3-1 實驗架構
本研究所製作的 OTFT 是屬於上接觸式的(Top-Contact)結構，OTFTs 元件製 作流程，如圖 3-1 所示。分為兩種介電層(PSA、PMMA/SiO2)結構進行比較如圖 3-2(a)、圖 3-2(b)所示，本章節會依序介紹元件各層結構所用材料，接著介紹 元件各部分的結構製作方法以及使用於本研究中的相關儀器，最後說明當完成 OTFTs 元件製作所進行的各項測量方式。
3-2 實驗材料
本研究的有機薄膜電晶體可分為四個結構，分別為閘極電極、閘極介電層、
主動層、電極，以下章節將進行對各層材料詳細介紹。
可分為四個部分：
1.閘極電極(Gate)
2.閘極介電層(Dielectric layer) 3.主動層(Active layer)
4.源極、汲極(Source、Drain)
3-2-1 閘極電極(Gate)
一般常用於製作元件的基板可分為玻璃和塑膠軟板，目前塑膠基板主要材料 為 PES (poly ether sulfone) 、 PET (polyethylene terephthalate) 、 PC (poly carbonate)...等，在閘極電極的部分，常見的有透明導電的銦錫氧化物 (indium tin oxide，ITO)或銦鋅氧化物（indium zinc oxide，IZO）電極、P
型和N型重摻雜的矽基板、以及良導體但不透明的金屬，如金(Au)、銀(Ag)、鋁 (Al)、…等。銦錫氧化物(ITO)被廣泛應用在透明電極上，並且在低溫製程下能 沉積較佳的導電薄膜、以及可大面積化，所以能將其應用在可撓式基板。而為了 將元件性能提升，對ITO膜進行一些表面處理，可以得到較佳表面平整性，如紫 外光-臭氧處理(UV-ozone)、電漿處理(plasma)，處理過後的ITO界面會有較好的 親水性，使ITO與介電層之間會產生較佳附著。
3-2-2 閘極介電層(Dielectric layer)
介電層可以分成高介電常數以及低介電常數，介電常數高於 3.9 以上就可以 稱為高介電常數，一般介電層需具有高絕緣特性、高介電性能，介電層是很重要 的一層，他與主動層決定了元件特性的高低，薄膜的厚度、介電常數高低都會影 響著元件特性。
低介電常數(Low-k):因介電常數小使得電容值小操作電壓較大，需要讓薄膜 厚度變薄來提升電容值，薄膜太薄會導致的問題如原子的連續性不好、不成膜產 生孔洞使得元件沒特性以及造成穿隧電流久而久之會導致元件崩潰。
高介電常數(High-k): 因介電常數大使得電容值大讓操作電壓變小，高介電 常數的官能基較多介電陷阱多會與主動層間接面發生載子被陷阱捕捉的現象導 致磁滯現象的發生，漏電流比較大使得開關電流比變小。
本研究使用兩種介電層進行比較分別為豬血清蛋白(PSA)，使用蛋白質材料，
介電系數高且元件在空氣中 H2O 會與蛋白質殘基相互作用，在元件操作時介電層 存在負離子，將會吸引更多電洞累積在介電層與主動層之間形成通道，提高最大 飽和電流和降低臨界電壓；以及二氧化矽(SiO2)，其結構為多孔性的奈米結構粒
3-2-3 主動層(Active layer)
3-2-4 源極、汲極(Source、Drain)
電極的應用在於有機薄膜電晶體之主動層的材料的特性，有機半導體材料的 可分為 n 型以及 p 型，n 型有機半導體材料以電子為多數載子然而電洞為少數載 子，例如:CuPc、C60 為 n 型半導體材料在元件施加偏壓下會產生電子通道 (n-channel)，所以電極的應用會使用鈣(Ca)、鎂(Mg)、鋰(Li)讓電子容易通過 的低功函數金屬。
本研究使用的主動層材料為 pentacene，p 型有機半導體材料以電洞為多數 載子然而電子為少數載子，在元件施加偏壓下會產生電洞通道(p-channel)，其
HOMO 值較高為 5.1，故在選擇電極金屬時會使用高功函數的材料，例如:金(Au)、
鎳(Ni)、鉑(Pt)。但由於成本過高，通常則以成本較低的金屬材料，例如銀(Ag)、
銅(Cu)、鋁(Al)等….來做為元件的電極。在本研究使用銀(Ag)作為有機薄膜電 晶體的電極，其功函數由表 3-2 所示。
3-3 實驗設備
本研究的元件製成結構由下往上可以分為閘極(ITO 玻璃基板)、閘極介電層 (Dielectric layer)、主動層(Active layer)以及源極、汲極(Source、Drain)。
各層所使用的成膜方式也不同分別如下所介紹:
3-3-1 旋轉塗佈機
旋轉塗佈機(Spin coater)其原理是將 ITO 玻璃基板以真空吸盤吸住，在高 速旋轉時真空吸盤可以穩固吸住 ITO 玻璃基板不讓其脫落，接著將調配好的介電 層溶液均勻塗布在 ITO 玻璃基板上利用旋轉時的離心力讓介電層溶液均勻附著 在 ITO 玻璃基板上，可以藉由旋轉塗佈的時間以及轉速來控制成膜的厚度；當轉 速越高膜會越薄且薄膜的均勻度也會均勻。
3-3-2 高真空熱蒸鍍系統
主動層以及電極成膜皆使用高真空度熱蒸鍍來進行元件成膜，其示意圖如圖 3-5 所示。主要操作如下:
(1) 氣動系統
(2) 真空系統（總共有兩個：一個是有機薄膜沉積腔體、另一個為金屬電極
(4) 石英震盪偵測器(蒸鍍膜厚機) (5) 手套箱環境系統(高純度氮氣)
3-3-3 紫外光照射儀器
製作完成的實驗元件在進行量測前先以紫外光照射儀器進行照射，其紫外光 照設儀器照射功率為 10 W/cm2、照射主要波長約為 365 nm 其光譜圖如圖 3-6 所 示，再依開關燈以及不同照射時間所量測出的參數進行比較。
3-3-4 實驗量測儀器
在實驗量測的部分，所使用到的有閘極介電層表面影像觀察、薄膜表面形貌 量測、薄膜結晶相量測及 OTFTs 的電特性量測，其量測儀器設備如下：
(a)表面影像觀察:
場 效 發 射 式 掃 描 電 子 顯 微 鏡 (Field-emission scanning electron microscope, FE-SEM)。
(b) 有機薄膜電晶體之電特性量測:
多功能電源電錶(Keithley 2400、2410)，如圖 3-7 所示。
(c) 薄膜表面形貌量測：
原子力顯微鏡(atomic force microscope)，如圖 3-8 所示。
(d) 薄膜結晶相量測：
多 功 能 X 光 繞 射 儀 (multi-function X-ray diffractometer)，如 圖 3-9 所示。
(e) OTFTs 的電特性量測：
多功能電源電錶(Keithley 2400、2410)、三點探針量測儀。
3-4 實驗步驟
本研究中實驗步驟開始前會先對 ITO 玻璃基板進行表面清洗，利用丙酮 (ACE)、異丙醇(IPA)、去離子水(DI Water)，接著在製作元件上分為兩種結構介 電層，首先 PMMA/SiO2閘極電介層以及 PSA 在亮度全暗以及紫外光下進行有機薄 膜電晶體之電特性量測；比較以 pentacene 為主動層的兩個結構較適合製作成有 機薄膜紫外光電晶體，接下來藉由調變主動層 pentacene 的厚度進行探討，最 後蒸鍍上金屬源、汲極電極銀(Ag)。
3-4-1 ITO 玻璃基板清洗
本研究使用濺鍍 ITO 在大片素玻璃上，並以切割機對其進行切割，尺寸大小 為 5cm 6cm，此為實驗機台載具放置空間大小，然而再對 5cm 6cm ITO 玻璃基 板以鑽石刀進行對半切割。
由於未清洗的 ITO 玻璃基板上面會有許多雜質、油質、水分、粉塵，會導致 實驗結果效率不佳、不穩定，清洗過程如下:
(1)將 ITO 玻璃基板放入丙酮(ACE)，利用超音波震盪器震盪清洗 5 分鐘。
(2)將 ITO 玻璃基板放入異丙醇(IPA)，利用超音波震盪器震盪清洗 10 分鐘。
(3)將 ITO 玻璃基板放入丙酮(ACE)，利用超音波震盪器震盪清洗 5 分鐘。
(4)將 ITO 玻璃基板放入異丙醇(IPA)，利用超音波震盪器震盪清洗 10 分鐘。
(5) 將 ITO 玻璃基板放入去離子水(DI water)，利用超音波震盪器震盪清洗 10 分鐘。
(6)利用氮氣槍將 ITO 玻璃基板上的水吹掉。
3-4-2 UV-ozone 表面處理
在本實驗中分別對 ITO 玻璃基板以及把剛熱退火完成的閘極介電層進行紫 外光-臭氧 (UV-ozone)表面處理，他是屬於一種乾式表面清洗，只需將 ITO 玻璃 基板的 ITO 面上放置於 UV-ozone 機台內，就可以完成清潔。機台如圖 3-10 所示。
(1)ITO 玻璃基板表面處理：其原理是利用紫外光照射通入的氧氣(O2、純度 99.9%) 產生臭氧(O3)；臭氧有相當高的能量，他可以破壞有機物質的鍵結讓 ITO 玻 璃基板更加乾淨。
(2) 閘極介電層表面處理：對閘極介電層進行表面處理後，表面上的鍵結會被打 斷，光子作用所產生的氧原子會與閘極介電層上被打斷的鍵結產生產生(-OH), (-COO),(-CO)與(-COOH)….等官能基，增加親水性且可以強化材料與材料之 間的化學鍵結。
3-4-3 介電層溶液調配
本研究利用:PMMA、SiO2、PSA 三種介電層材料製成 PMMA/ SiO2介電層結構 以及 PSA 介電層結構進行比較。
3-4-3-1 PMMA 介電層溶液調配
本研究使用 PMMA 與氯苯進行調配，再放進磁石讓其攪拌 24 小時，調配成實 驗所需之閘極介電層溶液。
接著在使用 UV-ozone 清洗過的 ITO 玻璃基板上均勻的塗布閘極介電層溶液 PMMA (Polymethyl methacrylate)做為第一層閘極介電層，然後放置烤盤上進行 130 熱退火烘烤一小時以上，使溶劑完全揮發把殘存的溶劑給蒸發掉並成膜，
避免影響有機薄膜電晶體之特性。
3-4-3-2 SiO2介電層溶液調配
本研究使用 TEOS、無水乙醇、去離子水以及鹽酸進行 SiO2調配成實驗所需 之閘極介電層溶液。
首先將 TEOS 與無水乙醇放置瓶中利用磁石攪拌器進行攪拌 90 分鐘，然後將 水以及鹽酸加入瓶中攪拌 2.5 小時，最後加入采酮後讓其攪拌 24 小時，及調配 成本研究之閘極介電層溶液。
接著在以烘乾好的閘極介電層 PMMA 上均勻的塗佈 SiO2溶液，旋轉塗佈成第 二層閘極介電層，最後在加熱板上 100 進行烘烤 15 分鐘，把殘存的溶劑給去 除揮發掉並成膜避免影響有機薄膜電晶體之電特性，接著利用 UV-ozone 進行表 面處理即完成本研究有機薄膜電晶體之雙閘極介電層膜。
3-4-3-3 PSA 介電層溶液調配
本研究使用豬血清白蛋白與去離子水進行調配，放進磁石讓其攪拌 12 小時製作出閘極介電層溶液。
接著旋轉塗佈於 ITO 玻璃上，再靜置於加熱板上 50 進行烘烤 12 小時，把 殘存的溶劑給去除揮發掉並成膜避免影響有機薄膜電晶體之電特性，即完成本研 究有機薄膜電晶體之蛋白質閘極介電層膜。
3-4-4 有機半導體薄膜蒸鍍
步驟一：首先 ITO 玻璃基板放到有機載具上。
步驟二：在進行熱蒸鍍時會在坩鍋中放入主動層 pentacene，接著開始進行清潔 腔體的動作後檢查有機腔體的震盪器晶片參數是否在實驗範圍值內。之 後，把剛完成的閘極介電層元件放入真空系統裡並開啟旋轉。
步驟三：對腔體進行粗抽，待真空度到 2×10-2 torr 以下進行細抽至 8×10-6 torr 即完成系抽可以進行熱蒸鍍動作。
步驟四：確定膜厚機上的 Tolling 值以及參數設定。
步驟五：細抽至 8×10-5 torr 時，拉開小擋板，開始對材料進行預熱，讓我們的 有機材料中的水分給蒸發掉，慢慢增加電流值並觀察鍍率，不可以讓電 流過大這可能使材料跳出坩鍋或燒斷保隩絲。
步驟六：沉積的速率大約控制在 0.3~0.5 Å/s 左右，接著打開上檔板，進行主動 層蒸鍍。
步驟七：沉積完主動層後，關掉小檔板以上檔板，讓元件在腔體內靜置 10 分鐘 沉澱沉積物。
步驟八：最後關掉細抽對腔體通入高純度氮氣進行補氣，使得腔體與手套箱壓力 平衡，即可取出元件。
3-4-5 電極蒸鍍
3-4-5 電極蒸鍍