第一章 序論
1.2 有機薄膜電晶體與相關元件特性
一般傳統的場效電晶體是以無機半導體為基底，其結構通常是金屬-絕緣層-半導體，絕緣層的部分若選用氧化層（Oxide），就是我們常聽見的金氧半場效 電晶體（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors，MOSFETs），我們 常簡稱為 MOS。基底是經過摻雜的矽，電極部分則是使用重度摻雜的矽。
圖 1.2 一般的 MOSFET 元件結構圗 (a)p 型半導體 (b)n 型半導體
半導體因不同摻雜的矽分為 p 型和 n 型，p 型半導體基版一般是矽經由硼(B) 或氟化硼(BF3)的摻雜後，增加可移動電洞的數目，而 n 型基版則是經由砷(As) 和磷(P) 摻雜後，多了可移動的電子，進而提升導電度成為半導體層，除了輕微 摻雜使矽成為 p 型和 n 型半導體之外，矽經重度摻雜後變成了 n+或 p+，使其導 電度非常高，也可以當電極使用，也就是 MOS 元件裡面的電極，如圖 1.1 所示。
1.2.2 薄膜電晶體之結構與元件特性
薄膜電晶體（Thin Film Transistors，TFTs）跟場效電晶體的電流特性和驅動 方式非常的類似，比較大的差異在於元件的結構，圖 1.2 是薄膜電晶體結構圗。
薄膜電晶體比傳統 MOS 場效電晶體多了基板的部份，其基板的部份可以選擇想 要的材料，像是為了透光而選用玻璃、想具有可撓性則可以選擇塑膠材料 PET[50]
或是不鏽鋼薄片[34]。
通常無機薄膜電晶體使用的材料為低溫製作之 poly-Si 和 a-Si：H，其主要應 用於主動式矩陣液晶平面顯示器的開關電路，以現今製程步驟來討論，傳統 MOS 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：
(1)熱擴散(Thermal Diffusion)：缺點是製程溫度會高達 900℃。
(2)離子佈值(Ion Implantation)：缺點是製作成本會相對的提高，在製程上需要更 多道光罩(Mask)以黃光微影(Photolithography)的方式來定義圖案(Pattern)。
TFTs 在製作上不需要太多道光罩，製程明顯比 MOS 簡單，半導體層通常是 選用低溫製作的多晶矽和非晶矽，因為低溫製作所以在基板的選擇就更少限制，
可以選塑膠來當可橈性元件的基板。比較 MOS 和 TFTs 兩者，TFTs 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 MOS 在載子遷移 率方面，以本質 Si 當做基板的 μn通常高達 1350cm2/Vs，而 μp也有 480cm2/Vs，
若經過摻雜則遷移率更高；而 TFTs 常使用的主動層有多晶矽與非晶矽兩種，前 者載子過摻雜則遷移率更高；而 TFTs 常使用的主動層有多晶矽與非晶矽兩種，
前者載子移動率可達 200-300cm2/Vs，後者大概只有 1cm2/Vs，因為遷移率不高，
限制了 TFTs 的應用，目前多應用在平面顯示器的開關電路或是應用於低階的電 子產品。
圖 1.3 薄膜電晶體結構圗
1.2.3 有機薄膜電晶體發展史
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，如果我們將 TFT 的半導體主動層，以有機材料來取代，我們稱之為有機薄 膜電晶 體。 有機 薄膜電 晶體 發展 至今 ，已 有二十 多年 的歷 史， 在 1977 年 Macdiarmid 等人發現以碘蒸氣摻雜聚乙炔（Polyacetylene）可使其導電度大幅提 昇後，開始了有機材料的研究，也因此有了以有機半導體取代無機半導體的想 法，以有機材料當作半導體層的元件稱為有機薄膜電晶體（Organic Thin Film Transistors，OTFTs）。第一顆 OTFTs 在 1983 年由 F. Ebisawa 等人發表在國際 期刊 Journal of Applied Physics 中，將聚乙炔（polyacetylene）半導體高分子層直 接成長在聚硅醚（polysiloxane）絕緣層上，成功製作出薄膜電晶體結構，其載 子遷移率小於 10-5 cm2/Vs，其電性如圖 1.3 所示，這是首次在文獻上有人以有機 材料作為主動層的元件[7]。
圖 1.4 1983 年發表在國際期刊的第一顆 OTFTs 電性圖[7]
1988 年 A. Assadi 等人使用高分子 poly(3-hexylthiophene) 作為 OTFTs 的主 動層[8]，其元件結構與電性如圖 1.4 所示。
圖 1.5 1988 年 A. Assadi 等人使用 P3HT 製作的 OTFT 元件[8]
1990 年 F. Garnier 等人利用 sexithiophene 等共軛寡分子做主動層，其載子遷 移率可達 10-1cm2/Vs[9]，這已經可以和非晶矽 TFT 相當了。在 1992 年小分子五 環素(pentacene)開始被應用於 OTFTs[10]，第一顆以 pentacene 作為主動層的元件，
其載子遷移率為 2x10-3cm2/Vs。pentacene 是藉由熱蒸鍍的方式沉積，電流傳輸是 靠電洞，是目前眾多有機分子中最受矚目的材料，製作的電晶體特性也是所有有 機分子中表現最佳的，其載子遷移率比高分子還要大十倍以上，例如 1997 年 Y.-Y.
Lin 等人[11]利用兩段式基板溫度的條件蒸鍍 pentacene，並得到 1.5x10-2cm2/Vs 的
載子牽移率以及相當高的電流開關比（on-off ratio）等優異的元件特性，此文章 的發表也意謂著 pentacene TFT 在載子遷移率方面已開始超越了 a-Si:H TFT。到 2005 年 M. P. Hong 等人在 SID 研討會上發表的 top-contact OTFT，利用新合成的 絕緣層材料 S4（polysilicon-acrylate with titanium complex），以 pentacene 作為主 動層材料，電極則是使用 Au，其載子遷移率高達 7cm2/Vs[12]。而使用單晶狀態
（single crystal）的 pentacene 所做出的元件，在室溫下的載子遷移率更已達到 35 cm2/Vs 之譜[13]。
1.2.4 有機薄膜電晶體製程
從一開始介紹的金氧半場效電晶體到無機薄膜電晶體，緊接著有機薄膜電晶 體，這趨勢是製裎溫度較低、製作步驟簡單、成本更低廉外，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。但其缺點包括載子遷移率較低、操 作電壓上升以及電流開關比不高，這都顯示著必頇尋找有更高載子遷移率的主動 層、絕緣特性更佳的絕緣層以及利用合成的新材料，來提升元件特性。
依照沈積有機材料跟電極的先後順序，可以分為兩個構造：頂電極（Top Contact）與底電極（Bottom Contact），如圖 1.5 所示。
圖 1.6 (a) 頂電極（Bottom Contact）與 (b)底電極（Top Contact）
如果我們在製作元件時先成長電極然後才將有機主動層沈積在電極上，我們 稱此種構造為 bottom contact，相反，先蒸鍍有機主動層再成長汲極和源極則稱 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介面不佳， bottom contact 先成長電極，靠近電極附近是一個直角，會因沉積的介面不好而影響了 pentacene 的成長，所以接面電阻會較大，進而影響元件特性。但是 top contact 也有其缺點，因為先成長有機材料，若再使用微影蝕刻的方式來定義圖案，會因 此破壞有機層，因此 top contact 多是利用 shadow mask 來定義通道長度，但若經 由 shadow mask 的方式很難達到小線寬(上限為 40um)，如果希望元件尺寸做更 小的話， bottom contact 的結構可以利用微影蝕刻的方式定義我們電極的圖案，
之後再將有機層沈積上去，如此就可以達到小線寬又不會破壞有機層。