駐極體之極化效應在有機場效記憶體元件的研究

Abstract

本論文主要藉由摻雜具有載子捕獲能力與高介電係數之矽環氧材料在聚亞醯胺中(polyimide PI)，藉此提升材料的介電常數並透過控制製程參數使材料產生相分離現象，提升薄膜表面之極性能，探討極性官能基團的分佈對於有機記憶體元件之電特性與記憶特性的相關性，其中半導體材料使用P型半導體材料五苯環(pentacene)與本實驗自行合成之N型半導體材料十三烷基駢苯衍生物(PTCDI-C13H27)，實驗中利用改良型高分子聚亞醯胺作為記憶體元件之介電修飾層與載子捕捉層，並摻入1 wt%的矽環氧分子，調控旋轉塗佈之成膜參數製作出具有不同表面極性的薄膜，分別為具極性基於表面的薄膜(RA9002+1%H3)與沒有相分離極性基於表面的薄膜(RA9002)，並分別製作P型及N型之有機非揮發電晶體式記憶體。首先經由FTIR分析證實PI-RA9002+1%H3薄膜具有較強的羥基(-OH)振動，顯示材料有效的摻混於薄膜中，經由薄膜表面能及歐傑電子能譜儀分析驗證了PI-RA9002+1%H3材料於成膜過程的確有材料相分離的現象發生，具高極性的矽環氧材料會遷移至薄膜表面，在低轉速旋塗成膜時相分離程度最佳，極性基團埋於薄膜內，而在高轉速旋塗成膜時極性基團分佈較均勻，極性基則朝向薄膜表面，在元件電特性參數方面，無論是在P型或N型記憶元件在PI-RA9002+1%H3成膜轉速為6000 r p m 時皆有較佳的電特性，此結果與半導體薄膜特性分析之結果相符，極性基有助於半導體分子堆疊較緻密，增加分子間的耦合能，在施加一外加電場時，會使極性官能基團形成偶極場，在通道中提供額外的累積電荷，使電晶體之載子遷移率上升。在記憶體特性的部分，P型記憶體的寫入電洞能力較佳，可使臨界電壓產生20V之偏移，而又以RA9002+1%H3的寫入能力最佳，此型號的PI薄膜具有?多深層的電洞捕獲位置，加上極性基團提供的載子捕獲位置，使得載子較難以清除，因此對於一寫多讀(WORM)型的記憶體元件有很好的應用潛力；而當極性基在薄膜表面時會影響N型記憶體電子寫入的能力，造成N型記憶體記憶窗口降低。雖然薄膜表面的極性基都沒有使P型及N型的記憶窗口提升，但由電容電壓曲線分析，由於施加電壓造成極性基活化產生偶極場，對於半導體在介面累積載子能力有所提升，使元件飽和電流上升，當表面極性基團分佈較多時，電晶體元件之時間-輸出電流特性圖會產生電流增益的效應(N type)。本實驗利用光輔助的方式操作記憶元件，可大幅提升記憶窗口，在N型元件中，記憶窗口可提升至50V，在高轉速成膜時，矽環氧均勻分布薄膜內，有?多載子被陷捕於深層能帶中，且本研究中所使用之矽環氧材料主要提供電洞的捕獲位置造成電子寫入不易，故記憶窗口較小；於P型時，可將記憶窗口提升至20V，當極性基於表面分佈較少時，雖然增加的寫入能力較少，但因為極性基多分佈於薄膜表層，故利用光輔助能有效清除電洞載子，造成較大的記憶窗口，但於高轉速成膜時材料摻混較均勻或使得部分電洞載子被捕獲在深層能帶，會使電洞較難釋放，造成較小的記憶窗口。本研究驗證了高分子駐極體材料中的極性官能基是影響半導體的成長、電晶體電特性及記憶特性的要素之一，並透過摻混矽環氧材料提升電晶體元件之電特性。

Date of Award	2015 Sept 8
Original language	Chinese
Supervisor	Wei-Yang Chou (Supervisor)