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姓名 張簡聿心(Yu-Hsin Chang Chien)  查詢紙本館藏   畢業系所 化學工程與材料工程學系
論文名稱 透明氧化物薄膜電晶體與電晶體式記憶體之分析與應用
(Analysis and Application for Transparent Oxide Thin Film Transistor and Organic Thin Film Transistor Type Memory)
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摘要(中) 本論文可分為兩部分研究,第一部份為溶液製程低啟動電壓全透明氧化物薄膜電晶體,第二部分為施體受體與連接結構對電晶體式記憶體之應用。
第一部分研究中,以氧化銦錫(Indium Tin Oxide, ITO)玻璃為基板及底電極,在上面沉積厚度約120 nm的TSO介電層薄膜(TSO),其電容值約172 nF cm-2、介電常數約27.5。在TSO介電層上方以噴塗法在基板預熱400 oC下噴塗厚度約65 nm 的氧化鋅(ZnO)薄膜當半導體層,接著在400 oC下退火1 min。透明電極製備方式有兩步驟,先以噴塗法透過不鏽鋼遮罩噴塗一層AgNWs,接著再噴塗一層PEDOT:PSS。電晶體的操作電壓僅3 V,電流開關比約105,亞閾值斜率0.36 V,亞閾值斜率815 mv dec-1,電子遷移率9.1 cm2 V-1 s-1。結果呈現其具有良好電性,不受實驗環境影響,且電晶體元件達到透明度約80 %。
第二部分研究中,以Si/SiO2為基底,接著以旋轉塗佈法沉積一層駐極體用來捕捉電洞與電子,駐極體分別是TPA-PIS (Triphenylamine Sulfonyl-containing polyimide)、TPA-PES (Triphenylamine Sulfonyl-containing polyether)與TPA-PETS (Triphenylamine Sulfonyl-containing polyester),它們擁有相同的施體 (Triphenylamine, TPA)與受體 (Sulfonyl group)但不同的連接結構(imide linkage、ether linkage、ester linkage),藉由探討分析電性與高分子駐極體結構可以判斷三者皆為揮發性記憶體,然而由於高分子駐極體能階(HOMO與LUMO)、結構等特性導致分別擁有不同電性特徵。藉由本研究可以了解不同結構對電晶體式記憶體之影響。
摘要(英) The research can be divided into two parts. The first one is Solution-processable low-voltage driven transparent oxide thin film transistor. The second is Donor Acceptor and linkage effect for transistor type memory devices application.
In the first part, we use ITO glass as substrate and gate. Then, about 120 nm TSO thin film was deposited on ITO glass. Its capacitance is approximately 172 nF cm-2, dielectric constant is 27.5. The TSO/ITO glass substrate was preheated to 400 oC, and then 65 nm ZnO semiconductor layer was deposited on it by using spray coating method, followed by annealing at 400 oC for 1 min. The elecrtrode was fabricated by two steps. Firstly, we deposited AgNWs through a shadow mask by using spray coating method. Then, we deposited another PEDOT:PSS layer through the shadow mask on the same position as we deposited AgNWs. The operation voltage of the thin film transistor is only 3 V, on/off current ratio 105, threshold voltage 0.36 V, subthreshold swing 815 mv dec-1, electron mobility 9.1 cm2 V-1 s-1. The results show the thin film transistor possessed well electrical characteristics and was stable under ambient air while doing experiment.
In the second part, we use SiO2/Si as substrate and deposited electret by using spin coating method. Electret layer is fabricated for the purpose of storing holes or electrons. In this work, the electrets are TPA-PIS (Triphenylamine Sulfonyl-containing polyimide)、TPA-PES (Triphenylamine Sulfonyl-containing polyether) and TPA-PETS (Triphenylamine Sulfonyl-containing polyester), respectively. By researching and analyzing the electric characteristics and structure effects, we can be told that transistor type memory devices based on the three materials are all volatile memory. Yet, different structure, energy level or other relative characteristics can influent electric characteristics of transistor type memory. Therefore, we can learn knowledge by analyzing the relationships between structure and its effects on memory characteristics.
關鍵字(中) ★ 電晶體
★ 記憶體
關鍵字(英)
論文目次 摘要 i
Absctract iii
致謝 v
第一部分 溶液製程低啟動電壓全透明氧化物薄膜電晶體 1
第一章 緒論 1
1-1前言 1
1-2場效應電晶體簡介 2
1-2-1 電晶體工作原理 2
1-2-2電晶體結構 4
1-2-3重要參數 6
1-2-3-1載子遷移率 6
1-2-3-2閾值電壓 6
1-2-3-3亞閾值斜率 7
1-2-3-4電流開關比 7
1-3金屬氧化物半導體 8
1-4 氧化物半導體製備方法 10
1-4-1旋轉塗佈法 (Spin Coating) 11
1-4-2噴墨打印法 (Ink-jet Printing) 14
1-4-3噴塗法 (Spray Coating) 15
1-5無機高介電常數介電層 19
1-6 透明導電高分子 21
1-7 研究目的 23
第二章 實驗方法 25
2-1 實驗材料及藥品 25
2-2 製程儀器 27
2-3分析儀器 28
2-4實驗步驟 29
2-4-1 溶液-凝膠法合成TSO薄膜前驅物 29
2-4-2反應機制 29
2-4-3氧化鋅反應機制 30
2-5 ZnO電晶體元件製備 30
第三章 結果與討論 33
3-1熱重分析 33
3-2 傅立葉轉換紅外線光譜分析 34
3-3電容分析 36
3-4 X射線光電子能譜分析 37
3-4-1 TSO鍵結分析 37
3-4-2 氧化鋅鍵結分析 38
3-5 X光繞射儀 40
3-6表面形貌分析 41
3-6-1介電層表面形貌 41
3-6-2半導體表面形貌 41
3-6-3電極表面形貌 43
3-6-4電晶體元件剖面圖 44
3-7電性分析 45
3-7-1轉移特性曲線與輸出特性曲線 45
3-8電晶體元件光穿透度 50
第四章 結論與未來展望 52
第二部分 施體受體與連接基團對電晶體式記憶體之應用 53
第五章 緒論 53
5-1前言 53
5-2記憶體簡介 53
5-3 有機場效應電晶體式記憶體 55
5-3-1有機場效電晶體式記憶體重要參數 55
5-3-1-1記憶視窗 56
5-3-1-2滯留時間 57
5-3-1-3寫入-讀取-寫出-讀取迴圈(Write-Read-Erase-Read; WRER) 58
5-4浮閘極有機記憶體 59
5-5鐵電有機記憶體 64
5-6電荷捕捉有機記憶體 66
5-7研究動機 75
第六章 實驗方法 76
6-1 實驗材料及藥品 76
6-2 製程儀器 79
6-3 分析儀器 79
6-4 有機高分子電晶體式記憶體元件製備 80
6-4-1流程圖 81
第七章 結果與討論 82
7-1能階 82
7-2高斯模擬電子雲分布圖 84
7-3表面分析 85
7-4 P型電晶體式記憶體 87
7-4-1轉移特性曲線 87
7-4-2揮發性測試 92
7-4-4滯留時間 94
7-4-5寫入-讀取-寫出-讀取迴圈 96
第八章 結論與未來展望 98
第九章 文獻參考 99











圖目錄
圖1 (a)電晶體結構示意圖、(b)電晶體於線性工作區與其對應之輸出轉移曲線、(c)電晶體工作區介於線性區與飽和區與其對應之輸出轉移曲線、(d)電晶體於飽和工作區與其對應之輸出轉移曲線[2]。 3
圖2 場效電晶體: (a)轉移特性曲線、(b)輸出特性曲線[3]。 4
圖3 四種場效應電晶體: (a)底閘極/底接觸(BGBC)、(b)底閘極/頂接觸(BGTC)、(c)頂閘極/頂接觸(TGTC)、(d)頂閘極/底接觸(TGBC)[4]。 5
圖4 各種製備半導體薄膜的溶液製程方式[10]。 11
圖5 氧化鋅奈米柱生長在(a)沒有電漿處理,比例尺為1µm、(b)經過電漿處理的掃描式電子顯微鏡影像圖、(c) 沒有電漿處理與經過電漿處理的X光繞射儀圖[11]。 13
圖7 氧化鋅場效應電晶體: (a)特性轉移曲線、(b)輸出特性曲線[17]。 16
圖8 介電常數與材料能隙的關係圖[17]。 20
圖9 (a)PEDOT:PSS、(b)DMSO、(c)PEDOT:PSS Benzoid與Quinoid結構示意圖[48, 49]。 22
圖10 基板上噴塗(a) 銀線、(b) 銀線/PEDOT:PSS示意圖[50]。 24
圖11 TSO前驅物反應流程。 30
圖12醋酸鋅水解反應流程。 30
圖13實驗流程圖。 32
圖14 TSO前驅物之TGA。(由楊柏宣提供[52]) 33
圖15 TSO薄膜經過400 oC反應後FTIR圖。(由楊柏宣提供[52]) 35
圖16 醋酸鋅未經過熱處理及經過200 oC、300 oC與400 oC反應後傅立葉轉換紅外線光譜圖。a*: C-O antisymmetric, b*: C-O symmetric。(由楊柏宣提供[48]) 35
圖17 不同頻率與電容的關係。 37
圖18 經過UV60秒處理及400 oC熱處理30 min後的(a)TSO XPS全譜、(b)TSO氧分峰XPS圖。 38
圖19 經過200 oC、300 oC及400 oC熱處理的Zn(CH3COO)2∙2H2O之氧元素之XPS圖。 39
圖20 醋酸鋅前驅物200 oC、300 oC與400 oC反應後X光繞射儀分析。 40
圖21 經400 oC熱處理後TSO的掃描式電子顯微鏡與原子力顯微鏡圖(圖右上)。 41
圖22 經過200 oC、300 oC及400 oC熱處理的ZnO 掃描式電子顯微鏡與原子力顯微鏡圖(右上)。 43
圖23 (a) 銀線、(b) 銀線/PEDOT:PSS SEM圖。 44
圖24氧化鋅電晶體: (a)掃描式電子顯微鏡剖面圖、(b) 掃描式電子顯微鏡剖面各層分析圖。 45
圖25 (a)經過200 oC、300 oC及400 oC熱處理的鋁電極氧化鋅電晶體特性轉移曲線圖、(b)經過400 oC熱處理的鋁電極氧化鋅電晶體輸出特性曲線圖。 48
圖26 銀線/PEDOT:PSS電極氧化鋅電晶體: (a)特性轉移曲線、(b)輸出特性曲線。 49
圖27電晶體元件穿透度示意圖。 51
圖28 記憶體依儲存資料能力分類1[73]。 54
圖29 場效應電晶體之結構: (a)頂接觸元件、(b)底接觸元件。(c)浮閘極、(d)電荷捕捉及(e)鐵電有機記憶體[73]。 55
圖30 記憶視窗及記憶開關電流比之定義[74]。 56
圖31 滯留時間圖: (a)滯留特性較佳、(b)滯留特性較差[75]。 57
圖32 (a)寫入-讀取-寫出-讀取迴圈、(b)耐久性[76]。 58
圖33 (a)頂閘極/底接觸浮閘極記憶體元件結構、(b)F8T2高分子半導體之結構式。(c)無PS、(d)22 nm PS與(e)45 nm PS之記憶體特性轉移曲線。(f)電荷導入層PS影響半導體層電洞傳導之示意圖、(g)蒸鍍不同厚度的金,其應用如F8T2浮閘極記憶體之轉提特性曲線圖[78]。 61
圖34 (a)rGO-Au NP混成雙層浮閘極記憶體製備流程及元件實體照片、(b)Au NP單層浮閘極記憶體特性轉移曲線、(c) r-GOAu NP雙層浮閘極記憶體特性轉移曲線、(d)不同rGO覆蓋率對記憶視窗影響、(e)不同Au NP對記憶視窗影響[80]。 62
圖35 浮閘極記憶體與不同tunneling layer寫入、寫出能階示意圖: (a, b)PS:P3HT、(c, d)PS:PCBM及(e, f)PS:[P3HT:PCBM][81]。 63
圖36 (a)P(VDF/TrFE)之結構式及鐵電記憶體元件之結構、(b)鐵電記憶體元件之遲滯曲線、(c)滯留時間及(d)寫入-讀取-寫出-讀取迴圈[82]。 65
圖37 (a)駐極體電負度評估、(b)疏水性對記憶體視窗之影響、(c)介電常數對記憶視窗之影響[85]。 68
圖38 (a)記憶體元件結構與不同結構的駐極體介電層、(b)Pentacene與不同駐極體介電層能階示意圖[83]。 68
圖39 (a)記憶體元件結構圖、(b)n型半導體BPE-PTCDI、(c)星狀駐極體核心結構N(PTPMA)3、(d)星狀駐極體支鏈結構PCBM、TIPS-pen、Perrocene。(e)能階示意圖、(f)半導體與駐極體間載子傳遞機制圖[88]。 69
圖40 各種聚醯亞胺(polyimide) 施體-受體駐極體結構。 74
圖41(a) Triphenylamine Sulfonyl-containing polyimide (TPA-PIS)、(b) Triphenylamine Sulfonyl-containing polyether (TPA-PES)、(c) Triphenylamine Sulfonyl-containing polyester (TPA-PETS)。 (由台大高分子所劉貴生教授實驗室提供) 77
圖42 電晶體式記憶體製備流程圖。 81
圖44 (a)循環伏安法氧化電位、(b)循環伏安法還原電位、(c)能階圖。(由台大高分子所劉貴生教授實驗室提供) 83
圖45 B3LYP/6–31G模擬電子雲分佈圖。(由台大高分子所劉貴生教授實驗室提供) 84
圖46駐極體的原子力顯微鏡圖(a)TPA-PIS、(b)TPA-PES、(c)TPA-PETS,駐極體的接觸角(d)TPA-PIS、(e)TPA-PES、(f)TPA-PETS; 並五苯生長在駐極體上的原子力顯微鏡圖圖(g)TPA-PIS、(h)TPA-PES、(i)TPA-PETS,並五苯生長在駐極體上的接觸角(j)TPA-PIS、(k)TPA-PES、(l)TPA-PETS 86
圖47 P型記憶體(a, b)TPA-PIS、(c)TPA-PES、(d, e)TPA-PETS特性轉移曲線。 90
圖48 P型記憶體揮發性測試: (a, b)TPA-PIS、(c)TPA-PES、(d, e)TPA-PETS。 93
圖49 P型記憶體滯留時間: (a)TPA-PIS, 閘極電壓-5 V、(b)TPA-PES, 閘極電壓-10 V、(c)TPA-PETS, 閘極電壓-10 V。 95
圖50 P型記憶體寫入-讀取-寫出-讀取迴圈與耐久度: (a)TPA-PIS WRER、(b)TPA-PIS Endurance、(c) TPA-PETS WRER、(d)TPA-PETS Endurance。 97














表目錄
表1 各類型半導體比較[1]。 8
表2 近年來利用溶液製程法製備金屬氧化物半導體場效電晶體。 17
表3 SiO2與TiO2性質比較[38, 51]。 24
表4 氧化鋅 O分峰成份百分比。 39
表5 不同電極及不同氧化鋅反應溫度之電晶體電性表現。 49
表8 電晶體式記憶體元件利用聚醯亞胺施體-受體為駐極體。 71
表9 P型電晶體式記憶體電性。 91
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指導教授 劉振良(Cheng-Liang Liu) 審核日期 2017-11-13
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