TW201330242A - 含生物高分子材料之電子裝置及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明係有關於一種含生物高分子材料之電子裝置及其製造方法,該電子裝置包括:一基板;第一電極,係設置於該基板上;一生物高分子層,係設置於該第一電極上,其中該生物高分子層材料係選自包含羊毛蛋白、水解膠原蛋白、明膠、乳清蛋白、與羥丙基甲基纖維素之組群;以及第二電極,係設置於該生物高分子層上方。根據本發明,可適用於諸如有機薄膜電晶體裝置、有機浮閘記憶體、及金屬層-絕緣層-金屬層(M-I-M)結構之電容裝置之類的電子裝置。
Description
本發明係關於一種含生物高分子材料之電子裝置及其製造方法,尤指一種含生物高分子材料之有機薄膜電晶體裝置,一種含生物高分子材料之有機浮閘記憶體,以及一種含生物高分子材料之金屬層-絕緣層-金屬層(M-I-M)結構之電容裝置,及彼等之製造方法。
電晶體(transistor)是近代電子電路的核心元件,和一般機械開關不同於電晶體是利用電訊號來控制,且具有相當快速之開關速度。電晶體種類很多,依工作原理大致可分為雙載子電晶體(bipolar junction transistor,BJT)和場效電晶體(field effect transistor,FET)。場效電晶體又包含了N型有機薄膜電晶體、及P型有機薄膜電晶體等。
一般而言,N型或P型之有機薄膜電晶體可依照結構分為:上接觸式有機薄膜電晶體及下接觸式有機薄膜電晶體。如圖1A所示,上接觸式有機薄膜電晶體係包括:一基板10;一閘極11,係配置基板10上;一閘極介電層12,係配置於基板10上且覆蓋閘極11;一有機半導體層13,係覆蓋閘極介電層12;以及一源極14與一汲極15,係配置於有機半導體層13上。
又如圖1B所示,下接觸式有機薄膜電晶體係包括:一基板10;一閘極11,係配置基板10上;一閘極介電層12,係配置於基板10上且覆蓋閘極11;一源極14與一汲極15,係配置於閘極介電層12上;以及一有機半導體層13,係覆蓋閘極介電層12、源極14以及汲極15。
習知之閘極介電層主要是採用濺鍍法將介電材料形成於基板及閘極上,故往往面臨設備價格昂貴且製程複雜等問題。此外,諸如五苯環(Pc,pentacene)或PTCDI-C8(N,N'-聯苯-3,4,9,10-芘二甲醯亞胺)等類化合物常被使用來作為P型或N型有機薄膜電晶體(OTFT)之有機半導體層材料。然而,雖然五苯環、碳60或PTCDI-C8理論上具有良好之電洞或電子場效應遷移率(field-effect mobility),但若與五苯環、碳60或PTCDI-C8配搭的介電材料不合適,會導致其電洞或電子場效應遷移率比理論值低很多。舉例而言,五苯環的有機薄膜電晶體,其電洞場效應遷移率的理論值,估算可達35-50cm2/V-sec,但若以二氧化矽作為閘極介電層材料,以五苯環作為有機半導體材料層之P型有機薄膜電晶體中,該五苯環的電洞場效應遷移率係小於0.5cm2/V-sec;再者,若以氮化鋁作為閘極介電材料,以五苯環作為P型有機半導體材料層之有機薄膜電晶體中,該電洞場效應遷移率約為1 cm2/V-sec。因此,目前亟需發展出,與五苯環、碳60、PTCDI-C8或F16CuPc的配搭性好的介電層材料。
另一方面,在現今消費型電子系統不可或缺的世代,由於有機電子元件具有重量低、非揮發性、便於攜帶等優點,可整合應用於廣泛軟性電子產品,尤其適用於移動式的電子產品,例如,手機通訊、數位相機、隨身碟等。
有機電子元件的主流技術之一為傳統的浮閘極(floating gate)非揮發性記憶體。如圖2所示,浮閘極非揮發性記憶體係包括:基板20;一閘極21,係配置於基板20上;一閘極介電層22,係配置於基板20上且覆蓋閘極21;一浮閘極26,係覆蓋閘極介電層22;一介電層27,係覆蓋浮閘極26;一有機半導體層23,係覆蓋介電層27;以及一源極24與一汲極25,係配置於有機半導體層23上。其中,浮閘極26係用於儲存電荷,其材質可為例如金屬、奈米粒子或氧化物等。
此外,金屬-絕緣層-金屬(metal-insulator-metal,MIM)電容結構已被廣泛運用在數位與射頻電路上。目前,各種具有高介電常數之介電材料被不斷的研究,以使MIM電容結構具有更大的電容密度及較小的漏電流密度。如圖3所示,一般常見之MIM電容結構係包括:一基板30;一第一電極31,係配置於基板30上;一絕緣層32,係配置於基板30上且覆蓋第一電極31;以及一第二電極33,係配置於絕緣層32上。其中,常用於MIM電容結構絕緣層之介電材料可為例如氮化鈦(TiN)、二氧化鈦(TiO2)、二氧化矽(SiO2)及氮化矽(SiN)等。然而,若應用上述材料於MIM電容結構絕緣層時,有兩個缺點,一、需使用濺鍍法或真空沉積設備,以於金屬層上形成絕緣層,故往往造成製造成本增加且增加製程複雜度。二、此MIM電容結構,沒有可撓性,不適合用來製作軟性電子產品。
因此,目前亟需發展出一種含新穎的介電層材料之電子裝置及其製造方法,以期能以簡單且便宜的製程形成有效率的電子裝置構件,並能有效地運用於諸如有機薄膜電晶體裝置、有機浮閘記憶體、或金屬-絕緣層-金屬(M-I-M)結構之電容器等等電子裝置。
本發明之主要目的係在提供一種含生物高分子材料之電子裝置及其製造方法,俾能以低成本製造出電子裝置。
為達成上述目的,本發明係提供一種含生物高分子材料之電子裝置,包括:一基板;第一電極,係設置於該基板上;一生物高分子層,係設置於該第一電極上;以及第二電極,係設置於該生物高分子層上。
本發明中,基板可為塑膠基板、玻璃基板、石英基板、矽基板或紙基板;且較佳為一塑膠基板。使用一塑膠基板,可使所形成之電子裝置具有可撓性。
第一電極與第二電極之電極材料係各自獨立地選自包括鋁、銅、鉻、銀、鉑、金、氧化鋅、氧化銦錫之組群;較佳為金。
生物高分子層材料不受限,可選自生物高分子蛋白材料或高分子纖維素材料,生物高分子蛋白材料包含羊毛蛋白、水解膠原蛋白(collagen)、明膠(gelatin)與乳清蛋白(whey protein)之組群,生物高分子纖維素材料如羥丙基甲基纖維素等。較佳為生物高分子蛋白材料係選自包含水解膠原蛋白、明膠與羊毛蛋白之組群,其中,該羊毛蛋白可選擇添加甘油,該等生物高分子蛋白材料具有生產價格低廉,無毒性無環境汙染,可撓曲等優點。於本發明之含生物高分子材料之電子裝置中,該生物高分子層可作為一介電層或閘極介電層。
根據本發明之含生物高分子材料之電子裝置,可提供一種有機薄膜電晶體,其中該生物高分子層可作為一閘極介電層;第一電極可為一閘極,其設置於該基板與該閘極介電層之間,且該閘極介電層係覆蓋該閘極;以及第二電極可為一源極、及一汲極,其係設置於該閘極介電層上方。
於本發明之含生物高分子材料之電子裝置中,可更包括一有機半導體層,其中,該有機半導體層可覆蓋該閘極介電層。較佳地,該電子裝置為一上接觸式有機薄膜電晶體,其中,該有機半導體層係完全覆蓋該閘極介電層,且該源極與汲極係設置於該有機半導體層上。
有機半導體層之材料不受限,可選自任何習知技術所使用之P型及N型有機半導體層之材料,較佳P型有機半導體層之材料為五苯環(pentacene)或五苯環衍生物(pentacene derivatives),較佳N型有機半導體層之材料為碳60或F16CuPc或駢苯衍生物(perylene derivatives),駢苯衍生物例如:PTCDI-C8(N,N'-聯苯-3,4,9,10-芘二甲醯亞胺)。
於本發明之含生物高分子材料之電子裝置中,可更包括一有機半導體層,其中,該有機半導體層可覆蓋該閘極介電層、該源極、以及該汲極。較佳地,該電子裝置係為一下接觸式有機薄膜電晶體,其中,該有機半導體層係完全覆蓋該閘極介電層、該源極、以及該汲極,且該源極與汲極係設置於該閘極介電層上。
根據本發明之含生物高分子材料之電子裝置,可提供一種N型有機薄膜電晶體,其中,可更包括一緩衝層,其係設置於該閘極介電層上,該緩衝層之材料可不受限,較佳為五苯環。該緩衝層之厚度可於1 nm至20 nm之範圍內,較佳於1 nm至10 nm,更佳為3 nm。
本發明中,該N型有機薄膜電晶體可上接觸式,其中該有機半導體層、該源極、及該汲極係配置於該緩衝層上方;或可為下接觸式,其中該有機半導體層係配置於該緩衝層上方,且該緩衝層係覆蓋該閘極介電層、該源極、以及該汲極。
根據本發明之含生物高分子材料之電子裝置,可提供一種有機浮閘極記憶體,其中,可更包括一浮閘極,其係設置於該閘極介電層與該有機半導體層之間,且該浮閘極係設置於閘極介電層上。本發明中,該浮閘極之材料可選自鋁、銅、鉻、銀、鉑、金、鋅、銦或錫之奈米粒子、氧化物或其合金;較佳為金奈米粒子。
於本發明之含生物高分子材料之電子裝置中,可更包括一介電層,係設置於該浮閘極與該有機半導體層之間,且該介電層係覆蓋該浮閘極上。
於本發明之含生物高分子材料之電子裝置,其中該生物高分子層亦可作為一絕緣層。
根據本發明之含生物高分子材料之電子裝置該電子裝置,可提供一種金屬層-絕緣層-金屬層(M-I-M)結構之電容裝置,其中,第一電極,係設置於該基板與該絕緣層之間,且該絕緣層係覆蓋該第一電極,其中該絕緣層包含一生物高分子;以及第二電極,係設置於該絕緣層上方。
此外,本發明更提供一種含生物高分子材料之電子裝置之製造方法,包括下列步驟:(A)提供一基板;(B)形成一第一電極於該基板上;(C)塗佈一生物高分子溶液於該形成有第一電極之基板上,以於該基板及該第一電極上形成一生物高分子層;以及(D)形成一第二電極於該生物高分子層上方。
於本發明之含生物高分子材料之電子裝置之製造方法中,該生物高分子層可作為一閘極介電層;第一電極可為一閘極;以及第二電極可為一源極、及一汲極。
於步驟(C)中,可包括下列步驟:(C1)提供一生物高分子溶液;(C2)塗佈該高分子溶液於該形成有閘極之基板上,或將該形成有閘極之基板浸泡於該生物高分子溶液中;以及(C3)乾燥該塗佈於基板之生物高分子溶液,以於該基板及該閘極上形成一閘極介電層。
本發明之製造方法中,其中,於步驟(D)可更包括形成一有機半導體層於該閘極介電層上方。
根據本發明之製造方法,提供一種上接觸式有機薄膜電晶體之製造方法,其中,於步驟(D)中,該有機半導體層係完全覆蓋該閘極介電層,而該源極與該汲極係設置於該有機半導體層上,以形成一上接觸式有機薄膜電晶體。
根據本發明之製造方法,提供一種下接觸式有機薄膜電晶體之製造方法,其中,於步驟(D)中,該源極與該汲極係設置於該閘極介電層上,而該有機半導體層係覆蓋該閘極介電層、該源極、以及該汲極,以形成一下接觸式有機薄膜電晶體。
根據本發明之製造方法,提供一種N型有機薄膜電晶體之製造方法,其中,於步驟(D)中,在形成該有機半導體層之前,先於該閘極介電層上形成一緩衝層。
根據本發明之製造方法,提供一種有機浮閘極記憶體之製造方法,其中,於步驟(D)中,在形成該有機半導體層之前,先於該閘極介電層上予形成一浮閘極。此外,於步驟(D)中,在形成該浮閘極之後,可選擇地,在該浮閘極上形成一介電層,其係設置於該浮閘極與該有機半導體層之間,且覆蓋該浮閘極。
根據本發明之製造方法,提供一種金屬層-絕緣層-金屬層(M-I-M)結構之電容裝置之製造方法,包括下列步驟:(a)提供一基板;(b)形成一第一電極於該基板上;(c)塗佈一生物高分子溶液於該形成有第一電極之基板上,以於該基板及該第一電極上形成一絕緣層;以及(d)形成一第二電極於該絕緣層上。
根據本發明之金屬層-絕緣層-金屬層(M-I-M)結構之電容裝置之製造方法,其中於步驟(c)中係包括下列步驟:(c1)提供一生物高分子溶液;(c2)塗佈該生物高分子溶液於該形成有第一電極之基板上,或將該形成有第一電極之基板浸泡於該生物高分子溶液中;以及(c3)乾燥該塗佈於基板之生物高分子溶液,以於該基板及該第一電極上形成一絕緣層。
根據本發明之一具體實施,該電子裝置及其製造方法中,係透過使用一生物高分子蛋白溶液以於具有第一電極之基板上形成一包含有生物高分子蛋白材料之電子裝置構件。相較於以往使用濺鍍或真空沉積法形成閘極介電層或絕緣層,本發明之製造方法可透過溶液製程形成,故製程相當簡單且便宜,且製程溫度相對較低,更有利於大面積生產。同時,生物高分子蛋白係屬於無污染性的環保材料,且生產成本低,諸如,羊毛蛋白係溶解自廢棄羊毛,利用回收的廢棄羊毛應用於電子裝置,更可重新賦予其高經濟價值;水解自動物之膠原蛋白,其材料便宜且取得便利;以及,明膠材料成本更低,也可於市面上輕易取得。
更且,根據本發明之具體實施例,與習知二氧化矽及氮化鋁相比,生物高分子蛋白與五苯環的配搭性更佳。若使用本發明之含生物高分子蛋白材料作為閘極介電層材料時,配搭五苯環作為P型有機半導體材料層之P型有機薄膜電晶體,可提高其電洞場效應遷移率。例如於P型有機薄膜電晶體裝置中使用羊毛蛋白、水解膠原蛋白、及明膠作為閘極介電層,其電洞場效應遷移率分別約為3.5 cm2/V-sec、8.5 cm2/V-sec、及6.9 cm2/V-sec,皆與有機半導體層材料更加匹配,因而可有效地提升電洞場效應遷移率。另外,如羊毛蛋白亦可添加甘油(丙三醇),會使電洞場效應遷移率增加到約為3.85 cm2/V-sec,使溶解自廢棄羊毛之羊毛蛋白有更高之經濟價值。
此外,與傳統使用之矽基浮閘極記憶體相比,本發明提供以生物高分子作為其介電層材料之有機浮閘極記憶體,其具有可撓曲、重量輕、便宜、環保、及低操作電壓等特性,可整合於有機電子產品中,以達成輕量、低成本以及便於攜帶的目標。
以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式,熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用,本說明書中的各項細節亦可針對不同觀點與應用,在不悖離本創作之精神下進行各種修飾與變更。
製備例1-製備羊毛蛋白水溶液
首先,將羊毛用清水洗淨,接著將洗淨後的羊毛浸入乙醇和丙酮溶液中,再用去離子水將乙醇及丙酮洗去,再將乾燥的羊毛含有浸入硫乙醇、尿素、十二烷基磺酸鈉(SDS)的溶液中以萃取羊毛蛋白。最後,將溶有羊毛蛋白的溶液置入一透析膜中透析,即可得一羊毛蛋白水溶液。
製備例2-製備水解膠原蛋白水溶液
將康立得開發有限公司(Ken Le Ad Development CO.,LTD.)市售萃取自豬皮的水解膠原蛋白粉末溶於去離子水中,得到濃度約2~4%的膠原蛋白水溶液。
製備例3-製備明膠水溶液
將製造商納貝斯克股份有限公司(NABISCO,INC. EAST HANOVER,N.J. 07936,USA)所生產的市售明膠粉末溶於去離子水中,取得不同濃度的明膠水溶液。
製備例4-製備乳清蛋白水溶液
將製造商NOW Foods Bloomingdale(IL,USA)所生產的市售乳清蛋白(whey)粉末溶於去離子水中,取得不同濃度的乳清蛋白水溶液。
製備例5-製備羥丙基甲基纖維素水溶液
將製造商西格瑪奧瑞奇股份有限公司(Sigma-Aldrich Co. LLC)所生產的市售羥丙基甲基纖維素粉末溶於去離子水中,取得不同濃度的羥丙基甲基纖維素水溶液。
實
施例1-含羊毛蛋白之上接觸式有機薄膜電晶體裝置
含羊毛蛋白之上接觸式有機薄膜電晶體裝置之製程,如圖4A至4D所示。
首先,如圖4A所示,提供一透明PET塑膠基板40,並以去離子水超音波洗淨此基板40。之後,將基板40置於一真空腔體內(圖中未示),並使用一遮罩(圖中未示)以於基板40上蒸鍍一圖案化金屬層,以形成一金材料之閘極41,其厚度約為65 nm。形成閘極41之熱蒸鍍法製程條件係如下所示:真空度:1x10-5 torr;蒸鍍速率:0.1 nm/s。
接著,將形成有閘極41之基板40浸泡於製備例1所製得的羊毛蛋白水溶液中15分鐘,以將羊毛蛋白水溶液塗佈於形成有閘極41之基板40上。而後,於60℃下烘乾該塗佈羊毛蛋白水溶液,以在閘極41上形成一羊毛蛋白薄膜,其係作為一閘極介電層42,如圖4B所示,其中由該羊毛蛋白薄膜所形成之閘極介電層42,其厚度約為400 nm。
此外,可視需要,多次重複進行羊毛蛋白水溶液塗佈及烘乾製程,以形成多層羊毛蛋白薄膜結構。
而後,使用一陰影遮罩(shadow metal mask),於室溫下以熱蒸鍍法沉積五苯環於閘極介電層42上,以形成一有機半導體層43,如圖4C所示,其中,該有機半導體層43之厚度約為60 nm。形成有機半導體層43之熱蒸鍍法製程條件係如下所示:真空度:1x10-6 torr;蒸鍍速率:0.03 nm/s。
最後,使用另一遮罩(圖中未示),並透過與形成閘極41之相同製程條件,於有機半導體層43上蒸鍍一圖案化金屬層,以作為源極44與汲極45,如圖4D所示,其中,該源極44與汲極45之材料係為金,其厚度約為65 nm。形成源極44與汲極45之熱蒸鍍法製程條件係如同形成閘極41之條件。
經由上述製程後,如圖4D所示,可得到本實施例之上接觸式有機薄膜電晶體裝置,其包括:一基板40;一閘極41,係配置於基板40上;一閘極介電層42,係配置於基板40上且覆蓋閘極41,其中閘極介電層42之材料係包含一羊毛蛋白;一有機半導體層43,係完全覆蓋閘極介電層42;以及一源極44與一汲極45,其中該源極44與汲極45係配置於有機半導體層43上。
實施例2-含羊毛蛋白加甘油之上接觸式有機薄膜電晶體裝置
製程、步驟及條件係如實施例1所述,除了閘極介電層42之薄膜係使用製備例1所製得的羊毛蛋白水溶液加入甘油之材料形成。
實施例3-含水解膠原蛋白之上接觸式有機薄膜電晶體裝置
製程、步驟及條件係如實施例1所述,除了閘極介電層42之薄膜係使用製備例2所製得的水解膠原蛋白水溶液形成。
實施例4-含明膠之上接觸式有機薄膜電晶體裝置
製程、步驟及條件係如實施例1所述,除了閘極介電層42之薄膜係使用製備例3所製得之明膠水溶液形成。
實施例5-含乳清蛋白之上接觸式有機薄膜電晶體裝置
製程、步驟及條件係如實施例1所述,除了閘極介電層42之薄膜係使用製備例4所製得之乳清蛋白水溶液形成。
實施例6-含羥丙基甲基纖維素之上接觸式有機薄膜電晶體裝置
製程、步驟及條件係如實施例1所述,除了閘極介電層42之薄膜係使用製備例5所製得之羥丙基甲基纖維素水溶液形成。
特性評估
將本實施例1至6所獲得的上接觸式P型有機薄膜電晶體裝置進行電流-電壓試驗,其傳輸特性(transfer charactersitcs)結果係分別如圖5A、圖6A、圖7A、圖8A、圖9A、及圖10A所示,以及在不同閘極電壓(VG)下之輸出特性(output characteristics)結果係分別如圖5B、圖6B、圖7B、圖8B、圖9B、及圖10B所示,於圖9A中,ABSID係表示|ID(A)|汲極電流絕對值,SQRTID係表示汲極電流開根號ID 1/2(A1/2)。圖5B的輸出特性,由上到下VG分別為0、-1、-2、-3、-V。圖6B的輸出特性,由上到下VG分別為0、-1、-2、-3V。圖7B的輸出特性,由上到下VG分別為0、-1、-2、-3、-4V。圖8B的輸出特性,由上到下VG分別為0、-1、-2、-3V。圖9B的輸出特性,由上到下VG分別為-4、-3、-2、-1、0V。圖10B的輸出特性,由上到下VG分別為-3、-2、-1、0V。其中,電流開關比(current on-to-off ratio,ION/IOFF)、次臨界擺幅(subthreshold swing,S.S)、電洞場效應遷移率(field-effect mobility)以及臨界電壓(threshold voltage,VTH)係如下表1所示。
由圖5A至圖10B及表1之結果顯示,根據本發明之P型有機薄膜電晶體裝置實施例,分別以羊毛蛋白(實施例1)、羊毛蛋白加甘油(實施例2)、水解膠原蛋白(實施例3)、明膠(實施例4)、及羥丙基甲基纖維素(實施例6)作為閘極介電層42之介電材料,其載子移動率分別為3.5037 cm2/V-sec、3.85 cm2/V-sec、8.5 cm2/V-sec、6.8728 cm2/V-sec、6 cm2/V-sec、及2.6 cm2/V-sec,其中又以水解膠原蛋白(實施例3)、及明膠(實施例4)作為閘極介電層42之效果更佳。另外,於羊毛蛋白添加甘油(丙三醇),其電洞場效應遷移率較單獨使用羊毛蛋白者高。
實施例7-下接觸式有機薄膜電晶體裝置
下接觸式有機薄膜電晶體裝置之製程,如圖11A至11C所示。
如圖11A所示,提供一基板40,並於基板40上方依序形成閘極41以及閘極介電層42。於本實施例中,基板40、閘極41之材料及製造方法均與實施例1相同,以及閘極介電層42為一生物高分子選自羊毛蛋白、羊毛蛋白加甘油、水解膠原蛋白、明膠、乳清蛋白、或羥丙基甲基纖維素。於本實施例中,閘極41厚度約為65 nm,而閘極介電層42厚度約為400 nm。
接著,如圖11B所示,透過使用與實施例1形成閘極之相同製程條件,於閘極介電層42上蒸鍍一圖案化金屬層,以作為源極44與汲極45。於本實施例中,源極44與汲極45之材料係為金,且其厚度約為65 nm。
最後,如圖11C所示,透過使用與實施例1形成有機半導體層之相同製程條件,於閘極介電層42、源極44與汲極45上形成一有機半導體層43。於本實施例中,有機半導體層43之材料係為五苯環,且其厚度約為60 nm。
如圖11C所示,經由上述製程後,則可得到本實施例之下接觸式有機薄膜電晶體裝置,其包括:一基板40;一閘極41,係配置於基板40上;一閘極介電層42,係配置於基板40上且覆蓋閘極41,其中閘極介電層42之材料係包含一生物高分子;一源極44與一汲極45,係配置於閘極介電層42上;以及一有機半導體層43,係覆蓋閘極介電層42、源極44、以及汲極45。
實施例8-上接觸式N型有機薄膜電晶體
N型上接觸式有機薄膜電晶體裝置之製程,如圖12A至12D所示。
如圖12A所示,提供一基板40,並於基板40上方依序形成閘極41以及閘極介電層42。於本實施例中,基板40、閘極41之材料及製造方法均與實施例1相同,以及閘極介電層42為一生物高分子選自羊毛蛋白、羊毛蛋白加甘油、水解膠原蛋白、明膠乳清蛋白、或羥丙基甲基纖維素。
使用一陰影金屬遮罩,於室溫(約25℃)中以熱蒸鍍法沉積五苯環於閘極介電層42上,以作為一緩衝層5,如圖12B所示。於本實施例中,緩衝層5之厚度約為3 nm。此外,形成緩衝層5之熱蒸鍍法製程條件係如下所示:真空度:1x10-6 torr;蒸鍍速率:0.03 nm/s。
接著,如圖12C所示,透過使用與實施例1形成有機半導體層之相同製程條件,於緩衝層5上形成一有機半導體層43。
最後,如圖12D所示,透過使用與實施例1形成閘極之相同製程條件,於有機半導體層43上蒸鍍一圖案化金屬層,以作為源極44與汲極45。
如圖12D所示,可得到本實施例之N-型上接觸式有機薄膜電晶體,其包括:一基板40;一閘極41,係配置於基板40上;一閘極介電層42,係配置於基板40上且覆蓋閘極41,其中閘極介電層42之材料係包含一生物高分子;一緩衝層5,係完全覆蓋閘極介電層42;一有機半導體層43,係完全覆蓋緩衝層5;以及一源極44、以及一汲極45,其中源極44與汲極45係配置於有機半導體層43上。
特性評估
將選用明膠及羊毛蛋白作為閘極介電層42、PTCDI-C8作為有機半導體層43之上接觸式N型有機薄膜電晶體(省略上述形成緩衝層5之步驟)進行傳輸特性試驗,其結果係分別如圖13A、圖14A所示,以及輸出特性結果係分別如圖13B、圖14B所示。於圖13A、圖14A中,B組表示|ID(A)|汲極電流絕對值;E組表示IG(A)漏電流;F組表示汲極電流開根號ID 1/2(A1/2)。圖13B、圖14B的輸出特性,由下到上VG皆分別為0、1、2、3V。其中,電流開關比、次臨界擺幅、電洞場效應遷移率以及臨界電壓係如下表2所示。
將選用水解膠原蛋白及明膠作為介電層42、碳60作為有機半導體層43之上接觸式N型有機薄膜電晶體,進行傳輸特性試驗,其結果係分別如圖15A、圖16A所示,以及輸出特性結果係分別如圖15B、圖16B所示。於圖15A、圖16A中,ABSID及SQRTID定義如實施例6所述。圖15B、圖16B的輸出特性,由上到下(以VD=8之ID值作判別)VG皆分別為8、6、0、4、2V。其中,以水解膠原蛋白高分子作為介電層之電洞場效應遷移率為5.3 cm2/V-sec、以明膠高分子作為介電層之電洞場效應遷移率為4 cm2/V-sec。
將選用水解膠原蛋白及明膠作為介電層42、F16CuPc(COPPER1,2,3,4,8,9,10,11,15,16,17,18,22,23,24,25-HEXADECAFLUORO-PHTHALOCYANINE,SIGMA-ALDRICH 14916871)作為有機半導體層43之上接觸式N型有機薄膜電晶體(省略上述形成緩衝層5之步驟),進行傳輸特性試驗,其結果係分別如圖17A、圖18A所示,以及輸出特性結果係分別如圖17B、圖18B所示。圖17B、圖18B的輸出特性,由上到下VG皆分別為5、4、3、2、1、0V。其中,以水解膠原蛋白高分子作為介電層之電洞場效應遷移率為0.23 cm2/V-sec、以明膠高分子作為介電層之電洞場效應遷移率為0.35 cm2/V-sec。
實施例9-下接觸式N型有機薄膜電晶體
N型下接觸式有機薄膜電晶體裝置之製程,如圖19A至19D所示。
如圖19A所示,提供一基板40,並於基板40上方依序形成閘極41以及閘極介電層42。於本實施例中,基板40、閘極41之材料及製造方法均與實施例1相同,以及閘極介電層42為一生物高分子選自羊毛蛋白、羊毛蛋白加甘油、水解膠原蛋白、明膠、乳清蛋白、或羥丙基甲基纖維素。
接著,如圖19B所示,透過使用與實施例1形成閘極之相同製程條件,於閘極介電層42上蒸鍍一圖案化金屬層,以作為源極44與汲極45。
之後,如圖19C所示,將五苯環沉積於閘極介電層42、源極44與汲極45上,以作為一緩衝層5。
最後,如圖19D所示,透過使用與實施例1形成有機半導體層之相同製程條件,於緩衝層5上形成一有機半導體層43。
如圖19D所示,經由上述製程後,可得到本實施例之N型下接觸式有機薄膜電晶體,其包括:一基板40;一閘極41,係配置於基板40上;一閘極介電層42,係配置於基板40上且覆蓋閘極41,其中閘極介電層42之材料係包含一生物高分子;一源極44與一汲極45,係配置於閘極介電層42上;一緩衝層5,係覆蓋該部分閘極介電層42、源極44與汲極45;以及一有機半導體層43,係完全覆蓋緩衝層5。
實施例10-上接觸式有機浮閘記憶體
如圖20所示,透過與實施例1相同之材料及方法,於基板40上方依序形成一閘極41、一閘極介電層42、一有機半導體層43、一源極44與一汲極45。其中,使用一遮罩(圖中未示)以於閘極介電層42上蒸鍍一圖案化金屬層,以作為一浮閘極46;且該浮閘極材料為金。再者,利用與實施例1形成閘極介電層42之方法,於該浮閘極46上形成一生物高分子薄膜,以作為一介電層47。
藉此,本實施例之上接觸式有機浮閘記憶體,其包括:一基板40;一閘極41,係配置於基板40上;一閘極介電層42,係配置於基板40上且覆蓋閘極41,其中閘極介電層42之材料係包含一高分子;一浮閘極46,係覆蓋閘極介電層42;一介電層47,係覆蓋浮閘極46;一有機半導體層43,係覆蓋介電層47;以及一源極44與一汲極45,係配置於有機半導體層43上。
特性評估
將選用水解膠原蛋白高分子及明膠高分子作為介電層47之上接觸式有機浮閘記憶體,進行傳輸特性試驗,其結果係分別如圖21、圖22所示,其中ABSID係表示|ID(A)|汲極電流絕對值。
實施例11-下接觸式有機浮閘記憶體
如圖23所示,透過與實施例1相同之材料及方法於基板40上方依序形成一閘極41、一閘極介電層42、一源極44、一汲極45與一有機半導體層43。其中,使用一遮罩(圖中未示)以於閘極介電層42上蒸鍍一圖案化金屬層,以形成一浮閘極46;且該浮閘極材料為金。再者,利用與實施例1形成閘極介電層42之方法,於該浮閘極46上形成一生物高分子薄膜,以作為一介電層47。
藉此,本實施例之下接觸式有機浮閘記憶體,其包括:一基板40;一閘極41,係配置於基板40上;一閘極介電層42,係配置於基板40上且覆蓋閘極41,其中閘極介電層42之材料係包含一生物高分子;一浮閘極46,係覆蓋閘極介電層42;一介電層47,係覆蓋浮閘極46;一源極44與一汲極45,係配置於介電層47上;以及一有機半導體層43,係覆蓋部分介電層47、源極44與汲極45。
實施例12-MIM電容結構
MIM電容結構置之製程,如圖24A至24C所示。
如圖24A所示,提供一基板140,並於基板140上形成一第一電極141。於本實施例中,第一電極141之製造方法與實施例1所述之閘極41製造方法相同。於本實施例中,基板140係為一塑膠基板,而第一電極141之材料為金。
而後,透過與實施例1所述之閘極介電層42之製造方法,形成一生物高分子薄膜係覆蓋於第一電極141上,以作為絕緣層142,如圖24B所示。
最後,於真空度為5x10-6 torr之真空腔體(圖中未示)進行蒸鍍,以形成一第二電極143,如圖18C所示。
如圖24C所示,經由上述製程後,可得到本實施例之MIM電容結構,其包括:一基板140;一第一電極141,係配置於基板140上;一絕緣層142,係配置於基板140上且覆蓋第一電極141,其中絕緣層142之材料係包含一生物高分子;以及一第二電極143,係配置於絕緣層142上。
特性評估
將選用水解膠原蛋白、羊毛蛋白、及明膠作為絕緣層142之MIM電容結構進行介電特性測試,其中,電容量(nF/cm2)-電壓(V)之特性係分別如圖25、圖26、及圖27所示。這些實驗結果可以證實,生物高分子材料確實是為一種良好之介電材料。
上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已,本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準,而非僅限於上述實施例。
10,20,30,40,140...基板
11,21,41...閘極
12,22,42...閘極介電層
13,23,43...有機半導體層
14,24,44...源極
15,25,45...汲極
26,46...浮閘極
27,47...介電層
31,141...第一電極
32,142...絕緣層
33,143...第二電極
6...緩衝層
圖1A係習知之上接觸式有機薄膜電晶體之示意圖。
圖1B係習知之下接觸式有機薄膜電晶體之示意圖。
圖2係習知之有機浮閘記憶體之示意圖。
圖3係習知之金屬/絕緣層/金屬電容結構之示意圖。
圖4A至4D係本發明實施例1之上接觸式有機薄膜電晶體之製造流程之剖面示意圖。
圖5A係本發明實施例1之有機薄膜電晶體傳輸特性圖。
圖5B係本發明實施例1之有機薄膜電晶體輸出特性圖。
圖6A係本發明實施例2之有機薄膜電晶體傳輸特性圖。
圖6B係本發明實施例2之有機薄膜電晶體輸出特性圖。
圖7A係本發明實施例3之有機薄膜電晶體傳輸特性圖。
圖7B係本發明實施例3之有機薄膜電晶體輸出特性圖。
圖8A係本發明實施例4之有機薄膜電晶體傳輸特性圖。
圖8B係本發明實施例4之有機薄膜電晶體輸出特性圖。
圖9A係本發明實施例5之有機薄膜電晶體傳輸特性圖。
圖9B係本發明實施例5之有機薄膜電晶體輸出特性圖。
圖10A係本發明實施例6之有機薄膜電晶體傳輸特性圖。
圖10B係本發明實施例6之有機薄膜電晶體輸出特性圖。
圖11A至11C係本發明實施例7之下接觸式有機薄膜電晶體之製造流程之剖面示意圖。
圖12A至12D係本發明實施例8之上接觸式N型有機薄膜電晶體之製造流程之剖面示意圖。
圖13A係本發明實施例8之明膠及PTCDI-C8之上接觸式N型有機薄膜電晶體傳輸特性圖。
圖13B係本發明實施例8之明膠及PTCDI-C8之上接觸式N型有機薄膜電晶體輸出特性圖。
圖14A係本發明實施例8之羊毛蛋白及PTCDI-C8之上接觸式N型有機薄膜電晶體傳輸特性圖。
圖14B係本發明實施例8之羊毛蛋白及PTCDI-C8之上接觸式N型有機薄膜電晶體輸出特性圖。
圖15A係本發明實施例8之水解膠原蛋白及碳60之上接觸式N型有機薄膜電晶體傳輸特性圖。
圖15B係本發明實施例8之水解膠原蛋白及碳60之上接觸式N型有機薄膜電晶體輸出特性圖。
圖16A係本發明實施例8之明膠及碳60之上接觸式N型有機薄膜電晶體傳輸特性圖。
圖16B係本發明實施例8之明膠及碳60之上接觸式N型有機薄膜電晶體輸出特性圖。
圖17A係本發明實施例8之水解膠原蛋白及F16CuPc之上接觸式N型有機薄膜電晶體傳輸特性圖。
圖17B係本發明實施例8之水解膠原蛋白及F16CuPc之上接觸式N型有機薄膜電晶體輸出特性圖。
圖18A係本發明實施例8之明膠及F16CuPc之上接觸式N型有機薄膜電晶體傳輸特性圖。
圖18B係本發明實施例8之明膠及F16CuPc之上接觸式N型有機薄膜電晶體輸出特性圖。
圖19A至19D係本發明實施例9之下接觸式N型有機薄膜電晶體之製造流程之剖面示意圖。
圖20係本發明實施例10之上接觸式有機浮閘記憶體之示意圖。
圖21係本發明實施例10之水解膠原蛋白之上接觸式有機浮閘記憶體傳輸特性圖。
圖22係本發明實施例10之明膠之上接觸式有機浮閘記憶體傳輸特性圖。
圖23係本發明實施例11之下接觸式有機浮閘記憶體之示意圖。
圖24A至24C係本發明實施例12之MIM電容結構之製造流程之剖面示意圖。
圖25係本發明實施例12之水解膠原蛋白之MIM電容結構之電容量對電壓特性圖。
圖26係本發明實施例12之羊毛蛋白之MIM電容結構之電容量對電壓特性圖。
圖27係本發明實施例12之明膠之MIM電容結構之電容量對電壓特性圖。
40...基板
41...閘極
42...閘極介電層
43...有機半導體層
44...源極
45...汲極
Claims (26)
- 一種含生物高分子材料之電子裝置,包括:一基板;第一電極,係設置於該基板上;一生物高分子層,係設置於該第一電極上,其中該生物高分子層材料係選自包含羊毛蛋白(wool keratin)、水解膠原蛋白(collagen)、明膠(gelatin)、乳清蛋白(whey protein)與羥丙基甲基纖維素之組群;以及第二電極,係設置於該生物高分子層上方。
- 如申請專利範圍第1項所述之含生物高分子材料之電子裝置,其中該基板係為塑膠基板、玻璃基板、石英基板、矽基板或紙基板。
- 如申請專利範圍第1項所述之含生物高分子材料之電子裝置,其中該電極之材料係各自獨立地選自包括鋁、銅、鉻、銀、鉑、金、氧化鋅、氧化銦錫之組群。
- 如申請專利範圍第1項所述之含生物高分子材料之電子裝置,其中,該生物高分子層係作為一閘極介電層;第一電極為一閘極,係設置於該基板與該閘極介電層之間,且該閘極介電層係覆蓋該閘極;以及第二電極為一源極、及一汲極,係設置於該閘極介電層上方。
- 如申請專利範圍第4項所述之含生物高分子材料之電子裝置,更包括一有機半導體層,其中,該有機半導體層係覆蓋該閘極介電層;或,該有機半導體層係覆蓋該閘極介電層、該源極、以及該汲極。
- 如申請專利範圍第5項所述之含生物高分子材料之電子裝置,其中該電子裝置係為一上接觸式有機薄膜電晶體,該有機半導體層係完全覆蓋該閘極介電層,而該源極與該汲極係設置於該有機半導體層上。
- 如申請專利範圍第5項所述之含生物高分子材料之電子裝置,其中該電子裝置係為一下接觸式有機薄膜電晶體,該有機半導體層係覆蓋該閘極介電層、該源極、以及該汲極,而源極與該汲極係設置於該閘極介電層上。
- 如申請專利範圍第5項所述之含生物高分子材料之電子裝置,其中該有機半導體層之材料係選自五苯環(pentacene)、PTCDI-C8、碳60、F16CuPc或五苯環衍生物(pentacene derivatives)。
- 如申請專利範圍第5項所述之含生物高分子材料之電子裝置,更包括一緩衝層,係設置於該閘極介電層上,該緩衝層之材料為五苯環。
- 如申請專利範圍第5項所述之含生物高分子材料之電子裝置,更包括一浮閘極,係設置於該閘極介電層與該有機半導體層之間,其中該浮閘極係設置於閘極介電層上,且該浮閘極之材料係選自鋁、銅、鉻、銀、鉑、金、鋅、銦或錫之奈米粒子、氧化物或其合金。
- 如申請專利範圍第10項所述之含生物高分子材料之電子裝置,更包括一介電層,係設置於該浮閘極與該有機半導體層之間,該介電層係覆蓋該浮閘極上,且該介電層之材料為一生物高分子材料,選自包含羊毛蛋白(wool keratin)、水解膠原蛋白(collagen)、明膠(gelatin)、乳清蛋白(whey protein)與羥丙基甲基纖維素之組群。
- 如申請專利範圍第1項所述之含生物高分子材料之電子裝置,其中,該生物高分子層係作為一絕緣層;第一電極,係設置於該基板與該絕緣層之間,且該絕緣層係覆蓋該第一電極;以及第二電極,係設置於該絕緣層上方。
- 如申請專利範圍第1項所述之含生物高分子材料之電子裝置,其中該電子裝置係包括有機薄膜電晶體裝置、有機浮閘記憶體、或金屬層-絕緣層-金屬層(M-I-M)結構之電容裝置。
- 一種含生物高分子材料之電子裝置之製造方法,包括下列步驟:(A) 提供一基板;(B) 形成一第一電極於該基板上;(C) 塗佈一生物高分子溶液於該形成有第一電極之基板上,以於該基板及該第一電極上形成一生物高分子層;以及(D) 形成一第二電極於該生物高分子層上方。
- 如申請專利範圍第14項所述之製造方法,其中該生物高分子層為一閘極介電層;第一電極為一閘極;以及第二電極為一源極、及一汲極。
- 如申請專利範圍第15項所述之製造方法,更包括形成一有機半導體層於該閘極介電層上。
- 如申請專利範圍第16項所述之製造方法,其中該有機半導體層之材料係包含五苯環、PTCDI-C8、碳60、F16CuPc或五苯環衍生物(pentacene derivatives)。
- 如申請專利範圍第16項所述之製造方法,其中該有機半導體層係完全覆蓋該閘極介電層,而該源極與該汲極係設置於該有機半導體層上,以形成一上接觸式有機薄膜電晶體。
- 如申請專利範圍第16項所述之製造方法,其中,該源極與該汲極係設置於該閘極介電層上,而該有機半導體層係覆蓋該閘極介電層、該源極、以及該汲極,以形成一下接觸式有機薄膜電晶體。
- 如申請專利範圍第16項所述之製造方法,其中,在形成該有機半導體層之前,先於該閘極介電層上形成一緩衝層。
- 如申請專利範圍第16項所述之製造方法,其中,在形成該有機半導體層之前,先於該閘極介電層上予形成一浮閘極。
- 如申請專利範圍第21項所述之製造方法,其中,在形成該浮閘極之後,在其上形成一介電層,其係設置於該浮閘極與該有機半導體層之間且覆蓋該浮閘極。
- 如申請專利範圍第14項所述之製造方法,其中步驟(C)係包括下列步驟:(C1) 提供一生物高分子溶液;(C2) 塗佈該生物高分子溶液於該形成有閘極之基板上,或將該形成有閘極之基板浸泡於該生物高分子溶液中;以及(C3) 乾燥在該基板上之生物高分子溶液,以於該基板及該閘極上形成一閘極介電層。
- 如申請專利範圍第14項所述之製造方法,其中該生物高分子層作為一絕緣層。
- 一種金屬層-絕緣層-金屬層(M-I-M)結構之電容裝置之製造方法,包括下列步驟:(a)提供一基板;(b)形成一第一電極於該基板上;(c)塗佈一生物高分子溶液於該形成有第一電極之基板上,以於該基板及該第一電極上形成一絕緣層;以及(d)形成一第二電極於該絕緣層上。
- 如申請專利範圍第25項所述之製造方法,其中步驟(c)係包括下列步驟:(c1) 提供一生物高分子溶液;(c2) 塗佈該生物高分子溶液於該形成有第一電極之基板上,或將該形成有第一電極之基板浸泡於該生物高分子溶液中;以及(c3) 乾燥在該基板之生物高分子溶液,以於該基板及該第一電極上形成一絕緣層。
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