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有机薄膜电晶体元件特性之电性分析研究 1
1 朝阳科技大学 资讯工程系 助理教授
2 朝阳科技大学 资讯工程所 硕士生
有机薄膜电晶体元件特性之电性分析研究
A study of electrical characteristics of organic thin film
transistor
余昌峰(Chang Feng Yu)1,许景富(Ching Fu Hsu)2,陈耀鹏(Yao
Peng Chen)2,马郁华(Yu Hua Ma)2
摘要
有机薄膜电晶体对半导体和电子产业的发展和普及巳有多年贡献,比起非
晶矽(amorphous silicon)薄膜电晶体,有机薄膜电晶体应用於大型显示器具有低
制程温度及低制程成本之优势;结合有机薄膜电晶体制作技术於塑胶基板上,
可将其应用於主动驱动显示器,货物标签,智慧卡或低成本电子产品.
本论文研究针对有机(五环素,Pentancene)薄膜电晶体I-V曲线图进行相关
电性分析,藉此探讨制程因素对启始电压之影响,以及电晶体闸极垂直电场对
载子移动率及晶格边界的障壁效应相对关系.
关键词:有机薄膜电晶体,塑胶基板,五环素,场效载子移动率,晶格边界
2 朝阳学报第八期
Abstract
Organic thin film transistors (OTFTs) have reveived considerable attention in recent
years. OTFTs may offer processing advantages over conventional hydrogenated
amorphous silicon (a-Si:H) thin film transistors like including reduced processing
temperature and cost. OTFTs-based circuits are potentially useful in a number of
applications. The fabrication of OTFTs on plastic substrates can provide the
application for active matrix displays, and low cost electronics for smart cards or
merchandise tags.
In this paper, the I-V characteristics of Pentancene organic thin film transistor were
examined and a field-effect model was proposed that could explain the dependence
of field-effect mobility μ on the gate field E for Pentancene organic thin film
transistor. The associated traps of grain boundaries additionally would reduce the
organic semiconductor mobility to difficultly transport in thin film devices.
Keyword: Organic thin film transistor, plastic substrates, Pentancene, field-effect
mobility, grain boundaries
有机薄膜电晶体元件特性之电性分析研究 9
一, 前言
过去十多年来,具有光电特性的有机导电分子,以及高分子材料研发里有
许多突破性的进展.这些具光电性质的有机材料,不论是小分子,寡聚物或是
高分子聚合物;往往可以吸收,发射可见光及光电性质,进而有不同的应用,
其中最重要包括了有机薄膜电晶体(Organic Thin Film Transistors),有机发光
二极体(Organic Light Emitting Diode,简称OLED).一般来说,有机元件成本
较低,加上属於低温制程,因此可以制作於塑胶基板上,进而使得OTFT可以
应用於低成本,大面积的电子产品的机会大大提升;例如:主动驱动显示器,
智慧卡,价格标签,货物标签,或者大面积感应阵列等等.[1][2]
在传统的MOS元件制造上,一般是利用无机半导体材料矽作为主要材料.
由於基本上各原子间是以很强的共价键连接,才使得无机半导体有较佳的载子
移动率.但是对於有机半导体材料而言,分子多以集团形式存在,又分子间的
作用力微弱,可以形成的能带也就有限,所以有机半导体的载子移动率会比较
低,我们可以由表一了解有机和无机材料间载子移动率之相对比较.虽然有机
半导体材料的电性与载子移动率较差,但是仍有两项优点:(1)有机材料可利用
溶液进行大面积旋涂,或利用真空蒸镀来制作半导体层,可以降低制程的成本.
(2)相对於无机材料的制程温度,有机材料可以在较低温的条件下制作;因此可
选择耐热性较差的塑胶基板,以制造质轻,具韧性,可挠曲的显示器.
比起非晶矽(amorphous silicon)TFT(无机材料),有机电晶体OTFT应用於大
型显示器具有低制程温度及低制程成本之优势,因此近年来有许多研究单位致
力於开发有机电晶体OTFT之相关材料及制程技术,其中以Pentance-base OTFT
最具竞争性,但由於Pentance之相关电的物理特性研究十分缺乏,因而使得
OTFT发展滞碍难行,因此在本论文中便针对Pentance-base OTFT之相关电性
特性进行研究分析.
表一,inorganic和organic材料间载子移动率之比较
Material Mobility(μp)
Ge 1900 (cm2v-1s-1)
Si 450 (cm2v-1s-1)
GaAs 400 (cm2v-1s-1)
Inorganic
Semiconductor
InP 150 (cm2v-1s-1)
Polyacetylene 0.0001 (cm2v-1s-1)
α-W-hexathiophene 0.03 (cm2v-1s-1)
C 60 0.3 (cm2v-1s-1)
Organic
Semiconductor
Pentacene 1.5 (cm2v-1s-1)
4 朝阳学报第八期
二,研究实验
本研究主要是针对OTFT物理电性模型为探讨目标.我们利用HP4145B半
导体参数分析机台量测之实验数据进行相关电性模型分析.综合上述,本论文
研究大致上分为二个步骤,分别是OTFT元件制程设计及OTFT元件电性模拟
分析.利用电性分析,搭配Curve fitting的方式,萃取出相关电性参数,建构
出属於OTFT元件本身的相关物理机制.
OTFT制程设计部分,主要是依照图一所示之结构进行相关制造程序[3].
接下来我们便针对OTFT元件各层材料间的制造流程作一一陈述:
1. start with glass substrate(利用玻璃为基底)
2. Sputtering 0.1μm thin metal(Cr) as gate(溅镀一层铬膜当作闸极)
3. Sputtering 0.3μm oxide as insulator(溅镀一层SiO2当作闸绝缘层)
4. Sputtering 0.1μm ITO as source/drain contacts(利用ITO材料当作源/汲极之
电极接触)
5. Patterning by Photolithography for source/drains contacts(使用照相平版印刷制
程产生源/汲极)
6. deposit 0.1μm Pentance(organic material) as active region(蒸镀一有机材料---
五环素,当作主动区)
经过上列制造流程后,元件各层材料间的制程深度及长度分别为:主动区深度
为1000 ,闸极氧化层厚度为3000 ,通道长度为10μm,闸极深度为1000 .
透过HP4145B量测得到之数据和模拟电性结果作curve fitting分析;萃取适合
的制程参数,以利於我们进行往后电性分析的工作.
图一, Organic TFT结构图
有机薄膜电晶体元件特性之电性分析研究 9
三,结果分析及探讨
在电性分析的部分,针对OTFT元件电性状态做相关实验分析及参数探
讨.其中电性参数分析大致上以两个方向为主: 一方面针对ID-VDS曲线特性
做相关电性分析及探讨,并透过模拟软体辅助电性分析,加强OTFT元件理论
上之印证.另一方面,经此特性曲线了解到OTFT元件的启始电压状态;并且
可以利用回归分析之方式,针对垂直电场,载子移动率,晶格大小对於元件电
性之影响作更深入的探讨[4][5].
一般来说,OTFT虽然是有机半导体材料,但是对於其理论运算还是符合
无机半导体(MOSFET)的模式[6],MOSFET理想行为模式可用下列方程式描述
之:
………(1)
………(2)
由上面二式可了解,若电晶体操作在线性区(三极区)则元件满足方程式(1);
电晶体操作在饱和区则元件满足方程式(2),其中ID(线性区)及ID(饱和区)为汲极的电
流,μ为载子移动率,W,L分别为为电晶体中通道的宽度及长度,Cox是单
位面积绝缘层的电容层,VGS是闸极电位,VT0是起始电位,以上提及之电性参
数皆是量测OTFT之I-V曲线的重要实验依据,接下来我们便利用上面所提出
之方程式进行相关研究分析及讨论.
图二, ID-VDS特性曲线图
()[]2
0)(2
2DSDSTGS
OX
DVVVV
L
CW
I ×=
线性区
()2
0)(2TGS
OX
DVV
L
CW
I =
饱和区
6 朝阳学报第八期
表二,垂直电场及载子移动率-闸极偏压之状态分析
从图二所示,可以发现到模拟之电性结果和实验数据之电性曲线图不同
处.从电性曲线图(图二)了解到在数个VGS值下,方程式(1)以VDS为函数的图
形.从0=
DS
D
V
I
,我们可以找到在电流为最大值时的VDS值.因此,由方程式
(1),电流最大值发生在TGSDSVVV =,而这VDS值就是VDS (sat),也就是饱和
的点.
找出饱和电压值之后,再针对图二实验数据并利用方程式(1)作curve fitting
处理,探讨相关之参数状态与载子移动率,垂直电场和闸极电压之间的关系,
分析结果如表二所示.当闸极电压越加越大时,电晶体垂直通道之电场亦会愈
加愈大,利用方程式(3)可求得垂直电场大小,此时电晶体之载子移动率亦随之
增加.根据Holstein所提之载子移动率理论[7],如方程式(4)所示;当垂直电晶
体通道之电场亦愈加愈大时,相对的会降低载子hopping之能障高度(potential
barrier for hopping transport)因而提高了载子移动率,与图三所示之现象相符合.
………(3)
………(4)
上述两方程式为Holstein文献所提及,E代表的是闸极的垂直电场,VG是指闸
极所加电压,tox则为氧化层厚度;因此可以了解增加垂直电场,可提高载子移
动率.
另外,从量子力学的角度分析元件内部grain boundary的物理特性.一般
来说,在元件内部晶粒和晶粒间具有边界陷阱存在,如图四所示.当我们将闸
极电压向上提升时,其元件内部晶粒和晶粒间的障壁电位(potential barrier)会因
而降低,热激发效应及电流也随之提升,相对的载子移动率亦随闸极电压(闸极
垂直电场)之增加而上升,如图五所示.[8]
一般来说,启始电压的大小反应出元件切换特性之优劣;当启始电压值愈
低,则元件导通性能愈佳,反之亦然;另外,对於Ion / Ioff的影响甚钜.因为
ox
G
t
V
E=
()()
=
kT
h
h
qaE
Ep
qaE
TTE
4
tanh
4
exp
2
1,0,
2
1
ω
ω
有机薄膜电晶体元件特性之电性分析研究 9
当Ion / Ioff比值愈高时,代表元件的切换速度愈快,亦指其漏电流愈小.由此
可以看出启始电压对於元件之重要性.因此,本文接著要针对启始电压的部分
作探讨.
实验中,固定汲极电压为40Volt时,我们对有机薄膜电晶体进行ID - VGS
量测,如图六所示.再利用电晶体操作在饱和区时之方程式(2),及图六之数据
进行方程式推导.接著,利用(ID(sat))1/2对VG作图,如方程式(5)和图七所示,
并作线性回归;经此回归线的斜率推算出载子移动率,载子移动率在薄膜电晶
体的特性中是一个重要的参数,由回归线与X轴的截点求得VT0.经由分析过
后得到之数据和相关文献所提之数值相差甚小;其载子移动率为
0.0011cm2/V-s,启始电压为2.1Volt.[9]
………(5)
图三,垂直电场-载子移动率关系图
图四,晶格-晶格间的能带表示图
()()TGS
oxn
DVV
L
CW
satI =
2
8 朝阳学报第八期
图五,晶格-晶格间的能带表示图(施予闸极电压之能带情况)
图六,ID - VGS电性曲线分布图
图七,(ID)1/2 - VGS电性曲线分布图
有机薄膜电晶体元件特性之电性分析研究 9
四,结论
有机电晶体的特性受制程条件的影响非常的大.以成膜条件为例,运用不
同的溶剂,涂布方式及后续处理,对於薄膜电晶体上的电性即会产生不同的变
化,除此之外,基板的平整度对有机薄膜的型态(morphology)也有关键性的影
响,因此在绝缘层及金属极的制作就需要选择较平整的制程.加上其效能仍远
不如矽晶片,因此,若是未来在制程技术上日趋成熟,则相关商业化技术所需
之科技逐渐兴起,加上OTFT搭配下世代最具潜力之OLED或E Ink等,成为
商品化之全有机平面显示器也将指日可待.
本文中,有机薄膜电晶体元件是透过热蒸镀及溅镀制程完成的,经由
HP4145B量测和数值分析后可以得到下列参数分析值;当VDS=40Volts时,载
子移动率为0.0011cm2/V-s,启始电压为2.1Volts.另外,grain size和trap
concentration对於OTFTs的影响亦是本文探讨之重点;经本文定性分析得知,
利用多晶矽grain boundary的观念,高垂直电场驱动下,在热激发传输过程中,
其元件晶粒与晶粒间之障壁电位会随之降低,使得载子移动率会随之提高.
日后,在OTFT元件分析研究,仍有以下几个议题须加以研究探讨:
(a) Pentancene grain size(晶粒大小)对OTFT之电性影响.
(b) Pentancene中Trap及defect浓度大小及种类对OTFT之电性影响
(c) OTFT制程条件对OTFT之电性影响
希望藉由这一连串的研究分析,有助於未来OTFT元件在高科技产业上的应
用,更可提升全球人类在使用上的方便性.
10 朝阳学报第八期
参考文献
[1] Y. Y. Lin, D. J. Gundlach, S. F. Nelson, T. N. Jackson, "High-Mobility
Pentacene-Based Organic Thin Film Transistors," IEEE Electronic Device
Letters, Vol. 18, No. 3, 1997, pp. 60-61.
[2] Ioannis Kymissis, C. D. Dimitrakopoulos, and Sampath Purushothaman,
"High-Performance Bottom Electrode Organic Thin-Film Transistors," IEEE
TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, Vol. 48, No. 6, June 2001, pp.
1060-1064.
[3] Hagen Klauk, David J. Gundlach, Thomas N. Jackson, "Fast Organic Thin-Film
Transistor Circuits," IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, Vol. 20, No. 6,
JUNE 1999, pp. 289-291.
[4] Christos D. Dimitrakopoulos, Patrick R. L. Malenfant, "Organic Thin Film
Transistors for Large Area Electronics," Adv.Mater., Vol.14, No. 2, January 16
2002, pp.99-117.
[5] C. D. Dimitrakopoulos, D. J. Mascaro, "Organic thin-film transistors: A review
of recent advances." IBM J. RES.& DEV., Vol. 45, No. 1, January 2001,
pp.11-27.
[6] H. L. Kwok, "Analytical model for current transport in organic thin-film
transistors," IEE Proc.-Circuits Device Syst, Vol. 147, No. 2, April 2000,
pp.125-128.
[7] Muhammad A. Alam, Ananth Dodabalapur, and Mark R. Pinto, "A
Two-Dimensional Simulation of Organic Transisotrs," IEEE TRANSACTIONS
OF ON ELECTRON DEVICES, Vol. 44, No. 8, August 1997, pp.1332-1337.
[8] Ted Kamins, "Polycrystalline silicon for integrated circuit application,"
pp.160-166.
[9] Hagen Klauk, Gunter Schmid, "Contact Resistance in Organic Thin Film
Transistors," Semiconductor Device Research Symposium, 2001 International,
2001, pp. 349 -352.
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2 朝阳科技大学 资讯工程所 硕士生
有机薄膜电晶体元件特性之电性分析研究
A study of electrical characteristics of organic thin film
transistor
余昌峰(Chang Feng Yu)1,许景富(Ching Fu Hsu)2,陈耀鹏(Yao
Peng Chen)2,马郁华(Yu Hua Ma)2
摘要
有机薄膜电晶体对半导体和电子产业的发展和普及巳有多年贡献,比起非
晶矽(amorphous silicon)薄膜电晶体,有机薄膜电晶体应用於大型显示器具有低
制程温度及低制程成本之优势;结合有机薄膜电晶体制作技术於塑胶基板上,
可将其应用於主动驱动显示器,货物标签,智慧卡或低成本电子产品.
本论文研究针对有机(五环素,Pentancene)薄膜电晶体I-V曲线图进行相关
电性分析,藉此探讨制程因素对启始电压之影响,以及电晶体闸极垂直电场对
载子移动率及晶格边界的障壁效应相对关系.
关键词:有机薄膜电晶体,塑胶基板,五环素,场效载子移动率,晶格边界
2 朝阳学报第八期
Abstract
Organic thin film transistors (OTFTs) have reveived considerable attention in recent
years. OTFTs may offer processing advantages over conventional hydrogenated
amorphous silicon (a-Si:H) thin film transistors like including reduced processing
temperature and cost. OTFTs-based circuits are potentially useful in a number of
applications. The fabrication of OTFTs on plastic substrates can provide the
application for active matrix displays, and low cost electronics for smart cards or
merchandise tags.
In this paper, the I-V characteristics of Pentancene organic thin film transistor were
examined and a field-effect model was proposed that could explain the dependence
of field-effect mobility μ on the gate field E for Pentancene organic thin film
transistor. The associated traps of grain boundaries additionally would reduce the
organic semiconductor mobility to difficultly transport in thin film devices.
Keyword: Organic thin film transistor, plastic substrates, Pentancene, field-effect
mobility, grain boundaries
有机薄膜电晶体元件特性之电性分析研究 9
一, 前言
过去十多年来,具有光电特性的有机导电分子,以及高分子材料研发里有
许多突破性的进展.这些具光电性质的有机材料,不论是小分子,寡聚物或是
高分子聚合物;往往可以吸收,发射可见光及光电性质,进而有不同的应用,
其中最重要包括了有机薄膜电晶体(Organic Thin Film Transistors),有机发光
二极体(Organic Light Emitting Diode,简称OLED).一般来说,有机元件成本
较低,加上属於低温制程,因此可以制作於塑胶基板上,进而使得OTFT可以
应用於低成本,大面积的电子产品的机会大大提升;例如:主动驱动显示器,
智慧卡,价格标签,货物标签,或者大面积感应阵列等等.[1][2]
在传统的MOS元件制造上,一般是利用无机半导体材料矽作为主要材料.
由於基本上各原子间是以很强的共价键连接,才使得无机半导体有较佳的载子
移动率.但是对於有机半导体材料而言,分子多以集团形式存在,又分子间的
作用力微弱,可以形成的能带也就有限,所以有机半导体的载子移动率会比较
低,我们可以由表一了解有机和无机材料间载子移动率之相对比较.虽然有机
半导体材料的电性与载子移动率较差,但是仍有两项优点:(1)有机材料可利用
溶液进行大面积旋涂,或利用真空蒸镀来制作半导体层,可以降低制程的成本.
(2)相对於无机材料的制程温度,有机材料可以在较低温的条件下制作;因此可
选择耐热性较差的塑胶基板,以制造质轻,具韧性,可挠曲的显示器.
比起非晶矽(amorphous silicon)TFT(无机材料),有机电晶体OTFT应用於大
型显示器具有低制程温度及低制程成本之优势,因此近年来有许多研究单位致
力於开发有机电晶体OTFT之相关材料及制程技术,其中以Pentance-base OTFT
最具竞争性,但由於Pentance之相关电的物理特性研究十分缺乏,因而使得
OTFT发展滞碍难行,因此在本论文中便针对Pentance-base OTFT之相关电性
特性进行研究分析.
表一,inorganic和organic材料间载子移动率之比较
Material Mobility(μp)
Ge 1900 (cm2v-1s-1)
Si 450 (cm2v-1s-1)
GaAs 400 (cm2v-1s-1)
Inorganic
Semiconductor
InP 150 (cm2v-1s-1)
Polyacetylene 0.0001 (cm2v-1s-1)
α-W-hexathiophene 0.03 (cm2v-1s-1)
C 60 0.3 (cm2v-1s-1)
Organic
Semiconductor
Pentacene 1.5 (cm2v-1s-1)
4 朝阳学报第八期
二,研究实验
本研究主要是针对OTFT物理电性模型为探讨目标.我们利用HP4145B半
导体参数分析机台量测之实验数据进行相关电性模型分析.综合上述,本论文
研究大致上分为二个步骤,分别是OTFT元件制程设计及OTFT元件电性模拟
分析.利用电性分析,搭配Curve fitting的方式,萃取出相关电性参数,建构
出属於OTFT元件本身的相关物理机制.
OTFT制程设计部分,主要是依照图一所示之结构进行相关制造程序[3].
接下来我们便针对OTFT元件各层材料间的制造流程作一一陈述:
1. start with glass substrate(利用玻璃为基底)
2. Sputtering 0.1μm thin metal(Cr) as gate(溅镀一层铬膜当作闸极)
3. Sputtering 0.3μm oxide as insulator(溅镀一层SiO2当作闸绝缘层)
4. Sputtering 0.1μm ITO as source/drain contacts(利用ITO材料当作源/汲极之
电极接触)
5. Patterning by Photolithography for source/drains contacts(使用照相平版印刷制
程产生源/汲极)
6. deposit 0.1μm Pentance(organic material) as active region(蒸镀一有机材料---
五环素,当作主动区)
经过上列制造流程后,元件各层材料间的制程深度及长度分别为:主动区深度
为1000 ,闸极氧化层厚度为3000 ,通道长度为10μm,闸极深度为1000 .
透过HP4145B量测得到之数据和模拟电性结果作curve fitting分析;萃取适合
的制程参数,以利於我们进行往后电性分析的工作.
图一, Organic TFT结构图
有机薄膜电晶体元件特性之电性分析研究 9
三,结果分析及探讨
在电性分析的部分,针对OTFT元件电性状态做相关实验分析及参数探
讨.其中电性参数分析大致上以两个方向为主: 一方面针对ID-VDS曲线特性
做相关电性分析及探讨,并透过模拟软体辅助电性分析,加强OTFT元件理论
上之印证.另一方面,经此特性曲线了解到OTFT元件的启始电压状态;并且
可以利用回归分析之方式,针对垂直电场,载子移动率,晶格大小对於元件电
性之影响作更深入的探讨[4][5].
一般来说,OTFT虽然是有机半导体材料,但是对於其理论运算还是符合
无机半导体(MOSFET)的模式[6],MOSFET理想行为模式可用下列方程式描述
之:
………(1)
………(2)
由上面二式可了解,若电晶体操作在线性区(三极区)则元件满足方程式(1);
电晶体操作在饱和区则元件满足方程式(2),其中ID(线性区)及ID(饱和区)为汲极的电
流,μ为载子移动率,W,L分别为为电晶体中通道的宽度及长度,Cox是单
位面积绝缘层的电容层,VGS是闸极电位,VT0是起始电位,以上提及之电性参
数皆是量测OTFT之I-V曲线的重要实验依据,接下来我们便利用上面所提出
之方程式进行相关研究分析及讨论.
图二, ID-VDS特性曲线图
()[]2
0)(2
2DSDSTGS
OX
DVVVV
L
CW
I ×=
线性区
()2
0)(2TGS
OX
DVV
L
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I =
饱和区
6 朝阳学报第八期
表二,垂直电场及载子移动率-闸极偏压之状态分析
从图二所示,可以发现到模拟之电性结果和实验数据之电性曲线图不同
处.从电性曲线图(图二)了解到在数个VGS值下,方程式(1)以VDS为函数的图
形.从0=
DS
D
V
I
,我们可以找到在电流为最大值时的VDS值.因此,由方程式
(1),电流最大值发生在TGSDSVVV =,而这VDS值就是VDS (sat),也就是饱和
的点.
找出饱和电压值之后,再针对图二实验数据并利用方程式(1)作curve fitting
处理,探讨相关之参数状态与载子移动率,垂直电场和闸极电压之间的关系,
分析结果如表二所示.当闸极电压越加越大时,电晶体垂直通道之电场亦会愈
加愈大,利用方程式(3)可求得垂直电场大小,此时电晶体之载子移动率亦随之
增加.根据Holstein所提之载子移动率理论[7],如方程式(4)所示;当垂直电晶
体通道之电场亦愈加愈大时,相对的会降低载子hopping之能障高度(potential
barrier for hopping transport)因而提高了载子移动率,与图三所示之现象相符合.
………(3)
………(4)
上述两方程式为Holstein文献所提及,E代表的是闸极的垂直电场,VG是指闸
极所加电压,tox则为氧化层厚度;因此可以了解增加垂直电场,可提高载子移
动率.
另外,从量子力学的角度分析元件内部grain boundary的物理特性.一般
来说,在元件内部晶粒和晶粒间具有边界陷阱存在,如图四所示.当我们将闸
极电压向上提升时,其元件内部晶粒和晶粒间的障壁电位(potential barrier)会因
而降低,热激发效应及电流也随之提升,相对的载子移动率亦随闸极电压(闸极
垂直电场)之增加而上升,如图五所示.[8]
一般来说,启始电压的大小反应出元件切换特性之优劣;当启始电压值愈
低,则元件导通性能愈佳,反之亦然;另外,对於Ion / Ioff的影响甚钜.因为
ox
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tanh
4
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2
1,0,
2
1
ω
ω
有机薄膜电晶体元件特性之电性分析研究 9
当Ion / Ioff比值愈高时,代表元件的切换速度愈快,亦指其漏电流愈小.由此
可以看出启始电压对於元件之重要性.因此,本文接著要针对启始电压的部分
作探讨.
实验中,固定汲极电压为40Volt时,我们对有机薄膜电晶体进行ID - VGS
量测,如图六所示.再利用电晶体操作在饱和区时之方程式(2),及图六之数据
进行方程式推导.接著,利用(ID(sat))1/2对VG作图,如方程式(5)和图七所示,
并作线性回归;经此回归线的斜率推算出载子移动率,载子移动率在薄膜电晶
体的特性中是一个重要的参数,由回归线与X轴的截点求得VT0.经由分析过
后得到之数据和相关文献所提之数值相差甚小;其载子移动率为
0.0011cm2/V-s,启始电压为2.1Volt.[9]
………(5)
图三,垂直电场-载子移动率关系图
图四,晶格-晶格间的能带表示图
()()TGS
oxn
DVV
L
CW
satI =
2
8 朝阳学报第八期
图五,晶格-晶格间的能带表示图(施予闸极电压之能带情况)
图六,ID - VGS电性曲线分布图
图七,(ID)1/2 - VGS电性曲线分布图
有机薄膜电晶体元件特性之电性分析研究 9
四,结论
有机电晶体的特性受制程条件的影响非常的大.以成膜条件为例,运用不
同的溶剂,涂布方式及后续处理,对於薄膜电晶体上的电性即会产生不同的变
化,除此之外,基板的平整度对有机薄膜的型态(morphology)也有关键性的影
响,因此在绝缘层及金属极的制作就需要选择较平整的制程.加上其效能仍远
不如矽晶片,因此,若是未来在制程技术上日趋成熟,则相关商业化技术所需
之科技逐渐兴起,加上OTFT搭配下世代最具潜力之OLED或E Ink等,成为
商品化之全有机平面显示器也将指日可待.
本文中,有机薄膜电晶体元件是透过热蒸镀及溅镀制程完成的,经由
HP4145B量测和数值分析后可以得到下列参数分析值;当VDS=40Volts时,载
子移动率为0.0011cm2/V-s,启始电压为2.1Volts.另外,grain size和trap
concentration对於OTFTs的影响亦是本文探讨之重点;经本文定性分析得知,
利用多晶矽grain boundary的观念,高垂直电场驱动下,在热激发传输过程中,
其元件晶粒与晶粒间之障壁电位会随之降低,使得载子移动率会随之提高.
日后,在OTFT元件分析研究,仍有以下几个议题须加以研究探讨:
(a) Pentancene grain size(晶粒大小)对OTFT之电性影响.
(b) Pentancene中Trap及defect浓度大小及种类对OTFT之电性影响
(c) OTFT制程条件对OTFT之电性影响
希望藉由这一连串的研究分析,有助於未来OTFT元件在高科技产业上的应
用,更可提升全球人类在使用上的方便性.
10 朝阳学报第八期
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