2-1 薄膜電晶體原理
以下圖 2-1-1 為薄膜電晶體四種典型結構，根據主動層(active layer)、絕緣層 (insulator layer)及電極位置的不同而有所分別。 先行比較 coplanar 和 staggered 的差別，coplanar 結構很類似基本 MOS 架構，主動層中的載子通道(channel)產生在靠 近絕緣層面上，載子移動和電極共面；staggered 結構顧名思義，載子通道因為主動層 和電極位置的關係，載子移動必須從汲極(drain)通過主動層整層後，再到靠近絕緣層 的載子通道，並再通過主動層整層一次到源極(source)，路徑較長且交錯。比較這兩種 路徑的優劣，coplanar 結構電流路徑較短，操作時 Ion的電流會上升，而 staggered 結 構電流路徑增加兩段，電流 Ioff明顯的下降，顯示器電路中的 On/Off ratio 會有效上升，
故 staggered 結構比較適用於顯示器。
另外比較 normal 和 inverted 結構差異，normal 結構為先沉積主動層薄膜後沉積絕 緣層材料，inverted 結構則為相反，一般來說不希望在主動層上有進一步的製程流程，
尤其是通道上方的區塊，有機會破壞到表面而影響到 TFT 的電性表現，故本實驗薄膜電 晶體架構選用 inverted staggered 為主。
圖 2-1-1 (a)Coplanar (b)Inverted coplanar (c)Staggered (d)Inverted staggered
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2-2 薄膜電晶體重要參數
薄膜電晶體元件量測考慮以下幾個重要參數，理想元件提供大的載子遷移率 (mobility)、低的臨限電壓(threshold voltage)、高的電流開關比(Ion/Ioff ratio)，以 及低次臨界擺幅(subthreshold swing(s.s))為方向。
2-2-1 載子遷移率(mobility)
材料在外加電場的情形下，可移動的電子或電洞在導體或半導體中的傳輸能力，即
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(2.5) 藉由量測電性特性 ID-VG圖，取得√ID/Vg的斜率即為上式的左邊，再將各項實驗數據值 代入右邊，即可計算出飽和區載子遷移率的大小。
2-2-2 臨限電壓(threshold voltage)
臨限電壓關係到元件操作時所需要的電壓供應最低需求，一般認為這和主動層與介 電層介面的缺陷，或是閘極(gate)與介電層介面的缺陷，而造成束縛的電荷密度有關。
載子在傳輸時被缺陷所捕獲，此時需要一個較大的電壓來將其釋放，所以有較大的束縛 電荷，就必須有較大的截止電壓，這和接下來的研究有很大的關聯。依據源極電壓大小，
理論上有以下兩種方法得到臨限電壓:
(1)元件操作在低汲極電壓(VD<VD sat線性區)
對 ID-VG圖形作微分得轉導值 gm式(2.2)，取 gm最大值時的 VG切線，找出與 ID=0 的截距，
即為臨限電壓。
(2)元件操作高汲極電壓(VD≧VD sat飽和區)
取量測數據 ID-VG圖形中的√Id與 VG的趨勢，找出與 ID=0 的截距即為臨限電壓。
2-2-3 電流開關比(on/off ratio)
在 accumulation mode 下，高濃度的載子累積在元件通道上，造成有較小的通道電 阻存在，而產生最大的電流稱為 on state；在 depletion mode 下，通道附近的載子被 排開形成空乏區，此時的通道內有較大的電阻，因而有最小的電流為 off state，取最 大電流和最小電流的即為電流開關比。
2-2-4 次臨界擺幅(subthreshold swing(s.s))
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元件在外加電壓下，主動層形成通道從 off state 到 on state 的速度，即為次臨 界擺幅。在薄膜電晶體表現上希望元件打開的速度越快越好，希望加一點點的閘極電壓 就可以提高輸出電流，其定義如式(2.6):
-1 (2.6) 故 ss 越小表示元件打開越迅速。
2-3 遲滯現象(hysteresis) 2-3-1 遲滯現象原因
薄膜電晶體中，使用高分子有機材料作為絕緣層，在電性量測 ID-VG時產生來回電 流曲線分離的情形，即為遲滯現象13-14。如圖 2-3-1 所示，p 型電晶體從 30 V 量測到-30 V 後馬上逆向量測從-30 V 到 30 V，觀察到電流曲線不重疊的情形，我們取這兩條曲線 的臨限電壓(threshold voltage)的差值定義為遲滯現象大小(Vth shift)，以下從參考 期刊探討遲滯的來源。
圖 2-3-1 遲滯現象造成電性位移的電性圖
根據 Sangyun Lee、Bonwon Koo 等人發表於 Applied physics letters 一篇“Effects of hydroxyl groups in polymeric dielectrics on organic transistor performance”15，
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詳細探討有機物產生遲滯的原因，證實遲滯來源為高分子介電層中的氫氧根(hydroxyl groups)，於介電層表面進行電荷捕捉而產生電性延遲的現象。實驗團隊嘗試合成含不 同比例的氫氧根(hydroxyl groups)有機物，如圖 2-3-2 所示，來探討有機物介電層產 生遲滯的關鍵。
圖 2-3-2 (a)具有 100%氫氧根有機物(maleimido phenol 和 vinyl phenol) (b)添入 cinnamoyl group 替代支鏈的氫氧根來合成不同比例的有機物
圖 2-3-3 不同比例氫氧根(hydroxyl groups)對應的遲滯現象
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實驗結果如圖 2-3-3 所示，將不同比例氫氧根材料製作成 TFT，發現遲滯程度隨著 氫氧根占的比例增加，嚴重影響電性表現。這邊引用傳統沉積二氧化矽介電層的假設，
把氫氧根束縛電子的現象視為電子的缺陷，缺陷分布於介電層厚度中，其所產生的遲滯
16位移可表示為下式(2.7):
(2.7) ρ表示為電子缺陷密度(electron trap density)
tox表示為介電層厚度位置
εo表示為真空介電係數(permittivity)
2-3-2 遲滯現象對電性影響
接下來詳細描述遲滯造成的電性問題，參考由 Cheon An Lee 發表於 Applied physics letters 的一篇17，圖示 2-4-4 表示兩個不同方向的量測 Id-VG曲線圖。當 VG轉換從正的 方向往負的移動，如圖示 2-4-4-(a)，電流曲線在參考點星號之下，臨限電壓比預期還 偏右，認為是在 VG正電壓下，正電荷(hole)從閘極(gate)注入到絕緣層，且束縛在 PVA 區塊內，同時 P 型主動層 Pentacene 的通道上感應電子，使得在 VG負電壓區間，必須排 開原本束縛在 PVA 區塊內的正電荷，或是通道上的感應電子，造成通道開啟比預期的晚，
臨限電壓向右的情形發生。
圖 2-3-4 (a)VG正往負方向的 ID-VG量測電性圖 (b)VG負往正方向的 ID-VG量測電性圖
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當 VG轉換從負的方向往正的移動，如圖 2-4-4-(b)所示，電流曲線在參考點星號之 上，臨限電壓比預期還偏左，在 VG負電壓區間，電子從閘極(gate)注入到絕緣層，且束 縛在 PVA 區塊內，同時 P 型主動層 Pentacene 的通道上感應電洞，使得在 VG正電壓區間，
因束縛在 PVA 區塊內的電子，產生通道上的感應電洞，造成通道開啟比預期還快，臨限 電壓向左的情形發生。
2-4 遲滯現象的幾種解決方法
2-4-1 沉積無機薄膜阻擾來自閘極的載子注入
從 2-3-2 章節了解介電層束縛電荷如何影響電性表現，表示從閘極和介電層接面的 注入載子，進而束縛在介電層層內是影響的關鍵，嘗試在沉積 PVA 介電層前額外沉積薄 膜，使用電漿式輔助氣相沉積(PECVD)一層二氧化矽，藉由比較緻密的介電層沉積，來 阻擋載子注入。電性 ID-VG量測如圖 2-4-1(b)所示，來回的電流曲線緊密重疊，阻擾載 子的注入解決遲滯產生的問題來源。其中二氧化矽厚度 80 nm 和 PVA 膜厚 90 nm 為實驗 多組量測比較的結果。
圖 2-4-1 (a)TFT 結構示意圖
(b)修正後電性量測的結果
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2-4-2 替換閘極金屬材料減少載子注入
這邊介紹另外一種阻擋載子注入到介電層的方法 18，參考圖 2-4-2(a)，介電層為 Ta2O5和 BCBO 兩層，Ta2O5為 high-k 材料提升介電係數，排列層 p-6P(para-sexiphenyl)，
主動層材料為 P 型有機半導體 VOPc，電極材料則以金為主。可以發現在介電層的主要材 料 BCBO 中，參考化學鍵圖 2-4-2(b)，含有氫氧根的支鏈(side chain)，故電性表現推 測也具有遲滯現象。
圖 2-4-3(a)為使用 Al 金屬材料製作閘極的電性結果，Al 材料功函數(work function) 為 4.3 eV，所形成的介電層和閘極的能位障(Barrier heights)為 0.9 eV，屬於較低的 能位障，因遲滯產生的臨限電壓位移為 3.9 V；圖 2-4-3(b)為使用 Cr 金屬閘極，Cr 材 料功函數為 4.5 eV，仍具有明顯的臨限電壓位移為 3.0 V。實驗後來採用金屬 Au 來製 作閘極，金的功函數為 5.1 eV，較 Al 和 Cr 大出許多，提供 1.34 的能位障。來有效的 減少載子注入的現象，如圖 2-4-3(c)所示。
圖 2-4-2 (a)TFT 結構示意圖 (b)介電層材料 BCBO(benzocyclobutenone)
圖 2-4-3 ID-VG圖跟換不同金屬閘極(a)Al (b)Cr (c)Au
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2-4-3 改善介電層材料
這篇直接針對材料做處理19-20，實驗使用的介電層材料為 PVP(poly 4-vinyphenol)，
如圖 2-4-4(a)所示，在支鍊的苯環外有氫氧根，根據 2-3-1 的遲滯探究，氫氧根束縛載 子會產生明顯的電性的影響，如圖 2-4-4(c)所示，灰色的來回電流曲線，臨限電壓位移 為 41 V。為了改善遲滯的問題，使用光交聯(cross-link)原理，在高分子內參雜光感應 劑 ， 照 光 後 反 應 促 使 高 分 子 互 相 交 聯 ， 而 這 篇 製 程 上 額 外 添 加 MMF(methylated poly(melamine-co-formaldehyde))，促使 PVP 形成光交聯的形式，如圖 2-4-4(b)所示，
原本在外面的支鏈被交聯到高分子內，減少氫氧根束縛載子的可能，同時在電性遲滯的 量測，產生明顯的消減，圖 2-4-4(b)的黑線顯示 PVP 添加 125wt% MMF 交聯之後的情形，
臨限電壓位移減少為 2 V，相當明顯的結果。
在後續的量測上，利用傅立葉轉換紅外線光譜儀(FTIR)，如圖 2-4-5 所示，來確定 氫氧根和 PVP 交聯分析，於吸收光譜 3400 cm-1和 3000cm-1的尖峰，分別表示氫氧根(O-H) 和碳氫根(C-H)，其中氫氧根的強度，隨著交聯材料 MMF 濃度的增加而鈍化，由此可證 實氫氧根的吸收強度和遲滯現象的強度是有關聯的。
圖 2-4-4 (a)PVP 化學鍵結圖 (b)cross-link PVP (c)電性 ID-VG圖
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圖 2-4-5 FTIR 光譜圖參雜不同 MMF 濃度的吸收比較
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