第三章 實驗架構
3.3 雙極性有機薄膜電晶體製作流程
我們購買n型摻雜的矽晶圓來當作元件的閘極，再經由高溫爐管成長 2000Å的SiO2作 為閘極絕緣層，之後切割成20mm×20mm的晶片，接著，經過基板清洗、有機修飾層製 備、蒸鍍有機主動層與蒸鍍汲極和源極金屬，雙極性有機薄膜電晶體便製作完成。
3.3.1 基板清洗
我們將長有SiO2的矽基板置於wet bench中做簡單的清洗，目的在於清除表面較大的 顆粒以及附著的有機物質。由於我們的矽基板成長了SiO2，所以利用清洗矽基板的RCA clean的步驟為依據做簡化。首先將元件基板固定於鐵氟龍架，置入水杯，沖洗DI water 5 分鐘，再置入硫酸杯，浸泡於H2SO4：H2O2 = 3：1(450ml：150ml)的混合溶液中，利用 H2SO4去除SiO2基板表面殘存的有機物質，於混合溶液中浸泡 10~15 分鐘後，再於DI water下沖洗 5 分鐘後，利用氮氣槍將元件基板吹乾，最後再置於約 100˚C的烘箱內 8 小 時以上去除表面剩餘的水分。
圖3- 4 清潔基板順序
3.3.2 有機修飾層製備
本實驗選用的有機修飾層為PMMA 與 PVA，各自溶於無水的 toluene 與 DI Water，
皆配成約 1wt%濃度的溶液等待溶解均勻，在上有機修飾層前，會先將基板經過
UV-Ozone 處理，具有清潔基板的效果，接著，把有機修飾材料經由旋轉塗佈(spin coat) 的方式塗佈於基板上。塗佈完畢後的元件置於加熱器上加熱100℃60 分鐘烤乾，以去除 toluene 和 DI Water 溶劑，其中 PMMA 溶液的配置和旋轉塗抹都是在手套箱中進行，避 免水氣和氧氣的影響，而PVA 溶液本身的溶劑是 DI Water，無法拿入手套箱中配置，故 在一般大氣環境下製備。
3.3.3 蒸鍍有機主動層
本實驗是以bi-layer結構的Ambipolar OTFT作為主要的探討，因此需要兩種不同電性 的有機半導體材料，在這裡我們選用pentacene來當p-type主動層，而n-type的主動層材料 則是PTCDI-C8，2002 年Patrick R. L. Malenfant[22]等人利用此材料製作之電晶體在惰氣環 境下量測電子載子遷移率可達0.6 cm2/Vs，此載子遷移率比較能夠和pentacene匹配。將 基板和裝滿主動層材料的坩鍋置入熱蒸鍍機，先蒸鍍PTCDI-C8 再蒸鍍pentacene，皆是 利用鎢絲線圈加熱坩鍋，等到鍍率穩定於0.5Å/s時開始蒸鍍到想要的厚度，在蒸鍍過程 中則透過不锈鋼製的shadow mask來定義元件在基板上的圖形，期間腔體的壓力約在 3x10-6~1x10-6 torr，在這裡我們還有製備另一種結構的bi-layer Ambipolar OTFT，與之前 不同的是，pentacene主動層在下層， PTCDI-C8 主動層在上層，其餘蒸鍍條件則相同。
3.3.4 蒸鍍汲極和源極金屬
汲極和源極金屬蒸鍍部份將Au 錠置於鎢舟上，控制通過鎢舟的交流電流大小使鎢舟加 熱的溫度將 Au 熔化進而形成蒸氣並蒸鍍於有機主動層上，且控制蒸鍍速率於 3Å/s 左 右，厚度約400 Å，同樣利用 shadow mask 定義圖案，最終完成的雙極性有機薄膜電晶 體通道寬度(channel width)為 2mm，通道長度(channel length)則有 85、110、140 和 170μm 四種。
3.3.5 Inverter 製作
本實驗製作的Inverter 是利用兩顆相同的 Ambipolar OTFT 構成的，且此 Ambipolar OTFT 的 p-type 與 n-type 電性匹配，製作方式如之前所述，只是在最後蒸鍍汲極和源極 金屬選用不同的shadow mask 使兩顆相同元件的汲極連接起來。
圖3- 5 有機元件製作順序