隨著軟性電子元件的發展逐漸成熟，具有低成本、大面積與捲對捲量產等優點的液態製程有機電晶體其潛力可期。本論文主要在探討過去本實驗室所開發的有機垂直電晶體─空間電荷限制電晶體。過去本團隊雖然可以製作出同時具有高輸出電流、高開關電流比與低操作偏壓等良好特性的有機垂直電晶體，但元件電性常常受限於製程方式。我們利用非緊密排列的奈米球作為金屬基極蒸鍍遮罩，然而奈米球的的隨機排列容易出現因球聚集而產生孔洞過大的問題。過去的研究顯示，過大的電子傳輸通道將會產生較大的漏電流。奈米壓印技術具備了高穩定性與可大面積化製程的發展潛力。本研究與台灣大學王倫教授實驗室合作，一同開發規則金屬網基極。成功以奈米壓印製程製作出規則金屬網基極，但卻受限於鋁濕式蝕刻製程。濕式蝕刻在製作規則金屬網的同時，會對元件上造成有機材料的離子汙染，而產生漏電流。此研究中將濕式蝕刻從製程中去除，改以奈米壓印搭配掀離法來製作奈米金屬網，有了突破性的成果，成功將基極漏電流縮小近一個數量級，同時具備高穩定性與再現性，製作出元件具有開電流4.64 mA/cm2及開關電流比到105以上的元件特性。相信未來將奈米壓印製程導入可撓性基板上，更佳的元件特性將可以被預期。

By the help of blossom develop status of flexible eletronic devices, the solution-processed organic transistors now show its bigger application potential in low-cost roll-to-roll large-area mass produciton. This thesis mainly focus on space-charge-limited transistor (SCLT), a vertical organic transistor develpoed by our group. Though SCLT has good charateristics like high output current, high ON/OFF current ratio and relatively low operational voltage, but its performance is unstable due to the fabrication process. We use nano sphere as a evaporation mask. But accommodation effect may easily occur because of the random arrangement of sphere. It may produce larger hole, and causing larger leakage current. Nanoimprint lithography is promising at high yield and large-area fabrication potential. In this work, we cooperate with Dr. Lon A. Wang’s group to develop the well-regular-ordered metal mesh base-electrode. However, the performance of imprinted SCLT is limited by Al wet-etching process. The ion contamanation caused by wet-etching may induced leakage current. Lately we try to combine nanoimprint with lift-off method and successfully reduce the leakage current by a order. The ouput current of SCLT device reaches 4.64 mA/cm2 and the ON/OFF current ratio increases to more than 105. We believe that we can apply nanoimprint lithography on flexible substrate in the future. And better performance of SCLT would have be predicted.

摘要 I
Abstract III
目錄 V
圖目錄 VII
Chapter 1 緒論 - 1 -
1-1 研究背景 - 1 -
1-2 研究動機 - 3 -
1-3 論文架構 - 4 -
Chapter 2 材料與設備簡介 - 5 -
2-1 共軛高分子材料 - 6 -
2-2 有機絕緣材料 - 9 -
2-3 壓印材料 - 10 -
2-4 自組裝單層分子 - 11 -
2-5 干涉曝光微影系統 - 12 -
2-6 油壓式奈米壓印機 - 13 -
Chapter 3 元件原理 - 14 -
3-1 金屬與半導體界面 - 14 -
3-2 有機元件之電流限制原理 - 17 -
3-2.1 注入限制電流 - 17 -
3-2.2 空間電荷限制電流(SCL Current) - 19 -
3-3 真空管原理 - 22 -
3-4 空間電荷限制電晶體結構與其操作原理 - 23 -
Chapter 4 實驗製程 - 25 -
4-1 基板之圖樣定義製程 - 25 -
4-2 標準SCLT - 27 -
4-2.1 有機絕緣層 - 28 -
4-2.2 隨機奈米金屬網格 - 28 -
4-2.3 主洞層與上電極 - 29 -
4-3 奈米壓印金屬網有機垂直電晶體 - 30 -
4-3.1 孔洞陣列模具(mold)與印(stamp) - 30 -
4-3.2 金屬網有機垂直電晶體 - 34 -
4-4 剝離法改善奈米壓印之金屬網有機垂直電晶體 - 37 -
4-4.1 柱狀陣列模具 - 37 -
4-4.2 金屬網有機垂直電晶體 - 39 -
Chapter 5 問題與討論 - 42 -
5-1 金屬網有機垂直電晶體之模擬 - 43 -
5-2 奈米壓印金屬網有機垂直電晶體前期成果 - 44 -
5-2.1 以原子層沉積法包覆壓印模具 - 45 -
5-2.2 單層自組裝分子之脫模劑 - 47 -
5-2.3 h-PDMS/PDMS翻模 - 47 -
5-2.4 濕式蝕刻鋁金屬網格 - 49 -
5-2.5 前期之電性成果 - 51 -
5-3 掀離法製作金屬網陣列 - 53 -
5-3.1 柱狀陣列模具與印 - 53 -
5-3.2 掀離製程 - 55 -
5-3.3 剝離製程 - 56 -
5-3.4 PVP絕緣性測試 - 58 -
5-4 以ARC壓印之剝離製程 - 60 -
5-4.1 後期之電性成果 - 63 -
Chapter 6 結論與展望 - 66 -
6-1 結論 - 66 -
6-2 展望 - 67 -



 
圖目錄
圖 1 隨機產生過大的奈米網狀結構之基極 - 3 -
圖 2 規則金屬網基極 - 4 -
圖 3 聚乙炔(polyacetylene, PA)分子式 - 7 -
圖 4 共軛高分子P3HT分子式 - 8 -
圖 5 P3HT二維共軛片狀結構的堆疊方式 (a)edge-on (b)face-on (c)vertical [18] - 8 -
圖 6 (a)PVP結構式；(b)PMF結構式 - 9 -
圖 7 ARC與mr-I 7020R比較表 - 10 -
圖 8 OTS-18化學結構式 - 11 -
圖 9 FPTS化學結構式 - 11 -
圖 10 雙光干涉微影系統簡圖[17] - 12 -
圖 11 雙光干涉原理示意(週期Λ) [17] - 13 -
圖 12 油壓式奈米壓印機 - 13 -
圖 13 歐姆接面與蕭基接面之電流-電壓關係圖 - 14 -
圖 14 蕭基接面能帶示意圖 - 15 -
圖 15 歐姆接面能帶示意圖 - 15 -
圖 16 熱注入模式示意圖 - 18 -
圖 17 Fowler-Nordheim穿隧效應理論示意圖 - 18 -
圖 18 SCLC示意圖。 - 19 -
圖 19 (a) Ohmic conduction (b) SCLC (c) trap fill (d) SCLC - 21 -
圖 20 固態真空管結構示意圖 - 22 -
圖 21 空間電荷限制電晶體結構示意圖 - 23 -
圖 22 射極到集極間之通道中央的位能分佈圖 - 24 -
圖 23 電晶體圖樣基板 - 26 -
圖 24 標準SCLT製程流程 - 27 -
圖 25 孔洞陣列模具與印 - 30 -
圖 26 曝光步驟 - 31 -
圖 27 孔洞陣列模具 - 32 -
圖 28 金屬網有機垂直電晶體製程流程圖 - 34 -
圖 29 搭配剝離法製作金屬網有機垂直電晶體製程流程圖 - 39 -
圖 30 聚苯乙烯球在PVP上形成非緊密排列，且有部分聚集現象 - 42 -
圖 31 因聚苯乙烯球的聚集現象造成部份電子傳輸通道形狀不規則且過大 - 42 -
圖 32 僅改變孔徑大小之模擬 - 43 -
圖 33 最後決定的孔洞陣列模具 - 44 -
圖 34 原子層沉積包覆Al2O3於光阻的孔洞陣列 - 46 -
圖 35 h-PDMS/PDMS雙層結構 - 46 -
圖 36 h-PDMS柱子倒塌現象 - 48 -
圖 37 h-PDMS/PDMS印之AFM - 48 -
圖 38 濕式蝕刻不完全鋁金屬網格AFM圖 - 49 -
圖 39 濕式蝕刻不完全產生柱立SEM圖 - 50 -
圖 40 濕式蝕刻鋁金屬網格 - 50 -
圖 41 前期卓越元件電性(a)開關比 (b)輸出曲線 (c)基極電流 (d)射極電流 - 52 -
圖 42 前期普遍元件電性(a)開關比 (b)輸出曲線 (c)基極電流 (d)射極電流 - 52 -
圖 43 不同曝光劑量下的柱狀陣列模具 - 54 -
圖 44 柱狀陣列模具翻印之h-PDMS/PDMS - 54 -
圖 45 掀離製程流程圖 - 55 -
圖 46 以lift-off製作出厚度約20nm金屬網格陣列 - 56 -
圖 47 剝離製程流程圖 - 57 -
圖 48 剝離法製作ITO/PVP/Al金屬網格結構 - 57 -
圖 49 SCLT基極-集極之漏電流元件 (a)輸出曲線 (b)基極電流 (c)射極電流 - 58 -
圖 50 以剝離法製作SCLT元件SEM - 58 -
圖 51 PVP絕緣特性 (a)無處理PVP (b)壓印過PVP並溶解掉阻劑 - 59 -
圖 52 PVP絕緣特性 (a)無處理PVP (b)氧電漿處理表面之PVP - 59 -
圖 53 以ARC壓印之剝離製程流程圖 - 60 -
圖 54 以ARC壓印規則柱狀結構 - 61 -
圖 55 使用剝離法剝離金屬後SEM - 62 -
圖 56 規則柱狀陣列通道SEM - 62 -
圖 57 後期元件電性 (a)開關比 (b)輸出曲線 (c)基極電流 (d)射極電流 - 64 -
圖 58 後期導入自組裝單層分子元件電性 (a)開關比 (b)輸出曲線 (c)基極電流 (d)射極電流 - 64 -
圖 59 後期元件SEM - 65 -
圖 60 後期導入自組裝單層分子元件SEM - 65 -

參考文獻
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