: Yu-Chun Lin Advisors: Prof. Meiso Yokoyama

Prof. Shui-Hsiang Su

Department of Electronic Engineering

I-Shou University

ABSTRACT

In this study, alternatively using albumin from porcine serum (PSA) and poly (methyl methacrylate) (PMMA)/SiO2 as a gate dielectric layer fabricated each different ultraviolet

organic phototransistors (UV-PTs). The electrical characteristics under illumination and in the dark of UV-PTs are discussed in this study. Employing PSA as a gate dielectric layer in UV-PTs, the electrical characteristics which shows the output current (IDS) is -28.1 μA,

field-effect mobility (μ) is 2.7 cm2/Vs, and the threshold voltage (VT) is -7.53 V, respectively.

In the meanwhile, the other UV-PTs with a gate dielectric of PMMA/SiO2 show IDS is -2.09

μA, μ is 0.126 cm2

/Vs, and VT is -9.2 V. Comparing with the two devices after UV

illumination, experimental results reveal that the UV-PTs with a PSA gate dielectric is decay significantly. However, the UV-PTs with a PMMA/SiO2 gate dielectric shows IDS raising to

-4.4 μA, μ to 0.28 cm2/Vs, and VT to -8.4 V. Therefore, the study adopts PMMA/SiO2 as a

stacked gate dielectric layer to develop UV-PTs characteristics.

vary irradiating time. Moreover, the photosensitivity, responsibility and channel resistance of UV-PTs’ were characterized. When the active layer, pentacene, thickness was 100 nm, the UV-PTs had the lowest channel resistance owing to increased photo-generated carriers and demonstrated an optimized photosensitivity of 3, responsibility of 0.21 and channel resistance of 1.8 x106 Ω, respectively.

誌謝

在義守大學碩士班的這兩年來我首先要感謝橫山明聰教授以及蘇水祥教授，因為 不管是研究上、課業上、態度上甚至於生活上教授對我的照顧讓我銘記在心，從大學 部進入到碩士班，初期的態度散漫到步入軌道，教授都是一路細心的指導以及給予建 議，所以我非常感謝教授，在經過教授的教導後讓我對於未來步入職場可以更有信心。 在實驗室裏大家朝夕相處彷彿又回到了高中時的情誼，發生問題時一起討論、一 起解決；在實驗室中我要感謝許多學長姊、學弟妹，我首先要感謝文凱學長，在參加 東京研討會前時常幫我練習及檢查發表海報，在生活上也會用以經驗論述事情觀點讓 我參考，在研究上也時常幫我導正方向以及解決問題，讓我在碩士的路途上順遂，再 來我要感謝尚軒以及科霖學長，在我剛進入碩一時細心教導我實驗室規矩、組別介紹、 機台操作、機台維護，因為該組也只有我一個學弟每當我忙不過來他們還會親自幫我 完成，減輕我的工作量，雖然他們畢業了，但我論文或者實驗有問題請教他們時，他 們也會撥空跟我討論，讓我可以藉由他們的經驗扶搖直上，最後我要感謝的是進毅， 常常撥空幫我做實驗，也常在實驗中細心提醒，讓實驗更加順利。 最後我要感謝我在嘉義的家人，因為碩士較繁忙與家人見面的時間不多，有時抽 空回家，雖然聊天時間很少，但我還是能感受到他們對我滿滿的祝福以及支持，讓我 在研究上更有信心，我也希望有朝一日能成為他們的驕傲。

目錄

摘要 ... 1 ABSTRACT ... 2 誌謝 ... 4 目錄 ... 5 表目錄 ... 7 圖目錄 ... 8 第一章 緒論 ... 10 1-1 研究背景... 10 1-2 研究動機與目的... 11 第二章 基礎理論 ... 13 2-1 有機半導體簡介... 13 2-1-1 有機半導體之發展... 13 2-1-2 有機半導體傳輸機制... 13 2-1-3 有機薄膜電晶體發展... 14 2-2 有機薄膜電晶體之簡介... 15 2-2-1 有機薄膜電晶體半導體材料... 15 2-2-2 有機薄膜電晶體結構... 16 2-2-3 有機薄膜電晶體半導體與金屬接面... 16 2-2-4 有機薄膜電晶體操作原理... 17 2-3 有機薄膜電晶體之公式參數介紹... 18 2-3-1 載子遷移率(Mobility)... 18 2-3-2 臨界電壓(VTH)... 19 2-3-3 次臨界斜率(Subthreshold swing)... 20

2-3-4 開關電流比(ON/OFF current ratio)... 20

第三章 實驗設計與製作 ... 27 3-1 實驗架構... 27 3-2 實驗材料... 27 3-2-1 閘極電極(Gate)... 27 3-2-2 閘極介電層(Dielectric layer)... 28 3-2-3 主動層(Active layer)... 29 3-2-4 源極、汲極(Source、Drain)... 29 3-3 實驗設備... 30 3-3-1 旋轉塗佈機... 30 3-3-2 高真空熱蒸鍍系統... 30 3-3-3 紫外光照射儀器... 31 3-3-4 實驗量測儀器... 31

3-4 實驗步驟... 32 3-4-1 ITO 玻璃基板清洗... 32 3-4-2 UV-ozone 表面處理... 33 3-4-3 介電層溶液調配... 33 3-4-3-1 PMMA 介電層溶液調配... 33 3-4-3-2 SiO2介電層溶液調配 ... 34 3-4-3-3 PSA 介電層溶液調配... 34 3-4-4 有機半導體薄膜蒸鍍... 35 3-4-5 電極蒸鍍... 36 3-5 實驗量測... 37 3-5-1 有機薄膜光電晶體元件電特性量測... 37 3-5-2 介電層接觸角、表面能... 37 3-5-3 主動層原子力顯微儀(AFM)量測... 39 3-5-4 主動層 X-ray 薄膜繞射儀量測... 40 3-5-5 場發射掃描式電子顯微鏡(FE-SEM)量測... 40 第四章 結果與討論 ... 51 4-1 PMMA/SiO2結構對有機薄膜電晶體影響 ... 51 4-1-1 PMMA/SiO2結構經由 UV-ozone 表面處理對有機薄膜電晶體影響 .... 51 4-1-2 PMMA/SiO2結構經由 UV-ozone 表面處理對接觸角影響 ... 52 4-1-3 PMMA/SiO2結構經由 UV-ozone 表面處理對介面陷阱密度影響 ... 52 4-2 比較 PSA 與 PMMA/SiO2結構製作紫外光電晶體 ... 53 4-3 調變主動層厚度對光電流之影響... 54 4-3-1 Pentacene 主動層經由改變厚度對於有機薄膜光電晶體影響... 56 4-3-2 Pentacene 主動層材料對於紫外光吸收率的電特性影響... 56 4-4 調變主動層厚度比較光敏值對有機薄膜光電晶體影響... 57 第五章 結論與展望 ... 79 5-1 結論... 79 5-2 展望... 80 參考文獻 ... 81

表目錄

表 1-1 有機與無機薄膜電晶體之比較 ... 12 表 2-1 有機半導體與無機半導體之差異 ... 21 表 2-2 金屬與半導體接面能帶關係 ... 21 表 3-1 P 型半導體 pentacene 之特性... 41 表 3-2 一般常見金屬之功函數 ... 42

表 4-1 PMMA/SiO2結構經 UV-ozone 處理之 OTFTs 元件特性比較 ... 59

表 4-2 PMMA/SiO2結構經 UV-ozone 處理之 Dit ... 59

表 4-3 PSA 結構與 PMMA/SiO2結構黑暗下之 OTFTs 元件特性比較 ... 60

表 4-4 PSA 結構與 PMMA/SiO2結構紫外光照下之 OTFTs 元件特性比較 ... 61

表 4-5 兩結構在黑暗下與紫外光照下之 OTFTs 元件特性比較 ... 62

圖目錄

圖 2-1 有機半導體載子傳輸機制示意圖 ... 22 圖 2-2 第一個有機薄膜電晶體結構與特性圖需要 ... 22 圖 2-4 金屬-P 型半導體接觸前後情形(a)歐姆(b)蕭特基接觸 ... 23 圖 2-5 P/N 型通道的有機薄膜電晶體 ... 24 圖 2-7 累積區；VD=VS= 0 V，VG<0 ... 25 圖 2-8 飽和區；VS= 0 V，VD<VG<0 ... 25 圖 2-9 有機薄膜電晶體之輸出特性曲線圖橫軸 ... 26 圖 2-10 有機薄膜電晶體之轉移特性曲線圖 ... 26 圖 3-1 實驗規劃流程圖 ... 43 圖 3-2 有機薄膜電晶體結構圖以(a)PSA 為介電層(b)PMMA/SiO2為介電層 ... 44 圖 3-3 主動層 pentacene 分子結構圖 ... 45 圖 3-4 主動層 pentacene 薄膜排列 ... 45 圖 3-5 真空熱蒸鍍系統示意圖 ... 46 圖 3-6 紫外光照設儀器光譜圖 ... 46 圖 3-7 有機薄膜電晶體電特性量測儀 ... 47 圖 3-8 AFM(原子力顯微鏡)量測設備圖 ... 47 圖 3-9 XRD(X-ray 繞射分析儀)量測設備圖 ... 48 圖 3-10 UV-ozone(UV 光臭氧清潔)設備儀器圖 ... 48 圖 3-11 有機薄膜電晶體施加偏壓示意圖 ... 49 圖 3-12 (a)疏水性接觸角 (b)親水性接觸角 ... 50

圖 4-1 PMMA/SiO2閘極介電層結構(a)未經 UV-ozone 與(b)經 UV-ozone 處理之 OTFTs 輸出特性曲線圖 ... 64

圖 4-2 PMMA/SiO2閘極介電層結構(a)未經 UV-ozone 與(b)經 UV-ozone 處理之 OTFTs 轉移曲線圖 ... 65

圖 4-3 PMMA/SiO2閘極介電層結構(a)未經 UV-ozone 與(b)經 UV-ozone 處理之 接觸角圖 ... 66

圖 4-4 PMMA/SiO2閘極介電層結構(a)未經 UV-ozone 與(b)經 UV-ozone 處理之 AFM(原子力顯微鏡)圖 ... 66

圖 4-5 (a)PSA 閘極介電層結構與(b)PMMA/SiO2閘極介電層結構在黑暗下之 OTFTs 輸出特性曲線圖 ... 67

圖 4-6 (a)PSA 閘極介電層結構與(b)PMMA/SiO2閘極介電層結構在黑暗下之 OTFTs 轉移曲線圖 ... 68

圖 4-8 (a)PSA 閘極介電層結構與(b)PMMA/SiO2閘極介電層結構在紫外光照下

之 OTFTs 轉移曲線圖 ... 70

圖 4-9 (a)PSA 閘極介電層結構與(b)PMMA/SiO2閘極介電層結構之接觸角 ... 71

圖 4-10 (a)PSA 閘極介電層結構與(b)PMMA/SiO2閘極介電層結構之 AFM(原子力 顯微鏡)圖 ... 71 圖 4-11 (a)PSA 閘極介電層結構與(b)PMMA/SiO2閘極介電層結構沉積主動層 pentacene 之 AFM(原子力顯微鏡)圖 ... 71 圖 4-12 PMMA/SiO2閘極介電層結構之 P35 在(a)黑暗下與(b)紫外光照射下之 OTFTs 輸出特性曲線圖 ... 72 圖 4-13 PMMA/SiO2閘極介電層結構之 P70 在(a)黑暗下與(b)紫外光照射下之 OTFTs 輸出特性曲線圖 ... 73 圖 4-14 PMMA/SiO2閘極介電層結構之 P100在(a)黑暗下與(b)紫外光照射下之 OTFTs 輸出特性曲線圖 ... 74 圖 4-15 PMMA/SiO2閘極介電層結構之 P150在(a)黑暗下與(b)紫外光照射下之 OTFTs 輸出特性曲線圖 ... 75 圖 4-16 PMMA/SiO2閘極介電層結構中不同主動層厚度於黑暗下與紫外光照下之 Rch比較圖 ... 76 圖 4-17 P35、P70、P100以及 P150結構中不同主動層厚度下的 XRD 圖 ... 76 圖 4-18 P35、P70、P100以及 P150結構中不同主動層厚度下的紫外光波段吸收光譜圖 ... 77 圖 4-19 P35、P70、P100以及 P150結構中改變照射紫外光時間的飽和電流圖 ... 77 圖 4-20 P35、P70、P100以及 P150結構中不同主動層厚度的光敏值曲線圖 ... 78 圖 4-21 P35、P70、P100以及 P150結構中不同主動層厚度的光響應值曲線圖 ... 78

第一章 緒論

1-1研究背景

隨著高科技時代的快速變遷，許多高科技產業公司也相互應變，不斷的研發 符合現代生活的高科技產品，在科技來自於人性的追求下，現在的高科技產品不 外乎「輕、薄、短、小」，當達到外型受寵後就針對高效能、低汙染、省電…等 方向去研發[1]。 有機薄膜電晶體相較於無機薄膜電晶體，其低溫製程條件下(低於 200℃) 能使 有 機材 料利 用 溶 液 高溶解 度 的旋轉 塗 佈 (Spin coating) 以及噴 墨印刷 (Ink-jet printing)來製作在軟性可捲曲式塑膠基板上。使用以上的方法達到低 成本、低溫以及簡易製程。將製作的基板替換成軟板實現可繞式元件，而當基板 使用軟板取代後將可達到方便攜帶與輕量化等優勢[2-4]。 現在很多有機薄膜電晶體也漸漸往有機光電晶體發展，以利用照光在主動層 激增的光電流並加強元件對於光照的靈敏度來促成元件，如光感測器 (photo sensors)、光開關(Optical switches)、停車雷達(Parking sensor)…等[5-6]， 朝著這方面研發，相信有朝一日有機光電晶體的特性可望媲美無機薄膜電晶體， 屆時大面積、可繞式、輕 薄 短 小將隨處可見，不但降低製作成本也降低汙染， 最重要的是科技將越來越符合人性。

1-2研究動機與目的

最近幾年來各研究單位團體紛紛對有機薄膜電晶體(organic thin film transistors)進行廣泛的研究，其優點，例如: 如可捲曲性、製作成本低、低溫 製程等優勢，有機半導體材料可以在較低的溫度(低於 200℃)進行沉積，雖載子 移動率比不上無機半導體材料，但是可以實現簡易製程，有機與無機半導體的差 異如表 1-1 所示，有機薄膜電晶體除了可以製作出感測器(sensors)、射頻識辨 認（Radio frequency identification tag，RFID）、和智慧卡(Smart card)等 電子產品以外也可以往光電晶體(Phototransistors，PTS)的方向發展，元件載

子傳輸是由有機半導體層所影響，但同時有機半導體層也強烈的依賴閘極介電層， 通過選擇適合的閘極介電層材料有助於提升機薄膜電晶體的性能[7-9]，目前常 見 的 介 電 層 材 料 有 poly(methyl methacrylate)(PMMA), poly(vinyl pyrrolidone) (PVP), 絲蛋白、雞蛋白和動物血清蛋白 [10-14]。

其中本研究將半導體照射紫外光的反應以及光敏性整合研究出有機光電晶 體(organic phototransistors，PTs)，當光電晶體主動層 pentacene 的通道受 到紫外光的照射，使得有機薄膜電晶體的空乏區的載子受到光的激發產生了許多 的自由電荷，在這裡因為照射所產生的電流，可稱為光電流，有機光電晶體可以 應用在光探測器、光開關、光存儲器、測速照相和倒車雷達應用[15-20]。 本研究分別使用 SiO2介電層溶液塗布在 PMMA 介電層薄膜上以及利用豬血清 蛋白(PSA)介電層進行比較，經由照射紫外光來提升有機薄膜電晶體的光電流， 藉由具有多孔性奈米結構粒子的 SiO2在紫外光照下可以進行優異的光散射行為 [21]，使主動層能再次吸收散射回來的光能，來提升元件的光敏性進而提升最大 飽和電流，接著利用 UV-ozone 對 SiO2介電層薄膜進行表面處理，使介面更親水， 讓主動層 pentacene 在沉積時結晶性好、排列整齊能獲得較好的晶體結構以及較 大的晶粒尺寸，最後改變主動層 pentacene 的厚度進行探討。

表 1-1 有機與無機薄膜電晶體之比較

有機薄膜電晶體 無機薄膜電晶體

製程方式

溶液、蒸鍍、印刷 黃光微影、真空沉積

半導體材料

有機

半導體

非晶矽或多晶矽

製程溫度

低溫( < 200℃)

高溫( > 700℃)

基板

玻璃、塑膠

玻璃

可撓曲性

製程容易

製程困難

載子遷移率(

μ

)

高

低

大面積生產

容易(溶液製程)

困難(真空沉積)

成 本

低

高

第二章 基礎理論

2-1 有機半導體簡介

2-1-1 有機半導體之發展

近年來，有機半導體材料在許多光電元件上有了很多應用，像是有薄膜電晶 體(OTFT)、有機發光二極體(OLED)、有機太陽能電池(OSC)。有機半導體比無機 半導體有一個優勢，就是它具有延展性用來製作在軟性的基板上面，製成可撓式 塑膠基板適於大面機生產降低成本、重量輕、用於新影像技術、高解析度、更輕、 更薄的大尺寸顯示器。 在二十世紀裡，Bell Laboratories 開始計劃要研究出功能更強、更快速體 積更小的裝置取代真空管，而就是因為此激化將使第一顆電晶體被製作出來。在 1947 年的 12 月，John Bardeen、William Shockley 和 Walter H. Brattain 在 美國 Bell Laboratories 發明並測詴完成全世界第一顆電晶體[22]，由於電晶體 的發明使電子產業有爆發性的突破，成為現代電子技術的根基。在早期使用在電 晶體的材料都是以鍺(Ge)為主，隨著半導體領域發展，鍺(Ge)大部分都被矽(Si) 取而代之，因為其材料成本低廉、有著高能隙...等。

2-1-2 有機半導體傳輸機制

有機半導體分子間是以微弱的凡得瓦爾力形成鍵結，其鍵結能量在10 kcal / mol 以下，所以有機材料的載子遷移率會比無機半導體的低，因為分子間的作用 力小，所形成的能帶差大(價電帶、導電帶)進而需以高能量驅動之，所以能帶傳 輸行為並不可套用在有機半導體載子傳輸的行為。 分子內的移動：有機半導體不像是無機半導體電子被束縛在原子核上，電子

可處於非定域化的混成軌域間進而在非定域化分子雲間移動。 跳躍機制(hopping) ：一般來說幾乎所有的有機固體皆是絕緣體，但是當有 機故體所組成的分子為π共軛系統，電子會經由π電子雲重疊來移動即在不同分 子間的混成軌域來移動，有機半導體裡的電洞和電子的π鍵即為典型的電流載流 子，這就是有機半導體之所以可以導電。有機半導體之載子遷移率會隨著溫度的 變化上升，這並不如同無機半導體，原因是因為溫度的上升可以讓分子產生震動， 可以增加分子與分子間的混成軌域重疊，讓載子能以跳躍的方式來進行載子傳輸 [23-24]。有機半導體傳輸如圖2-1所示。有機半導體與無機半導體之差異如表2-1 所示。

2-1-3 有機薄膜電晶體發展

最早的場效電晶體(Field-effect transistors)在 1970 年被提出[25-26]， 幾年之後在 1976 年由 Alan J. Heeger，Alan G. MacDiarniad 與 Hideki Shirakawa 提出使用碘(Iodine)蒸氣摻雜聚乙炔(polyacetylene)，將使原本聚乙炔導電度 有著大幅提升，進而開啟有機材料作為半導體的研究契機。而第一顆有機薄膜電 晶體由 F.Ebisawa 等人首次發表，使用聚硅謎(Poly silicon mystery)作為元件 介電層，並將聚乙炔(polyacetylene)作為元件主動層，成功製作出有機薄膜電 晶體結構 [27]，其電特性如圖 2-2 所示。 在這數十年來的發展，有機薄膜電晶體被各界高度關切，是因為它可以達到 許多無機薄膜電晶體無法達到的優勢，像是低溫製成(約可在 200 以下製作)、 基板可以使用可捲曲式的基板、大面積生產、製造成品便宜、也可以使用高分子 聚合物利用旋轉塗佈或是印刷製程。但是還有許多地方需要克服，像是操作電壓 過高、穩定性差、載子移動率低；操作電壓過高則頇研究高電容高借電常數的材

瓦力結合，分子間重疊的區域很少不利於載子傳輸；無機材料是以強共價鍵讓原 子排列，原子間排列緊密使得晶格結構良好，有利於載子傳輸。若有機薄膜電晶 可以克服眾多缺點，相信可以製造出高性能且理想可量產實現於電子產品的電晶 體。

2-2 有機薄膜電晶體之簡介

2-2-1 有機薄膜電晶體半導體材料

OTFT 最重要的部分在於有機半導體材料，有機薄膜電晶體的半導體材料大 部份以P型材料居多，有機半導體材料可以區分為小分子（oligomer）、高分子 （Polymer）及有機金屬錯合物（organic metallic compound）這三類。

小分子材料(oligomer molecule)，分子量約 1,000 以下，是以真空製程熱 蒸鍍方式來成膜，其薄膜具有良好的複晶(polycrystalline)結晶體，分子具較 好的排列性也且較為整齊，其材料如：pentacene、NTCDI、C60、Oligothiophene、

Acene Molecular Material…等。

高分子材料(conjugated polymers) ，分子量約 10,000 以上，主要是以溶 液製程居多，通常是用溶劑把有機高分子(溶質)溶解掉調配成溶液，利用旋轉塗 佈(spin coating)或是噴墨印刷(ink-jet printing)的方式來進行成膜，雖然步 驟簡單、大面積成膜以及成本便宜等優點，但結晶小成膜度差，分子結晶和排列 具無排序性，則會嚴重影響主動層沉積時的排列進而影響元件特性，這仍是需改 善的重點之一，其材料如：F8T2、P3HT…等。

一般有機金屬錯合物用來作為 p-type 有機半導體材料，其製程方式以真空 蒸鍍為主。在 p-type 分子能交聯有機取代基，則會強拉電子基，使得降低最低 未佔分子軌域(LUMO)的能階能量，形成 n-type 形式的材料，其材料如： F16CuPc、

2-2-2 有機薄膜電晶體結構

有機薄膜電晶體的一般結構可以分為(a)上接觸元件(top-contact device， TOC) (b)下接觸元件(bottom-contact device，BOC) (c) 上閘極元件(top-gate device) (d)雙閘極元件(double-gate device)，其元件結構如圖 2-3 所示。而 元件基本結構可以簡單分四個部份，分別為閘極(gate electrode)、閘極介電層 (gate dielectric layer)、半導體層(semiconductor)及源極(source)與汲極 (drain) 組 合 而 成 。 目 前 有 機 薄 膜 電 晶 體 常 見 的 元 件 結 構 為 上 接 觸 元 件 (top-contact device，TOC)與下接觸元件(bottom-contact device，BOC)，上 接觸元件指的是在閘極上做介電層再沉積半導體層，最後使用金屬遮罩(shadow mask)於半導體層沉積金屬做為源極(source)及汲極(drain)，而目前金屬電極材 料多以金、銀、鋁為主。下接觸元件是完成介電層後先沉積金屬做源極(source) 及汲極(drain)再沉積半導體層。以上兩種元件結構又屬於下閘極元件，就是閘 極在半導體層下方，上閘極元件則與之相反。

2-2-3 有機薄膜電晶體半導體與金屬接面

在理想情況下，希望金屬與有機半導體之 界面能形成歐姆接觸(Ohmic contact)，因為歐姆接觸的載子所需克服的能障較小。金屬與半導體接面形態的 關係，如表 2-2 所示，其中 ΦM為金屬的功函數(work function)表示該金屬的

費米能階(Fermi level)到真空能階(vacuum level)的能量差，ΦS為半導體的功

函數定義為半導體的費米能階(Fermi level)到真空能階(vacuum level)的能量 差。

時電洞所需克服的位能障較小，為歐姆接觸形態，如圖 2-4(a)所示。當金屬的 功函數小於半導體的功函數時(Φm < Φs )，從金屬將會有電子流動進入半導體 區，是因為半導體的費米能階較低，平衡時兩者的費米能階相同，此時有機半導 體的接面電子濃度高，而形成能障，造成電洞所需克服的位能障較大，為蕭基接 觸形態，如圖 2-4(b)所示。

2-2-4 有機薄膜電晶體操作原理

正負型通道(p、n-channel):依照有機半導體的材料可以分為p型、n型兩種， 載子的移動在有機半導體內可以分為電子流以及電洞流。正型通道(p-channel) 所使用的是p型有機半導體材料，有機半導體材料以電洞為多數載子；其操作員 理是在閘極施加負偏壓(VG<0)，使電洞累積在介電層以及有機半導體層的介面， 載子移動方向為源極(Source)傳至汲極(Drain)。負型通道(n-channel) 所使用 的是n型有機半導體材料，有機半導體材料以電子為多數載子；其操作員理是在 閘極施加正偏壓(VG>0)，使電子累積在介電層以及有機半導體層的介面，載子移

動方向為汲極(Drain) 傳至源極(Source)，P/N-type channel 有機薄膜電晶體 載子傳輸示意圖如圖2-5所示。

以P型有機薄膜電晶體為例，通道的形成是因為累積增強模式(Accumulation Enhancement mode)的關係，操作原理用電壓來控制有機薄膜電晶體的操作模式， 可 以 分 成 空 乏 區 （ Depletion region ）、 線 性 區 (Linear region) 、 飽 和 區 (Saturation region)。 空乏區（Depletion region）:當在P型有機薄膜電晶體閘極施加正偏壓(VG >0) 時，此時介電層及有機半導體層介面會累積P型半導體的少數載子(電子)且形成 不了通道，稱為空乏模式（Depletion mode），如圖2-6所示。 線性區(Linear region): 當在P型有機薄膜電晶體閘極施加負偏壓(VG <0) 時，此時介電層及有機半導體層介面會累積P型半導體的多數載子(電洞)且形成 通道，稱為累積模式(Accumulation mode)，如圖2-7所示。

飽和區(Saturation region): 當在P型有機薄膜電晶體閘極施加負偏壓(VG

<0)時且源極汲極間的負偏壓大於閘極負偏壓(VDS<VG<0)，因汲極端電場大於閘極

端電場，汲極端會產生空乏模式（Depletion mode）讓通道夾止(Pinch off)， 汲極(Drain)源極(Source)之間的電流不會隨著汲極(Drain)源極(Source)施加 更多的負偏壓而增加，稱為飽和區(Saturation region)，如圖2-8所示。

2-3 有機薄膜電晶體之公式參數介紹

一個電晶體的好壞需要由許多參數去探討的，如載子遷移率(Mobility)、臨 界電壓(VTH)、次臨界斜率(Subthreshold swing) 以及關電流比(ON/OFF current ratio)但是目前還沒有一定的標準模式來區分，有機薄膜電晶體結構上屬於三端 元件，藉由控制閘極(gate)電壓使源 (source)、汲極(drain)兩端在主動層 (pentacene)形成通道，進而達成理想電路開關的特性。用其說明各項參數與電 特性的關係。

2-3-1 載子遷移率(Mobility)

探討有機薄膜電晶體的特性時最主要參數是載子移動率(Mobolity)，載子移 動率越高代表著載子移動速度較高，對於提升元件性能有很大的助益，可以從 OTFT之輸出特性曲線圖(Output characteristic)的I-V curve關係式求得，如圖 2-9所示[28]，線性區的公式如下:





_          2 V V V -V 2L C W I DS 2 DS T GS DS  i (2.1) 當 VD負偏壓大於正偏壓且通道達到飽和區時，飽和區公式如下：



 

IDS:汲極電流(Drain current) μ:載子遷移率(Mobility) W:通道寬度(Channel width) L:通道長度(Channel length) VGS:閘極電壓(Gate voltage) VT:臨界電壓(Threshold voltage)

Ci:單位面積介電層的電容值（capacitance per unit area of the insulating

layer）

當 VD 負偏壓大於正偏壓且通道達到飽和區時，汲極端會產生空乏模式

（Depletion mode）讓通道夾止(Pinch off)，可利用公式(2.2)推導計算，將(2.2) 公式兩邊取平方根，並取|IDS|1/2-VGS作圖(轉移特性曲線圖)，接著對其作切線斜 率得以下關係式: 2 GS DS i V I WC 2L              (2.3) 接著把所有已知參數量測參數帶進去就可以求得載子遷移率(Mobility)。

2-3-2 臨界電壓(V

TH

)

在操作有機薄膜電晶體時，當元件要進入工作模式(形成通道時)所需的起始 電壓，稱之為臨界電壓(VTH)。有機薄膜電晶體的介電層與半導體層的缺陷電荷密 度會影響臨界電壓，在這個時候需要較大的電壓去填補電荷陷阱密度，讓元件可 以驅動，由公式(2.2)，當VD負偏壓大於正偏壓且通道達到飽和區時，將式子兩 邊取平方根，並取VGS與根號IDS作圖如圖2-10所示，其斜率切線所交於VGS軸就是所 要的參數臨界電壓(VTH)。

2-3-3次臨界斜率(Subthreshold swing)

當電流每增加十倍時，所需的閘極電壓值，影響的主要因素為有機主動層與 介電層間的介面之缺陷密度(介面態)，低的次臨界斜率值代表著元件的半導體與 介電層有較好的介面，當 (VGS<VTH)時且半導體只有弱反轉(weak inversion)時， 其汲極電流稱之為次臨界電流(subthreshold current)。公式為: 1 ] ) (log [     G D V I S (2.4)

2-3-4 開關電流比(ON/OFF current ratio)

開關電流比在特定元件上或是產品需求上有著很重要的需求，因為近幾年來 薄膜電晶體主要被應用在開關元件上，近幾年來為了提升載子遷移率、最大飽和 電流、高電容、低操作電壓會開始應用高介電常數材料絕緣層，但是這種材料特 性常會有載子捕捉現象、電流穿隧效應產生許多漏電流使得開關電流比下降，因 應用需求所以各有取捨。 當元件處於開的狀態下(on-state)開電流越大越好；當元件處於關的狀態下 (off-state)閉電流越小越好，所以開閉電流的筆直越高越好，如果應用在液晶 顯示器上的驅動電路，大於106 是必頇的這樣驅動訊號才能明顯，開關電流比越 大對驅動元件的對比度越好。

表 2-1 有機半導體與無機半導體之差異 表 2-2 金屬與半導體接面能帶關係

金屬-半導體接

面

Φ

S

與 Φ

M

接 觸 形 態

金屬-N 型半導體

Φ

S

> Φ

M

歐姆(

Ohmic)接觸

金屬-P 型半導體

Φ

S

< Φ

M

歐姆(

Ohmic)接觸

金屬-N 型半導體

Φ

S

< Φ

M

蕭特基(Schottky)接

觸

金屬-P 型半導體

Φ

S

> Φ

M

蕭特基(Schottky)接

觸

備註：ΦS為半導體功函數；ΦM為金屬功函數

圖 2-1 有機半導體載子傳輸機制示意圖

圖 2-3 有機薄膜電晶體元件結構種類

圖 2-5 P/N 型通道的有機薄膜電晶體

圖 2-7 累積區；VD=VS= 0 V，VG<0

圖 2-9 有機薄膜電晶體之輸出特性曲線圖橫軸

第三章 實驗設計與製作

3-1 實驗架構

本研究所製作的 OTFT 是屬於上接觸式的(Top-Contact)結構，OTFTs 元件製 作流程，如圖 3-1 所示。分為兩種介電層(PSA、PMMA/SiO2)結構進行比較如圖 3-2(a)、圖 3-2(b)所示，本章節會依序介紹元件各層結構所用材料，接著介紹 元件各部分的結構製作方法以及使用於本研究中的相關儀器，最後說明當完成 OTFTs 元件製作所進行的各項測量方式。

3-2 實驗材料

本研究的有機薄膜電晶體可分為四個結構，分別為閘極電極、閘極介電層、 主動層、電極，以下章節將進行對各層材料詳細介紹。 可分為四個部分： 1.閘極電極(Gate) 2.閘極介電層(Dielectric layer) 3.主動層(Active layer) 4.源極、汲極(Source、Drain)

3-2-1 閘極電極(Gate)

一般常用於製作元件的基板可分為玻璃和塑膠軟板，目前塑膠基板主要材料 為 PES (poly ether sulfone) 、 PET (polyethylene terephthalate) 、 PC (poly carbonate)...等，在閘極電極的部分，常見的有透明導電的銦錫氧化物 (indium tin oxide，ITO)或銦鋅氧化物（indium zinc oxide，IZO）電極、P

型和N型重摻雜的矽基板、以及良導體但不透明的金屬，如金(Au)、銀(Ag)、鋁 (Al)、…等。銦錫氧化物(ITO)被廣泛應用在透明電極上，並且在低溫製程下能 沉積較佳的導電薄膜、以及可大面積化，所以能將其應用在可撓式基板。而為了 將元件性能提升，對ITO膜進行一些表面處理，可以得到較佳表面平整性，如紫 外光-臭氧處理(UV-ozone)、電漿處理(plasma)，處理過後的ITO界面會有較好的 親水性，使ITO與介電層之間會產生較佳附著。

3-2-2 閘極介電層(Dielectric layer)

介電層可以分成高介電常數以及低介電常數，介電常數高於 3.9 以上就可以 稱為高介電常數，一般介電層需具有高絕緣特性、高介電性能，介電層是很重要 的一層，他與主動層決定了元件特性的高低，薄膜的厚度、介電常數高低都會影 響著元件特性。 低介電常數(Low-k):因介電常數小使得電容值小操作電壓較大，需要讓薄膜 厚度變薄來提升電容值，薄膜太薄會導致的問題如原子的連續性不好、不成膜產 生孔洞使得元件沒特性以及造成穿隧電流久而久之會導致元件崩潰。 高介電常數(High-k): 因介電常數大使得電容值大讓操作電壓變小，高介電 常數的官能基較多介電陷阱多會與主動層間接面發生載子被陷阱捕捉的現象導 致磁滯現象的發生，漏電流比較大使得開關電流比變小。 本研究使用兩種介電層進行比較分別為豬血清蛋白(PSA)，使用蛋白質材料， 介電系數高且元件在空氣中 H2O 會與蛋白質殘基相互作用，在元件操作時介電層 存在負離子，將會吸引更多電洞累積在介電層與主動層之間形成通道，提高最大 飽和電流和降低臨界電壓；以及二氧化矽(SiO2)，其結構為多孔性的奈米結構粒

3-2-3 主動層(Active layer)

有機半導體分子間是以微弱的凡得瓦爾力形成鍵結，其鍵結能量在10 kcal / mol 以下，所以有機材料的載子遷移率會比無機半導體的低、其形成的能帶差大 進而需以高能量來驅動，但因為可捲曲式的電子產品不能以無機半導體材料製作， 在高溫下不可以在軟性機板上進行鍍膜，則以有機半導體來實現。 在眾多有機半導體小分子(oligomers)材料pentacene的晶體結構以及載子 遷移率都較為突出，一般學者、研究單位都以pentacene作為有機薄膜電晶體的 主動層進行更深入的研究，特性如表3-1所示[30]；本研究以五環素(pentacene) 作為有機薄膜電晶體的主動層材料，其屬於三斜晶系的結構(Triclinic)，如圖 3-3所示，在對pentacene進行熱蒸鍍沉積製程時，其分子排列成膜的情況很好， 在同一層間電子雲的overlap大又加上本身晶體結構好鍵結能力強，在有機薄膜 電晶體橫向的通道會有相當不錯的載子遷移率，沉積在基板上的排列狀況如圖 3-4所示。有文獻指出pentacene主動層厚度為0~35nm時pentacene結晶相為薄膜 相較利於載子傳輸，pentacene主動層厚度超過35nm時pentacene結晶相為塊材相 這不利於載子的傳輸[31-35]。

3-2-4 源極、汲極(Source、Drain)

電極的應用在於有機薄膜電晶體之主動層的材料的特性，有機半導體材料的 可分為 n 型以及 p 型，n 型有機半導體材料以電子為多數載子然而電洞為少數載 子，例如:CuPc、C60 為 n 型半導體材料在元件施加偏壓下會產生電子通道 (n-channel)，所以電極的應用會使用鈣(Ca)、鎂(Mg)、鋰(Li)讓電子容易通過 的低功函數金屬。 本研究使用的主動層材料為 pentacene，p 型有機半導體材料以電洞為多數 載子然而電子為少數載子，在元件施加偏壓下會產生電洞通道(p-channel)，其

HOMO 值較高為 5.1，故在選擇電極金屬時會使用高功函數的材料，例如:金(Au)、 鎳(Ni)、鉑(Pt)。但由於成本過高，通常則以成本較低的金屬材料，例如銀(Ag)、 銅(Cu)、鋁(Al)等….來做為元件的電極。在本研究使用銀(Ag)作為有機薄膜電 晶體的電極，其功函數由表 3-2 所示。

3-3 實驗設備

本研究的元件製成結構由下往上可以分為閘極(ITO 玻璃基板)、閘極介電層 (Dielectric layer)、主動層(Active layer)以及源極、汲極(Source、Drain)。 各層所使用的成膜方式也不同分別如下所介紹:

3-3-1 旋轉塗佈機

旋轉塗佈機(Spin coater)其原理是將 ITO 玻璃基板以真空吸盤吸住，在高 速旋轉時真空吸盤可以穩固吸住 ITO 玻璃基板不讓其脫落，接著將調配好的介電 層溶液均勻塗布在 ITO 玻璃基板上利用旋轉時的離心力讓介電層溶液均勻附著 在 ITO 玻璃基板上，可以藉由旋轉塗佈的時間以及轉速來控制成膜的厚度；當轉 速越高膜會越薄且薄膜的均勻度也會均勻。

3-3-2 高真空熱蒸鍍系統

主動層以及電極成膜皆使用高真空度熱蒸鍍來進行元件成膜，其示意圖如圖 3-5 所示。主要操作如下: (1) 氣動系統 (2) 真空系統（總共有兩個：一個是有機薄膜沉積腔體、另一個為金屬電極

(4) 石英震盪偵測器(蒸鍍膜厚機) (5) 手套箱環境系統(高純度氮氣)

3-3-3 紫外光照射儀器

製作完成的實驗元件在進行量測前先以紫外光照射儀器進行照射，其紫外光 照設儀器照射功率為 10 W/cm2 、照射主要波長約為 365 nm 其光譜圖如圖 3-6 所 示，再依開關燈以及不同照射時間所量測出的參數進行比較。

3-3-4 實驗量測儀器

在實驗量測的部分，所使用到的有閘極介電層表面影像觀察、薄膜表面形貌 量測、薄膜結晶相量測及 OTFTs 的電特性量測，其量測儀器設備如下： (a)表面影像觀察:

場 效 發 射 式 掃 描 電 子 顯 微 鏡 (Field-emission scanning electron microscope, FE-SEM)。

(b) 有機薄膜電晶體之電特性量測:

多功能電源電錶(Keithley 2400、2410)，如圖 3-7 所示。 (c) 薄膜表面形貌量測：

原子力顯微鏡(atomic force microscope)，如圖 3-8 所示。 (d) 薄膜結晶相量測：

多 功 能 X 光 繞 射 儀 (multi-function X-ray diffractometer)，如 圖 3-9 所示。

(e) OTFTs 的電特性量測：

3-4 實驗步驟

本研究中實驗步驟開始前會先對 ITO 玻璃基板進行表面清洗，利用丙酮 (ACE)、異丙醇(IPA)、去離子水(DI Water)，接著在製作元件上分為兩種結構介 電層，首先 PMMA/SiO2閘極電介層以及 PSA 在亮度全暗以及紫外光下進行有機薄 膜電晶體之電特性量測；比較以 pentacene 為主動層的兩個結構較適合製作成有 機薄膜紫外光電晶體，接下來藉由調變主動層 pentacene 的厚度進行探討，最 後蒸鍍上金屬源、汲極電極銀(Ag)。

3-4-1 ITO 玻璃基板清洗

本研究使用濺鍍 ITO 在大片素玻璃上，並以切割機對其進行切割，尺寸大小 為 5cm 6cm，此為實驗機台載具放置空間大小，然而再對 5cm 6cm ITO 玻璃基 板以鑽石刀進行對半切割。 由於未清洗的 ITO 玻璃基板上面會有許多雜質、油質、水分、粉塵，會導致 實驗結果效率不佳、不穩定，清洗過程如下: (1)將 ITO 玻璃基板放入丙酮(ACE)，利用超音波震盪器震盪清洗 5 分鐘。 (2)將 ITO 玻璃基板放入異丙醇(IPA)，利用超音波震盪器震盪清洗 10 分鐘。 (3)將 ITO 玻璃基板放入丙酮(ACE)，利用超音波震盪器震盪清洗 5 分鐘。 (4)將 ITO 玻璃基板放入異丙醇(IPA)，利用超音波震盪器震盪清洗 10 分鐘。 (5) 將 ITO 玻璃基板放入去離子水(DI water)，利用超音波震盪器震盪清洗 10 分鐘。

3-4-2 UV-ozone 表面處理

在本實驗中分別對 ITO 玻璃基板以及把剛熱退火完成的閘極介電層進行紫 外光-臭氧 (UV-ozone)表面處理，他是屬於一種乾式表面清洗，只需將 ITO 玻璃 基板的 ITO 面上放置於 UV-ozone 機台內，就可以完成清潔。機台如圖 3-10 所示。 (1)ITO 玻璃基板表面處理：其原理是利用紫外光照射通入的氧氣(O2、純度 99.9%) 產生臭氧(O3)；臭氧有相當高的能量，他可以破壞有機物質的鍵結讓 ITO 玻 璃基板更加乾淨。

(2)

閘極介電層表面處理：對閘極介電層進行表面處理後，表面上的鍵結會被打 斷，光子作用所產生的氧原子會與閘極介電層上被打斷的鍵結產生產生(-OH), (-COO),(-CO)與(-COOH)….等官能基，增加親水性且可以強化材料與材料之 間的化學鍵結。

3-4-3 介電層溶液調配

本研究利用:PMMA、SiO2、PSA 三種介電層材料製成 PMMA/ SiO2介電層結構

以及 PSA 介電層結構進行比較。

3-4-3-1 PMMA 介電層溶液調配

本研究使用 PMMA 與氯苯進行調配，再放進磁石讓其攪拌 24 小時，調配成實 驗所需之閘極介電層溶液。

接著在使用 UV-ozone 清洗過的 ITO 玻璃基板上均勻的塗布閘極介電層溶液 PMMA (Polymethyl methacrylate)做為第一層閘極介電層，然後放置烤盤上進行 130 熱退火烘烤一小時以上，使溶劑完全揮發把殘存的溶劑給蒸發掉並成膜， 避免影響有機薄膜電晶體之特性。

3-4-3-2 SiO

2

介電層溶液調配

本研究使用 TEOS、無水乙醇、去離子水以及鹽酸進行 SiO2調配成實驗所需 之閘極介電層溶液。 首先將 TEOS 與無水乙醇放置瓶中利用磁石攪拌器進行攪拌 90 分鐘，然後將 水以及鹽酸加入瓶中攪拌 2.5 小時，最後加入采酮後讓其攪拌 24 小時，及調配 成本研究之閘極介電層溶液。 接著在以烘乾好的閘極介電層 PMMA 上均勻的塗佈 SiO2溶液，旋轉塗佈成第 二層閘極介電層，最後在加熱板上 100 進行烘烤 15 分鐘，把殘存的溶劑給去 除揮發掉並成膜避免影響有機薄膜電晶體之電特性，接著利用 UV-ozone 進行表 面處理即完成本研究有機薄膜電晶體之雙閘極介電層膜。

3-4-3-3 PSA 介電層溶液調配

本研究使用豬血清白蛋白與去離子水進行調配，放進磁石讓其攪拌 12 小時製作出閘極介電層溶液。 接著旋轉塗佈於 ITO 玻璃上，再靜置於加熱板上 50 進行烘烤 12 小時，把 殘存的溶劑給去除揮發掉並成膜避免影響有機薄膜電晶體之電特性，即完成本研 究有機薄膜電晶體之蛋白質閘極介電層膜。

3-4-4 有機半導體薄膜蒸鍍

步驟一：首先 ITO 玻璃基板放到有機載具上。 步驟二：在進行熱蒸鍍時會在坩鍋中放入主動層 pentacene，接著開始進行清潔 腔體的動作後檢查有機腔體的震盪器晶片參數是否在實驗範圍值內。之 後，把剛完成的閘極介電層元件放入真空系統裡並開啟旋轉。 步驟三：對腔體進行粗抽，待真空度到 2×10-2 torr 以下進行細抽至 8×10-6 torr 即完成系抽可以進行熱蒸鍍動作。 步驟四：確定膜厚機上的 Tolling 值以及參數設定。 步驟五：細抽至 8×10-5 torr 時，拉開小擋板，開始對材料進行預熱，讓我們的 有機材料中的水分給蒸發掉，慢慢增加電流值並觀察鍍率，不可以讓電 流過大這可能使材料跳出坩鍋或燒斷保隩絲。 步驟六：沉積的速率大約控制在 0.3~0.5 Å/s 左右，接著打開上檔板，進行主動 層蒸鍍。 步驟七：沉積完主動層後，關掉小檔板以上檔板，讓元件在腔體內靜置 10 分鐘 沉澱沉積物。 步驟八：最後關掉細抽對腔體通入高純度氮氣進行補氣，使得腔體與手套箱壓力 平衡，即可取出元件。

3-4-5 電極蒸鍍

步驟一：首先把主動層熱蒸鍍完成之元件以及金屬遮罩(Mask)對準後放置載具 上。 步驟二：在進行熱蒸鍍時會在鎢舟放入電極銀(Ag)，接著進行清潔腔體的動作後 檢查金屬腔體的震盪器晶片參數是否在實驗範圍值內。之後，把主動層 熱蒸鍍完成之元件放入真空系統裡並開啟旋轉。 步驟三：對腔體進行粗抽，待真空度到 2×10-2 torr 以下進行細抽至 8×10-6 torr 即完成系抽可以進行熱蒸鍍動作。 步驟四：確定膜厚機上的 Tolling 值以及參數設定。 步驟五：細抽至 8×10-5 torr 時，拉開小擋板，開始對鎢舟上的銀進行預熱，讓 我們的金屬材料中的水分給蒸發掉，慢慢增加電流值並觀察鍍率，不可 以讓電流過大這可能使材料跳出鎢舟或燒斷保隩絲。 步驟六：沉積的速率大約控制在 0.5~1 Å/s 左右，接著打開上檔板，進行主動層 蒸鍍。 步驟七：沉積完主動層後，關掉小檔板以上檔板，讓元件在腔體內靜置 10 分鐘 沉澱沉積物。 步驟八：最後關掉細抽對腔體通入高純度氮氣進行補氣，使得腔體與手套箱壓力 平衡，即可取出元件。

3-5 實驗量測

在對於元件所有特性的量測，首先會針對元件的電特性進行量測並找出最大 飽和電流、開關電流比以及臨界電壓，找出最佳參數接著對介電層表面特性之接 觸角，最後則是主動層之 AFM、XRD、光敏性、光響應。

3-5-1 有機薄膜光電晶體元件電特性量測

當有機薄膜電晶體元件完成時會對其進行電特性的量測，首先先會把元件的 源極、汲極、主動層以及閘極介電層刮除剩下閘極電極(ITO 透明導電膜)，然後 用酒精擦拭並且用電錶量測是否有無刮除完整否則會產生不導通的現象，最後用 三點探針量測儀分別放置元件的源極、汲極以及閘極介電層，如圖 3-11 所示， 電壓電流的量測是使用多功能電源電錶(Keithley 2400、2410)，當電壓從 0V 掃至此材料可應用的最大電壓就可量測出實驗的最大飽和電流、臨界電壓、載子 遷移率以及開關電流比，並加入照光改變的功率、時間、波長所得到的光敏值、 光響應進行比較。

3-5-2 介電層接觸角、表面能

藉由接觸角可以算出各種材質介面的表面能，接觸角大於 90 時可稱之為疏 水性(Hydrophobic)如圖 3-12(a) 所示，在這個情況下表面狀況就像是一顆水滴 停留在上面就像是蓮花效應，介面越疏水液體受到介面表面作用力較小，表面能 較小；接觸角小於 90 時可稱之為親水性(Hydrophilic)如圖 3-12(b) 所示，在 這情況下表面狀況液體則不是水滴狀而是平攤上介面上，介面越親水液體受到介 面表面作用力較大，表面能較大。

本研究之pentacene主動層需沉積在親水性的閘極介電層介面，有學者提出 主動層pentacene之表面能約 60 mJ/m2 [36]，如果主動層pentacene有機薄膜 電晶體之閘極介電層的表面能越接近時，pentacene之排列會越好以及結晶性佳 來提升元件電特性。 薄膜介面的表面能量可由以下公式推導得知: 𝛾𝑆𝐺 _{= 𝛾}𝑆𝐿_{+ 𝛾}𝐿𝐺 cos 𝜃 _(3.1) 𝛾𝑖 = 𝛾𝑖𝑝+ 𝛾𝑖𝑑 (3.2) 𝛾𝑖𝑝為液體表面張力極性部分 𝛾𝑖𝑑為液體表面張力分離部份 W_a=γ_L+γ_S-γ_SL=2(√γ_SPγ_LP+√γ_Sdγ_Ld)

(

3.3) Wa(Work of adhesion)為將附著在薄膜介面上的液體從表面分開所需做的功 (1 + os 𝜃)𝛾_𝐿 = 2(√γ_SPγ_LP+√γ_Sdγ_Ld)

(3.4)

3-5-3 主動層原子力顯微儀(AFM)量測

由 Binnig、Quate 和 Gerber 於 1986 年所提出的原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM) [37]。AFM 目前最大的用途適用於檢測元件瑕疵程度和分析 樣品表面粗糙度。

根據物理原理，當兩物體相距極小時，凡得瓦力(van der Waals force)使 兩物體相吸；當兩物體相碰觸時，則會產生排斥力。將此原理應用於探針與樣品 間的相互反應，而設計出 AFM。

原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)操作模式分為非接觸式和接 觸式兩種。而非接觸式，是探針與材料表面保持著固定距離。使用原子間－凡得 瓦爾力來動作，但此作用力對於距離變化的敏感度極小，因此頇利用調變的技術 來改變訊號的雜訊比。非接觸式 AFM 一般只有 50 nm 的解析度，但在真空中即 可得到原子級的解析，此操作方式的發展是為了解決接觸所造成樣品的損壞；” 非接觸式”為本研究採用之量測方式。 接觸式，探針在掃描時是接觸著材料表面的。在此操作模式下，探針與樣品 表面間的作用力是原子間排斥力(repulsive force)，雖然其作用力很小，約只 有 10-6~10-10 牛頓，但仍然會損壞樣品，尤其是軟性薄膜材料。由於排斥力對距 離敏感度相當高，所以接觸式較容易得到原子解析度，但探針與樣品間的接觸面 積極小，選擇適當的作用力便十分重要了。

3-5-4 主動層 X-ray 薄膜繞射儀量測

XRD 是利用 X-ray 繞射現象來分析各種材料之晶體結構、晶體缺陷、晶格參數 以及不同結構相的含量的方法。此方法是透過在一定的晶體結構模型基礎上，根據 與晶體樣品產生繞射後之 X-ray 信號特徵去分析計算樣品的晶體及晶格參數與結 構，能達到很高的精準度。因此 XRD 是分析各種材料，包括半導體、陶瓷、金屬 以及各種單晶材料、薄膜材料、磊晶片…等不可或缺的分析儀器。

本 研 究 是 藉 由 多 晶 薄 膜 低 掠 角 繞 射 (glancing incident angle diffraction)，分析薄膜的結晶成相。以銅鈀進行測定，λ = 1.5418 Å，操作的 條件為：掃描速度為 2°/min，掃描間隔角度為 0.01°，2θ 掃描範圍是 2 to30°。

3-5-5 場發射掃描式電子顯微鏡(FE-SEM)量測

其成像原理是藉由加負壓於金屬尖端，以發電場將電子吸出尖端而形成電子 束，在極高真空環境下操作（-10-10 torr），可得到高品質的解析度影像(包括背 向反射電子、二次電子、X 射線、吸收電子等)，對於物體表面之三度空間微細 結構提供方便觀察。 隨著科學技術的發展，奈米科學技術已成為國家高科技發展的主軸，因為它 可以滿足元件更微小、更細緻的要求，利用各種方式將材料成分、介面結構等控 制在 1-100 奈米的大小，並附加一組能量分散分析儀(EDS)，可依物體表面在電 子撞擊後釋出的 X 射線來分析樣品中化學成分種類與含量，觀測隨之而來的物理、 化學與生物性質等變化，而場發射型掃描式電子顯微鏡提供了此奈米結構量測及 操作所需的最重要的工具。

表 3-2 一般常見金屬之功函數 金屬 功函數

(eV)

Ni

5.15

Au

5.10

Cu

4.65

Mo

4.60

W

4.55

Cr

4.50

Sn

4.42

Ti

4.33

Al

4.28

Ag

4.26

Ta

4.25

Ga

4.20

Mg

3.66

Ca

2.87

圖 3-1 實驗規劃流程圖

ITO 玻璃清洗處

理

介電層塗佈烘烤

有機主動層蒸鍍

源極/汲極

蒸鍍

元件量測

1. 旋轉塗佈 PMMA 介電層烘烤 130 一小時 成膜，再上 SiO2介電層烘烤 100 15 分 鐘成膜 2. 旋轉塗佈 PSA 介電層烘烤 50 12 小時成 膜 蒸鍍 pentacene 有機主動層 透過 mask 定義金屬電極之圖形 輸出、轉移特性曲線量測 丙酮、異丙醇、離子水清洗

(a)

(b)

圖 3-3 主動層 pentacene 分子結構圖

圖 3-5 真空熱蒸鍍系統示意圖

圖 3-7 有機薄膜電晶體電特性量測儀

(a)

(b)

第四章 結果與討論

本研究結構分為ITO/PMMA/SiO2/pentacene/Ag 雙閘極介電層之有機薄膜電 晶體以及ITO/PSA/pentacene/Ag 蛋白質介電層之有機薄膜電晶體，最後調變主 動層pentacene厚度利用紫外光照射來提升光電流，以此條件完成有機紫外光電 晶體之製作。

4-1 PMMA/SiO

2

結構對有機薄膜電晶體影響

4-1-1 PMMA/SiO

2

結構經由 UV-ozone 表面處理對有機薄膜電晶體影響

首先圖 4-1 為將 PMMA/SiO2閘極介電層結構分為(a)未經 UV-ozone 處理與(b)

經由 UV-ozone 處理進行電特性比較，所量測出來的輸出特性曲線圖，在有機薄 膜電晶體操作於閘極負偏壓(VDS= -30 V、VGS= -30 V)最大飽和電流分別為 -0.16 以及 -2.09 ，從圖中可以發現 PMMA/SiO2閘極介電層經由 UV-ozone 處理的 元件特性最佳。圖 4-2 為 OTFTs 操作於閘極負偏壓(VDS= -30 V、VGS= -30~20 V) 之轉移特性曲線圖，計算出 PMMA/SiO2閘極介電層經由 UV-ozone 處理的元件特 性為最佳，開關電流比(ION/OFF)為 8.1×103，臨界電壓(VT)為 -9.2 V，載子移動率 (μ)為 0.126 cm2 /Vs，各元件的載子移動率、臨界電壓、次臨界斜率，以及開關 電流比分別整理如表 4-1。 Pentacene 的結晶性與閘極介電層的介面有著很大的關係，對閘極介電 層 SiO2進行 UV-ozone 表面處理其表面上的鍵結會被打斷，光子作用所產生的氧

原子會與 SiO2薄膜上被打斷的鍵結產生(-OH), (-COO),(-CO)與(-COOH)….等官

能基，雖會增加 SiO2薄膜表面親水性但卻有強化材料與材料之間的化學鍵結，

讓 pentacene 分子的耦合能變大且讓分子間排列更加密集使得載子傳輸提升，閘 極 介 電 層 上 的 官 能 基 也 會 進 行 載 子 捕 捉 可 以 更 有 效 的 累 積 通 道 間 的 載 子 [38-39]。

4-1-2 PMMA/SiO

2

結構經由 UV-ozone 表面處理對接觸角影響

分別為閘極介電層薄膜 SiO2經由 UV-ozone 處理與否的接觸角，由圖 4-3 可以計算出表面能分別為 64.9 mJ/ 、72.44 mJ/ ，這表示了經由 UV-ozone 處理後其表面較為親水，而介電層表面狀況越親水時 pentacene 的結晶性越好且 讓載子在通道傳輸時散射機率較小可以有效的提升元件電特性，並藉由官能基載 子捕捉可使得特性明顯提升。 為對閘極介電層薄膜 SiO2進行不同時間下的 UV-ozone 表面處理過後蒸 鍍上主動層 pentacene 之原子力顯微鏡(AFM)量測圖，由圖 4-4 可以得知閘極介 電層薄膜經 UV-ozone 處理後，其結晶顆粒尺寸較大且均勻，未經與經由 UV-ozone 處理的表面粗糙度分別為 26.4 nm 與 15.3 nm，蒸鍍上主動層 pentacene 時會產 生較大的晶粒尺寸有利於載子傳輸提升元件特性[40-41]。

4-1-3 PMMA/SiO

2

結構經由 UV-ozone 表面處理對介面陷阱密度影響

閘極介電層與有機薄膜電晶體之介面也會影響有機薄膜電晶體之電特 性，例如:載子遷移率下降、載子散射、介面粗糙散射以及載子捕捉現象，在晶 粒與晶粒之間的介面陷阱，會使有機薄膜電晶體之通道層的電荷被捕捉。可以利 用介面陷阱密度 Dit(interface trap density)定義出，公式為(4.1)[42-43]。

D

it

= [

𝑆𝑆 ( )

− 1]

(4.1)

q:基本電荷量 K:Boltzmann’s 波茲曼常數 SS:次臨界斜率

本節利用閘極介電層經由 UV-ozone 表面處理來探討有機薄膜電晶體的電特 性，利用 UV-ozone 表面處理來改善閘極介電層與主動層介面，由表 4-2 可以發 現經由 UV-ozone 表面處理後的介面陷阱密度(Dit)較低分別為 8.4 101 cm-2以 及 4.5 101 _cm-2 ，這表示了通道的載子不易被介面陷阱所捕捉進而影響載子遷 移率的下降。

4-2 比較 PSA 與 PMMA/SiO

2

結構製作紫外光電晶體

圖 4-5 為將兩種閘極介電層結構分為(a)PSA 與(b)PMMA/SiO2進行黑暗下電 特性比較，所量測出來的輸出特性曲線圖，在有機薄膜電晶體操作於閘極負偏壓 (VDS= -30 V、VGS= -30 V)最大飽和電流分別為 -28.1 以及 -2.09 ，從圖 中可以發現 PSA 閘極介電層在黑暗下元件特性最佳。圖 4-6 為 OTFTs 操作於閘極 負偏壓(VDS= -30 V、VGS= -30~20 V)之轉移特性曲線圖，計算出 PSA 閘極介電層 在黑暗下元件特性最佳，開關電流比(ION/OFF)為 5.6×103，臨界電壓(VT)為 -2.7 V， 載子移動率(μ)為 7.53 cm2 /Vs，各元件的載子移動率、臨界電壓、次臨界斜率， 以及開關電流比分別整理如表 4-3。 圖 4-7 為將兩種閘極介電層結構分為(a)PSA 與(b)PMMA/SiO2進行紫外光照 下電特性比較，所量測出來的輸出特性曲線圖，在有機薄膜電晶體操作於閘極負 偏壓(VDS= -30 V、VGS= -30 V) 最大飽和電流分別為 -23.3 以及 -4.4 ， 從圖中可以發現 PSA 閘極介電層在紫外光照射下元件特性能較佳。圖 4-8 為 OTFTs 操作於閘極負偏壓(VDS= -30 V、VGS= -30~20 V)之轉移特性曲線圖，計算

出 PSA 閘極介電層在紫外光照下元件特性最佳，開關電流比(ION/OFF)為 7.2×104，

臨界電壓(VT)為 -3 V，載子移動率(μ)為 5.83 cm2/Vs，各元件的載子移動率、

臨界電壓、次臨界斜率，以及開關電流比分別整理發現，雖然 PSA 閘極介電層紫 外光照射下元件特性雖衰減，但仍優於 PMMA/SiO2結構如表 4-4。

圖 4-9 分別為 PSA 閘極介電層結構與 PMMA/SiO2閘極介電層結構的接觸角，

由圖中可以計算出表面能分別為 78.2 mJ/ 、72.4 mJ/ 。介電層表面狀況越 親水時 pentacene 的結晶性較好讓載子在通道傳輸時散射機率較小可以有效的 提升元件電特性。

黑暗下 PSA 介電層結構特性較優於 PMMA/SiO2介電層結構是因為 PSA 蛋白質

介電層的表面粗糙度較小如圖 4-10，其表面粗糙度分別為:0.25 nm 以及 0.35 nm， 即使熱蒸鍍上 pentacene 其表面粗糙度依然較低如圖 4-11，其表面粗糙度分別 為:15.3 nm 以及 20.7 nm，故電特性較優於 PMMA/SiO2介電層結構。 紫外光下 PSA 介電層結構特性雖然仍優於 PMMA/SiO2介電層結構，但由黑暗 下到紫外光照下來觀察，PSA 介電層結構特性經由紫外光的照射後電特性明顯衰 減如表 4-5，這是因為蛋白質經紫外光照射，會破壞其 DNA (去氧核醣核酸)及 RNA (核醣核酸)的結構，使蛋白質喪失特性無法形成[44]。 PSA 介電層結構雖然電特性優異，但蛋白質介電層經由紫外光久照會導致特 性變質、元件崩潰，所以最後選定用以 PMMA/SiO2介電層結構繼續研究，進而製 作成有機紫外光電晶體。

4-3 調變主動層厚度對光電流之影響

本實驗使用的紫外光照明設備為 UV 點光源機其最大照度與主要輸出波 段分別為 10 W/ 、350 nm；首先可以發現在未照射紫外光下的元件隨著 pentacene 主動層厚度的增加最大飽和電流有了下降的趨勢，隨著 pentacene 主 動層的厚度增加從電極傳導的載子經過的通道電阻會越大以致電特性下降，接著 探討光照下對有機薄膜電晶體之 pentacene 主動層不同厚度的電特性變化，從數 據中可以發現在照射紫外光時，隨著 pentacene 主動層厚度上升而電特性提升，

Pentacene 主動層厚度為 35 nm、70 nm、100 nm 以及 150 nm 之有機薄膜電 晶體在紫外光照射下以及燈光全暗下所量測出來的輸出特性曲線圖，如圖 4-12 至 15 所示；在 VGS= -30 V 且燈光全暗條件下所得到 4 種不同 pentacene 主動層 厚度為 P35、P70、P100以及 P150之元件最大飽和電流值分別為 -3.8 、 -2.09 、 -1.65 以及 -1.15 。隨著 pentacene 主動層厚度的增加可以發現電特性有 微微下降的趨勢，這是因為有機薄膜電晶體在累積載子時會經過一段未形成的通 道，這一段可視為總電阻中的通道電阻如(4.2)式，隨著 pentacene 主動層厚度 的增加會導致通道電阻提升使載子傳輸受阻礙而不利於元件的電特性[45]，其照 光後因為 pentacene 主動層厚度的增加使光生載子流量提高故通道電阻下降，分 別為:2.4x106 Ω、2.5x106 Ω、1.8x106 Ω、4.4x106 Ω可以發現又以 P100結構的 光生載子流量最多，使通道電阻值擁有最低的 1.8x106 Ω，如圖 4-16。 在 VGS= -30 V 且紫外光照度為 10 W/c 條件下所得到 4 種不同 pentacene 主動層厚度為 P35、P70、P100以及 P150之元件最大飽和電流值分別為 -6.94 、 -4.4 、 -6.72 以及 -2.45 ，隨著 pentacene 主動層厚度的增加通道間所產 生的光電流有了明顯的增加以致最大飽和電流有了明顯的上升，但通道電阻也隨 著 pentacene 主動層厚度增加而變大，所以在 pentacene 主動層厚度超過 100 nm 時其光生電流也達到飽和。各元件有照紫外光以及未照光的飽和電流、載子移動 率、臨界電壓分別整理如表 4-6。

R

T

= V

DS

/I

DS

= [L/W C

i

(V

GS

-V

T

)]+R

C

(4.2) VDS :汲極電壓 IDS : 汲極電流 VGS : 閘極電壓 VT : 臨界電壓 W/L : 通道寬/長 RT : 總電阻

RC :接觸電阻 Rch : 通道電阻 µ : 載子遷移率 Ci : 絕緣層每單位電容值

4-3-1 Pentacene 主動層經由改變厚度對於有機薄膜光電晶體影響

使用 X-ray 可以看出在不同 pentacene 主動層厚度的薄膜結晶品質變化。有 文獻指出，在真空下沉積 pentacene 薄膜會有兩種相所組成：pentacene 主動層 厚度為 0~35 nm 時成薄膜相(thin-film phase，2θ = 5.7°) 其結晶尺寸大較利 於載子傳輸和 pentacene 主動層厚度超過 35 nm 時成塊體相(bulk phase，2θ = 6.07°)結晶尺寸小並不利於載子的傳輸[46-47]。 將 P35、P70、P100以及 P150結構經由拍攝 XRD 檢測 pentacene 主動層薄膜結晶 如圖 4-17，並計算出 P35、P70、P100以及 P150的晶粒尺寸(Grain size)(4.2)分別 為:29.7 nm,25.4 nm, 23.9 nm 以及 22.1 nm，其中又以 P35結構的結晶尺寸為最 大，這表明 P35結構的 pentacene 主動層薄膜成薄膜相利於載子傳輸。 =0.9λ/ os (4.3) D:晶粒尺寸 λ: X-rays 之波長 :半高寬 θ:衍射角

4-3-2 Pentacene 主動層材料對於紫外光吸收率的電特性影響

更多的光生成載子注入，增加了 pentacene 主動層通道間的導電率[48]。圖 4-19 為利用不同厚度下來延長照射紫外光時間的電流變化圖，從圖中來對應吸收光譜 的吸收率，可以發現不同厚度的 pentacene 主動層隨著照射紫外光時間增長電流 有著明顯的上升，但可以發現 P35電流已達到飽和，過多的照射並不會增加光電 流，而 P35、P70、P100以及 P150皆隨著照射時間增長而有提升飽和電流的趨勢，但 又以在照射時間 135 秒過後不再提升，這邊研判 pentacene 主動層材料，對於紫 外光吸收率的最佳值為 100 nm 、 135 秒。以此條件研究出有機光電晶體。

4-4 調變主動層厚度比較光敏值對有機薄膜光電晶體影響

圖 4-20 可以看到 P35、P70、P100以及 P150元件隨著厚度增加而光敏值(4.4) 有提升趨勢，分別為 0.8、1.1、3、1，又以 P100擁有最佳的光敏值，但超過 100 nm 厚度的 P150光敏值卻驟降，因為 pentacene 主動層材料在紫外光吸收率已達到 飽和故無法再光生光電流。 圖 4-21 為 P35、P70、P100以及 P150元件的光響應值(4.5)，在操作電壓(VD = -30 V、VG = -10~-30 V)的條件下可以看到 P100擁有最好的光響應值，在同樣條 件的面積下、光照強度下，光響應值可以判斷出該元件適合製作成紫外光電晶體 的條件[49-51]。 =( ( ) ( )) ( ) (4.4) IDS(ill) :照光下飽和電流 IDS(dark) :黑暗下飽和電流 = = ( ( ) ( )) (4.5) IPH：源極、汲極光電流 POPT：入射光功率 P：每單位面積的入射光功率

IDS(ill)：照光下飽和電流

IDS(dark)：黑暗下飽和電流

表 4-1 PMMA/SiO2結構經 UV-ozone 處理之 OTFTs 元件特性比較 Performance UV-ozone IDS (𝝁𝑨) VT (V) Mobility (cm2/Vs) On/Off SS (V/decade) Without -0.16 -14.7 0.02 4.8 10.2 With -2.09 -9.2 0.126 8.1 7.2 表 4-2 PMMA/SiO2結構經 UV-ozone 處理之 Dit UV-ozone Dit (cm-2) Without 8.4 With 4.5

表 4-3 PSA 結構與 PMMA/SiO2結構黑暗下之 OTFTs 元件特性比較 Performance Dielectric layer IDS (𝝁𝑨) VT (V) Mobility (cm2/Vs) On/Off SS (V/decade) Dit (cm-2) PMMA/SiO2 -2.09 -9.2 0.126 8.1 7.2 4.5 PSA -28.1 -2.7 7.53 5.6 0.61 0.81

表 4-4 PSA 結構與 PMMA/SiO2結構紫外光照下之 OTFTs 元件特性比較 Performance Dielectric layer IDS (µA) VT (V) Mobility (cm2/Vs) On/Off PMMA/SiO2 -4.4 -8.4 0.276 7.2 PSA -23.3 -3 5.83

表 4-5 兩結構在黑暗下與紫外光照下之 OTFTs 元件特性比較 Performance Dielectric layer Light source (on/off) IDS (µA) VT (V) Mobility (cm2/Vs) PSA off -28.1 -2.7 7.53 on -23.3 -3 5.83 PMMA/SiO2 off -2.09 -9.2 0.126 on -4.4 -8.4 0.276

表 4-6 P35、P70、P100、P150結構 OTFTs 元件電特性比較 Active layer thickness Light source (on/off) IDS (µA) VT (V) Mobility (cm2/Vs) 35 nm off -3.89 -9 0.21 on -6.94 -6.3 0.36 70 nm off -2.09 -9.2 0.13 on -4.4 -8.4 0.28 100 nm off -1.65 -9.7 0.11 on -6.72 -7.5 0.38 150 nm off -1.15 -10 0.08 on -2.45 -8 0.15

(a) 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 0.00 -0.05 -0.10 -0.15 -0.20 W/L=500/50(m) V_GS = 0 V V_GS = -10 V V_GS = -20 V V_GS = -30 V VDS( V ) I DS (  A ) (b) 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5 W/L=500/50(m) V_GS = 0 V V_GS = -10 V V_GS = -20 V V_GS = -30 V VDS( V ) I DS (  A )

圖 4-1 PMMA/SiO2閘極介電層結構(a)未經 UV-ozone 與(b)經 UV-ozone 處理之

(a) -30 -20 -10 0 10 20 1E-10 1E-9 1E-8 1E-7 I DS ( A ) VGS ( V ) IDS 1 /2 (A) 1 /2 V_DS = -30 V V_DS = -30 V W/L=500/50(m) 0.000 0.001 0.002 0.003 (b) -30 -20 -10 0 10 20 1E-10 1E-9 1E-8 1E-7 1E-6 1E-5 V_DS = -30 V V_DS = -30 V

W/L=500/50(



m)

0.000 0.001 0.002 0.003 IDS 1 /2 ( A) 1 /2 VGS ( V ) I DS ( A )

圖 4-2 PMMA/SiO2閘極介電層結構(a)未經 UV-ozone 與(b)經 UV-ozone 處理之

(a) (b)

圖 4-3 PMMA/SiO2閘極介電層結構(a)未經 UV-ozone 與(b)經 UV-ozone 處理之

接觸角圖 (a) (b)

圖 4-4 PMMA/SiO2閘極介電層結構(a)未經 UV-ozone 與(b)經 UV-ozone 處理

(a) 0 -2 -4 -6 -8 -10 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 W/L = 500/50(m) V_GS = 0 V V_GS = - 2 V V_GS = - 4 V V_GS = - 6 V V_GS = - 8 V V_GS = - 10 V I DS (  A ) VDS( V ) (b) 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5 W/L=500/50(m) V_GS = 0 V V_GS = -10 V V_GS = -20 V V_GS = -30 V VDS( V ) I DS (  A ) 圖 4-5 (a)PSA 閘極介電層結構與(b)PMMA/SiO2閘極介電層結構在黑暗下之 OTFTs 輸出特性曲線圖

(a) -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 1E-9 1E-8 1E-7 1E-6 1E-5 1E-4 W/L = 500/50(m) I DS ( A ) V GS ( V ) I DS 1/2 ( A) 1/2 V_DS = -5 V V_DS = -5 V 0.000 0.001 0.002 0.003 (b) -30 -20 -10 0 10 20 1E-10 1E-9 1E-8 1E-7 1E-6 1E-5 V_DS = -30 V V_DS = -30 V

W/L=500/50(



m)

0.000 0.001 0.002 0.003 IDS 1 /2 ( A) 1 /2 VGS ( V ) I DS ( A ) 圖 4-6 (a)PSA 閘極介電層結構與(b)PMMA/SiO2閘極介電層結構在黑暗下 之 OTFTs 轉移曲線圖