氧化亞錫之發展

早期，錫氧化物的研究多半集中在氧化錫(tin oxide, SnO2)，因其具備高透光性、

高導電度、穩定度佳…等優點，常應用於氣體感測器、透明電極等[58-61]。而氧化 亞錫(tin monoxide, SnO)則是在近幾年才受到較多的關注，其主要應用為鋰電池的 陽極材料[50]、高品質氧化錫薄膜的前驅物[51]。

1984 年，Marchwicka 團隊以濺鍍法製作錫氧化物薄膜，並探討不同氧分壓環 境下濺鍍的薄膜，其結晶相、電阻率與透光率的變化[62]。2001 年，Pan 與 Fu 等 人，以電子束蒸鍍法(electron-beam evaporation)將錫氧化物沉積於藍寶石基板 (sapphire substrate)上，並透過霍爾量測證實氧化亞錫之 p 型導電特性，同時藉由調 整不同的錫-氧比例，以實現 p 型或 n 型的導電特性[51]。在當時，由於氧化亞錫的 錫-氧比例難以精確控制，導致研究多半僅著重在薄膜的物理特性分析，而元件應 用則甚少著墨。

2008 年，Ogo 團隊以釔摻雜穩定化氧化鋯(yttria-stabilized zirconia, YSZ)為基 板，在 575 C 下以雷射脈衝沉積法(pulsed laser deposition)成長氧化亞錫薄膜，並 成功製作出第一個 p 型氧化亞錫薄膜電晶體。其場效載子遷移率可達 1.3 cm²/V-s，

電流開關比約為 10²[53]，如圖 2.12 所示。由於氧化亞錫具有相對高的載子遷移率，

且金屬錫資源豐富、對環境無害，使得以氧化亞錫作為 p 型薄膜電晶體之通道層 的研究逐漸興起。

圖 2.12 由 Ogo 團隊製作之氧化亞錫薄膜電晶體 (a)結構示意圖 (b)輸出特性曲線 (c)轉換特性曲線

(d)線性區之場效載子遷移率與 VGS之關係[53]

2010 年，Fortunato 團隊以玻璃作為基板，在室溫下以射頻磁控濺鍍法(radio-frequency magnetron sputtering)濺鍍氧化亞錫薄膜，並進行 200 °C 之後退火。在相 對低溫的條件下，成功製備出 p 型氧化亞錫薄膜電晶體，突破 p 型金屬氧化物電 晶體必須透過高溫製程的困境。其元件特性如圖 2.13 所示，場效載子遷移率高達 1.2 cm²/V-s，更將電流開關比提升至 10³。由於氧化亞錫的光學能隙約為 2.8 eV，

在光波長 400 至 2000 nm 下，其元件的穿透率達 85%[63]。

圖 2.13 由 Fortunato 團隊在玻璃基板上製作之氧化亞錫薄膜電晶體 (a)轉換特性曲線 (b)輸出特性曲線 (OPP = 7.0%及 OPP = 11.5%)[63]

2013 年，Caraveo-Frescas 團隊利用直流濺鍍法沉積氧化亞錫薄膜，並使用高 介電常數材料氧化鉿(hafnium oxide, HfO2)作為閘極介電層。該團隊採用玻璃基板，

閘極材料為氧化銦錫(ITO)透明導電膜，源/汲極為 8 nm 鈦(Titanium ,Ti)與 90 nm 氧 化銦錫(ITO)所組成，成功製作出全透明之氧化亞錫薄膜電晶體。此外，也將其製 作於可撓性塑膠基板上。薄膜電晶體結構及其電特性曲線如圖 2.14 所示。製作於 玻璃上的氧化亞錫薄膜電晶體，其場效載子遷移率高達 6.75 cm²/V-s，而製作於塑 膠基板上則為 5.87 cm²/V-s，同時，兩者之電流開關比也都高於 10³。該團隊認為，

氧化亞錫薄膜含有微量金屬錫的存在是達到高載子遷移率的關鍵[64]。

圖 2.14 由 Caraveo-Frescas 團隊

製作於玻璃/可撓性塑膠基板上之氧化亞錫薄膜電晶體 (a)/(b)結構示意圖；(c)/(d)輸出特性曲線；(e)/(f)轉換特性曲線[64]

薄膜電晶體作為顯示器的驅動元件，長時間使用下的穩定性也相當重要。因此，

近年來學者們開始探討氧化亞錫薄膜電晶體之穩定性，包含偏壓穩定性及光穩定 性…等。

2014 年，由本研究團隊 Chiu 等人，發表第一篇探討氧化亞錫薄膜電晶體之閘 極偏壓穩定性[65]。文獻中指出，氧化亞錫薄膜電晶體在施加閘極偏壓下，其臨界 電壓偏移量可用 stretch exponential equation 作近似，如圖 2.15 (b)所示。而造成臨 界電壓往負方向偏移的現象，可歸因於載子被介電層與通道層間的界面(或鄰近界 面之介電層)的缺陷捕捉。而臨界電壓往正方向偏移的現象則可能為通道層背通道 吸附環境中的水氣、氧氣所導致，其結果如圖 2.15 所示。

圖 2.15 由 Chiu 等人對於氧化亞錫薄膜電晶體之閘極偏壓穩定性之探討 (a)施加閘極偏壓-10 V 時之轉換特性曲線變化

(b)偏壓施加時間與臨界電壓偏移量關係[65]

同年，Han 團隊使用 SU-8 作為氧化亞錫薄膜電晶體之背封裝層[66]，優化薄 膜電晶體長時間暴露於空氣中的穩定性，以及元件操作之穩定性，其結果如圖 2.16 所示。2016 年，同一團隊，探討氧化亞錫薄膜電晶體照光穩定性以及照光下之閘 極偏壓穩定性[67]。在照光穩定性測試中，光照會使臨界電壓往正方向偏移，有無 背封裝層對此效應不會造成明顯差異，其結果如圖 2.17 所示。此外，當元件閘極 偏壓施以一負偏壓時，將導致臨界電壓往負方向移動；反之，若施以一正偏壓時則

將導致臨界電壓往正方向移動，其結果如圖 2.18 (a)、(c)所示。若元件同時施以照 光、閘極偏壓時，其穩定性會同時受到兩個機制的影響，其測試結果如圖 2.18 (b)、

(d)所示。

圖 2.16 由 Han 團隊製作氧化亞錫薄膜電晶體 (a)無封裝及 (b)具 SU-8 背封裝層 長時間暴露於空氣下之轉換特性曲線變化(VDS = -1 V)

(c)無封裝及 (d)具 SU-8 背封裝層

在連續操作數次後之轉換特性曲線變化(VDS = -1 V) [66]

圖 2.17 由 Lee 團隊製作之氧化亞錫薄膜電晶體 (a)無封裝及 (b)具 SU-8 背封裝層 長時間照光下之轉換特性曲線變化(VDS = -1 V)[67]

圖 2.18 由 Lee 團隊利用 SU-8 作為氧化亞錫薄膜電晶體之背封裝層 負偏壓下(VGS_stress= -15 V)轉換特性曲線變化 (a)無照光 (b)照光下 正偏壓下(VGS_stress= 15 V)轉換特性曲線變化 (c)無照光 (d)照光下[67]

綜合以上文獻回顧可以發現，氧化亞錫薄膜電晶體有著高場效載子遷移率，其 電性表現優異，且透光率佳，具備應用於光電產業之潛力。此外，氧化亞錫能以相 對低溫的方法製備，因此能夠將元件製作於可撓性塑膠基板上。