關於整個元件的結構，主要分為兩種，主要區別的時間點為去年發表在APL 的
polymer hot carrier transistor，之前稱做舊結構，之後到現在稱為新結構，結構及能 帶如下圖所示，
圖 3-1-1 舊結構的結構以及能帶示意圖 而新結構如下，
圖 3-1-2 新結構的結構以及能帶示意圖 而所使用的高分子材料結構圖如下，
P3HT [regioregular poly(3-hexylthiophene)]
圖 3-1-3 P3HT 結構示意圖 PVK[poly(N-vinylcarbazole)]
圖 3-1-4 PVK 結構示意圖
在舊結構發表之後，為了要解決舊結構的上一些問題，才將整個結構倒過來設計，得到 新結構，討論如下：
(1) 舊結構缺點：
A.元件穩定度不夠，常常整批元件都是相同的參數條件，可是經過量測之後，呈
現元件特性的電晶體比例極低，頂多只有3 成，將來如果要拿來應用，穩定度
不夠是很不理想的
B.當初在最後一個步驟蒸鍍金當電極時，可能是因為 PVK 本身材料不夠緻密，常 常導致蒸鍍的金屬擴散進去，當元件運作時，滲透進去的金屬會尖端放電，造成 元件的不穩定
C.可是也是因為上述的尖端放電，讓元件的射極部分能提供充分的電流，而使整 個元件能夠運作，但是這不是一個理想的作法，因為要讓多少金屬可以滲透進去 高分子層不好控制，若滲透進去太多或許會造成元件的短路
(2) 新結構優點：
A.因為元件的集極部分是比較固定的，新結構把射極部分設計在下面可以避免掉 一些製程上的問題，可以在射極方面做更多的變化，例如加入電洞傳輸層(hole transport layer)來降低操作電壓
B.因為材料本身上的問題，例如 PVK 無法完全溶於 Chloroform 或 Chlorobenzene
之外的的有機溶劑，而後面的P3HT 則可溶於 Toluene，這樣在旋轉塗佈 P3HT 時，可以避免掉高分子層互溶上的問題
LiF 層的作用：
LiF 在整個元件可以幫助電洞注入以及提高元件的電流增益，原因是因為 LiF 為 絕緣材料，當施加偏壓時，會在LiF 層裡面形成一個位能降，相對的也加大了 PVK 與P3HT 之間 HOMO 的差距，進而提高載子越過金屬基極的機率，也提高了元件的 電流增益
3-2 元件製程
(1) 將錸德科技所生產 ITO 玻璃基板切成 3×3cm 大小，置入約 5%的 detergent powder 水溶液中，超音波震盪約15 分鐘，之後過水吹乾，利用 hot plate 加熱至170 C0 。
之後貼上長春人造樹脂所生產的乾式光阻，再放入光罩中，經由曝光機曝光約60
秒，接下來利用碳酸鉀水溶液進行顯影，最後放入 的濃鹽酸中蝕刻，還要經
過NaOH 水溶液卸去殘餘的光阻，吹乾之後，即可獲得我們所要的 pattern 50 C0
(2) 在進行旋轉塗佈之前，需進過一定步驟的潔淨過程，首先將蝕刻過的 ITO 玻璃片 放入丙酮(Acetone)中超音波震盪 5 分鐘，接下來用乾淨的刷子把 ITO 玻璃片刷乾 淨，之後將其至入異丙醇(Iso-propanol)中超音波震盪 5 分鐘，最後過水吹乾，置 於hot plate，把剩餘的水氣烤乾
(3) 在旋轉塗佈上 PEDOT 之前，先利用 UV-Ozone 進行表面處理，使其表面變成親水 性，之後以第一階段轉速2000rpm，第二階段轉速 6500rpm 旋轉塗佈上 PEDOT，
最後置入glass holder 抽真空 annealing200 C0 五分鐘
(4) 這階段為旋轉塗佈 PVK，所用的 PVK 是高分子量(Mw≈ 1100000)，以 5mg/ml 溶 於Chloroform，接下來以轉速 8000rpm 旋轉塗佈上 PVK，之後同樣的置入 glass holder 抽真空 annealing120 C0 ，1 小時
(5) 之後將樣品傳輸進去蒸鍍機(接下來所有製程都在氮氣環境下進行)，將真空度抽到
3 10× −6torr，蒸鍍 30ÅLiF 於 PVK 上
(6) 接下來同樣的抽到相同的真空度，蒸鍍上90Å 的 Al 於 LiF 上 (7) 蒸鍍 700Å 的 Al 作為 step cover
(8) 將樣品傳輸出蒸鍍機到手套箱進行下一步的 P3HT 旋轉塗佈，將以 5%溶於 Toluene 的 P3HT 以 2500rpm 的轉速旋轉塗佈於 Al 上，最後置於壓力3 10× −6torr 的環境中 讓樣品殘餘的有機溶劑自行揮發
(9) 再將樣品傳輸進去蒸鍍機，將壓力抽到3 10× −6torr 之後，蒸鍍上 700Å 的 Au (10) 最後這個步驟是將樣品封裝，利用可以經由 UV 光而產生 cross-link 的封裝膠， 將
膠水塗於元件四周，然後蓋上2.2×2.2cm 的玻璃片，置於 UV 光下 40 秒，整個 製程則可算大功告成。封裝的用意是因為高分子材料通常怕水及怕氧氣，透過封 裝可以將水氣及氧氣隔絕在外，以保元件不至受到損壞。以下為整個元件的完成 圖：
圖 3-2-1 元件完成圖
3-3 元件量測
當進行完整個製程之後，接下來的工作則是要進行元件的電性量測，量測所使用 的儀器為HP4157。所有量測項目分述如下(ps.所有的量測過程皆以 6/23 2005 所製成 的元件作為範例，結構為舊結構)：
(1)Emitter-Base diode：電路圖以及量測結果如下
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
因為Emitter-Base diode(EB diode)為一個蕭基二極體，在 SMU1 輸入 5V=>-5V 的電壓
源時，可以量測到整流的現象。在0V～5V 正向電壓，電流沒有感應到能障，所以電
(2)Base-Collector diode(BC diode)：電路圖以及量測結果如下
-6 -4 -2 0 2 4 6
如同EB diode，BC diode 也是個蕭基二極體，在 0V～5V 時電流也是會急速的上
(3)Emitter-Collector leakage(EC leakage，EC 漏電)：電路圖及量測結果如下
-6 -4 -2 0 2 4 6
SMU1：ground
SMU2：output 0nA=>50nA，step is 10nA SMU3：input 0V=>-6V
被集極收集的載子也變多，集極電流變大。在此量測中，當基極電流50nA，集極偏 壓為-6V 時，由集極流出的電流為 256nA，電流增益β=256/50=5.12，約為 5。CE mode 的重點主要是提高β，還有提高集極電流，降低操作電壓。
(5)共基極模式(Common Base mode)量測：電路圖以及量測結果如下
SMU1：input 0nA=>500nA，step is 10nA SMU2：ground
SMU3：input 3V=>-0.5V
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
載子經由基極最後被集極所吸收，電流為負。當射極電流為500nA，基極與集極偏壓 grain boundary，這些即會影響載子在金屬裡的 MFP。2000 年時，Thomas Strunskus 與Vladimir Zaporojtchenko 等人在 Advanced Engineering Materials 發表了一篇論文，
名為Tailoring the Morphology of Metal/Polymer interfaces[9]，裡面提到當金屬蒸鍍在 高分子表面上時，蒸鍍的鍍率(rate)會影響金屬與高分子的表面，會有擴散的情形，如 下圖
圖 3-4-2 鍍率對 Au/Polymer 介面影響示意圖，左圖為低鍍率(rate=0.02Å/sec)，右圖 為高鍍率(Flash evaporation)，蒸鍍 Au 在高分子上
從TEM 的圖可以看出在低鍍率時，金屬會擴散進去高分子表面，造成接面不分明。
在接面處因為金屬膜的不平整，可能會造成載子在接面處產生嚴重的散射。根據以上 這兩點，做了一連串金屬蒸鍍鍍率對電阻率的測試，如下二表：
表一：
蒸鍍機A. (新蒸鍍機)
Thickness(Å) Rate(Å/sec) Resistance(Ohm) Resistivity(10−8ohm-m)
50 30 90 22.5
110 20 14 7.7
90 15 15 6.7
90 10 350 157
90 7 300 200
90 5 440 250
90 2 2100 1000
190 0.2 19000 18000 表二：
蒸鍍機B. (舊蒸鍍機)
Thickness(Å) Rate(Å/sec) Resistance(Ohm) Resistivity(10−8ohm-m)
100 15 60 30
BC diode
-6 -4 -2 0 2 4 6
日期2：2006 4/7
圖 3-5-6 rate=10 Å/sec EB diode I-V curve
日期3：2006 4/13
EC leakage
結論：當Al base 的蒸鍍條件不同時，電流增益β也會隨著鍍率的升高而增加，大概 在鍍率等於20Å/sec 時，會有最大值，也符合在 3-4 章節量測 Al 薄膜電阻率的 結果。
(2)Al base 厚度對電流增益β的影響 日期1：2006 4/13(同上述日期三)
Al 的參數：厚度為 120Å，鍍率為 20Å/sec
ps. BC diode，EB diode，EC leakage，CE mode 圖請見上述日期 3
當Al base 厚度 120Å 時，在共射極模式操作下，基極電流為-10uA，集極偏壓為-10V，
可得到電流增益β=0.093
日期2：2006 5/2
結構：ITO/PEDOT/PVK/LiF/Al/P3HT/Au Al 的參數：厚度為 110Å，鍍率為 20Å/sec BC diode
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
10-10 10-9 10-8 10-7 10-6
Ic(Ampere)
Vc(voltage) 13nA at -5V
圖 3-5-13 厚度為 110Å BC mode I-V curve EB diode
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 10-9
10-8 10-7 10-6 10-5
Ie(Ampere)
Ve(voltage)
圖 3-5-14 厚度為 110Å EB mode I-V curve EC leakage
-6 -4 -2 0 2 4 6
-1.0x10-8 0.0 1.0x10-8 2.0x10-8 3.0x10-8 4.0x10-8 5.0x10-8 6.0x10-8
Ic(Ampere)
Vc(voltage) 2nA at -5V
圖 3-5-15 厚度為 110Å EC leakage I-V curve 共射極模式(CE mode)
-10 -8 -6 -4 -2
圖 3-5-17 厚度為 96Å BC diode I-V curve
-10 -8 -6 -4 -2 0
蒸鍍上去，相信把Al 蒸鍍在 P3HT 的介面可能會比將 P3HT 旋轉塗佈在 Al 時的介面 還要緻密，這只是一個假設，需要將來從實驗上面去證實。
(2)Al 的表面平整度：
Al 的表面平整與否也是相當重要，關係著 Al 與 P3HT 介面是不是夠分明，若是今天 Al 的表面已經是非常粗糙，再將 P3HT 旋轉塗佈上去時，介面也是一樣凹凸不平，載 子可能會在此處產生及嚴重的散射。利用AFM(Atomic Force Microscopy)可以檢視高 分子以及金屬表面的平整度，如下：
Scale bar 如右圖 圖 3-6-1 AFM scale bar
結構：ITO/PEDOT/PVK
rms：0.690nm
圖 3-6-2 ITO/PEDOT/PVK 結構示意圖以及表面 AFM
結構：ITO/PEDOT/PVK/LiF
rms：1.296nm
圖 3-6-3 ITO/PEDOT/PVK/LiF 結構示意圖以及表面 AFM
結構：ITO/PEDOT/PVK/LiF/Al(rate:20Å/sec)
rms：0.832nm
圖 3-6-4 ITO/PEDOT/PVK/LiF/Al 結構示意圖以及表面 AFM
由這些AFM 照片可以看出，在鍍上 LiF 之後，原本的 rms 從 0.690nm 增加為 1.296nm
，此時LiF 表面一顆一顆的，並非非常平整，當在 LiF 表面鍍上 Al 時，rms 雖減少為 0.832nm，但鋁的表面受 LiF 影響也變成顆粒狀隆起，如果再旋轉塗佈上 P3HT 時，
基極與集極介面可能會使載子產生嚴重的散射。
(3)Al 的氧化：
Al 是一種非常容易氧化的物質，雖然所有的製程都是在氮氣環境下進行，可以通常還 是會存在著十幾甚至幾十ppm 的氧濃度，Al 經過氧化會變成氧化鋁( )，氧化鋁
的導電度極低，也就是說載子在氧化鋁中的MFP 極短，氧化鋁會阻止載子通過鋁基
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Al O
極，造成電流增益β偏低，這也是可能的一個原因。
(4)蒸鍍機環境：
在製程中所使用的蒸鍍機因為其他元件上的需求，常常混鍍其他物質，例如小分子….
等等，而小分子的沸點與金屬沸點差距極大，金屬沸點通常比小分子沸點高上好幾百 度，若是在蒸鍍鋁基極時，其他附著在腔體上的小分子也伴同鋁粒子蒸鍍在元件上，
造成鋁基極不純，間接增加元件製程的變因，也或許會降低電流增益β。
3-7 Ag 電阻率的量測
因為Ag 的功函數與 Al 相同，相對於 Al 來說，Ag 不易氧化，而 Ag 的 bulk MFP 經 由理論上計算可高達550Å，是金屬基極的候選人之一，或許將來可以嘗試以 Ag 當作 基極。Ag 的電阻率量測如下表：
蒸鍍機A.(新蒸鍍機)
Thickness(Å) Rate(Å/sec) Resistance(Ohm) Resistivity(10−8ohm-m)
100 23 27.5 13.75
110 5 120 66
110 1 >2k
120 0.2 >2k
ps.Ag bulk resistance is 1.67×10−8ohm-meter
3-8 其他的 EB diode
圖 3-8-1 add TFB 以及 single PVK EB diode I-V curve 比較圖
當偏壓為+5V 時，加入 TFB 的 EB diode 電流密度輕易高達 100mA/ ，大於只有 PVK 的 EB diode 許多。只是加入 TFB 需要使用緩衝層(buffer layer)，在緩衝層上旋轉
cm2
塗佈PVK，以防止高分子層的互溶。
第四章 實驗經驗以及未來展望