有機薄膜電晶體元件介紹

自從 Tsumura 與 Koezuka 於 1986 年製作出第一個有機薄膜電晶體(organic thin film transistor, OTFT)[16]以來，各界於有機電晶體的製作有長足的進展。

OTFT 為一廣泛應用於電子相關領域之「開關」元件，藉著偏壓(voltage bias)之 控制來對OTFT 元件進行開關，進而控制電流之通過與否。

傳統的電晶體製作過程需要較高之製程溫度，因此不可能製作於軟式之塑膠 基材上面。然而近來軟性電子(flexible electronic)之發展與需求日漸深入、龐大，

包含主動式陣列液晶顯示器(active-matrix liquid crystal displays, AMLCDs)、主動 式陣列發光二極體(active-matrix organic light-emitting diodes, AMOLEDs)、電子紙 (electric paper)、有機感測器、有機太陽能電池無限辨識系統(radio-frequency identification, RFID)等，因此發展低溫製程之有機薄膜電晶體元件就變成了極為

13 p-type 半導體時，傳遞之介質為電洞(正電荷)，此時閘極需為負偏壓(biased negatively)；反之若為 n-type 半導體時，則傳遞之介質為電子(負電荷)，此時閘 極之偏壓需為正偏壓(biased positively)。

為了製作性能佳之薄膜電晶體，有幾個關鍵因素需要考慮，包括高的輸出 電流，好的開/關速度以及「開」、「關」狀態狀態差異大。為了達到上述三點的 要求，載子移動率(carrier mobility)、臨界電壓(threshold voltage)與開/關狀態電流 比(on/off current ratio)等因素都需被考慮。一般而言，藉由觀察量測之 I-V 圖可 計算出上述之參數。

電晶體進入飽和工作區(saturation regime)，由於電晶體受激態(accumulation mode) 夾止(pinch-off)，導致汲極電流之飽和，因此關係式可改寫為

(ISD)sat=(W/2L)μCi(VSG-VT)² (3)

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1970 年代日本化學家白川英樹(Hideki Shirakawa)與美國賓州大學化學家 Alan G. Macdiarmid、物理學家 Alan J. Heeger 發現導電高分子，並因導電塑膠之 成就於西元 2000 年獲得諾貝爾化學獎。由於導電高分子具有半導體材料之特 性 ， 因 此 具 有 取 代 以 往 三 十 幾 年 利 用 單 晶 矽(monocrystal silicon) 與 非 晶 矽 (amorphous silicon)化合物作為半導體材料之淺力。

有機半導體材料之好壞對於有機薄膜電晶體功能影響很大。電荷載子 (carrier)於半導體材料中的傳遞方式乃利用「跳躍」機制(hopping mechanism)。對 於p-type 半導體材料而言，由於電洞(holes)數量大於自由電子(electrons)數目，因 此偏向傳遞電洞，反之對於n-type 半導體材料而言，則因為自由電子數目大於電 洞，因此藉由傳遞自由電子進行電荷的傳遞。

目前所發展出來之有機半導體材料多是以小分子及寡聚物為主。小分子如 pentacene(Pn)，其載子傳移動率（carrier mobility）可達 1.5cm2V-1s-1[18]；而寡 聚物如α,ω-dihexyl-hexathiophene 之載子傳輸速率則可達 0.13 cm2V-1s-1 [19]。而 在高分子材料方面，僅R.H.Friend 等於 1998 年發表具高度規則度之 regioregular Poly(3-hexylthiophene)，即 P3HT 之載子傳輸速率可達 0.1 cm2V-1s-1 [20]。

較常使用的有機半導體材料可見於圖 2-13[21]，當高分子材料具有低氧化 (low oxidizing)與高還原電位(high-reducing potentials)之特性時，較適合作為

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p-type。而目前有機半導體材料較常被利用的皆為 p-type 型，圖 2-13 中藍色的材 料皆為p-type 半導體材料，其中又以 pentacene(Pn)與 poly(3-alkyl thiophene)(P3HT) 最常被各界運用。

雖然p-type 材料較多，但是像發展 CMOS 元件時需要 p-n junction，n-type 半 導 體 材 料 之 發 展 仍 然 勢 在 必 行 。 一 般 而 言 使 用 較 強 的 拉 電 子 基 團 (electron-withdrawing groups)來改變有機半導體材料，例如-CN，-F 與-Cl，來降 低 材 料 之 混 層 軌 域 中 ， 最 低 能 量 的 電 子 未 填 軌 域 的 能 階(lowest unoccupied molecular orbital, LUMO)，增加材料電子注入(electron injection)與電子傳輸 (electron transport)特性，以利用於 n-type 之功能。圖 2-13 中之紅色部分即兩種 n-type 之有機半導體材料，一般而言 n-type 之載子移動率較差，然而 kimberly C.

Dickey 等人[22]利用丙酮、己烷與二氯乙烷等材料改變等材料對 TES ADT(圖 2-13g)進行處理，使材料重新結晶，得到的載子移動率可高達0.1cm²V^-1s^-1以上。