CMOS反相器(CMOS inverter)

Complementary MOS inverter 簡稱 CMOS inverter 是邏輯電路中最基本的單元，由 兩種不同電性的電晶體( NMOS 和 PMOS )組合而成，較單一種電性元件所組成的

verter，具有更小的體積和更少的能量耗費，其最簡單的構造如圖 1-13。

in

圖1- 13 CMOS inverter的(a)電路圖、(b)結構圖、(c)電性圖和(d)內部電晶體操作狀態^[36]

由上圖可知，PMOS和NMOS的閘極和汲極被連接起來，分別為電路的輸入端和輸 出端，且在PMOS的源極輸入一個固定電壓VDD，以圖 1-13 為例，理想狀況下CMOS inverter在操作時，當輸入端電壓小於VTN ( threshold voltage of NMOS )，NMOS是關閉的 狀態而PMOS則是開啟的狀態，此時輸出電壓會等於VDD，在邏輯單位中的表示則是1，

當輸入端電壓大於VDD-|VTP| ( threshold voltage of PMOS )，則反之，此時輸出電壓為零，

在邏輯單位中的表示就是 0，而在輸入電壓等於VTN~ VDD-|VTP|時，可以計算出inverter

gain = dνo/dνi，這在放大器中，是非常重要的一個參數，關係著小訊號的放大倍率，其 中，NMOS在A區和B區(見圖 1-13(d))是操作在飽和狀態，在C區則是操作在未飽和狀態，

而PMOS卻是在B區和C區操作在飽和狀態，在A區則是未飽和狀態。現今，即便是再複 及整流開關比(on/off ratio)要高。

圖 元件參數粹取示意圖

on-off ratio

d voltage

ID ^0.5 (A^0.5)

threshol

(i)線性區即為當汲極電壓非常小，電流尚未飽和，電流-電壓關係呈線性時的電性區 域，電流值可用公式1-1 表示，其中ID為汲極收集到的電流、W和L分別為通道的寬度與 長度、Ci則是絕緣層的電容值、μ代表載子遷移率、VG和VD分別是閘極端和汲極端外加 的電壓，而VT就是起始電壓(threshold voltage)：

2

(2)閘限電壓(threshold voltage, Vt)

在薄膜電晶體的操作理論中，一般認為，由於主動層與介電層之間存在缺陷，所以 載子在傳輸時容易被缺陷所捕捉，如果元件要到可操作的狀態，必須先有一個電壓，此 電壓下傳導的載子恰好可將缺陷填滿，爾後開始有自由載子流動，該電壓即為閘限電 壓，此電壓值亦可視為電晶體開啟的最低值，若電晶體中存在愈多的缺陷，則所需的閘 限電壓則愈大。閘限電壓的求法也分為線性區與飽和區數值，分別是利用式 1-3 和式 1-6，在斜率處取切線，切線與 x 軸之交點即為兩區的閘限電壓值 (圖 1-14)。

(3)整流開關比 (on-off ratio)

On-off ratio 意味著一顆電晶體開啟和關閉時電流值的差異，可由圖 1-14 中所得到，

其在薄膜電晶體中是相當重要的參數，愈大的on-off ratio 代表其對比愈明顯，表示電晶 體具有完全的開和關，且漏電流可視為相當的小，這對於能否應用在電路上相當的重要。

第二章 研究背景與動機

單一有機薄膜電晶體不再只有P型或N型的電性，而是可以同時擁有P型和N型的電 性，這樣的電晶體我們便稱為雙極性(Ambipolar)有機薄膜電晶體，它能夠減少製程和設 計電路的麻煩，不用考慮是要製作P型或N型的電晶體的問題，可同時操作在正負偏壓而 得到所需之電性。工作原理如圖2-1^[21]所示，假設操作在正偏壓，固定Vg且Vg > VTh,e(VTh,e

為累積電子的臨界電壓)，當Vg ≧ Vd時，元件只有電子在流動，但是隨著Vd的增加，Vg

- Vd< VTh,h(VTh,h為累積電洞的臨界電壓)時，靠近汲極端的區域會產生電洞，此時主動 層同時有電子和電洞的傳輸，若是Vg＜VTh,e且Vg - Vd< VTh,h時，會在汲極端注入電洞，

且沒有電子通道產生，因此雙極性薄膜電晶體可隨著Vg、Vd的變化，電性會有所改變。

圖2- 1 (a)源極與汲極間通道對應的電位關係；(b)當源極與汲極和閘極間有一特定的電 位時，通道中會同時累積電子和電洞；(c)(d)分別為雙極性電晶體的Id-Vg和Id-Vd圖^[21]

目前雙極性有機薄膜電晶體主要有三種結構(圖 2-2)，雙層結構(bilayer)、混合結構

(blend)和單一結構(single-component)。混合結構和單一結構其實很相像，都只有單層主 動層，其差別在於混合結構是用兩種材料組成，個別提供N 型和 P 型的電性，而單一結 構則是只有一種半導體材料，但卻可感應出兩種電性，而雙層結構的主動層則是由一個 P 型材料和一個 N 型材料堆疊而成，讓電洞和電子在不同材料層傳遞，值得注意的是，

雙層結構的厚度和接面，會影響雙極性有機薄膜電晶體的電性，所以要找到適當的P 型 和N 型材料並不容易。

圖2- 2 常見的雙極性有機薄膜電晶體結構

對於Ambipolar OTFT而言，目前最大的挑戰在於空氣中的穩定性，如同N-type OTFT，最大的問題也是在大氣下電子通道無法順利產生，以至於只能展現出單一電性，

而目前文獻上發表的Ambipolar OTFT電性多半是在惰性氣體下量測^[37-40]，這對要應用的 電晶體是一個致命的缺點，雖然也有些研究團隊^[41,42]研發出可在空氣中操作的雙極性有 機薄膜電晶體，如Haibo Wang等人^[42]在2006 年發表於Applied Physics Letters國際期刊利 用BP2T和F16CuPc兩種材料作成bilayer的結構，成功製造出可在空氣中穩定量測的 Ambipolar OTFT，且電子和電洞的載子遷移率可達 0.036 cm²/Vs和 0.04cm²/Vs，但這是 利用兩種在空氣中都穩定的材料，想製作穩定的Ambipolar OTFT卻總是侷限在某幾種材 料。

本論文將利用pentacene和PTCDI-C8 兩種材料製作成bilayer結構的雙極性有機薄膜 電晶體，其中，pentacene屬於P-type且在空氣中穩定的有機半導體材料，PTCDI-C8 則是 N-type但無法在空氣中量測的材料，而我們將利用有機絕緣層來修飾SiO2基板，使雙極

性有機薄膜電晶體中N-type的電性能順利出現在大氣環境下，並找出適當的結構，接著，

探討主動層的厚度對於電性的影響及一些雙極性有機薄膜電晶體的特性，最後將 Ambipolar OTFT製作成inverter，且可以操作在正偏壓和負偏壓。

第三章 實驗架構

本實驗使用重摻雜的Si晶圓當基底，作為元件中的閘極，而熱成長在晶圓上的二氧 化矽則是當作無機絕緣層阻絕漏電流，我們主動層選用pentacene和PTCDI-C8 分別為 p-type與n-type的有機半導體材料，分別自Fluka和Adrich購入，有機修飾層的材料則用 polymethylmethacrylate(PMMA)與Polyvinyl Alcohol(PVA)，也是自Adrich購入，其中，

PMMA的溶劑為甲苯(toluene)，PVA的溶劑則是無塵室的去離子水(DI water)，汲極與源 極的金屬為一般常見的貴金屬金(Au)，純度高達 99.99%，此外，wetbench常見的溶液硫 酸(H2SO4)、過氧化氫(H2O2)、DI water、異丙醇(isopropanal, IPA)和丙酮(acetone)分別拿 來清洗基板與培養皿。

圖3- 1 本實驗所使用的有機材料

3.2 實驗儀器

(1) UV-Ozone 紫外臭氧機：

利用紫外光照射氧氣分子形成臭氧，在UV-Ozone 中通入大量的乾淨空氣，並以臭氧燃 燒去除二氧化矽基板上的不純物。

(2) Spin Coater 旋轉塗佈機：

利用離心力的原理成膜，可藉由轉速大小和塗佈時間來控制薄膜厚度。

(3) N2 Glove Box 手套箱：

因為一般的高分子在大氣環境下會有氧化反應，呈現不穩定的缺點，甚至會導致實驗的

不確定性，因此，本研究 PMMA 的有機修飾層便是在手套箱裡製作，此外，部分電性 量測也是在手套箱中進行。

(4) Thermal Evaporator 熱蒸鍍機：

一般的小分子有機材料或金屬材料，難溶於溶劑中成液態，無法使用旋轉塗佈機成薄膜 於基板表面，這時最常見的方法是利用熱蒸鍍的方式，在熱蒸鍍機腔體中置入欲蒸鍍的 材料(例如 pentacene)和基板，通電使坩鍋受熱並蒸發已氣化的 pentacene，此時腔體需 在高真空的狀態，避免高溫加速氧化和提高蒸鍍品質(欲蒸鍍的分子才不會和空氣分子 碰撞)，可透過遮罩去定義我們的元件圖樣。

(5) Atomic Force Microscope(AFM) 原子力顯微鏡：

本實驗原子力顯微鏡(AFM)購於 DI intrument，屬於掃瞄探針顯微技術的一種，此類型顯 微技術是利用特製的微小探針，來偵測探針與樣品表面之間的某種交互作用，如穿隧電 流、原子力、磁力、近場電磁波來進行表面的偵測。AFM 的微小探針通常黏附在懸臂 式的彈簧片上，當針尖與樣品表面原子接近時，因力場而產生作用力，懸臂簧片因為抵 抗其作用力而發生形變，藉此產生一個回饋作用，為了讓作用力維持固定，探針針尖會 調整與樣品間的垂直距離，利用電腦記錄表面上每一點針尖的微調距離，即可得到整體 之表面形貌。本實驗所用的AFM 為輕敲式(Tapping mode)，探針以高頻在 Z 軸方向振動，

與接觸式(Contact mode)比較，擁有不會損害針尖和樣品的優點，解析度又比非接觸式高。

圖3- 2 AFM基本架構與Tapping-mode AFM基本原理^[43]

(6) I-V measurement 電性量測機台 (Keithley 4200)：

常見的半導體元件量測機台，利用探針去接觸元件表面，可通電壓或電流去擷取所想要 的資訊，最基本的功能可用來量測二極體電性、電晶體的IdVd和IdVg特性曲線等。

(7) C-V measurement 電容量測機台 (HP4284A)：

可量測MIS(Metal Insulator Semiconductor)、MIM(Metal insulator Metal)等結構之電容值。

(8) X-ray Diffractometer(XRD) X 光繞射儀：

ㄧ般常用的X 光繞射裝置有粉末繞射儀和薄膜繞射儀兩種，其原理都是布拉格繞射。由 於我們的樣品是屬於薄膜元件，若使用粉末繞射儀，X 光穿透樣品太深，故繞射訊號中，

薄膜僅佔很低的比例，甚至會被基板的繞射訊號所掩蓋，因此必須選用X 光低掠角入射 的薄膜繞射儀，與粉末繞射儀不同，其入射光固定一小角度入射到樣品，相同的穿透距 離，僅僅只達樣品的表面，而不會穿透至基板，只有偵測器做 2θ 掃描，屬於非對稱布 拉格角測量法，其所得的繞射圖案，可得知薄膜晶體的成長情形。

圖3- 3 X光薄膜繞射儀示意圖^[44]

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

圖3- 4 清潔基板順序