N型有机薄膜晶体管、双载子场效应晶体管及其制备方法

摘要

本发明是有关于一种N型有机薄膜晶体管、双载子场效应晶体管、及其制备方法，该N型有机薄膜晶体管包括：一基板；一栅极，是设置于该基板上；一栅极介电层，是覆盖该栅极，且该栅极介电层的材质是蚕丝蛋白；一缓冲层，是设置于该栅极介电层上，且该缓冲层的材质是五苯环；一N型有机半导体层，是设置于该缓冲层上；以及一源极与一漏极，其中，该N型有机半导体层、该缓冲层、该源极、以及该漏极是配置于该栅极介电层上方。

说明书

技术领域

本发明是关于一种N型有机薄膜晶体管、双载子场效应晶体管及其 制备方法，尤指一种使用蚕丝蛋白作为栅极介电层的N型有机薄膜晶体 管、双载子场效应晶体管、及其制备方法。

背景技术

晶体管(transistor)是近代电子电路的核心元件，他的主要功能是做 电流的开关，就如同控制水管中水流量的阀(valve)。和一般机械开关不 同处在于晶体管是利用电讯号来控制，而且开关速度可以非常快。晶体 管种类很多，依工作原理可大致分为双载子晶体管(bipolar junction  transistor，BJT)和场效晶体管(field effect transistor，FET)。场效晶体管又 包含了N型有机薄膜晶体管、及P型有机薄膜晶体管等。

以目前技术阶段而言，一般N型有机薄膜晶体管的电子迁移率比P 型有机薄膜晶体管的电洞迁移率要小很多(例如，大部份N型有机薄膜晶 体管的电子迁移率仅在1cm²/Vs以下)。然而，由于CMOS元件需同时含 有P型以及N型两种有机薄膜晶体管，因此N型有机薄膜晶体管的研发， 变得很重要。

一般而言，有机薄膜晶体管(不论是N型或P型有机薄膜晶体管)可依 照结构分为上接触式有机薄膜晶体管及下接触式有机薄膜晶体管。如图 1A所示，上接触式有机薄膜晶体管包括：一基板10；一栅极11，是配置 基板10上；一栅极介电层12，是配置于基板11上且覆盖栅极11；一有机 半导体层13，是完全覆盖栅极介电层12；以及一源极14与一漏极15，是 配置于有机半导体层13上。

此外，如图1B所示，下接触式有机薄膜晶体管包括：一基板10；一 栅极11，是配置基板10上；一栅极介电层12，是配置于基板10上且覆盖 栅极11；一源极14与一漏极15，是配置于栅极介电层12上；以及一有机 半导体层13，是完全覆盖栅极介电层12、源极14以及漏极15。

而关于机薄膜晶体管的材料的开发，根据文献报导，由于碳60具有 高电子迁移率，可当作N型有机薄膜晶体管的半导体层材料，2006年 Kenji Itaka等人利用氧化铝做作为介电层，并通过五苯环缓冲层来提升 碳60有机薄膜晶体管的性能(Kenji Itaka，*Mitsugu Yamashiro，Jun  Yamaguchi，Masamitsu Haemori，Seiichiro Yaginuma，Yuji Matsumoto， Michio Kondo，and Hideomi Koinuma，“High-Mobility C60Field-Effect  Transistors Fabricated on Molecular-Wetting Controlled Substrates”Adv. Mater.2006，18，1713-1716.)，在真空下量测电子迁移率，可达到4.91 cm²/Vs。可惜的是，碳60有机薄膜晶体管，因碳60薄膜不够致密，水或 氧容易吸附或扩散进入碳60薄膜，在空气中不稳定，信赖性较差，因此 较不具产业价值。

同年，Thomas D.Anthopoulosa等人利用二乙烯四甲基二硅氧烷-二 (苯并环丁烯)(Divinyltetramethyldisiloxane-bis(benzocyclobutene)，BCB) 作为介电层，并在蒸镀时，提高基板温度来提升碳60有机薄膜晶体管的 性能(Thomas D.Anthopoulosa_Birendra Singh，Nenad Marjanovic，Niyazi  S.Sariciftci，Alberto Montaigne Ramil，Helmut Sitter，Michael and Dago M.de Leeuw，”High performance n-channel organic field-effect  transistors and ring oscillators based on C60fullerene films”，APPLIED  PHYSICS LETTERS 89，213504(2006))。其在氮气氛围下量测电子迁移 率，可达到6cm²/Vs。然而，此种碳60有机薄膜晶体管，碳60薄膜仍不 够致密，在空气中不稳定，无法提升信赖性，因此仍不具产业价值。

此外，目前已有研究显示，蚕丝蛋白是为一种新的介电层材料，蚕 丝蛋白是自蚕丝萃取得到的丝心蛋白(fibroin)，可有效提升P型有机薄膜 晶体管电洞迁移率的介电层材料(C.-H.Wang，C.-Y.Hsieh，and J.-C. Hwang，”Flexible organic thin film transistors with silk fibroin as gate  dielectric”Advanced Materials 23，1630-1634(2011))。但使用蚕丝蛋白所 制作的五苯环有机薄膜晶体管，仅可作为P型晶体管(元件特性为P型)， 而非N型晶体管。

此外，于Hagen Klauk所提出的文献中(“Organic thin-film transistors”， Chem.Soc.Rev.，39，2643-2666(2010))第2605页的左栏有提到，关于N型 有机薄膜晶体管，目前仍尚未有新的材料及/或结构可有效提升碳60-N 型有机薄膜晶体管的电子迁移率以及增强其在空气中的稳定性。

因此，本领域目前亟需研发合适的材料及/或结构，能以简单且便宜 的制作方法，制作出N型有机薄膜晶体管、以及具极佳效率的CMOS元 件，使可大幅提升N型有机薄膜晶体管的电子迁移率。

另一方面，双载子场效应晶体管(Ambipolar field-effect Transistor)亦 为晶体管的一种，其同时具有电子及电洞传输机制，结构上与有机薄膜 晶体管相似，但元件特性稍微不同。因此，若能同时开发出新的材料及 /或结构，而同时应用于双载子场效应晶体管以及N型有机薄膜晶体管， 并可具有高稳定性、信赖性、及载子迁移率，并可实际上大量生产，则 可具有非常大的商业价值。

发明内容

本发明提供一种N型有机薄膜晶体管，其是包括：一基板；一栅极， 是设置于该基板上；一栅极介电层，是覆盖该栅极，且该栅极介电层的 材质是蚕丝蛋白；一缓冲层，是设置于该栅极介电层上，且该缓冲层的 材质是五苯环；一N型有机半导体层，是设置于该缓冲层上；以及一源 极与一漏极，其中，该N型有机半导体层、该缓冲层、该源极、以及该 漏极是配置于该栅极介电层上方。

在本发明中，使用蚕丝蛋白来做为介电层材料，有几项特点：(一) 提高晶体管电子迁移率；(二)可挠曲；以及(三)稳定性佳。本发明利用 蚕丝蛋白作为栅极介电层，可以大幅提升五苯环的薄膜结晶性，使得N 型薄膜晶体管的电子迁移率大幅度提升。因此，本发明的N型有机薄膜 晶体管可以应用于软性电子产品上。并且，本发明为本领域首先将可挠 的蚕丝蛋白使用于N型碳60有机薄膜晶体管的技术。

蚕丝蛋白具有可挠性以及价格便宜的特性，故可视为一种极佳的软 性电子元件的介电材料。本发明是以蚕丝蛋白膜为栅极介电层，在其上 镀上五苯环(缓冲层)以及碳60、PTCDI-C8(N，N′-联苯-3，4，9，10-芘二甲西 先亚胺(N，N′-DIOCTYL-3，4，9，10-PERYLENEDICARBOXIMIDE))、或其 它相似物等N型有机半导体层，制作出N型有机薄膜晶体管。此N型有机 薄膜晶体管的特性非常好，可以应用于各种更复杂的软性电子元件(可 挠式电子产品)上，如：互补式金氧半场效应晶体管(CMOS)或有机发光 敏晶体管(OLET)等元件，因此具有极佳的经济价值。

此外，在现有技术中所使用的碳60是个极度对水气、氧气敏感的材 料，因此在性质量测时，都须在氮气或是真空中进行，以抑制水、及氧 气对元件的影响。本发明所制作的N型有机薄膜晶体管具备了高空气稳 定性，即使放置于大气中量测电子迁移率，仍可维持约11cm²/Vs。因此， 本发明具备有高电子迁移率以及良好的空气稳定性(Air-stable)，故具相 当高的产业应用价值。

本发明的N型有机薄膜晶体管中，该缓冲层的厚度较佳为 1nm-20nm，更佳为1nm-10nm，最佳为3nm。

本发明的N型有机薄膜晶体管中，基板较佳可为一塑料基板(或其它 软性基板)、一玻璃基板、一石英基板、一硅基板、或一纸基板，无特 别限制。利用使用一塑料基板或一纸基板，可使所形成的装置具有可挠 性。此外，包含栅极、漏极、源极等各电极可各自独立选自由：铝、铜、 镍、镁、钙、锂、铬、银、铂、金、氧化锌(ZnO)、氧化锡铟(ITO)、氧 化锌铟(IZO)、氧化铝锌(AZO)、氧化锌镓铟(IGZO)等。

本发明的N型有机薄膜晶体管中，该栅极介电层较佳可具有一单层 结构或一多层结构。栅极介电层的厚度可随着层数进行调整，以得到高 电子迁移率。

本发明的N型有机薄膜晶体管中，N型有机半导体层的材质可选自 由：碳60、PTCDI-C8、及其它相似物等，其中最佳为碳60。

本发明的N型有机薄膜晶体管中，该N型有机半导体层的厚度较佳 可为10nm-150nm。

本发明的N型有机薄膜晶体管，其电子迁移率较佳可为7cm²/Vs-15 cm²/Vs。

本发明的N型有机薄膜晶体管中，该栅极介电层的厚度较佳可为 100nm-800nm，更佳为300nm-500nm，最佳为400nm。

本发明的N型有机薄膜晶体管中，较佳地，当该N型有机薄膜晶体 管为一上接触式N型有机薄膜晶体管时，该N型有机半导体层较佳可覆 盖该缓冲层，该缓冲层较佳可完全覆盖该栅极介电层，而该源极与该漏 极是配置于该N型有机半导体层上。

本发明的N型有机薄膜晶体管中，较佳地，当该N型有机薄膜晶体 管为一下接触式N型有机薄膜晶体管时，该源极与该漏极是配置于该缓 冲层与该栅极介电层之间，使该缓冲层是覆盖该部分的栅极介电层、该 源极、以及该漏极。

此外，本发明另提供一种上述N型有机薄膜晶体管的制备方法，包 括步骤：(A)提供一基板；(B)形成一栅极于该基板上；(C)形成一栅极介 电层使覆盖该栅极，且该栅极介电层的材质是蚕丝蛋白；以及(D)形成 一缓冲层、一N型有机半导体层、一源极、以及一漏极于该栅极介电层 上；其中，该缓冲层的材质是五苯环。

本发明的N型有机薄膜晶体管的制备方法中，是透过使用一蚕丝溶 液以于栅极上形成一包含有蚕丝蛋白的栅极介电层或绝缘层。相较于以 往使用真空溅镀或真空蒸镀法或化学气相沉积法形成栅极介电层或绝 缘层，本发明的制作方法可透过溶液制程形成，故制程相当简单且便宜， 并更有利于大面积生产。同时，蚕丝蛋白更具有便宜且取得便利等优点。 另一方面，由于本发明的N型有机薄膜晶体管装置中所使用的蚕丝蛋白 的材料结构可以大幅提升五苯环的薄膜结晶性，而可大幅提升N型有机 薄膜晶体管装置的晶体管特性(如，电子迁移率)。

本发明的N型有机薄膜晶体管的制备方法中，缓冲层的厚度较佳为 1nm-20nm，更佳为1nm-10nm，最佳为3nm。

本发明的N型有机薄膜晶体管的制备方法中，步骤(D)中，N型有机 半导体层是以蒸镀方法形成，且蒸镀的基板温度较佳可为25℃-100℃。 (例如，70℃)。蒸镀N型有机半导体层的基板温度会影响电子迁移率的 表现，因此蒸镀时的基板温度较佳是控制于25℃-100℃之间，更佳为 60℃-80℃之间，最佳为70℃。

本发明的N型有机薄膜晶体管的制备方法中，该步骤(C)是包括以下 步骤：(C1)提供一蚕丝蛋白溶液；(C2)涂布该蚕丝蛋白溶液于该形成 有栅极的基板上，或将该形成有栅极的基板浸泡于该蚕丝蛋白溶液中； 以及(C3)干燥该涂布于基板的蚕丝蛋白溶液，以于该基板及该栅极上形 成一栅极介电层。因此，本发明的N型有机薄膜晶体管的制作方法中， 仅需透过简单的涂布法以及干燥制程，即可形成一蚕丝薄膜，以做为栅 极介电层或绝缘层。在此，干燥制程可使用一般常用的方法，如风干、 烘烤制程等。另一方面，若仅做一次蚕丝溶液涂布，则可形成单层结构 的蚕丝薄膜；而若需要可重复进行步骤(C)，以形成多层结构的蚕丝薄 膜。

本发明的N型有机薄膜晶体管的制备方法中，该N型有机半导体层 的材质较佳可为碳60、PTCDI-C8、及其它相似物等，最佳为碳60。

本发明的N型有机薄膜晶体管的制备方法中，该步骤(C1)的蚕丝蛋 白溶液的pH值较佳可介于2～6。

本发明的N型有机薄膜晶体管的制备方法中，该N型有机半导体层 的厚度较佳可为10nm-150nm，更佳为40nm-80nm，最佳为60nm。

本发明的N型有机薄膜晶体管的制备方法中，当使用碳60作为N型 有机半导体层时，该N型有机薄膜晶体管的电子迁移率较佳可为7 cm²/Vs-15cm²/Vs(例如，11cm²/Vs)。

本发明的N型有机薄膜晶体管的制备方法中，该栅极介电层的厚度 较佳可为100nm-800nm，更佳为300nm-500nm，最佳为400nm。

本发明的N型有机薄膜晶体管的制备方法中，于该步骤(D)中，该N 型有机半导体层是完全覆盖该缓冲层，该缓冲层较佳可完全覆盖该栅极 介电层，而该源极与该漏极较佳可配置于该N型有机半导体层上，以形 成一上接触式N型有机薄膜晶体管。

本发明的N型有机薄膜晶体管的制备方法中，于该步骤(D)中，该源 极与该漏极较佳可配置于该缓冲层与该栅极介电层之间，使该缓冲层较 佳可覆盖该部分的栅极介电层、该源极、以及该漏极，以形成一下接触 式N型有机薄膜晶体管。

本发明又提供一种双载子场效应晶体管，包括：一基板；一栅极， 是设置于该基板上；一栅极介电层，是覆盖该栅极，且该栅极介电层的 材质是蚕丝蛋白；一P型有机半导体层，是设置于该栅极介电层上，且 该P型有机半导体层的材质是五苯环；一N型有机半导体层，是设置于P 型有机半导体层上；以及一源极与一漏极，其中，该N型有机半导体层、 该P型有机半导体层、该源极、以及该漏极是配置于该栅极介电层上方。

在本发明中，使用蚕丝蛋白来做为介电层材料，有几项特点：(一) 提高晶体管电子迁移率；(二)可挠曲；以及(三)稳定性佳。本发明利用 蚕丝蛋白作为栅极介电层，可以大幅提升五苯环的薄膜结晶性，使得双 载子场效应晶体管的电子迁移率大幅度提升。因此，本发明的双载子场 效应晶体管可以应用于软性电子产品上。并且，本发明为本领域首先将 可挠的蚕丝蛋白使用于双载子场效应晶体管的技术。

此外，在现有技术中所使用的碳60是个极度对水气、氧气敏感的材 料，因此在性质量测时，都须在氮气或是真空中进行，以抑制水、及氧 气对元件的影响。本发明所制作的双载子场效应晶体管具备了高空气稳 定性，即使放置于大气中量测电子迁移率及/或电洞迁移率，仍可维持约 4-13cm²/Vs(例如，7cm²/Vs)。因此，本发明具备有高电子迁移率及/或 电洞迁移率以及良好的空气稳定性(Air-stable)，故具相当高的产业应用 价值。

本发明的双载子场效应晶体管中，该N型有机半导体层的材质可选 自由：碳60、PTCDI-C8、及其它相似物等，其中最佳为碳60。

本发明的双载子场效应晶体管中，基板较佳可为一塑料基板(或其 它软性基板)、一玻璃基板、一石英基板、一硅基板、或一纸基板，无 特别限制。利用使用一塑料基板或一纸基板，可使所形成的装置具有可 挠性。此外，包含栅极、漏极、源极等各电极可各自独立选自由：铝、 铜、镍、镁、钙、锂、铬、银、铂、金、氧化锌(ZnO)、氧化锡铟(ITO)、 氧化锌铟(IZO)、氧化铝锌(AZO)、氧化锌镓铟(IGZO)等。

本发明的双载子场效应晶体管中，该栅极介电层较佳可具有一单层 结构或一多层结构。栅极介电层的厚度可随着层数进行调整，以得到高 电子迁移率及/或高电洞迁移率。

本发明的双载子场效应晶体管中，该P型有机半导体层的厚度较佳 可为3nm-60nm，更佳为10nm-30nm，最佳为10nm；该N型有机半导体层 的厚度较佳可为10nm-100nm，更佳为20nm-60nm，最佳为40nm。

本发明的双载子场效应晶体管，当使用碳60与五苯环分别作为N型 有机半导体层以及P型有机半导体层时，双载子场效应晶体管的电子迁 移率及/或电洞迁移率较佳可为4cm²/Vs-13cm²/Vs(例如，7cm²/Vs)。

本发明的双载子场效应晶体管中，该栅极介电层的厚度较佳可为 100nm-800nm(更佳为300nm-500nm，最佳为400nm)。

本发明的双载子场效应晶体管中，该双载子场效应晶体管为一上接 触式双载子场效应晶体管时，该N型有机半导体层较佳是覆盖该P型有机 半导体层，该P型有机半导体层较佳是覆盖该栅极介电层，而该源极与 该漏极是配置于该N型有机半导体层上。

本发明的双载子场效应晶体管中，该双载子场效应晶体管为一下接 触式双载子场效应晶体管时，该源极与该漏极较佳是配置于该P型有机 半导体层与该栅极介电层之间，使该P型有机半导体层是覆盖该部分的 栅极介电层、该源极、以及该漏极。

本发明的双载子场效应晶体管中，该双载子场效应晶体管亦可为一 中间接触式双载子场效应晶体管，当双载子场效应晶体管为一中间接触 式双载子场效应晶体管时，该源极与该漏极是配置于该N型有机半导体 层与P型有机半导体层之间，该P型有机半导体层是完全覆盖该栅极介电 层。

本发明再提供一种双载子场效应晶体管的制备方法，包括步骤：(A) 提供一基板；(B)形成一栅极于该基板上；(C)形成一栅极介电层使覆盖 该栅极，且该栅极介电层的材质是蚕丝蛋白；以及(D)形成一P型有机半 导体层、一N型有机半导体层、一源极、以及一漏极于该栅极介电层上 ；其中，该P型有机半导体层的材质是五苯环。

本发明的双载子场效应晶体管的制备方法中，是透过使用一蚕丝溶 液以于栅极上形成一包含有蚕丝蛋白的栅极介电层或绝缘层。相较于以 往使用真空溅镀或真空蒸镀法或化学气相沉积法形成栅极介电层或绝 缘层，本发明的制作方法可透过溶液制程形成，故制程相当简单且便宜， 并更有利于大面积生产。同时，蚕丝蛋白更具有便宜且取得便利等优点。 另一方面，由于本发明的双载子场效应晶体管装置中所使用的蚕丝蛋白 的材料结构可以大幅提升五苯环的薄膜结晶性，而可大幅提升双载子场 效应晶体管装置的晶体管特性(如，碳60的电子迁移率)。

本发明的双载子场效应晶体管的制备方法中，该P型有机半导体层 的厚度较佳是3nm-60nm，更佳为10nm-30nm，最佳为10nm。

本发明的双载子场效应晶体管的制备方法中，该N型有机半导体层 的材质较佳可选自由：碳60、PTCDI-C8、及其它相似物等，最佳为碳 60。

本发明的双载子场效应晶体管的制备方法中，步骤(D)中，该P型及 /或N型有机半导体层较佳可以蒸镀方法形成，且蒸镀的基板温度是 25℃-100℃(例如，70℃)。蒸镀有机半导体层的基板温度会影响电子及/ 或电洞迁移率的表现，因此蒸镀时的基板温度较佳是控制于25℃-100℃ 之间，更佳为60℃-80℃之间，最佳为70℃。

本发明的双载子场效应晶体管的制备方法中，基板较佳可为一塑料 基板(或其它软性基板)、一玻璃基板、一石英基板、一硅基板、或一纸 基板，无特别限制。利用使用一塑料基板，可使所形成的装置具有可挠 性。此外，包含栅极、漏极、源极等各电极可各自独立选自由：铝、铜、 镍、镁、钙、锂、铬、银、铂、金、氧化锌(ZnO)、氧化锡铟(ITO)、氧 化锌铟(IZO)、氧化铝锌(AZO)、氧化锌镓铟(IGZO)等。

本发明的双载子场效应晶体管的制备方法中，该步骤(C)较佳可包 括以下步骤：(C1)提供一蚕丝蛋白溶液；(C2)涂布该蚕丝蛋白溶液于该 形成有栅极的基板上，或将该形成有栅极的基板浸泡于该蚕丝蛋白溶液 中；以及(C3)干燥该涂布于基板的蚕丝蛋白溶液，以于该基板及该栅极 上形成一栅极介电层。

本发明的双载子场效应晶体管的制备方法中，该栅极介电层较佳可 具有一单层结构或一多层结构。栅极介电层的厚度可随着层数进行调 整，以得到高电子迁移率及/或高电洞迁移率。

本发明的双载子场效应晶体管的制备方法中，该步骤(C1)的蚕丝蛋 白溶液的pH值较佳可介于2～6。

本发明的双载子场效应晶体管的制备方法中，该P型有机半导体层 的厚度较佳可为3nm-60nm，更佳为10nm-30nm，最佳为10nm，该N型有 机半导体层的厚度较佳可为10nm-100nm，更佳为20nm-60nm，最佳为 40nm。

本发明的双载子场效应晶体管的制备方法中，当使用碳60与五苯环 的分别作为N型有机半导体层以及P型有机半导体层时，该双载子场效应 晶体管的电子及/或电洞迁移率较佳可为4cm²/Vs-13cm²/Vs(例如，7 cm²/Vs)。

本发明的双载子场效应晶体管的制备方法中，该栅极介电层的厚度 较佳可为100nm-800nm(更佳为300nm-500nm，最佳为400nm)。

本发明的双载子场效应晶体管的制备方法中，于该步骤(D)中，该N 型有机半导体层是覆盖该P型有机半导体层，该P型有机半导体层较佳可 完全覆盖该栅极介电层，而该源极与该漏极较佳可为配置于该N型有机 半导体层上，以形成一上接触式双载子场效应晶体管。

本发明的双载子场效应晶体管的制备方法中，于该步骤(D)中，该 源极与该漏极较佳可为配置于该P型有机半导体层与该栅极介电层之 间，使该P型有机半导体层较佳可为覆盖该部分的栅极介电层、该源极、 以及该漏极，以形成一下接触式双载子场效应晶体管。

附图说明

图1A是现有的上接触式有机薄膜晶体管的示意图。

图1B是现有的下接触式有机薄膜晶体管的示意图。

图2A-2E是本发明实施例1的上接触式N型有机薄膜晶体管的制作 流程的剖面示意图。

图3是本发明实施例1的N型有机薄膜晶体管传输特性测试图。

图4是本发明实施例1的N型有机薄膜晶体管输出特性测试图。

图5A-5D是本发明实施例2的下接触式N型有机薄膜晶体管的制作 流程的剖面示意图。

图6A-6D是本发明实施例3的上接触式双载子场效应晶体管的制作 流程的剖面示意图。

图7A是本发明实施例3的双载子场效应晶体管，在栅极正偏压的传 输特性测试图。

图7B是本发明实施例3的双载子场效应晶体管，在栅极负偏压的传 输特性测试图。

图8A是本发明实施例3的双载子场效应晶体管，在栅极正偏压的输 出特性测试图。

图8B是本发明实施例3的双载子场效应晶体管，在栅极负偏压的输 出特性测试图。

图9A-9C是本发明实施例4的下接触式双载子场效应晶体管的制作 流程的剖面示意图。

图10A-10C是本发明实施例5的中接触式双载子场效应晶体管的制 作流程的剖面示意图。

图11是本发明实施例7的上接触式N型有机薄膜晶体管传输特性测 试图。

图12本发明实施例7的上接触式N型有机薄膜晶体管输出特性测试 图。

图13是本发明实施例8的上接触式双载子场效应晶体管，在栅极正 偏压的传输特性测试图。

图14是本发明实施例8的上接触式双载子场效应晶体管，在栅极正 偏压的输出特性测试图。

主要元件符号说明

10，30基板

11，31栅极

12，32栅极介电层

13有机半导体层

33N型有机半导体层

14，34源极

15，35漏极

5缓冲层

7P型有机半导体层

9N型有机半导体层

具体实施方式

以下是通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟习此技艺 的人士可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功 效。本发明亦可通过其它不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书 中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的精神下进行 各种修饰与变更。

[实施例1]上接触式N型有机薄膜晶体管

制备蚕丝水溶液

首先，准备含有10wt％的碳酸钠水溶液，待加热至沸腾后，将干燥 的蚕茧(天然蚕丝)加入，并煮沸30分钟至1小时以去除蚕丝外层的丝胶 (sericin)。而后，放入去离子水中清洗，以洗去蚕丝外层附着的碱液。经 烘干后，可得到精练后的蚕丝蛋白，即丝心蛋白(fibroin)。

接着，将精炼后的蚕丝蛋白放入20ml的85wt％磷酸(H₃PO₄)溶液， 搅拌至溶解。而后，将溶有蚕丝蛋白的磷酸溶液置入一透析膜中 (Spectra/Por 3透析膜，截留分子量(molecular weight cutoff)＝14000)中与 水进行透析3天，以去除多余的磷酸根。通过改变透析所使用的水体积 及透析次数，除了可移除磷酸根外，更可由此调整最后蚕丝溶液的pH 值。在此，是将最后所得的蚕丝溶液的pH值控制在2～6之间。透析完成 后，以滤纸滤除杂质，以得到一蚕丝水溶液。

制作上接触式N型有机薄膜晶体管

首先，如图2A所示，提供一基板30，并以去离子水超音波洗净此基 板30。于本实施例中，基板30是为一透明PET塑料基板，但不限于此， 亦可为玻璃、石英、硅、或纸等其它材质。

而后，将基板30置于一真空腔体内(图中未示)，并使用一屏蔽(图中 未示)以于基板30上蒸镀一图案化金属层，以做为一栅极31，如图2A所 示。于本实施例中，栅极31的材料是为金，且其厚度约为80nm。此外， 形成栅极31的热蒸镀法制程条件是如下所示。

真空度：5x10^-6torr

蒸镀速率：

接着，将形成有栅极31的基板30浸泡于上述所制备的蚕丝水溶液中 15分钟，以将蚕丝水溶液涂布于形成有栅极31的基板30上。而后，于60℃ 下烘干涂布于基板30上的蚕丝水溶液，则可形成一蚕丝薄膜，以做为一 栅极介电层32，如图2B所示。于本实施例中，由蚕丝薄膜所形成的栅极 介电层32，其厚度约为400nm。此外，亦可视需要，多次重复进行蚕丝 水溶液涂布及烘干制程，以形成多层蚕丝薄膜结构。

而后，使用一阴影金属屏蔽(shadow metal mask)，于室温(约25℃) 中以热蒸镀法沉积五苯环(pentacene)于栅极介电层32上，以做为一缓冲 层5，如图2C所示。于本实施例中，缓冲层5的厚度约为3nm。此外，形 成缓冲层5的热蒸镀法制程条件是如下所示。

真空度：3x10^-6torr

蒸镀速率：

接着，使用另一屏蔽(图中未示)，于70℃的温度条件下，蒸镀厚度 约60nm的纯碳60薄膜，以做为一N型有机半导体层33，如图2D所示。形 成N型有机半导体层33的热蒸镀法制程条件是如下所示。

真空度：3x10^-6torr

蒸镀速率：

最后，使用又另一屏蔽(图中未示)，并透过与形成栅极的相同制程 条件，以于N型有机半导体层33上蒸镀一图案化金属层，以做为源极34 与漏极35，如图2E所示。于本实施例中，源极34与漏极35的材料是为金， 且其厚度约为70nm。

如图2E所示，经由上述制程后，则可得到本实施例的上接触式有机 薄膜晶体管，其包括：一基板30；一栅极31，是配置于基板30上；一栅 极介电层32，是配置于基板30上且覆盖栅极31，其中栅极介电层32的材 料包含一蚕丝蛋白；一缓冲层5，是完全覆盖栅极介电层32；一N型有机 半导体层33，是完全覆盖缓冲层5；以及一源极34、以及一漏极35，其 中源极34与漏极35是配置于N型有机半导体层33上。

元件特性评估

将本实施例的上接触式N型有机薄膜晶体管进行电流-电压试验，其 传输特性(transfer characteristics)结果是如图3所示，而在不同栅极电压 (V_G)下的输出特性(output characteristics)结果是如图4所示。其中，电子 迁移率(mobility)是约为11cm²/Vs(如表1所示)。

如图3所示，可看出本实施例中N型有机薄膜晶体管的输出特性，其 主要具有电子传输机制。

本实施例的上接触式N型有机薄膜晶体管具有许多优点，例如，五 苯环缓冲层厚度薄，空气稳定性佳、具有可挠性、制作温度低、高电子 迁移率、绿色环保，加上蚕丝材料价格便宜，因此可应用于CMOS或 OLET(organic light emitting transistor)等元件，具有极佳的经济价值。

此外，在现有的技术中，碳60是个极度对水气、氧气敏感的材料， 因此在性质量测时，都须在氮气或是真空中进行，以抑制水、及氧气对 元件的影响。本发明所制作的N型有机薄膜晶体管具备了高空气稳定性， 即使放置于大气中量测电子迁移率，仍可维持约11cm²/Vs。因此，本发 明具备有高电子迁移率以及良好的空气稳定性(Air-stable)，故具相当高 的产业应用价值。

[实施例2]下接触式N型有机薄膜晶体管

如图5A所示，提供一基板30，并于基板30上方依序形成栅极31以与 门极介电层32。于本实施例中，基板30、栅极31以与门极介电层32的材 料及制备方法均与实施例1相同。此外，于本实施例中，栅极31厚度约 为80nm，而栅极介电层32厚度约为400nm。

接着，如图5B所示，透过使用与实施例1形成栅极的相同制程条件， 于栅极介电层32上蒸镀一图案化金属层，以做为源极34与漏极35。于本 实施例中，源极34与漏极35的材料是为金，且其厚度约为70nm。

接着，如图5C所示，透过使用与实施例1形成缓冲层的相同制程条 件，于栅极介电层32、源极34与漏极35上形成一缓冲层5。于本实施例 中，缓冲层5的材料是为五苯环，且其厚度约为3nm。

最后，如图5D所示，透过使用与实施例1形成N型有机半导体层的 相同制程条件，于缓冲层5上形成一N型有机半导体层33。于本实施例中， N型有机半导体层33的材料是为碳60，且其厚度约为60nm。

如图5D所示，经由上述制程后，则可得到本实施例的下接触式有机 薄膜晶体管，其包括：一基板30；一栅极31，是配置于基板30上；一栅 极介电层32，是配置于基板30上且覆盖栅极31，其中栅极介电层32的材 料包含一蚕丝蛋白；一源极34与一漏极35，是配置于栅极介电层32上； 一缓冲层5，是覆盖该部分栅极介电层32、源极34与漏极35；以及一N 型有机半导体层33，是完全覆盖缓冲层5。

[实施例3]上接触式双载子场效应晶体管

如图6A所示，提供一基板30，并于基板30上方依序形成栅极31以与 门极介电层32。于本实施例中，基板30、栅极31以与门极介电层32的材 料及制备方法均与实施例1相同。此外，于本实施例中，栅极31厚度约 为80nm，而栅极介电层32厚度约为400nm。

接着，如图6B所示，透过使用与实施例1形成缓冲层的相同制程条 件，于栅极介电层32上形成一P型有机半导体层7。于本实施例中，P型 有机半导体层7的材料是为五苯环，且其厚度约为10nm。

接着，如图6C所示，透过使用与实施例1形成N型有机半导体层的 相同制程条件，于P型有机半导体层7上形成一N型有机半导体层9。于本 实施例中，N型有机半导体层9的材料为碳60，且其厚度约为40nm。

最后，如图6D所示，透过使用与实施例1形成栅极的相同制程条件， 于N型有机半导体层9上蒸镀一图案化金属层，以做为源极34与漏极35。 于本实施例中，源极34与漏极35的材料是为金，且其厚度约为70nm。

如图6D所示，经由上述制程后，则可得到本实施例的双载子场效应 晶体管，其包括：一基板30；一栅极31，是配置于基板30上；一栅极介 电层32，是配置于基板30上且覆盖栅极31，其中栅极介电层32的材料包 含一蚕丝蛋白；一P型有机半导体层7，是完全覆盖该栅极介电层32；一 N型有机半导体层9，是完全覆盖P型有机半导体层7；以及一源极34与一 漏极35，是配置于N型有机半导体层9上。

元件特性评估

将本实施例的双载子场效应晶体管进行电流-电压试验，其传输特性 结果是如图7A及图7B所示，而在不同栅极电压(V_G)下的输出特性结果是 如图8A及图8B所示。其中，电子迁移率(mobility)约为6.9cm²/Vs，电洞 迁移率(mobility)约为6.5cm²/Vs(如表2所示)。

如图7A及图7B所示，本实施例的双载子场效应晶体管具有极佳的 电子以及电洞传输特性，因此可作为良好的双载子场效应晶体管。此外， 加上本实施例的双载子场效应晶体管本身具有可挠性、高稳定性、以及 低制作成本(蚕丝材料价格便宜)，因此具有相当高的产业利用价值。

本实施例的上接触式双载子场效应晶体管具有许多优点，例如，碳 60与五苯环的厚度薄，空气稳定性佳、具有可挠性、制作温度低、高电 子及/或电洞迁移率、绿色环保，因此具有极佳的经济价值。

此外，在现有的技术中，碳60是个极度对水气、氧气敏感的材料， 因此在性质量测时，都须在氮气或是真空中进行，以抑制水、及氧气对 元件的影响。本发明所制作的双载子场效应晶体管具备了高空气稳定 性，即使放置于大气中量测电子及/或电洞迁移率，仍可维持约 4-13cm²/Vs。因此，本发明具备有高电子及/或电洞迁移率以及良好的空 气稳定性(Air-stable)，故具相当高的产业应用价值。

[实施例4]下接触式双载子场效应晶体管

如图9A所示，提供一基板30，并于基板30上方依序形成栅极31、栅 极介电层32、以及源极34与漏极35。于本实施例中，基板30、栅极31、 栅极介电层32、以及源极34与漏极35的材料及制备方法均与实施例2相 同。此外，于本实施例中，栅极31厚度约为80nm，而栅极介电层32厚 度约为400nm。

接着，如图9B所示，透过使用与实施例1形成缓冲层的相同制程条 件，于栅极介电层32、源极34与漏极35上形成一P型有机半导体层7。于 本实施例中，P型有机半导体层7的材料是为五苯环，且其厚度约为10 nm。

最后，如图9C所示，透过使用与实施例1形成N型有机半导体层的 相同制程条件，于P型有机半导体层7上形成一N型有机半导体层9。于本 实施例中，N型有机半导体层9的材料是为碳60，且其厚度约为40nm。

如图9C所示，经由上述制程后，则可得到本实施例的下接触式双载 子场效应晶体管，其包括：一基板30；一栅极31，是配置于基板30上； 一栅极介电层32，是配置于基板30上且覆盖栅极31，其中栅极介电层32 的材料包含一蚕丝蛋白；一源极34与一漏极35，是配置于栅极介电层32 上；一P型有机半导体层7，是覆盖该部分栅极介电层32、源极34与漏极 35；以及一N型有机半导体层9，是完全覆盖P型有机半导体层7。

[实施例5]中接触式双载子场效应晶体管

如图10A所示，提供一基板30，并于基板30上方依序形成栅极31、 栅极介电层32、以及P型有机半导体层7。于本实施例中，基板30、栅极 31、栅极介电层32、以及P型有机半导体层7的材料及制备方法均与实施 例3相同。此外，于本实施例中，栅极31厚度约为80nm，而栅极介电层 32厚度约为400nm。

接着，如图10B所示，于P型有机半导体层7上形成源极34与漏极 35(材料及制备方法均与实施例3相同)。

最后，如图10C所示，透过使用与实施例1形成N型有机半导体层的 相同制程条件，于源极34与漏极35上形成一N型有机半导体层9。于本实 施例中，N型有机半导体层9的材料是为碳60，且其厚度约为100nm。

如图10C所示，经由上述制程后，则可得到本实施例的中接触式双 载子场效应晶体管，其包括：一基板30；一栅极31，是配置于基板30上； 一栅极介电层32，是配置于基板30上且覆盖栅极31，其中栅极介电层32 的材料是包含一蚕丝蛋白；一P型有机半导体层7，是配置于栅极介电层 32上；一源极34与一漏极35，是配置于P型有机半导体层7上；以及一N 型有机半导体层9，是完全覆盖源极34与一漏极35。

[实施例6]上接触式N型有机薄膜晶体管

除了需将碳60换为PTCDI-C8(N，N′-联苯-3，4，9，10-芘二甲西先亚胺 (N，N′-DIOCTYL-3，4，9，10-PERYLENEDICARBOXIMIDE))以做为N型有 机半导体层33以外，本实施例的其它制备条件及材料皆与实施例1的制 备条件及材料相同，以制得上接触式N型有机薄膜晶体管。

本发明中，不论N型有机薄膜晶体管或是双载子场效应晶体管，其 N型有机半导体层的材料可为碳60或PTCDI-C8，依照需求选择使用。

[实施例7]上接触式N型有机薄膜晶体管

除了需将碳60使用PTCDI-C8取代以外，本实施例的制备方法及条 件与实施例1相同。

元件特性评估

将本实施例的上接触式N型有机薄膜晶体管进行电流-电压试验，其 传输特性结果如图11所示，而在不同栅极电压(V_G)下的输出特性结果如 图12所示。其中，电子迁移率(mobility)是约为0.06cm²/Vs(如表1所示)。

[实施例8]上接触式双载子场效应晶体管

除了需将碳60使用PTCDI-C8取代以外，本实施例的制备方法及条 件与实施例3相同。

元件特性评估

将本实施例的上接触式双载子场效应晶体管进行电流-电压试验，其 传输特性结果如图13所示，而在不同栅极电压(V_G)下的输出特性结果如 图14所示。其中，电子迁移率(mobility)是约为0.04cm²/Vs(如表2所示)， 电洞迁移率估算约为0.4cm²/Vs。

[比较例1-2]

使用如文献1(Kenji Itaka，*Mitsugu Yamashiro，Jun Yamaguchi， Masamitsu Haemori，Seiichiro Yaginuma，Yuji Matsumoto，Michio Kondo， and Hideomi Koinuma，“High-Mobility C60Field-Effect Transistors  Fabricated on Molecular-Wetting Controlled Substrates”Adv.Mater.2006， 18，1713-1716.)、以及文献2(Thomas D.Anthopoulosa_Birendra Singh， Nenad Marjanovic，Niyazi S.Sariciftci，Alberto Montaigne Ramil，Helmut  Sitter，Michael and Dago M.de Leeuw，”High performance n-channel  organic field-effect transistors and ring oscillators based on C60 fullerene  films”，APPLIED PHYSICS LETTERS 89，213504(2006))中所描述的方 法及材料分别制得比较例1、及比较例2的有机薄膜晶体管元件，并进行 元件特性测量。其条件与结果如下表1所示。

表1中的比较例1的有机薄膜晶体管元件使用无机材料氧化铝作为 介电层，不但电子迁移率相较于本发明实施例1的电子迁移率低，且无 可挠曲的特性，加上稳定性低、信赖性低，因此不适合工业量产。

比较例2的有机薄膜晶体管元件不但电子迁移率相较于本发明实施 例1的电子迁移率低，且空气稳定度低、不可挠，此外其制作过程需高 温，因此无法应用于软性基板。

[比较例3-4]

使用如文献1、以及文献2中所描述的方法及材料分别制得比较例3、 及比较例4的双载子场效应晶体管元件，并进行元件特性测量。其条件 与结果如下表2所示。

表1中的比较例1的双载子场效应晶体管元件使用无机材料氧化铝 作为介电层，不但电子迁移率相较于本发明实施例3的电子迁移率低， 且无可挠曲的特性，加上稳定性低、信赖性低，因此不适合工业量产。

比较例2的双载子场效应晶体管元件不但电子迁移率相较于本发明 实施例3的电子迁移率低，且空气稳定度低、不可挠，此外其制作过程 需高温，因此无法应用于软性基板。

综上所述，本发明中，使用蚕丝蛋白来做为介电层材料，有几项特 点：(一)提高晶体管电子及/或电洞迁移率；(二)可挠曲；以及(三)稳定性 佳。本发明利用蚕丝蛋白作为栅极介电层，可以大幅提升五苯环的薄膜 结晶性，由此提升碳60薄膜的致密性，使得碳60薄膜晶体管的电子迁移 率有大幅度提升以及增强其在空气中的稳定度。因此，本发明的N型有 机薄膜晶体管及/或双载子场效应晶体管可以应用于软性电子产品上。并 且，本发明为本领域首先将可挠的蚕丝蛋白使用于N型碳60有机薄膜晶 体管及/或双载子场效应晶体管的技术。

蚕丝蛋白具有可挠性以及价格便宜的特性，故可视为一种极佳的软 性电子元件的介电材料。本发明以蚕丝蛋白膜为栅极介电层，在其上镀 上五苯环(当作缓冲层及/或P型有机半导体层)以及碳60、PTCDI-C8、或 其它相似物等N型有机半导体层，制作出N型有机薄膜晶体管及/或双载 子场效应晶体管。此N型有机薄膜晶体管及/或双载子场效应晶体管的特 性非常好，可以应用于各种更复杂的软性电子元件(可挠式电子产品)上， 如：CMOS或OLET等元件，具有极佳的经济价值。

此外，在现有的技术中，碳60是个极度对水气、氧气敏感的材料， 因此在性质量测时，都须在氮气或是真空中进行，以抑制水、及氧气对 元件的影响。本发明所制作的N型有机薄膜晶体管具备了高空气稳定性， 即使放置于大气中量测电子迁移率，仍可维持约7-15cm²/Vs；且本发明 所制作的双载子场效应晶体管的电子迁移率于大气中量测可维持约4 cm²/Vs-13cm²/Vs。因此，本发明的N型有机薄膜晶体管及/或双载子场效 应晶体管具备有高电子迁移率以及良好的空气稳定性(Air-stable)，故具 相当高的产业应用价值。

上述实施例仅是为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范 围自应以权利要求所述为准，而非仅限于上述实施例。