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光電技術 No.02 發行時間:2005/6
       
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[技術專文] 有機薄膜電晶體
    

由於有機薄膜電晶體(Organic Thin-Film Transistor;OTFT)的電性已經有相當不錯的成果,使得OTFT應用於低成本、大面積電子產品的機會大大提昇。尤其是小分子Patacene之OTFT其mobility已接近a-Si TFT的表現,雖然與poly-Si TFT還有一段差距,但是On/Off ratio已達可應用於顯示器的水準,在1996年已有OTFT搭配Active Matrix LCD的專利發表[1]。近年來由於有機半導體材料特性與製程不斷的提升以及OTFT結構的改良,OTFT在Integrated Circuits上的應用漸漸的被實現。早期元件結構仍以傳統MOS或MIS為主,1998後才逐漸有創新結構的發明。CMOS技術則從有機(P-channel)搭配無機a-Si:H(N-channel)半導體材料,到N- or P-channel 皆選用有機材料。為了實現全有機化到2001年甚至連其他組件如Substrate、Gate、Source and Drain皆使用有機材料[2]。至於有機半導體層的演進,整個OTFT的研發方向仍是朝發展新的有機半導體材料與製程改良,以製造出性能優越的元件以及導入溶液製程以降低製造成本為研發之主軸。

為什麼要有機薄膜電晶體?
有機薄膜電晶體是由有機共軛高分子或寡分子材料為其主動層所製成之電晶體,與傳統之無機電晶體比較起來,有機薄膜電晶體可在低溫下製作,因此在基板選擇上可採用較輕、薄且便宜之塑膠取代玻璃。此外,有機薄膜電晶體製程較簡單,以印製技術直接圖案化有機薄膜如dip coating、inkjet printing 及contact coating,可以減少光罩數目與真空蒸鍍設備,且由於適合塑膠基板,因此對將來的Roll to Roll製程相容性高,對降低製造成本有很大的效益,美國Xerox公司預測製造成本可降低至傳統半導體製程的十分之一。本專利即針對此課題,提出具有可行性且低成本之製程方法。

有機半導體材料
OTFT最關鍵的技術即在有機半導體材料與製程,材料一般可分為三類,分別是小分子(Small molecular)、高分子(Polymer)、與有機金屬錯合物(Complex)。有機小分子與高分子半導體材料之比較如表一所列,通常高分子。

a.小分子材料
(1) N-Type:於2000年,Lucent Tech.[3]發表利用物理氣相沉積法長出,為一種N-type有機半導體材料。目前數種最有發展前景的N-type材料如NTCDI (on/off:105, mobility: 0.06cm2/V-s)、PTCDI(on/off:105, mobility: 0.6cm2/V-s)、及Fluorocarbon-Substituted Thiophene (on/off:106, mobility:0.5~1.0cm2/V-s)材料。但是最佳的元件特性均是在真空量測所得,因為這類材料在空氣中的穩定性均不佳,載子傳輸特性偏低。
(2) P-Type:曾被使用過的Acene材料,有Tetracene、Pentacene、Hexacene、和Anthracene,其中pentacene所製作之元件特性現階段最為優秀,其field-effect mobility可以達到2 cm2/Vs,on/off current ratio達到108。
(3) a-nT(Oligothiophene):此類材料在文獻中被使用次數最多,大部分此類材料的權利範圍屬於Lucent與Agere Systems這二家公司。Oligothiophene材料的特性以a-4T及a-6T最佳。目前許多研究機構正在研發以陰電性高的氟離子替代a-4T及a-6T中氫離子的N-type有機半導體材料,以期能發明出在空氣中穩定性高且特性佳的材料。

b.高分子材料
(1) Regioregular Poly(3-alkylthiophene)(2~12蚓 atoms):現今被使用最多且效能最好的高分子材料之一,field-effect mobility可以達到10-2cm2/Vs。
(2) Poly(9,9-dioctylfluoreneco- bithiophene) (F8T2):為一種熱向型液晶(Thermotropic liquid crystall), field-effect mobility亦可以達到10-2cm2/Vs。
(3) Other Conjugated Polymer:其他曾被使用過的高分子材料,這些高分子均為P-type,至今尚無具N-type特性的高分子材料。

c.有機金屬錯合物
(1) Phthalocyanine Coordination Compound:此為最早被應用的有機半導體材料。
(2) Organic-inorganic Hybrid Material:此類材料僅IBM使用過,如Phenethylammonium Tin Iodide (PEA)2SnI4與Butyl Diammonium Tin Iodide (BDASnI4)。
有機薄膜電晶體之製程開發
製作有機電晶體時,通常是利用蒸鍍或噴墨製程,將小分子或高分子有機半導體材料,圖案化於電晶體之源極與汲極間,高分子有機半導體為可溶性,所以可用溶液製程製作如spin coating、dip coating、inkjet printing及contact coating,小分子有機半導體之製作如下所介紹。
有機小分子材料蒸鍍
較常使用之有機小分子材料蒸鍍系統,有兩種系統,一種為熱蒸鍍系統(Thermal Evaporation),另一種為氣相沉積系統(Vapor Phase Deposition)。
a. 熱蒸鍍系統(Thermal Evaporation):將有機小分子材料置於坩鍋中,加熱至材料之昇華溫度,使得材料於基板上沉積。通常腔體的真空度必須保持在10-6Torr,基板加熱可以幫助晶體的成長,基板加熱溫度通常不超過150蚓。而蒸度速率必須控制在10蚊/s以下,此外基板旋轉有助於膜厚均勻性,其系統基本結構如圖二(a)所示。而有機小分子材料的純度對於晶體的成長有相當大的影響,通常市售的純度為>90%,為了提高純度,可以使用熱梯度法(Thermal Gradient Technique)使得純度提高至95%以上,但是大概會有50%以上的重量損失,且重量損失隨著所要求的純度而增加。
b. 氣相沉積系統(Vapor Phase Deposition):此方式與熱蒸鍍系統最大的差別在於利用惰性氣體為媒介氣體(Carrier Gas),將有機蒸氣帶至基板。且基板擺放也與熱蒸鍍系統相反,基板位於腔體下方,有機蒸氣經過蒸氣噴頭(Shower Head)由上而下至基板,系統如圖二(b)所示。此系統為美國Princeton University電機系Forrest教授之研發團隊所使用。[3]

有機薄膜電晶體國際發展現況
荷蘭Philips公司發展之OTFT驅動E-ink
Philips公司發展可溶性pentacene作為OTFT元件之半導體層,可以利用溶液製程取代小分子熱蒸鍍製程,以降低製程成本。電晶體的channel length為5 mm, channel width為140 mm,其元件特性載子移動率為0.02cm2/Vs,on/off current ratio為1×106。此OTFT array為4.7”QVGA,resolution為320 × 240,display type為E-ink,pixel數為76800,pixel size為300mm × 300mm,此面板可以bending成直徑小於2cm,如圖三所示。

美國3M公司發表OTFT元件
3M公司以pentacene為主動層材料,且發展OTFT on plastic substrate與OTFT有機電子,即RF-ID射頻辨識系統。並且以其良好的介電材料quality為基礎,搭配穩定且有效的表面處理技術,可以獲得相當優秀的元件特性。載子移動率可以達到3cm2/Vs以上,on/off current ratio為105。其元件結構為Bottom Gate / Top Contact,source、drain與gate電極為金,Insulator為氧化鋁,如圖四所示。此外3M公司發展了polymeric mask的獨特技術,可以提升小分子材料蒸鍍時的pattern之resolution。

Pioneer 公司以OTFT驅動OLED
Pionee發表期最新的OTFT驅動OLED的研發成果。以pentacene為主動層(Active Layer),pixel number為8×8,電路為兩個電晶體與一個電容,如圖五(a)所示。電晶體的channel length為10mm,driver TFT的channel width為680mm,switch TFT的channel width為400mm,如圖五(b),在蒸鍍pentacene前,基板經過HMDS處理,元件特性,載子移動率為0.2cm2/Vs,on/off current ratio為1×104 亮度為400cd/m2,可以展現16灰階與簡單動畫,如圖五(c)所示。

英國Plastic Logic公司以印刷技術製作OTFT
Plastic Logic公司所發展之OTFT元件,半導體層為有機高分子材料F8T2,此高分子材料為一種熱相型液晶高分子(Thermal Tropic Liquid Crystal Polymer),必須加熱到250oC以上才會產生液晶相,因此基板的選擇性差,目前是使用玻璃基板。元件結構為Top Gate / Bottom Contact,Insulator材料為PVP,source、drain與gate電極為PEDOT,如圖六(a)所示。元件特性為載子移動率可以0.02 cm2/Vs以上,on/off current ratio為105。雖然元件特性並不是最佳,但是其製程都屬於溶液製程(Solution Process),有助於成本降低。但是半導體層材料F8T2,必須在250oC以上才會產生液晶相,使得高分子鏈產生排列,以提昇元件特性,因此此製程步驟必須再加以改善,才適用於較低成本之塑膠基板。Plastic Logic公司將此種Polymer OTFT與Gyricon公司之顯示模組整合,成果如圖六(b)所示。

工研院電子所
國內研究單位現在也開始急起直追,且已經有初步成果,圖七為筆者在工研院電子所帶領之研發團隊利用熱蒸鍍系統沉積的Pentacene,利用原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy)分析與電性量測結果。Pentacene在silicon oxide上成長,晶粒大小通常只有0.2mm,如圖七(a)。而經由本團隊研發之奈米級界面處理技術,使得晶粒大小達到3 mm以上,如圖七(b)。而晶粒尺寸增加對於OTFT元件特性的提昇有相當大的助益,如場效載子移動率(Field-Effect Mobility)可以從0.02 cm2/Vs提昇至0.5 cm2/Vs,開關電流比(on/off current ratio)從105提昇至108。
圖八為工研院電子所發團隊,最新之研發成果,為世界首創之設計一64×128個畫素之主動式OTFT陣列驅動3”彩色TNLCD,其電晶體特性在源極電壓(VD)達到-30 V時,載子移動率為 0.5 cm2/Vs且On/off Current Ratio高於108。
圖九(a)為工研院電子所之研發團隊,現在正在開發之塑膠基板有機薄膜電晶體陣列,其電極為ITO,絕緣層為有機高分子材料。而圖九(b)為元件特性,On/off ratio約為104~105,Mobility為0.3 cm2/V-s,Ig漏電流為10-11A。而這些研發成果不僅已趕上世界的研發腳步,OTFT驅動彩色面板更是世界首創,此外也製作全台第一顆塑膠基板上之OTFT。而展望未來,我們將更積極研發在塑膠基板上製作OTFT整合顯示器面板,以及有機CMOS元件之開發。

參考文獻
1. S. L. Wright, L. F. Palmateer, H. Klauk, and T. N. Jackson "Amorphous SiGe:H Black Matrix Material for Active Matrix Liquid Crystal Displays" 38th Electronic Materials Conference Digest, p. 71, June 1996
2. C. D. DIMITRAKOPOULOS AND D. J. MASCARO, D. J. Mascaro, "Organic thin-film transistors: A review of recent advances" IBM J. RES. & DEV. 45

 
 
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