有機薄膜電晶體之結構

一般傳統的場效電晶體是以無機半導體為基底，如：Si。其構造最見的是金屬-介電 層-半導體場效電晶體，介電層的部分若是氧化層（Oxide），即常見的金氧半場效電晶

體（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors， MOSFETs），簡稱為MOS。而 薄膜電晶體(Thin Film Transistors, TFTs)其構造跟傳統場效應電晶體類似，電流特性也相 似。差別在於薄膜電晶體主要是用來驅動平面顯示器，所以通常是以薄膜的形式製作於 玻璃基板之上，主動層厚度只有幾奈米到幾百奈米。若主動層選用無機的半導體材料，

是一般的無機薄膜電晶體。

則

圖1- 7 傳統 MOSFET^[59]和TFT^[60]的結構圖。

通常無機薄膜電晶體使用的材料為poly-Si和a-Si：H，其主要應用於主動式液晶平面 顯示器的開關電路，由圖1-6中的構造我們可以看出與傳統MOSFET不同點有：（1）基 底可以選用不同的材料，像是玻璃、塑膠等等的材料，（2）源極和汲極是直接以歐姆 接觸方式與主動層連接。以現今製程步驟來討論，傳統FET的基底需要摻雜3A族或5A 族材料，以增加其導電性，而其摻雜的方式有兩種方法熱擴散 (Thermal Diffusion) 和離 子佈值（Ion Implantation）。如果摻雜方式選用熱擴散，製程溫度會高達900℃；若選用 離子佈值的技術，則製作成本會相對的提高，因為需要多道光罩（Mask）以黃光微影

（Photolithography）方式來定義圖案（Pattern）；相對而言，TFTs則只需要少數幾道光 罩，製作步驟簡單許多，且製作溫度可控制在300℃以下。因為低溫製程，使得基底可 以有更多種選擇，譬如是富有彈性但卻不耐熱的塑膠基板。比較FET和TFT兩者，TFT 有著許多的優點，不過也有其缺點，像是其載子移動率普遍不高，就傳統FET常用的基 底材料Si來說，本質Si的μn通常高達1350 cm²/Vs，μp也有480 cm²/Vs，經過適當的摻雜可 達更高，而TFT所使用的主動層poly-Si與a-Si：H載子移動率，前者可達200-300 cm²/Vs，

後者僅可達約1 cm²/Vs左右。這限制TFT在工業上的應用，故目前TFT多用來當作平面顯 示器的開關電路或是應用於低階的電子產品。

：操作在累增模式而不是反 轉模式，這會使得OTFTs與其他元件的整合困難度增高。

後，OTFTs可以分為兩個構造：頂電極（Top Contact）與底 電極（Bottom Contact）。

在1970 年代有學者提出使用有機材料來取代傳統無機半導體材料的概念。若將TFT 的半導體主動層，以有機材料來取代，便稱之為有機薄膜電晶體(Organic Thin Film Transistors，OTFTs)。第一個OTFT則是在1983年被製造出來，載子遷移率極低。之後隨 著各種材料的合成與尋找具有更高載子遷移率的材料、更佳介電特性的介電層、改善電 晶體結構、不同的製程方式等，逐漸將有機薄膜電晶體的效能提升，其中介電層合成要 朝高阻值、高穩定性（減少水氣和氧氣的影響）、漏電流小、表面粗糙度小、載子捕捉 缺陷少等方向發展。而使用有機材料的優點，除了上述的低溫製裎、製程簡單、成本低 廉外，有機材料比無機半導體材料更易於製作在大面積可撓式基板上。當然有機材料也 有相當嚴重的缺點上需要改進，第一：載子移動率通常不到1 cm²/Vs，比起使用a-Si：H 作為主動層的薄膜電晶體還更低，第二：操作與起始電壓偏高，會造成功率消耗過大，

第三：Ion/Ioff 比值不高，會影響的訊號傳遞的正確性，第四

依照沈積有機材料的先

圖1- 8 有機薄膜電晶體結構圖，Top Contact 與 Bottom Contact。

若在製作元件時，先沉積電極後再蒸鍍有機主動層在電極上，稱此種構造為 bottom contact。相反，先蒸鍍有機主動層再沉積汲極和源極則稱為top contact。這兩種結構各 有其優缺點，一般來說，top contact結構的元件特性會比 bottom contact好。因為有機材 料沉積在金屬電極上的附著性不佳，進而影響之後蒸鍍有機材料的成長，使接面電阻較 大而影響元件特性。然而，top contact也有其缺點，因已經先蒸鍍了有機半導體材料，

故很難使用微影方式來定義圖案，因此大多是利用shadow mask來定義元件的通道長 度，如此就很難達到極小的線寬（極限約為40μm）。因此若是希望作小尺寸元件的話，

則需使用 bottom contact結構。由於 bottom contact的有機層是最後才成長的，因此可利 微影方式先定義極小的線寬後，再沈積有機層而達到小尺寸元件。

電電子層我們稱為 轉層(inversion layer) ，此時的 NMOS 電晶體屬於開啟的狀態。

1.4 用