半導體之摻雜、介電層及其表面處理對n-型苝苯亞醯胺衍生物有機薄膜電晶體之影響

Effects of Doping, Dielectric Materials and their Surface Treatments on n-type Perylene Diimide Derivatives Organic Thin Film Transistors

丁姮彣(Heng-Wen Ting)

指導教授 ： 游萃蓉

國立清華大學/工學院/材料科學工程學系/碩士(2009年)

摘要

本研究目的為開發可溶式、高空氣穩定度、高載子移動率的有機薄膜電晶體，使其能應用於製程溫度在200°C以下的印刷(printing)製程及不耐高溫之軟性基板上。主要是利用可溶式n-型(n-type)有機半導體苝苯亞醯胺衍生物(perylene diimide derivatives)，N,N′-bis(3-fluoro-5-trifluoromethyl-benzyl)tetrachloroperylene-3,4,9,10-bis-(dicarboximide) (簡稱為TC-PDI-F)為半導體材料，以旋轉塗佈法，將TC-PDI-F塗佈於以熱氧化二氧化矽(thermal-SiO2)為閘極介電層之基板上，製作有機薄膜電晶體(organic thin film transistor, OTFT)。並藉由半導體層的摻雜與閘極介電層上的表面處理，提升有機電晶體元件效能。另方面，本研究也將TC-PDI-F整合在可溶式介電層(液相沉積二氧化矽, liquid-phase-deposited SiO2, 簡稱LPD-SiO2)上，以可溶式製程製作有機薄膜電晶體。期待未來可整合軟性基板，製作全可溶式、可撓式薄膜電晶體，以應用在軟性電子產品上。
結果顯示，本研究所使用的半導體材料(TC-PDI-F)，可以低溫、溶液方式，利用旋轉塗佈法塗佈在含熱氧化二氧化矽(thermal-SiO2) 之矽基座上，製作有機電晶體，但TC-PDI-F在未經任何表面處理的thermal-SiO2上的成膜性不好，且製作成底接觸有機薄膜電晶體(bottom contact OTFT)後未有電晶體特性。
為提升TC-PDI-F在thermal-SiO2上之成膜性及電晶體效能，本研究中具體的做法及研究重點為：(1)在閘極介電層thermal-SiO2上施以表面處理，改變thermal-SiO2表面性質，預期能改善有機半導體層在thermal-SiO2上的附著性、減少閘極介電層/半導體層介面缺陷(trap states)、增加TC-PDI-F在thermal-SiO2上之晶體排列性，並提升TC-PDI-F 有機薄膜電晶體效能(例如以三甲基矽甲基鋰分子修飾thermal-SiO2並製作成有機薄膜電晶體之元件效能為：載子遷移率μ= 4.44×10-5 cm2V-1s-1、開關電流比Ion/Ioff = 10，起始電壓Vth = 32 V)；(2) 以TC-PDI-F為主要半導體材料，利用摻雜的方式，期望能提高有機半導體層之載子濃度、改變電子結構(增加電子能階中的施子能階，即donor levels)、幫助TC-PDI-F有序地排列，以提升TC-PDI-F 有機薄膜電晶體效能及穩定度(例如加入LiF之摻雜物後，可使有機薄膜電晶體效能達到μ= 2.71×10-5 cm2V-1s-1、Ion/Ioff = 12， Vth = 25 V)。
此外，本研究也將有機半導體材料TC-PDI-F，試製在液相沉積二氧化矽(LPD-SiO2) 之可溶式閘極介電層上，製作成有機薄膜電晶體。結果顯示以LPD-SiO2做為閘極介電層，能進一步有效提升TC-PDI-F 有機薄膜電晶體元件效能達μ= 0.26 cm2V-1s-1、Ion/Ioff = 19 、Vth = 11 V，此結果揭示以可溶式製程，在大氣環境下以TC-PDI-F作為半導體層，LPD-SiO2作為閘極介電層，製作有機薄膜電晶體之可行性，將有助於未來可溶式、可撓曲有機薄膜電晶體之開發及應用於軟性電子產品上。

關鍵字

有機薄膜電晶體

參考文獻

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