The Study on Pentacene Thin Film Transistors and the Active-Matrix Pixel Structure for Novel Display Applications

摘要

[[abstract]]五環素薄膜電晶體(Pentacene Thin Film Transistor)，屬於有機薄膜電晶體中的一種，自被發明以來，其進展迅速，短短十數年來，其重要的元件參數之ㄧ，載子遷移率就提升了數個等級，目前已經達到非晶矽薄膜電晶體的等級，約1~5 cm2/vs。但其特性與製程和傳統的非晶矽及複晶矽薄膜電晶體有相當多的不同之處，如五環素之間的分子結構主要以凡德瓦(Van der Waals)力相連結，而非共價鍵或離子鍵，因此其結構較為鬆散而存在許多缺陷。普遍認為，載子在分子內的傳遞為透過其特有的π電子軌域所形成之類能帶(Band like)傳輸而進行移動，而躍遷(Hopping)則為分子間的主要載子傳輸方式，這些綜合的效應導致了它較低的載子遷移率。另一方面，多數有機半導體為單一載子操作之材料，其薄膜電晶體多操作在聚積態(Accumulation mode)，因此在傳統矽基材的元件中常用的電流電壓公式，以及元件參數萃取方式須經過修改，才能應用於有機薄膜電晶體。在本論文中，我們研究了五環素薄膜電晶體基本的操作特性，並進行元件參數的萃取。在眾多元件參數中，以載子遷移率(mobility)、整流比(on/off ratio)、次臨界斜率(Sub-threshold Slope)以及臨界電壓(Threshold Voltage)最為重要，其中又以載子遷移率及臨界電壓為主。我們採用各種萃取臨界電壓的方式，如定電流法、最大轉移電導法、均方根法等得到的數值，再與從電容電壓法所得到的數據做比較，得到臨界電壓與五環素厚度呈現非線性關係的結果。經過檢驗後發現，這結果可能來自於非意圖的摻雜與五環素層中的缺陷造成臨界電壓的偏移，我們提出了一個可能的理論模型，並與實驗結果作一比較，得到相當良好的理論匹配。此外針對五環素薄膜電晶體操作時對環境敏感的特性，我們量測了在不同氣氛下的元件特性，針對其在線性區與飽和區載子遷移率的變化作分析，觀察到隨閘極偏壓而改變的載子遷移率，同樣的現象也在複晶矽薄膜電晶體中出現。利用Levincen Model以及晶界能障理論(Grain Boundary Barrier Model)，可以得出在不同的氣氛下位於晶粒邊界中的缺陷密度，並得出空氣中的成分，特別是水氣會造成缺陷的增加，導致能障高度增加，進而降低載子於其中的傳輸速度。前文考慮了五環素薄膜電晶體基本的參數定義與萃取方式，以及其對環境的敏感度。進一步考慮應用於顯示器上對元件的需求，因此我們同樣也量測了元件在局部區域的均勻度、對光的敏感性、以及可靠度、加上保護層之後的特性變化等等。將上列的各項因素加入主動式畫素設計的考量，我們設計出一以五環素薄膜電晶體驅動之液晶顯示器。另一方面在本論文中，研究另一種新式的顯示器畫素架構，利用低溫多晶矽薄膜電晶體具有較好的元件特性以及耐溫性，我們提出一以兩顆薄膜電晶體以及一儲存電容之方式來驅動場發射奈米碳管顯示器，此一主動式畫素架構預計可提高顯示面板的均勻度，以及提升場發射顯示器的可靠度，並整合低溫多晶矽薄膜電晶體的優點局部整合驅動電路，進而降低周邊拉線的腳位。我們考慮了各種影響五環素薄膜電晶體驅動液晶顯示器的因素，並成功設計製作出可展現影像之顯示器。同時提出新的主動式畫素架構，用以驅動場發射奈米碳管顯示器，同時也成功的設計製作出可展現影像之新式顯示器。