高分子電晶體之研究

Studies on polymer thin film transistor

楊能傑(Neng-Jye Yang)

指導教授 ： 陳壽安

國立清華大學/工學院/化學工程學系/博士(2010年)

摘要

本研究主要分成三個部份，首先探討高分子電晶體中遲滯現象發生的原因。接著設計一個嶄新的載子儲存槽以提高高分子電晶體之載子遷移率。最後整合實驗室已架構之各項先進元件製程技術，以導電高分子材料製作出第一個用以驅動高分子發光二極體之高分子電晶體驅動基板。
本研究探討P3HT、P3DDT及MEH-PPV三種高分子在廣泛溫度區間中遲滯現象與溫度的關係。三種高分子皆可在低溫區間發現一個明顯的遲滯現象，而該遲滯現象在高溫區間則減低。值得注意的是這些與溫度相關的遲滯現象都有一個遲滯現象轉移溫度(Th)，同時各個高分子的遲滯現象轉移溫度區間都與各自的玻璃轉移溫度(Tg)相近。利用FI-TSC得到P3HT與溫度變化的去極化電流可發現在側鏈擾動溫度區間結束之前，主鏈的去極化電流已經產生。此結果說明一部份的主鏈會被電場極化而產生去極化電流，表示當高分子側鏈可擾動時，部分主鏈亦隨之開始擾動而可被電場極化。在反向電場操作時，此時這些被極化的主鏈無法即時重新排列，導致去回方向下汲極電流的差異，而產生遲滯現象。當操作溫度高於主鏈擾動溫度後，遲滯現象則逐漸減少，其原因為可自由擾動的主鏈能夠隨著電場方向即時重新排列。因此，本研究釐清了高分子電晶體中遲滯現象發生的原因。
本研究提出一個應用在高分子電晶體的載子儲存槽，利用PEDOT:PSS摻雜高分子半導體表面後形成之額外載子，在施予閘電壓時累積在電晶體的導電通道中來提高高分子電晶體的載子遷移率及電流開關比。不僅如此，由於PEDOT:PSS為高分子結構，不會擴散到導電高分子中，可達成一個分層的載子儲存槽，同時在未施加閘極電壓這些額外的載子會因為表面的-SO3^-的庫倫吸引力而回到半導體層的表面而不會影響電晶體的關閉電流。同時，本研究亦採用了另一小分子結構的摻雜物(NOSbF6)作為載子儲存槽，藉由比較來了解PEDOT:PSS載子儲存槽之優勢。得到在加上PEDOT:PSS載子儲存槽後，P3HT電晶體之載子遷移率由原先的0.007提高到0.12 cm^2V^-1s^-1，電流開關比也由原先的4×10^5提高到7.8×10^6，此數據是一般利用旋轉塗佈成膜且沒有經過特別表面處理或是應用高介電常數絕緣層的P3HT高分子電晶體中最高的載子遷移率。
本研究在透明玻璃基板上，利用PECVD 製程得到的SiO2 絕緣層以及噴墨印刷得到的P3HT 高分子膜設計製作主動式高分子電晶體驅動基板。由於本研究運用噴墨印刷技術將P3HT高分子半導體層及PVA保護層準確的在需求位置上噴墨成膜，成功克服在溶劑製程中不易定義選取範圍的困難，同時設計可分別噴墨印刷高分子電晶體以及高分子發光二極體的區域，製作一個以高分子半導體材料製作的主動式高分子電晶體驅動基板。不僅如此，本研究得到P3HT電晶體可達到與pentacene電晶體相近的開啟電流，表示用高分子電晶體在實際應用上亦是可行的。這也是現今第一個實現以高分子電晶體製作的主動式電晶體驅動基板。
綜合上述結果，本研究得到許多以高分子材料製作高分子電晶體的資訊，這些資訊提供我們許多在高分子電晶體工業化所需要的時重要參考依據。

關鍵字

高分子 ； 電晶體 ； 遲滯現象 ； 驅動基板

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