3-1 初代空間電荷限制電晶體製作流程
ITO 基板蝕刻 Î ITO(射極)表面潔淨 Î 電洞傳輸層製作 Î 第一層主動區製作 Î 旋轉浸潤法 Î 安置 PS 球 Î 柵極製作 Î 第二層主動區製作 Î 集極製作
<基板蝕刻>
ITO 為透明電極，製作方式一般以濺鍍法沉積在玻璃基板之上，本實驗使用之 ITO 阻值約15~20Ω。ITO 基板的蝕刻目的為定義電極與主動區，圖案為光學微影所使用的 光罩(Shadow Mask)，主動區面積將定義成 1mm×1mm 之正方形。
I. ITO 基板潔淨及曝光
將ITO 基板依序以中性洗潔劑、丙酮、異丙醇一起放置於超音波震盪器內震盪約 10 分鐘，再以去離子水沖洗乾淨，接著以氮氣槍吹乾基板表面，置於 170℃的加熱板 (Hotplate)上加熱，趁熱貼上負光阻於熱 ITO 表面，並使用微影光罩(Shadow Mask)定義 電極與主動區之射極區域，最後以紫外光曝光62 秒即可。
II. 顯影
顯影液為(50mg/1000mL Water)的碳酸鉀水溶液(K2CO3)，顯影時間為 90~120 秒。顯 影完後利用去離子水沖洗乾淨，並以無塵紙將表面擦拭乾淨，防止殘餘的顯影液殘留表 面。
III. 蝕刻
隔水加熱鹽酸溶液至50℃~60℃，將顯影完成之 ITO 基板置入顯影熱鹽酸中蝕刻，
蝕刻時間持續50~60 秒，蝕刻結束後再以去離子水沖洗乾淨。接著配製 5wt%的氫氧化 納水溶液，將ITO 基板置於氫氧化鈉水溶液去除光阻。最後以去離子水沖洗乾淨 ITO 基板，使用氮氣槍吹乾其表面完成。
圖3-1、圖樣化之 ITO 基板鳥瞰(左)及剖面(右)示意圖。
<表面潔淨>
將ITO 基板依序以丙酮、異丙醇一起放置於超音波震盪器內震盪 10 分鐘，再以去 離子水沖洗約10 分鐘，最後以氮氣槍將表面水分吹乾即可。
<電洞傳輸層製作>
先以UV-Ozone 將 ITO 表面處理 10 分鐘，增加表面親水極性，有利於水溶性之 PEDOT:PSS 成膜於其上。本實驗所用之 PEDOT:PSS 之型號為 AI4083，以 0.2μm 之過 濾器過濾後，以旋轉塗佈法成膜於UV-Ozone 處理過之 ITO 表面上，以 2500rpm 之轉速 旋轉60 秒，再以去離子水拭去周圍電極部分，只留下主動區，最後加熱 200℃持續 10 分鐘，成膜厚度約50nm。
<第一主動層製作>
主動區材料為P3HT(poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)，配製第一層 P3HT 溶液先以 1.5wt%溶於氯苯(chlorobenzene)中，再以 60℃加熱幫助溶解，溶液在使用前先降溫退熱 置室溫即可使用。以轉速5000rpm 持續旋轉 30 秒，旋轉塗佈成膜，再以丙酮擦去電極 上之P3HT，最後再以 200℃退火 10 分鐘，膜厚約 20~30nm。
<旋轉浸潤法>
使用旋轉浸潤法處理第一層P3HT 膜，將沉積完成之 P3HT 膜以 7000rpm 之轉速旋 轉，再將二甲苯(Xylene)滴於其上以溶出尚可溶解在二甲苯中的 P3HT。
<安置聚苯乙烯球>
配製具聚苯乙烯球之溶液，是以0.24wt%分散乙醇中。將以旋轉浸潤法處理過之 P3HT 膜浸入配製完成之溶液內 40 秒，接著浸入沸騰中之異丙醇裡 10 秒，迅速以氮氣 槍吹乾表面，聚苯乙烯小球將沉積於P3HT 之上，做為蒸鍍光罩。
<柵極製作>
蒸鍍金屬Al(15nm)做為閘極電極。前 10nm 蒸鍍維持鍍率為 0.1Å/s，後 5nm 維持鍍 率為1Å/s。最後以 3M scotch 隱形膠帶小心將表面之聚苯乙烯球撕下。
<第二主動層製作>
配製第二層P3HT 溶液先以 3wt%溶於二甲苯(Xylene)中，再以 90℃加熱幫助溶解，
以旋轉塗佈法成膜，轉速1000rpm 持續 30 秒成膜之膜厚約 80nm，接著以丙酮擦去周圍 電極部分之P3HT，最後以 200℃退火持續 10 分鐘即完成。
<集極製作>
蒸鍍Al(40nm)為集極。前 10nm 蒸鍍的鍍率維持 0.1Å/s，後 30nm 維持 1Å/s，即可 完成元件製作。元件製作完成後之結構示意圖如圖3-2 所示。
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C B
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C B
圖3-2、初代結構空間電荷限制電晶體結構元件鳥瞰(左)及剖面(右)示意圖。
3-2 新穎空間電荷限制電晶體製作流程
ITO 基板蝕刻 Î ITO(射極)表面潔淨 Î 氧電漿處理 Î 絕緣層製作 Î 安置PS 球 Î 柵極製作 Î 氧電漿處理 Î 主動區製作 Î 集極製作
<氧電漿處理>
基本上前兩個步驟
<
基板蝕刻>
、<
表面潔淨>
與初代結構之電晶體相同，由於ITO 表面粗糙，所以使用氧電漿以150W 持續處理 30 分鐘，使 ITO 表面平整化，
<絕緣層製作>
配製PVP:PMF 溶液是將 PVP 以 3wt%溶於丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)中，再將 PMF(cross linker)以 1.09wt%溶於 PVP 溶液中，使 PVP:PMF=11:4。攪拌均勻即可使用於 旋轉塗佈法成膜，轉速4000rpm 持續 60 秒，沉積之膜厚約 60nm，接著用丙二醇甲醚醋 酸酯(PGMEA)將電極上之膜擦拭乾淨，接著在真空環境下加熱，溫度 200℃持續維持一 小時，最後退熱至室溫及製作完成。
<安置聚苯乙烯球>
配製具聚苯乙烯球之溶液，是以0.8wt%分散乙醇中。將製作完之 P3HT 膜先以 50W 之氧電漿處理5 sec，再浸入分散於乙醇中之聚苯乙烯球溶液 3 分鐘，並以乙醇溶劑沖洗 主動區，接著浸入沸騰中之異丙醇裡10 秒，迅速以氮氣槍吹乾表面，聚苯乙烯小球將 安置於P3HT 之上，做為柵極之蒸鍍光罩。
<柵極製作>
蒸鍍金屬Al(15nm)做為閘極電極。前 10nm 蒸鍍維持鍍率為 0.1Å/s，後 5nm 維持鍍 率為1Å/s。最後以 3M scotch 隱形膠帶小心將表面之聚苯乙烯球撕下。
<氧電漿蝕刻>
以氧電漿蝕刻經柵極製作完成之樣品，以功率150W 之氧電漿持續蝕刻 10 分鐘可 將PVP 蝕刻乾淨，即可製作出孔洞狀的柵極。
<主動層製作>
主動層材料為P3HT，配製 P3HT 溶液先以 2.5wt%溶於氯苯(chlorobenzene)中，再 以60℃加熱幫助溶解，溶液在使用前先降溫退熱至室溫即可使用。以轉速 1500rpm
~2000rpm 持續旋轉 30 秒，旋轉塗佈沉積膜厚約 100 nm~ 150 nm。再以丙酮拭去外圍電 極上之P3HT，最後再以 200℃退火 10 分鐘。
<集極製作>
蒸鍍Al(40nm)為集極。前 10nm 蒸鍍的鍍率維持 0.1Å/s，後 30nm 維持 1Å/s，即可 完成元件製作。元件製作完成後之結構示意圖如圖3-3 所示。
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C B
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C B
圖3-3、新穎結構空間電荷限制電晶體結構元件鳥瞰(左)及剖面(右)示意圖。
3-3 空間電荷限制電晶體元件封裝
在手套箱裡將封裝玻璃貼上吸濕片後，再以UV 膠塗上封裝玻璃周圍蓋上樣品，以 紫外線照射UV 膠，持續 40 秒使其產生聚合反應，可隔絕大氣中水氧進入元件。元件 封裝完成後的示意圖如圖3-4 所示。
吸濕片
圖3-4、元件封裝示意圖。
3-4 元件量測
電性量測：
使用安傑倫E5270B 半導體參數分析儀量測電晶體特性。在量測電晶體方面，藉由 E5270B 設定三端電壓的參數，可以得出電晶體電流密度和開關比(on off ratio)兩個重要 的數據。元件的電性量測示意圖如圖3-5 所示。
-4 ~ -7V
-1 ~ -2V
-0.9~1.8V -0.9~0.9V
0V 0V
圖3-5、(左)初代元件，與(右)新穎元件的電性量測示意圖。
光性量測：
亮度為人眼感受到光之強度，將發光元件置於Photo-Research PR-650 物鏡之前，
調整物鏡之焦距使之正向對準發光元件之主動區，以安捷倫E5270B 給發光元件順向偏 壓使之發光，並以Photo-Research PR-650 測量其電激發光之光譜及亮度。亮度在此所使 用之單位為cd/m2。
3-5 實驗設計與構想
本論文中實驗安排與設計依照其邏輯與順序可分為以下三階段:
(1) 依照真空管的原理設計出空間電荷限制電晶體初代結構 (2) 空間電荷限制電晶體之特性討論與應用
(3) 改良初代空間電荷限制電晶體元件之特性:
材料上之改良 Æ未能取得具有高載子遷移率之高分子電洞傳輸材料
結構上之改良 Æ新式結構之空間電荷限制電晶體 (4) 優化新穎式空間電荷限制電晶體之元件特性
關於各實驗細節與結果討論將在下一章中完整的討論