TWI433367B - Ｎ型有機薄膜電晶體、雙載子場效應電晶體、及其製備方法 - Google Patents

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N型有機薄膜電晶體、雙載子場效應電晶體、及其製 備方法
本發明係關於一種N型有機薄膜電晶體、雙載子場效應電晶體、及其製備方法，尤指一種使用蠶絲蛋白作為閘極介電層之N型有機薄膜電晶體、雙載子場效應電晶體、及其製備方法。
電晶體(transistor)是近代電子電路的核心元件，他的主要功能是做電流的開關，就如同控制水管中水流量的閥(valve)。和一般機械開關不同處在於電晶體是利用電訊號來控制，而且開關速度可以非常快。電晶體種類很多，依工作原理可大致分為雙載子電晶體(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。
以目前技術階段而言，一般N型有機薄膜電晶體的電子遷移率比P型有機薄膜電晶體的電洞遷移率要小很多(例如，大部份N型有機薄膜電晶體的電子遷移率僅在1 cm2 /Vs以下)。然而，由於CMOS元件需同時含有有P型以及N型兩種有機薄膜電晶體，因此N型有機薄膜電晶體的研發，變得很重要。
一般而言，有機薄膜電晶體(不論是N型或P型有機薄膜電晶體)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11上且覆蓋閘極11；一有機半導體層13，係完全覆蓋閘極介電層12；以及一源極14與一汲極15，係配置於有機半導體層13上。
此外，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，係完全覆蓋閘極介電層12、源極14以及汲極15。
而關於機薄膜電晶體之材料的開發，根據文獻報導，由於碳60具有高電子遷移率，可當作N型有機薄膜電晶體的半導體層材料，2006年Kenji Itaka等人利用氧化鋁做作為介電層，並藉由五苯環緩衝層來提升碳60有機薄膜電晶體的性能(Kenji Itaka,* Mitsugu Yamashiro,Jun Yamaguchi,Masamitsu Haemori,Seiichiro Yaginuma,Yuji Matsumoto,Michio Kondo,and Hideomi Koinuma,“High-Mobility C60 Field-Effect Transistors Fabricated on Molecular-Wetting Controlled Substrates”Adv. Mater. 2006,18,1713-1716.)，在真空下量測電子遷移率，可達到4.91 cm2 /Vs。可惜的是，碳60有機薄膜電晶體，因碳60薄膜不夠緻密，水或氧容易吸附或擴散進入碳60薄膜，在空氣中不穩定，信賴性較差，因此較不具產業價值。
同年，Thomas D. Anthopoulosa等人利用二乙烯四甲基二矽氧烷-二(苯並環丁烯)(Divinyltetramethyldisiloxane-bis(benzocyclobutene)，BCB)作為介電層，並在蒸鍍時，提高基板溫度來提升碳60有機薄膜電晶體的性能(Thomas D. Anthopoulosa_Birendra Singh,Nenad Marjanovic,Niyazi S. Sariciftci,Alberto Montaigne Ramil,Helmut Sitter,Michael Clle 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))。其在氮氣氛圍下量測電子遷移率，可達到6 cm2 /Vs。然而，此種碳60有機薄膜電晶體，碳60薄膜仍不夠緻密，在空氣中不穩定，無法提升信賴性，因此仍不具產業價值。
此外，目前已有研究顯示，蠶絲蛋白是為一種新的介電層材料，蠶絲蛋白是自蠶絲萃取得到之絲心蛋白(fibroin)，可有效提升P型有機薄膜電晶體電洞遷移率的介電層材料(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))。但使用蠶絲蛋白所製作的五苯環有機薄膜電晶體，僅可作為P型電晶體(元件特性為P型)，而非N型電晶體。
此外，於Hagen Klauk所提出的文獻中(“Organic thin-film transistors”,Chem. Soc. Rev.,39,2643-2666(2010))第2605頁之左欄有提到，關於N型有機薄膜電晶體，目前仍尚未有新的材料及/或結構可有效提升碳60-N型有機薄膜電晶體的電子遷移率以及增強其在空氣中的穩定性。
因此，本領域目前亟需研發合適的材料及/或結構，能以簡單且便宜的製作方法，製作出N型有機薄膜電晶體、以及具極佳效率之CMOS元件，使可大幅提升N型有機薄膜電晶體之電子遷移率。
另一方面，雙載子場效應電晶體(Ambipolar field-effect Transistor)亦為電晶體的一種，其同時具有電子及電洞傳輸機制，結構上與有機薄膜電晶體相似，但元件特性稍微不同。因此，若能同時開發出新的材料及/或結構，而同時應用於雙載子場效應電晶體以及N型有機薄膜電晶體，並可具有高穩定性、信賴性、及載子遷移率，並可實際上大量生產，則可具有非常大的商業價值。
本發明提供一種N型有機薄膜電晶體，其係包括：一基板；一閘極，係設置於該基板上；一閘極介電層，係覆蓋該閘極，且該閘極介電層之材質係蠶絲蛋白；一緩衝層，係設置於該閘極介電層上，且該緩衝層之材質係五苯環；一N型有機半導體層，係設置於該緩衝層上；以及一源極與一汲極，其中，該N型有機半導體層、該緩衝層、該源極、以及該汲極係配置於該閘極介電層上方。
在本發明中，使用蠶絲蛋白來做為介電層材料，有幾項特點：(一)提高電晶體電子遷移率；(二)可撓曲；以及(三)穩定性佳。本發明利用蠶絲蛋白作為閘極介電層，可以大幅提升五苯環的薄膜結晶性，使得N型薄膜電晶體的電子遷移率大幅度提升。因此，本發明之N型有機薄膜電晶體可以應用於軟性電子產品上。並且，本發明為本領域首先將可撓的蠶絲蛋白使用於N型碳60有機薄膜電晶體之技術。
蠶絲蛋白具有可撓性以及價格便宜的特性，故可視為一種極佳之軟性電子元件的介電材料。本發明係以蠶絲蛋白膜為閘極介電層，在其上鍍上五苯環(緩衝層)以及碳60、PTCDI-C8(N,N’-聯苯-3,4,9,10-芘二甲西先亞胺(N,N'-DIOCTYL-3,4,9,10-PERYLENEDICARBOXIMIDE))、或其他相似物等N型有機半導體層，製作出N型有機薄膜電晶體。此N型有機薄膜電晶體的特性非常好，可以應用於各種更複雜之軟性電子元件(可撓式電子產品)上，如：互補式金氧半場效應電晶體(CMOS)或有機發光電晶體(OLET)等元件，因此具有極佳的經濟價值。
此外，在習知技術中所使用的碳60是個極度對水氣、氧氣敏感的材料，因此在性質量測時，都須在氮氣或是真空中進行，以抑制水、及氧氣對元件的影響。本發明所製作之N型有機薄膜電晶體具備了高空氣穩定性，即使放置於大氣中量測電子遷移率，仍可維持約11 cm2 /Vs。因此，本發明具備有高電子遷移率以及良好的空氣穩定性(Air-stable)，故具相當高的產業應用價值。
本發明之N型有機薄膜電晶體中，該緩衝層之厚度較佳為1nm-20nm，更佳為1nm-10nm，最佳為3nm。
本發明之N型有機薄膜電晶體中，基板較佳可為一塑膠基板(或其他軟性基板)、一玻璃基板、一石英基板、一矽基板、或一紙基板，無特別限制。利用使用一塑膠基板或一紙基板，可使所形成之裝置具有可撓性。此外，包含閘極、汲極、源極等各電極可各自獨立選自由：鋁、銅、鎳、鎂、鈣、鋰、鉻、銀、鉑、金、氧化鋅(ZnO)、氧化錫銦(ITO)、氧化鋅銦(IZO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鋅鎵銦(IGZO)等。
本發明之N型有機薄膜電晶體中，該閘極介電層較佳可具有一單層結構或一多層結構。閘極介電層的厚度可隨著層數進行調整，以得到高電子遷移率。
本發明之N型有機薄膜電晶體中，N型有機半導體層之材質可選自由：碳60、PTCDI-C8、及其他相似物等，其中最佳為碳60。
本發明之N型有機薄膜電晶體中，該N型有機半導體層之厚度較佳可為10nm-150nm。
本發明之N型有機薄膜電晶體，其電子遷移率較佳可為7 cm2 /Vs-15 cm2 /Vs。
本發明之N型有機薄膜電晶體中，該閘極介電層之厚度較佳可為100nm-800nm，更佳為300nm-500nm，最佳為400nm。
本發明之N型有機薄膜電晶體中，較佳地，當該N型有機薄膜電晶體為一上接觸式N型有機薄膜電晶體時，該N型有機半導體層較佳可覆蓋該緩衝層，該緩衝層較佳可完全覆蓋該閘極介電層，而該源極與該汲極係配置於該N型有機半導體層上。
本發明之N型有機薄膜電晶體中，較佳地，當該N型有機薄膜電晶體為一下接觸式N型有機薄膜電晶體時，該源極與該汲極係配置於該緩衝層與該閘極介電層之間，使該緩衝層係覆蓋該部分之閘極介電層、該源極、以及該汲極。
此外，本發明另提供一種上述N型有機薄膜電晶體之製備方法，係包括步驟：(A)提供一基板；(B)形成一閘極於該基板上；(C)形成一閘極介電層使覆蓋該閘極，且該閘極介電層之材質係蠶絲蛋白；以及(D)形成一緩衝層、一N型有機半導體層、一源極、以及一汲極於該閘極介電層上；其中，該緩衝層之材質係五苯環。
本發明之N型有機薄膜電晶體之製備方法中，係透過使用一蠶絲溶液以於閘極上形成一包含有蠶絲蛋白之閘極介電層或絕緣層。相較於以往使用真空濺鍍或真空蒸鍍法或化學氣相沉積法形成閘極介電層或絕緣層，本發明之製作方法可透過溶液製程形成，故製程相當簡單且便宜，並更有利於大面積生產。同時，蠶絲蛋白更具有便宜且取得便利等優點。另一方面，由於本發明之N型有機薄膜電晶體裝置中所使用之蠶絲蛋白的材料結構可以大幅提升五苯環的薄膜結晶性，而可大幅提升N型有機薄膜電晶體裝置之電晶體特性(如，電子遷移率)。
本發明之N型有機薄膜電晶體之製備方法中，緩衝層之厚度較佳為1nm-20nm，更佳為1nm-10nm，最佳為3nm。
本發明之N型有機薄膜電晶體之製備方法中，步驟(D)中，N型有機半導體層係以蒸鍍方法形成，且蒸鍍之基板溫度較佳可為25℃-100℃。(例如，70℃)。蒸鍍N型有機半導體層之基板溫度會影響電子遷移率的表現，因此蒸鍍時之基板溫度較佳係控制於25℃-100℃之間，更佳為60℃-80℃之間，最佳為70℃。
本發明之N型有機薄膜電晶體之製備方法中，該步驟(C)係包括以下步驟：(C1)提供一蠶絲蛋白溶液；(C2)塗佈該蠶絲蛋白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蠶絲蛋白溶液中；以及(C3)乾燥該塗佈於基板之蠶絲蛋白溶液，以於該基板及該閘極上形成一閘極介電層。因此，本發明之N型有機薄膜電晶體之製作方法中，僅需透過簡單之塗佈法以及乾燥製程，即可形成一蠶絲薄膜，以做為閘極介電層或絕緣層。在此，乾燥製程可使用一般常用之方法，如風亁、烘烤製程等。另一方面，若僅做一次蠶絲溶液塗佈，則可形成單層結構之蠶絲薄膜；而若需要可重複進行步驟(C)，以形成多層結構之蠶絲薄膜。
本發明之N型有機薄膜電晶體之製備方法中，該N型有機半導體層之材質較佳可為碳60、PTCDI-C8、及其他相似物等，最佳為碳60。
本發明之N型有機薄膜電晶體之製備方法中，該步驟(C1)之蠶絲蛋白溶液之pH值較佳可介於2~6。
本發明之N型有機薄膜電晶體之製備方法中，該N型有機半導體層之厚度較佳可為10nm-150nm，更佳為40nm-80nm，最佳為60nm。
本發明之N型有機薄膜電晶體之製備方法中，當使用碳60作為N型有機半導體層時，該N型有機薄膜電晶體之電子遷移率較佳可為7 cm2 /Vs-15 cm2 /Vs(例如，11 cm2 /Vs)。
本發明之N型有機薄膜電晶體之製備方法中，該閘極介電層之厚度較佳可為100nm-800nm，更佳為300nm-500nm，最佳為400nm。
本發明之N型有機薄膜電晶體之製備方法中，於該步驟(D)中，該N型有機半導體層係完全覆蓋該緩衝層，該緩衝層較佳可完全覆蓋該閘極介電層，而該源極與該汲極較佳可配置於該N型有機半導體層上，以形成一上接觸式N型有機薄膜電晶體。
本發明之N型有機薄膜電晶體之製備方法中，於該步驟(D)中，該源極與該汲極較佳可配置於該緩衝層與該閘極介電層之間，使該緩衝層較佳可覆蓋該部分之閘極介電層、該源極、以及該汲極，以形成一下接觸式N型有機薄膜電晶體。
本發明又提供一種雙載子場效應電晶體，係包括：一基板；一閘極，係設置於該基板上；一閘極介電層，係覆蓋該閘極，且該閘極介電層之材質係蠶絲蛋白；一P型有機半導體層，係設置於該閘極介電層上，且該P型有機半導體層之材質係五苯環；一N型有機半導體層，係設置於P型有機半導體層上；以及一源極與一汲極，其中，該N型有機半導體層、該P型有機半導體層、該源極、以及該汲極係配置於該閘極介電層上方。
在本發明中，使用蠶絲蛋白來做為介電層材料，有幾項特點：(一)提高電晶體電子遷移率；(二)可撓曲；以及(三)穩定性佳。本發明利用蠶絲蛋白作為閘極介電層，可以大幅提升五苯環的薄膜結晶性，使得雙載子場效應電晶體的電子遷移率大幅度提升。因此，本發明之雙載子場效應電晶體可以應用於軟性電子產品上。並且，本發明為本領域首先將可撓的蠶絲蛋白使用於雙載子場效應電晶體之技術。
此外，在習知技術中所使用的碳60是個極度對水氣、氧氣敏感的材料，因此在性質量測時，都須在氮氣或是真空中進行，以抑制水、及氧氣對元件的影響。本發明所製作之雙載子場效應電晶體具備了高空氣穩定性，即使放置於大氣中量測電子遷移率及/或電洞遷移率，仍可維持約4-13cm2 /Vs(例如，7 cm2 /Vs)。因此，本發明具備有高電子遷移率及/或電洞遷移率以及良好的空氣穩定性(Air-stable)，故具相當高的產業應用價值。
本發明之雙載子場效應電晶體中，該N型有機半導體層之材質可選自由：碳60、PTCDI-C8、及其他相似物等，其中最佳為碳60。
本發明之雙載子場效應電晶體中，基板較佳可為一塑膠基板(或其他軟性基板)、一玻璃基板、一石英基板、一矽基板、或一紙基板，無特別限制。利用使用一塑膠基板或一紙基板，可使所形成之裝置具有可撓性。此外，包含閘極、汲極、源極等各電極可各自獨立選自由：鋁、銅、鎳、鎂、鈣、鋰、鉻、銀、鉑、金、氧化鋅(ZnO)、氧化錫銦(ITO)、氧化鋅銦(IZO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鋅鎵銦(IGZO)等。
本發明之雙載子場效應電晶體中，該閘極介電層較佳可具有一單層結構或一多層結構。閘極介電層的厚度可隨著層數進行調整，以得到高電子遷移率及/或高電洞遷移率。
本發明之雙載子場效應電晶體中，該P型有機半導體層之厚度較佳可為3nm-60nm，更佳為10nm-30nm，最佳為10nm；該N型有機半導體層之厚度較佳可為10nm-100nm，更佳為20nm-60nm，最佳為40nm。
本發明之雙載子場效應電晶體，當使用碳60與五苯環分別作為N型有機半導體層以及P型有機半導體層時，雙載子場效應電晶體之電子遷移率及/或電洞遷移率較佳可為4 cm2 /Vs-13 cm2 /Vs(例如，7 cm2 /Vs)。
本發明之雙載子場效應電晶體中，該閘極介電層之厚度較佳可為100nm-800nm(更佳為300nm-500nm，最佳為400nm)。
本發明之雙載子場效應電晶體中，該雙載子場效應電晶體為一上接觸式雙載子場效應電晶體時，該N型有機半導體層較佳係覆蓋該P型有機半導體層，該P型有機半導體層較佳係覆蓋該閘極介電層，而該源極與該汲極係配置於該N型有機半導體層上。
本發明之雙載子場效應電晶體中，該雙載子場效應電晶體為一下接觸式雙載子場效應電晶體時，該源極與該汲極較佳係配置於該P型有機半導體層與該閘極介電層之間，使該P型有機半導體層係覆蓋該部分之閘極介電層、該源極、以及該汲極。
本發明之雙載子場效應電晶體中，該雙載子場效應電晶體亦可為一中間接觸式雙載子場效應電晶體，當雙載子場效應電晶體為一中間接觸式雙載子場效應電晶體時，該源極與該汲極係配置於該N型有機半導體層與P型有機半導體層之間，該P型有機半導體層係完全覆蓋該閘極介電層。
本發明再提供一種雙載子場效應電晶體之製備方法，係包括步驟：(A)提供一基板；(B)形成一閘極於該基板上；(C)形成一閘極介電層使覆蓋該閘極，且該閘極介電層之材質係蠶絲蛋白；以及(D)形成一P型有機半導體層、一N型有機半導體層、一源極、以及一汲極於該閘極介電層上；其中，該P型有機半導體層之材質係五苯環。
本發明之雙載子場效應電晶體之製備方法中，係透過使用一蠶絲溶液以於閘極上形成一包含有蠶絲蛋白之閘極介電層或絕緣層。相較於以往使用真空濺鍍或真空蒸鍍法或化學氣相沉積法形成閘極介電層或絕緣層，本發明之製作方法可透過溶液製程形成，故製程相當簡單且便宜，並更有利於大面積生產。同時，蠶絲蛋白更具有便宜且取得便利等優點。另一方面，由於本發明之雙載子場效應電晶體裝置中所使用之蠶絲蛋白的材料結構可以大幅提升五苯環的薄膜結晶性，而可大幅提升雙載子場效應電晶體裝置之電晶體特性(如，碳60的電子遷移率)。
本發明之雙載子場效應電晶體之製備方法中，該P型有機半導體層之厚度較佳係3nm-60nm，更佳為10nm-30nm，最佳為10nm。
本發明之雙載子場效應電晶體之製備方法中，該N型有機半導體層之材質較佳可選自由：碳60、PTCDI-C8、及其他相似物等，最佳為碳60。
本發明之雙載子場效應電晶體之製備方法中，步驟(D)中，該P型及/或N型有機半導體層較佳可以蒸鍍方法形成，且蒸鍍之基板溫度係25℃-100℃(例如，70℃)。蒸鍍有機半導體層之基板溫度會影響電子及/或電洞遷移率的表現，因此蒸鍍時之基板溫度較佳係控制於25℃-100℃之間，更佳為60℃-80℃之間，最佳為70℃。
本發明之雙載子場效應電晶體之製備方法中，基板較佳可為一塑膠基板(或其他軟性基板)、一玻璃基板、一石英基板、一矽基板、或一紙基板，無特別限制。利用使用一塑膠基板，可使所形成之裝置具有可撓性。此外，包含閘極、汲極、源極等各電極可各自獨立選自由：鋁、銅、鎳、鎂、鈣、鋰、鉻、銀、鉑、金、氧化鋅(ZnO)、氧化錫銦(ITO)、氧化鋅銦(IZO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鋅鎵銦(IGZO)等。
本發明之雙載子場效應電晶體之製備方法中，該步驟(C)較佳可包括以下步驟：(C1)提供一蠶絲蛋白溶液；(C2)塗佈該蠶絲蛋白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蠶絲蛋白溶液中；以及(C3)乾燥該塗佈於基板之蠶絲蛋白溶液，以於該基板及該閘極上形成一閘極介電層。
本發明之雙載子場效應電晶體之製備方法中，該閘極介電層較佳可具有一單層結構或一多層結構。閘極介電層的厚度可隨著層數進行調整，以得到高電子遷移率及/或高電洞遷移率。
本發明之雙載子場效應電晶體之製備方法中，該步驟(C1)之蠶絲蛋白溶液之pH值較佳可介於2~6。
本發明之雙載子場效應電晶體之製備方法中，該P型有機半導體層之厚度較佳可為3nm-60nm，更佳為10nm-30nm，最佳為10nm，該N型有機半導體層之厚度較佳可為10nm-100nm，更佳為20nm-60nm，最佳為40nm。
本發明之雙載子場效應電晶體之製備方法中，當使用碳60與五苯環的分別作為N型有機半導體層以及P型有機半導體層時，該雙載子場效應電晶體之電子及/或電洞遷移率較佳可為4 cm2 /Vs-13 cm2 /Vs(例如，7 cm2 /Vs)。
本發明之雙載子場效應電晶體之製備方法中，該閘極介電層之厚度較佳可為100nm-800nm(更佳為300nm-500nm，最佳為400nm)。
本發明之雙載子場效應電晶體之製備方法中，於該步驟(D)中，該N型有機半導體層係覆蓋該P型有機半導體層，該P型有機半導體層較佳可完全覆蓋該閘極介電層，而該源極與該汲極較佳可為配置於該N型有機半導體層上，以形成一上接觸式雙載子場效應電晶體。
本發明之雙載子場效應電晶體之製備方法中，於該步驟(D)中，該源極與該汲極較佳可為配置於該P型有機半導體層與該閘極介電層之間，使該P型有機半導體層較佳可為覆蓋該部分之閘極介電層、該源極、以及該汲極，以形成一下接觸式雙載子場效應電晶體。
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基於不同觀點與應用，在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。
[實施例1]上接觸式N型有機薄膜電晶體
製備蠶絲水溶液
首先，準備含有10 wt%之碳酸鈉水溶液，待加熱至沸騰後，將乾燥的蠶繭(天然蠶絲)加入，並煮沸30分鐘至1小時以去除蠶絲外層的絲膠(sericin)。而後，放入去離子水中清洗，以洗去蠶絲外層附著的鹼液。經烘乾後，可得到精練後之蠶絲蛋白，即絲心蛋白(fibroin)。
接著，將精練後之蠶絲蛋白放入20 ml的85 wt%磷酸(H3 PO4 )溶液，攪拌至溶解。而後，將溶有蠶絲蛋白之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)中與水進行透析3天，以去除多餘的磷酸根。藉由改變透析所使用之水體積及透析次數，除了可移除磷酸根外，更可藉此調整最後蠶絲溶液之pH值。在此，係將最後所得之蠶絲溶液的pH值控制在2~6之間。透析完成後，以濾紙濾除雜質，以得到一蠶絲水溶液。
製作上接觸式N型有機薄膜電晶體
首先，如圖2A所示，提供一基板30，並以去離子水超音波洗淨此基板30。於本實施例中，基板30係為一透明PET塑膠基板，但不限於此，亦可為玻璃、石英、矽、或紙等其他材質。
而後，將基板30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30上蒸鍍一圖案化金屬層，以做為一閘極31，如圖2A所示。於本實施例中，閘極31之材料係為金，且其厚度約為80 nm。此外，形成閘極31之熱蒸鍍法製程條件係如下所示。
真空度：5x10-6 torr
蒸鍍速率：1/s
接著，將形成有閘極31之基板30浸泡於上述所製備之蠶絲水溶液中15分鐘，以將蠶絲水溶液塗佈於形成有閘極31之基板30上。而後，於60℃下烘乾塗佈於基板30上之蠶絲水溶液，則可形成一蠶絲薄膜，以做為一閘極介電層32，如圖2B所示。於本實施例中，由蠶絲薄膜所形成之閘極介電層32，其厚度約為400 nm。此外，亦可視需要，多次重複進行蠶絲水溶液塗佈及烘乾製程，以形成多層蠶絲薄膜結構。
而後，使用一陰影金屬遮罩(shadow metal mask)，於室溫(約25℃)中以熱蒸鍍法沉積五苯環(pentacene)於閘極介電層32上，以做為一緩衝層5，如圖2C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：3x10-6 torr
蒸鍍速率：0.3/s
接著，使用另一遮罩(圖中未示)，於70℃之溫度條件下，蒸鍍厚度約60nm之純碳60薄膜，以做為一N型有機半導體層33，如圖2D所示。形成N型有機半導體層33之熱蒸鍍法製程條件係如下所示。
真空度：3x10-6 torr
蒸鍍速率：0.3/s
最後，使用又另一遮罩(圖中未示)，並透過與形成閘極之相同製程條件，以於N型有機半導體層33上蒸鍍一圖案化金屬層，以做為源極34與汲極35，如圖2E所示。於本實施例中，源極34與汲極35之材料係為金，且其厚度約為70 nm。
如圖2E所示，經由上述製程後，則可得到本實施例之上接觸式有機薄膜電晶體，其包括：一基板30；一閘極31，係配置於基板30上；一閘極介電層32，係配置於基板30上且覆蓋閘極31，其中閘極介電層32之材料係包含一蠶絲蛋白；一緩衝層5，係完全覆蓋閘極介電層32；一N型有機半導體層33，係完全覆蓋緩衝層5；以及一源極34、以及一汲極35，其中源極34與汲極35係配置於N型有機半導體層33上。
元件特性評估
將本實施例之上接觸式N型有機薄膜電晶體進行電流-電壓試驗，其傳輸特性(transfer characteristics)結果係如圖3所示，而在不同閘極電壓(VG )下之輸出特性(output characteristics)結果係如圖4所示。其中，電子遷移率(mobility)係約為11cm2 /Vs(如表1所示)。
如圖3所示，可看出本實施例中N型有機薄膜電晶體的輸出特性，其主要具有電子傳輸機制。
本實施例之上接觸式N型有機薄膜電晶體具有許多優點，例如，五苯環緩衝層厚度薄，空氣穩定性佳、具有可撓性、製作溫度低、高電子遷移率、綠色環保，加上蠶絲材料價格便宜，因此可應用於CMOS或OLET(organic light emitting transistor)等元件，具有極佳的經濟價值。
此外，在習知的技術中，碳60是個極度對水氣、氧氣敏感的材料，因此在性質量測時，都須在氮氣或是真空中進行，以抑制水、及氧氣對元件的影響。本發明所製作之N型有機薄膜電晶體具備了高空氣穩定性，即使放置於大氣中量測電子遷移率，仍可維持約11 cm2 /Vs。因此，本發明具備有高電子遷移率以及良好的空氣穩定性(Air-stable)，故具相當高的產業應用價值。
[實施例2]下接觸式N型有機薄膜電晶體
如圖5A所示，提供一基板30，並於基板30上方依序形成閘極31以及閘極介電層32。於本實施例中，基板30、閘極31以及閘極介電層32之材料及製備方法均與實施例1相同。此外，於本實施例中，閘極31厚度約為80 nm，而閘極介電層32厚度約為400 nm。
接著，如圖5B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32上蒸鍍一圖案化金屬層，以做為源極34與汲極35。於本實施例中，源極34與汲極35之材料係為金，且其厚度約為70 nm。
接著，如圖5C所示，透過使用與實施例1形成緩衝層之相同製程條件，於閘極介電層32、源極34與汲極35上形成一緩衝層5。於本實施例中，緩衝層5之材料係為五苯環，且其厚度約為3nm。
最後，如圖5D所示，透過使用與實施例1形成N型有機半導體層之相同製程條件，於緩衝層5上形成一N型有機半導體層33。於本實施例中，N型有機半導體層33之材料係為碳60，且其厚度約為60 nm。
如圖5D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，其包括：一基板30；一閘極31，係配置於基板30上；一閘極介電層32，係配置於基板30上且覆蓋閘極31，其中閘極介電層32之材料係包含一蠶絲蛋白；一源極34與一汲極35，係配置於閘極介電層32上；一緩衝層5，係覆蓋該部分閘極介電層32、源極34與汲極35；以及一N型有機半導體層33，係完全覆蓋緩衝層5。
[實施例3]　上接觸式雙載子場效應電晶體
如圖6A所示，提供一基板30，並於基板30上方依序形成閘極31以及閘極介電層32。於本實施例中，基板30、閘極31以及閘極介電層32之材料及製備方法均與實施例1相同。此外，於本實施例中，閘極31厚度約為80 nm，而閘極介電層32厚度約為400 nm。
接著，如圖6B所示，透過使用與實施例1形成緩衝層之相同製程條件，於閘極介電層32上形成一P型有機半導體層7。於本實施例中，P型有機半導體層7之材料係為五苯環，且其厚度約為10 nm。
接著，如圖6C所示，透過使用與實施例1形成N型有機半導體層之相同製程條件，於P型有機半導體層7上形成一N型有機半導體層9。於本實施例中，N型有機半導體層9之材料係為碳60，且其厚度約為40 nm。
最後，如圖6D所示，透過使用與實施例1形成閘極之相同製程條件，於N型有機半導體層9上蒸鍍一圖案化金屬層，以做為源極34與汲極35。於本實施例中，源極34與汲極35之材料係為金，且其厚度約為70 nm。
如圖6D所示，經由上述製程後，則可得到本實施例之雙載子場效應電晶體，其包括：一基板30；一閘極31，係配置於基板30上；一閘極介電層32，係配置於基板30上且覆蓋閘極31，其中閘極介電層32之材料係包含一蠶絲蛋白；一P型有機半導體層7，係完全覆蓋該閘極介電層32；一N型有機半導體層9，係完全覆蓋P型有機半導體層7；以及一源極34與一汲極35，係配置於N型有機半導體層9上。
元件特性評估
將本實施例之雙載子場效應電晶體進行電流-電壓試驗，其傳輸特性結果係如圖7A及圖7B所示，而在不同閘極電壓(VG )下之輸出特性結果係如圖8A及圖8B所示。其中，電子遷移率(mobility)係約為6.9 cm2 /Vs，電洞遷移率(mobility)係約為6.5 cm2 /Vs(如表2所示)。
如圖7A及圖7B所示，本實施例之雙載子場效應電晶體具有極佳的電子以及電洞傳輸特性，因此可作為良好的雙載子場效應電晶體。此外，加上本實施例之雙載子場效應電晶體本身具有可撓性、高穩定性、以及低製作成本(蠶絲材料價格便宜)，因此具有相當高的產業利用價值。
本實施例之上接觸式雙載子場效應電晶體具有許多優點，例如，碳60與五苯環的厚度薄，空氣穩定性佳、具有可撓性、製作溫度低、高電子及/或電洞遷移率、綠色環保，因此具有極佳的經濟價值。
此外，在習知的技術中，碳60是個極度對水氣、氧氣敏感的材料，因此在性質量測時，都須在氮氣或是真空中進行，以抑制水、及氧氣對元件的影響。本發明所製作之雙載子場效應電晶體具備了高空氣穩定性，即使放置於大氣中量測電子及/或電洞遷移率，仍可維持約4-13cm2 /Vs。因此，本發明具備有高電子及/或電洞遷移率以及良好的空氣穩定性(Air-stable)，故具相當高的產業應用價值。
[實施例4]　下接觸式雙載子場效應電晶體
如圖9A所示，提供一基板30，並於基板30上方依序形成閘極31、閘極介電層32、以及源極34與汲極35。於本實施例中，基板30、閘極31、閘極介電層32、以及源極34與汲極35之材料及製備方法均與實施例2相同。此外，於本實施例中，閘極31厚度約為80 nm，而閘極介電層32厚度約為400 nm。
接著，如圖9B所示，透過使用與實施例1形成緩衝層之相同製程條件，於閘極介電層32、源極34與汲極35上形成一P型有機半導體層7。於本實施例中，P型有機半導體層7之材料係為五苯環，且其厚度約為10 nm。
最後，如圖9C所示，透過使用與實施例1形成N型有機半導體層之相同製程條件，於P型有機半導體層7上形成一N型有機半導體層9。於本實施例中，N型有機半導體層9之材料係為碳60，且其厚度約為40 nm。
如圖9C所示，經由上述製程後，則可得到本實施例之下接觸式雙載子場效應電晶體，其包括：一基板30；一閘極31，係配置於基板30上；一閘極介電層32，係配置於基板30上且覆蓋閘極31，其中閘極介電層32之材料係包含一蠶絲蛋白；一源極34與一汲極35，係配置於閘極介電層32上；一P型有機半導體層7，係覆蓋該部分閘極介電層32、源極34與汲極35；以及一N型有機半導體層9，係完全覆蓋P型有機半導體層7。
[實施例5]中接觸式雙載子場效應電晶體
如圖10A所示，提供一基板30，並於基板30上方依序形成閘極31、閘極介電層32、以及P型有機半導體層7。於本實施例中，基板30、閘極31、閘極介電層32、以及P型有機半導體層7之材料及製備方法均與實施例3相同。此外，於本實施例中，閘極31厚度約為80 nm，而閘極介電層32厚度約為400nm。
接著，如圖10B所示，於P型有機半導體層7上形成源極34與汲極35(材料及製備方法均與實施例3相同)。
最後，如圖10C所示，透過使用與實施例1形成N型有機半導體層之相同製程條件，於源極34與汲極35上形成一N型有機半導體層9。於本實施例中，N型有機半導體層9之材料係為碳60，且其厚度約為100 nm。
如圖10C所示，經由上述製程後，則可得到本實施例之中接觸式雙載子場效應電晶體，其包括：一基板30；一閘極31，係配置於基板30上；一閘極介電層32，係配置於基板30上且覆蓋閘極31，其中閘極介電層32之材料係包含一蠶絲蛋白；一P型有機半導體層7，係配置於閘極介電層32上；一源極34與一汲極35，係配置於P型有機半導體層7上；以及一N型有機半導體層9，係完全覆蓋源極34與一汲極35。
[實施例6]上接觸式N型有機薄膜電晶體
除了需將碳60換為PTCDI-C8(N,N’-聯苯-3,4,9,10-芘二甲西先亞胺
(N,N'-DIOCTYL-3,4,9,10-PERYLENEDICARBOXIMIDE))以做為N型有機半導體層33以外，本實施例之其他製備條件及材料皆與實施例1之製備條件及材料相同，以製得上接觸式N型有機薄膜電晶體。
本發明中，不論N型有機薄膜電晶體或是雙載子場效應電晶體，其N型有機半導體層之材料可為碳60或PTCDI-C8，依照需求選擇使用。
[實施例7]　上接觸式N型有機薄膜電晶體
除了需將碳60使用PTCDI-C8取代以外，本實施例之製備方法及條件係與實施例1相同。
元件特性評估
將本實施例之上接觸式N型有機薄膜電晶體進行電流-電壓試驗，其傳輸特性結果係如圖11所示，而在不同閘極電壓(VG )下之輸出特性結果係如圖12所示。其中，電子遷移率(mobility)係約為0.06cm2 /Vs(如表1所示)。
[實施例8]　上接觸式雙載子場效應電晶體
除了需將碳60使用PTCDI-C8取代以外，本實施例之製備方法及條件係與實施例3相同。
元件特性評估
將本實施例之上接觸式雙載子場效應電晶體進行電流-電壓試驗，其傳輸特性結果係如圖13所示，而在不同閘極電壓(VG )下之輸出特性結果係如圖14所示。其中，電子遷移率(mobility)係約為0.04cm2 /Vs(如表2所示)，電洞遷移率估算約為0.4cm2 /Vs。
[比較例1-2]
使用如文獻1(Kenji Itaka,* Mitsugu Yamashiro,Jun Yamaguchi,Masamitsu Haemori,Seiichiro Yaginuma,Yuji Matsumoto,Michio Kondo,and Hideomi Koinuma,“High-Mobility C60 Field-Effect Transistors Fabricated on Molecular-Wetting Controlled Substrates”Adv. Mater. 2006,18,1713-1716.)、以及文獻2(Thomas D. Anthopoulosa_Birendra Singh,Nenad Marjanovic,Niyazi S. Sariciftci,Alberto Montaigne Ramil,Helmut Sitter,Michael Clle 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))中所描述之方法及材料分別製得比較例1、及比較例2之有機薄膜電晶體元件，並進行元件特性測量。其條件與結果係如下表1所示。
表1中之比較例1的有機薄膜電晶體元件使用無機材料氧化鋁作為介電層，不但電子遷移率相較於本發明實施例1的電子遷移率低，且無可撓曲之特性，加上穩定性低、信賴性低，因此不適合工業量產。
比較例2之有機薄膜電晶體元件不但電子遷移率相較於本發明實施例1的電子遷移率低，且空氣穩定度低、不可撓，此外其製作過程需高溫，因此無法應用於軟性基板。
[比較例3-4]
使用如文獻1、以及文獻2中所描述之方法及材料分別製得比較例3、及比較例4之雙載子場效應電晶體元件，並進行元件特性測量。其條件與結果係如下表2所示。
表1中之比較例1的雙載子場效應電晶體元件使用無機材料氧化鋁作為介電層，不但電子遷移率相較於本發明實施例3的電子遷移率低，且無可撓曲之特性，加上穩定性低、信賴性低，因此不適合工業量產。
比較例2之雙載子場效應電晶體元件不但電子遷移率相較於本發明實施例3的電子遷移率低，且空氣穩定度低、不可撓，此外其製作過程需高溫，因此無法應用於軟性基板。
綜上所述，本發明中，使用蠶絲蛋白來做為介電層材料，有幾項特點：(一)提高電晶體電子及/或電洞遷移率；(二)可撓曲；以及(三)穩定性佳。本發明利用蠶絲蛋白作為閘極介電層，可以大幅提升五苯環的薄膜結晶性，藉此提升碳60薄膜的緻密性，使得碳60薄膜電晶體的電子遷移率有大幅度提升以及增強其在空氣中的穩定度。因此，本發明之N型有機薄膜電晶體及/或雙載子場效應電晶體可以應用於軟性電子產品上。並且，本發明為本領域首先將可撓的蠶絲蛋白使用於N型碳60有機薄膜電晶體及/或雙載子場效應電晶體之技術。
蠶絲蛋白具有可撓性以及價格便宜的特性，故可視為一種極佳之軟性電子元件的介電材料。本發明以蠶絲蛋白膜為閘極介電層，在其上鍍上五苯環(當作緩衝層及/或P型有機半導體層)以及碳60、PTCDI-C8、或其他相似物等N型有機半導體層，製作出N型有機薄膜電晶體及/或雙載子場效應電晶體。此N型有機薄膜電晶體及/或雙載子場效應電晶體的特性非常好，可以應用於各種更複雜之軟性電子元件(可撓式電子產品)上，如：CMOS或OLET等元件，具有極佳的經濟價值。
此外，在習知的技術中，碳60是個極度對水氣、氧氣敏感的材料，因此在性質量測時，都須在氮氣或是真空中進行，以抑制水、及氧氣對元件的影響。本發明所製作之N型有機薄膜電晶體具備了高空氣穩定性，即使放置於大氣中量測電子遷移率，仍可維持約7-15cm2 /Vs；且本發明所製作之雙載子場效應電晶體之電子遷移率於大氣中量測可維持約4 cm2 /Vs-13 cm2 /Vs。因此，本發明之N型有機薄膜電晶體及/或雙載子場效應電晶體具備有高電子遷移率以及良好的空氣穩定性(Air-stable)，故具相當高的產業應用價值。
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。
10,30．．．基板
11,31．．．閘極
12,32．．．閘極介電層
13．．．有機半導體層
33．．．N型有機半導體層
14,34．．．源極
15,35．．．汲極
5．．．緩衝層
7．．．P型有機半導體層
9．．．N型有機半導體層
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2A-2E係本發明實施例1之上接觸式N型有機薄膜電晶體之製作流程之剖面示意圖。
圖3係本發明實施例1之N型有機薄膜電晶體傳輸特性測試圖。
圖4係本發明實施例1之N型有機薄膜電晶體輸出特性測試圖。
圖5A-5D係本發明實施例2之下接觸式N型有機薄膜電晶體之製作流程之剖面示意圖。
圖6A-6D係本發明實施例3之上接觸式雙載子場效應電晶體之製作流程之剖面示意圖。
圖7A係本發明實施例3之雙載子場效應電晶體，在閘極正偏壓之傳輸特性測試圖。
圖7B係本發明實施例3之雙載子場效應電晶體，在閘極負偏壓之傳輸特性測試圖。
圖8A係本發明實施例3之雙載子場效應電晶體，在閘極正偏壓之輸出特性測試圖。
圖8B係本發明實施例3之雙載子場效應電晶體，在閘極負偏壓之輸出特性測試圖。
圖9A-9C係本發明實施例4之下接觸式雙載子場效應電晶體之製作流程之剖面示意圖。
圖10A-10C係本發明實施例5之中接觸式雙載子場效應電晶體之製作流程之剖面示意圖。
圖11係本發明實施例7之上接觸式N型有機薄膜電晶體傳輸特性測試圖。
圖12本發明實施例7之上接觸式N型有機薄膜電晶體輸出特性測試圖。
圖13係本發明實施例8之上接觸式雙載子場效應電晶體，在閘極正偏壓之傳輸特性測試圖。
圖14係本發明實施例8之上接觸式雙載子場效應電晶體，在閘極正偏壓之輸出特性測試圖。
30．．．基板
31．．．閘極
32．．．閘極介電層
33．．．有機半導體層
34．．．源極
35．．．汲極
5．．．緩衝層

Claims (45)

  1. 一種N型有機薄膜電晶體，其係包括：一基板；一閘極，係設置於該基板上；一閘極介電層，係覆蓋該閘極，且該閘極介電層之材質係蠶絲蛋白；一緩衝層，係設置於該閘極介電層上，且該緩衝層之材質係五苯環；一N型有機半導體層，係設置於該緩衝層上；以及一源極與一汲極，其中，該N型有機半導體層、該緩衝層、該源極、以及該汲極係配置於該閘極介電層上方。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之N型有機薄膜電晶體，其中，該蠶絲蛋白係為絲心蛋白(fibroin)。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之N型有機薄膜電晶體，其中，該閘極介電層係具有一單層結構或一多層結構。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之N型有機薄膜電晶體，其中，該N型有機半導體層之材質係碳60或PTCDI-C8(N,N'-聯苯-3,4,9,10-芘二甲西先亞胺(N,N'-DIOCTYL-3,4,9,10-PERYLENEDICARBOXIMIDE))。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之N型有機薄膜電晶體，其中，該緩衝層之厚度係1nm-20nm，該N型有機半導體層之厚度係10nm-150nm。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之N型有機薄膜電晶體，其中，當使用碳60作為N型有機半導體層時，該有機薄膜電晶體的電子遷移率係7 cm2 /Vs-15 cm2 /Vs。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之N型有機薄膜電晶體，其中，該閘極介電層之厚度係100nm-800nm。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之N型有機薄膜電晶體，其中，當該N型有機薄膜電晶體為一上接觸式N型有機薄膜電晶體時，該N型有機半導體層係完全覆蓋該緩衝層，該緩衝層係完全覆蓋該閘極介電層，而該源極與該汲極係配置於該N型有機半導體層上。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之N型有機薄膜電晶體，其中，當該N型有機薄膜電晶體為一下接觸式N型有機薄膜電晶體時，該源極與該汲極係配置於該緩衝層與該閘極介電層之間，使該緩衝層係覆蓋該部分之閘極介電層、該源極、以及該汲極。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之N型有機薄膜電晶體，其中，該基板係選自由：一塑膠基板、一玻璃基板、一石英基板、一矽基板、及一紙基板所組成之群組。
  11. 一種N型有機薄膜電晶體之製備方法，係包括步驟：(A)　提供一基板；(B)　形成一閘極於該基板上；(C)　形成一閘極介電層使覆蓋該閘極，且該閘極介電層之材質係蠶絲蛋白；以及(D)　形成一包含有一緩衝層以及一N型有機半導體層之雙層結構、一源極、以及一汲極於該閘極介電層上；其中，該緩衝層之材質係五苯環。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之N型有機薄膜電晶體之製備方法，其中，步驟(D)中，該N型有機半導體層之材質係碳60或PTCDI-C8。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之N型有機薄膜電晶體之製備方法，其中，步驟(D)中，N型有機半導體層係以蒸鍍方法形成，且蒸鍍之基板溫度係25℃-100℃。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之N型有機薄膜電晶體之製備方法，其中，該步驟(C)係包括以下步驟：(C1)提供一蠶絲蛋白溶液；(C2)塗佈該蠶絲蛋白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蠶絲蛋白溶液中；以及(C3)乾燥該塗佈於基板之蠶絲蛋白溶液，以於該基板及該閘極上形成一閘極介電層。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之N型有機薄膜電晶體之製備方法，其中，該步驟(C)之蠶絲蛋白係絲心蛋白。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之N型有機薄膜電晶體之製備方法，其中，該步驟(C1)之蠶絲蛋白溶液之pH值係介於2~6。
  17. 如申請專利範圍第11項所述之N型有機薄膜電晶體之製備方法，其中，該N型有機半導體層之材質係碳60或PTCDI-C8。
  18. 如申請專利範圍第11項所述之N型有機薄膜電晶體之製備方法，其中，該緩衝層之厚度係1nm-20nm，該N型有機半導體層之厚度係10nm-150nm。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之N型有機薄膜電晶體之製備方法，其中，當使用碳60作為N型有機半導體層時，該的N型有機薄膜電晶體之電子遷移率係7 cm2 /Vs-15 cm2 /Vs。
  20. 如申請專利範圍第11項所述之N型有機薄膜電晶體之製備方法，其中，該閘極介電層之厚度係100nm-800nm。
  21. 如申請專利範圍第11項所述之N型有機薄膜電晶體之製備方法，其中，於該步驟(D)中，該N型有機半導體層係完全覆蓋該緩衝層，該緩衝層係完全覆蓋該閘極介電層，而該源極與該汲極係配置於該N型有機半導體層上，以形成一上接觸式N型有機薄膜電晶體。
  22. 如申請專利範圍第11項所述之N型有機薄膜電晶體之製備方法，其中，於該步驟(D)中，該源極與該汲極係配置於該緩衝層與該閘極介電層之間，使該緩衝層係覆蓋該部分之閘極介電層、該源極、以及該汲極，以形成一下接觸式N型有機薄膜電晶體。
  23. 一種雙載子場效應電晶體，係包括：一基板；一閘極，係設置於該基板上；一閘極介電層，係覆蓋該閘極，且該閘極介電層之材質係蠶絲蛋白；一P型有機半導體層，係設置於該閘極介電層上，且該P型有機半導體層之材質係五苯環；一N型有機半導體層，係設置於該P型有機半導體層上；以及一源極與一汲極，其中，該P型有機半導體層、該N型有機半導體層、該源極、以及該汲極係配置於該閘極介電層上方。
  24. 如申請專利範圍第23項所述之雙載子場效應電晶體，其中，該N型有機半導體層之材質係碳60、或PTCDI-C8。
  25. 如申請專利範圍第23項所述之雙載子場效應電晶體，其中，該蠶絲蛋白係絲心蛋白。
  26. 如申請專利範圍第23項所述之雙載子場效應電晶體，其中，該閘極介電層係具有一單層結構或一多層結構。
  27. 如申請專利範圍第23項所述之雙載子場效應電晶體，其中，該P型有機半導體層之厚度係3nm-60nm，該N型有機半導體層之厚度係10nm-100nm。
  28. 如申請專利範圍第24項所述之雙載子場效應電晶體，其中，當使用碳60以及五苯環分別作為N型有機半導體層以及P型有機半導體層時，該雙載子場效應電晶體之電子遷移率係4 cm2 /Vs-13 cm2 /Vs，該雙載子場效應電晶體之電洞遷移率係4 cm2 /Vs-13 cm2 /Vs。
  29. 如申請專利範圍第23項所述之雙載子場效應電晶體，其中，該閘極介電層之厚度係100nm-800nm。
  30. 如申請專利範圍第23項所述之雙載子場效應電晶體，其中，該雙載子場效應電晶體為一上接觸式雙載子場效應電晶體時，該N型有機半導體層係完全覆蓋該P型有機半導體層，該P型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配置於該N型有機半導體層上。
  31. 如申請專利範圍第23項所述之雙載子場效應電晶體，其中，該雙載子場效應電晶體為一中間接觸式雙載子場效應電晶體時，該源極與該汲極係配置於該N型有機半導體層與P型有機半導體層之間，該P型有機半導體層係完全覆蓋該閘極介電層。
  32. 如申請專利範圍第23項所述之雙載子場效應電晶體，其中，該雙載子場效應電晶體為一下接觸式雙載子場效應電晶體時，該源極與該汲極係配置於該P型有機半導體層與該閘極介電層之間，使該P型有機半導體層係覆蓋該部分之閘極介電層、該源極、以及該汲極。
  33. 如申請專利範圍第23項所述之雙載子場效應電晶體，其中，該基板係選自由：一塑膠基板、一玻璃基板、一石英基板、一矽基板、及一紙基板所組成之群組。
  34. 一種雙載子場效應電晶體之製備方法，係包括步驟：(A)　提供一基板；(B)　形成一閘極於該基板上；(C)　形成一閘極介電層使覆蓋該閘極，且該閘極介電層之材質係蠶絲蛋白；以及(D)　形成一複層結構包含有一P型有機半導體層、一N型有機半導體層、一源極、以及一汲極於該閘極介電層上；其中，該P型有機半導體層之材質係五苯環。
  35. 如申請專利範圍第34項所述之雙載子場效應電晶體之製備方法，其中，該N型有機半導體層之材質係碳60或PTCDI-C8。
  36. 如申請專利範圍第34項所述之雙載子場效應電晶體之製備方法，其中，步驟(D)中，該N或P型有機半導體層係以蒸鍍方法形成，且蒸鍍之基板溫度係25℃-100℃。
  37. 如申請專利範圍第34項所述之雙載子場效應電晶體之製備方法，其中，該步驟(C)之蠶絲蛋白係絲心蛋白。
  38. 如申請專利範圍第34項所述之雙載子場效應電晶體之製備方法，其中，該步驟(C)係包括以下步驟：(C1)提供一蠶絲蛋白溶液；(C2)塗佈該蠶絲蛋白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蠶絲蛋白溶液中；以及(C3)乾燥該塗佈於基板之蠶絲蛋白溶液，以於該基板及該閘極上形成一閘極介電層。
  39. 如申請專利範圍第38項所述之雙載子場效應電晶體之製備方法，其中，該步驟(C1)之蠶絲蛋白溶液之pH值係介於2~6。
  40. 如申請專利範圍第34項所述之雙載子場效應電晶體之製備方法，其中，該P型有機半導體層之厚度係3nm-60nm，該N型有機半導體層之厚度係10nm-100nm。
  41. 如申請專利範圍第35項所述之雙載子場效應電晶體之製備方法，其中，當使用碳60以及五苯環分別作為N型有機半導體層以及P型有機半導體層時，該雙載子場效應電晶體之電子遷移率係4 cm2 /Vs-13 cm2 /Vs，該雙載子場效應電晶體之電洞遷移率係4 cm2 /Vs-13 cm2 /Vs。
  42. 如申請專利範圍第34項所述之雙載子場效應電晶體之製備方法，其中，該閘極介電層之厚度係100nm-800nm。
  43. 如申請專利範圍第34項所述之雙載子場效應電晶體之製備方法，其中，於該步驟(D)中，該N型有機半導體層係完全覆蓋該P型有機半導體層，該P型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配置於該N型有機半導體層上，以形成一上接觸式雙載子場效應電晶體。
  44. 如申請專利範圍第34項所述之雙載子場效應電晶體之製備方法，其中，於該步驟(D)中，該源極與該汲極係配置於該N型有機半導體層與P型有機半導體層之間，該P型有機半導體層係完全覆蓋該閘極介電層，以形成一中接觸式雙載子場效應電晶體。
  45. 如申請專利範圍第34項所述之雙載子場效應電晶體之製備方法，其中，於該步驟(D)中，該源極與該汲極係配置於該P型有機半導體層與該閘極介電層之間，使該P型有機半導體層係覆蓋該部分之閘極介電層、該源極、以及該汲極，以形成一下接觸式雙載子場效應電晶體。
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