TWI689116B - 自體雙載子有機互補式反相器型之溫度感測器及其製造方法 - Google Patents
自體雙載子有機互補式反相器型之溫度感測器及其製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
一種自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器及其製造方法,係以自體雙載子有機半體導材料製成的CMOS溫度感測器,利用雙載子在通道傳輸發生復合與釋放的過程,造成電壓轉換特性曲線產生極大的遲滯現象,根據順逆向切換電壓差與溫度變化之線性關係,做為溫度量測之基準,自體雙載子有機CMOS操作在第一象限,其線性度可達0.96,靈敏度可達-460mV/℃,操作在第三象限,其線性度可達0.99,靈敏度可達390mV/℃,已經具備商業應用需求。藉此,本發明其單顆有機雙極性CMOS互補式反相器即可量測溫度,且順逆向切換電壓差與溫度成線性關係,又不受環境光源干擾,可解決複雜之電路設計、校正電路、及環境光源之影響,而使本發明具低成本、低溫與簡單製造之特點,且可相容於各種基板,如軟性基板,非常適用於穿戴式行動裝置。
Description
本發明係有關於一種自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器及其製造方法,尤指涉及一種提供製作以有機雙極性通道為主的CMOS互補式反相器當溫度感測器之製作原理與方法者。
通常,在一般的無機互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,CMOS)溫度感測器,主要係利用基本電性參數與溫度變化之間的線性關係,而達到測量溫度之效果,例如量測電阻對溫度、電壓對溫度或電流對溫度之線性曲線,取線性回歸即可獲得溫度梯度,然而此類溫感器仍需搭配複雜之補償電路,用以修正基本電性參數隨溫度漂移,造成量測上之誤差。
目前的現有技術中,包括下列三種:
1.雙極性接面式電晶體(bipolar junction transistors,BJT)溫度感測器:係利用n-型及p-型無機半導體組成之三明治結構元件,其能隙電壓(bandgap voltage)可設計正比於絕對溫度電壓(proportional to absolute temperature,PTAT),製作溫度感測器。惟其缺點在於,當欲提高解析度,所使用的晶片面積也將越大,且受製程變異(Process Variation)影響,製作之積體電路(integrated circuit,IC)會與原先設計值差異極大。另外,一般
情況會搭配電阻使用,此將佔去大量面積。
2.金氧半場效電晶體(metal-oxide-semiconductor field-effect transistors,MOSFET)溫度感測器:係利用MOSFET操作在次臨界區(sub-threshold region)時,漏電流與溫度之間之指數關係,製作溫度感測器。惟其缺點在於,其感測溫度範圍落在室溫(25℃)至90℃,較不符合商業需求。再者,漏電流與溫度之間是指數關係,非線性關係,因此需要設計補償電路,以校正正確溫度值。
3.有機單載子薄膜式電晶體溫度感測器:係利用汲極電流大小與溫度變化關係,製作溫度感測器。惟其缺點在於,其汲極電流大小容易受到環境氣氛及光源影響,使得測量溫度不準確。
據此,故,一般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。
本發明之主要目的係在於,克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種利用自體雙載子在通道內復合與解離過程,造成電壓轉換特性曲線產生極大之遲滯效應,根據順逆向掃描電壓差與溫度變化可達到良好之線性關係及靈敏度,以此做為溫度感測使用之自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器。
為達以上之目的,本發明係一種自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器,係包括:一基板,可選擇軟性或硬性材質;一閘極層,係形成於該基板上;一介電層,係形成於該閘極層上,用以幫助元件通道形及降低漏電流;一修飾層,係形成於該介電層上,用以幫助平衡雙載子傳輸效率;一雙載子有機主動層,係形成於該修飾層上;以及三電極層,包含第一電極、第二電極、及
第三電極,係分別形成於該雙載子有機主動層上,其中以該雙載子有機主動層上之第一、二電極界定為第一顆雙載子電晶體,並在該第一、二電極之間形成一第一通道;另以該雙載子有機主動層上之第二、三電極界定為第二顆雙載子電晶,並在該第二、三電極之間形成一第二通道。
於本發明上述實施例中,該閘極層材料係選用金屬、高分子電極、或重摻雜之n型或p型無機半導體。
於本發明上述實施例中,該介電層材料係選用絕緣材料、鐵電材料、電解質材料、奈米材料或其它具介電性之材料。
於本發明上述實施例中,該絕緣材料係為二氧化矽。
於本發明上述實施例中,該修飾層材料係選用絕緣材料、鐵電材料、電解質材料、或奈米材料。
於本發明上述實施例中,該修飾層係為高分子絕緣材料,並可為聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)、或聚苯乙烯(polystyrene)。
於本發明上述實施例中,該雙載子有機主動層係選用自體雙載子有機小分子或高分子半導體材料。
於本發明上述實施例中,該雙載子有機主動層係為五環素(pentacene)。
於本發明上述實施例中,該第一通道之寬長比範圍介於2~5,該第二通道之寬長比範圍介於30~60。
本發明更係一種自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器之製造方法,其至少包含下列步驟:(A)元件製備步驟:製備上述所載自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器元件;(B)
感測溫度步驟:以上述元件進行溫度量測,該元件中雙載子有機主動層可同時做為正性金氧半導體及負性金氧半導體使用;以及(C)獲得溫度經驗公式步驟:利用順逆向切換電壓差與溫度變化之作圖,得到溫度經驗公式,做為溫度量測基準值。
於本發明上述實施例中,該步驟(C)係包括下列步驟:(C1)給定任意輸入電壓值(VDD)及電壓參考基點(VGND),當兩數值同時為正,即定義此元件為第一象限操作;當兩數值同時為負,則定義此元件為第三象限操作;(C2)將此元件遭遇不同環境溫度下所獲得輸出電壓(Vout)與任意輸入閘極電壓(Vin)作圖;以及(C3)記錄順逆向切換電壓差與溫度變化關係。
1:自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器
1a:第一顆雙載子電晶體
1b:第二顆雙載子電晶體
10:基板
11:閘極層
12:介電層
13:修飾層
14:雙載子有機主動層
15:電極層
15a:第一電極
15b:第二電極
15c:第三電極
16a:第一通道
16b:第二通道
s101~s103:步驟
第1圖,係本發明自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器之結構示意圖。
第2圖,係本發明以界面修飾方法產生之自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器元件示意圖。
第3圖,係本發明以調整導電通道方法產生高電性匹配度之自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器元件示意圖。
第4圖,係本發明之第一及第三象限順逆向切換電壓差與溫度關係圖。
第5圖,係本發明之選定溫度下輸出與輸入電壓關係圖。
第6圖,係本發明自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器之實施流程示意圖。
請參閱『第1圖~第6圖』所示,係分別為本發明自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器之結構示意圖、本發明以界面修飾方法產生之自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器元件示意圖、本發明以調整導電通道方法產生高電性匹配度之自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器元件示意圖、本發明之第一及第三象限順逆向切換電壓差與溫度關係圖、本發明之選定溫度下輸出與輸入電壓關係圖、以及本發明自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器之實施流程示意圖。
如圖所示:本發明係一種自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器及其製造方法,係提供製作以有機雙極性通道為主之CMOS互補式反相器當溫度感測器之製作原理與方法。此自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器1包括一基板10,可選擇軟性或硬性材質;一閘極層11,係形成於該基板10上,其材料可選用金屬、高分子電極、或重摻雜之n型或p型無機半導體;一介電層12,係形成於該閘極層11上,其材料可選用絕緣材料、鐵電材料、電解質材料、奈米材料或其它具介電性之材料等,例如採用絕緣材料,並可為二氧化矽;一修飾層13,係形成於該介電層12上,其材料可選用絕緣材料、鐵電材料、電解質材料、或奈米材料,透過適當控制達到最優化狀態,例如採用高分子絕緣材料,並可為聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)、或聚苯乙烯(polystyrene);一雙載子有機主動層14,係形成於該修飾層13上,可選用自體雙載子有機小分子或高分子半導體材料;以及三電極層15,包含第一電極15a、
第二電極15b、及第三電極15c,係分別形成於該雙載子有機主動層14上,其中以該雙載子有機主動層14上之第一、二電極15a、15b界定為第一顆雙載子電晶體1a,並在該第一、二電極15a、15b之間形成一第一通道16a,該第一通道16a之寬長比(W/L)範圍介於2~5;另以該雙載子有機主動層14上之第二、三電極15b、15c界定為第二顆雙載子電晶體1b,並在該第二、三電極15b、15c之間形成一第二通道16b,該第二通道16b之寬長比範圍介於30~60。
本發明係利用自體雙載子在通道內復合與解離過程,造成電壓轉換特性曲線產生極大的遲滯效應,根據順逆向掃描電壓差與溫度變化可達到良好的線性關係及靈敏度,以此做為溫度感測使用。而要產生明顯的遲滯曲線,必需使用具備自體雙載子傳輸特性之有機半導體做為元件主動層,此外主動層與基板之間的介電層、修飾層以及載子傳輸道通之幾何結構也會影響雙載子傳輸效率進而影響遲滯大小。
當運用時,於一較佳實施例中,製備上述自體雙載子有機互補式反相器型做為溫度感測器1之實施步驟為:元件製備步驟s101,選用軟性或硬性材質為基板10,依序於該基板10上成長閘極層11、介電層12、修飾層13、雙載子有機主動層14及三電極層15,此元件架構如第1圖所示。
該三電極層15分別為第一電極15a、第二電極15b、及第三電極15c,並在該第一、二電極15a、15b之間形成有第一通道16a,構成第一顆雙載子電晶體1a,於本實施例中,該第一通道16a寬長比可為5;另在該第二、三電極15
b、15c之間形成有第二通道16b,構成第二顆雙載子電晶體1b,於本實施例中,該第二通道16b寬長比可為60,如第2、3圖所示。
其中,本實施例在該修飾層13與該閘層層11之間成長之介電層12材料,為用以幫助元件通道形及降低漏電流,該介電層12材料包括絕緣材料、鐵電材料、電解質材料、奈米材料、或其它具介電性的材料等,採用二氧化矽為介電層材料。
本實施例在該雙載子有機主動層14與該介電層12之間成長之修飾層13材料為用以幫助平衡雙載子傳輸效率者,該修飾層13材料包括絕緣材料、鐵電材料、電解質材料、奈米材料等,透過適當控制達到最優化狀態,而本實施例修飾層13以PMMA修飾層為例,可達成調控有效雙載子復合行為的良好條件。並且,本實施例係採用五環素(pentacene)做為主動層材料。
感測溫度步驟s102,本發明以上述製備所得自體雙載子有機互補式反相器型做為溫度感測器1,利用調控通道長寬比來達到平衡雙載子遷移率與臨界電壓,進而控制遲滯大小來得到良好之順逆向切換電壓差(ΔVs)與溫度之線性關係。當進行溫度量測時,此元件中雙載子有機主動層14可同時做為正性半導體元件通道及負性半導體元件通道使用。獲得溫度經驗公式步驟s103,利用順逆向切換電壓差(y軸)與溫度變化(x軸)之作圖,得到溫度經驗公式,做為溫度量測基準值,自體雙載子有機CMOS操作在第一象限,其線性度可達0.96,靈敏度可達-460mV/℃,操作在第三象限,其線性度可達0.99,靈敏度可達390mV/℃,如第4圖所示。
其實施方法為,給定任意輸入電壓值(VDD)及電壓參考基點(VGND),當兩數值同時為正,即定義此元件為第一象限操作;當兩數值同時為負,則定義此元件為第三象限操作。將此元件遭遇不同環境溫度下所獲得輸出電壓(Vout)與任意輸入閘極電壓(Vin)作圖,如第5圖所示。最後,記錄順逆向切換電壓差與溫度變化關係。
本發明係以自體雙載子有機半體導材料製成的CMOS溫度感測器,利用雙載子在通道傳輸發生復合與釋放的過程,造成電壓轉換特性曲線產生極大的遲滯現象,根據順逆向切換電壓差與溫度變化之線性關係,做為溫度量測之基準,自體雙載子有機CMOS操作在第一象限,其線性度可達0.96,靈敏度可達-460mV/℃,操作在第三象限,其線性度可達0.99,靈敏度可達390mV/℃,已經具備商業應用需求。
藉此,本發明所提技術可解決複雜之電路設計、校正電路、及環境光源之影響,而單顆有機雙極性CMOS互補式反相器即可量測溫度,且順逆向切換電壓差與溫度成線性關係,又不受環境光源干擾,使本發明具低成本、低溫與簡單製造之特點,且可相容於各種基板,如軟性基板,非常適用於穿戴式行動裝置。
本發明之必要技術特徵在於:
1.相較於傳統前案選用不同電性參數與溫度的關係之差異,例如雙極性接面式電晶體溫度感測器係能隙電壓與溫度之關係做為量測基準,而本發明係利用電壓轉換曲線之順逆向切換電壓差與溫度之線性關係的特徵,做為量測溫度基準。
2.相較於傳統前案有機單載子薄膜式電晶體溫度感測器其修飾
層並無特定要求,而本發明係透過調控修飾層結構以達最佳化雙載子復合行為,增加遲滯大小。
因此,使本發明可適用於以下產業、產品與技術領域及其相應之應用方式:
1.溫度測量(Temperature detector):數位式電子溫度計、穿載式電子溫度計、仿生人工皮膚。
2.溫度監控(Temperature monitor):防止電子晶片因使用溫度過高而損壞,適用於監控中央處理器、顯示晶片、記憶體、固態硬碟、感光耦合元件、發光二極體、及行動裝置電池等元件之溫度。
3.溫度維持(Temperature controller):配合電路設計,可應用於智慧型恆溫控制系統。
綜上所述,本發明係一種自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器及其製造方法,可有效改善習用之種種缺點,係提供製作以有機雙極性通道為主之CMOS互補式反相器當溫度感測器之製作原理與方法,其單顆有機雙極性CMOS互補式反相器即可量測溫度,且順逆向切換電壓差與溫度成線性關係,又不受環境光源干擾,可有效解決複雜之電路設計、校正電路、及環境光源之影響,進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須,確已符合發明專利申請之要件,爰依法提出專利申請。
惟以上所述者,僅為本發明之較佳實施例而已,當不能以此限定本發明實施之範圍;故,凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾,皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1:自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器
1a:第一顆雙載子電晶體
1b:第二顆雙載子電晶體
11:閘極層
12:介電層
13:修飾層
14:雙載子有機主動層
15:電極層
15a:第一電極
15b:第二電極
15c:第三電極
16a:第一通道
16b:第二通道
Claims (19)
- 一種自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器,係包括:一基板,可選擇軟性或硬性材質;一閘極層,係形成於該基板上;一介電層,係形成於該閘極層上,用以幫助元件通道形及降低漏電流;一修飾層,係形成於該介電層上,用以幫助平衡雙載子傳輸效率;一雙載子有機主動層,係形成於該修飾層上;以及三電極層,包含第一電極、第二電極、及第三電極,係分別形成於該雙載子有機主動層上,其中以該雙載子有機主動層上之第一、二電極界定為第一顆雙載子電晶體,並在該第一、二電極之間形成一第一通道;另以該雙載子有機主動層上之第二、三電極界定為第二顆雙載子電晶體,並在該第二、三電極之間形成一第二通道。
- 依申請專利範圍第1項所述之自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器,其中,該閘極層材料係選用金屬、高分子電極、或重摻雜之n型或p型無機半導體。
- 依申請專利範圍第1項所述之自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器,其中,該介電層材料係選用絕緣材料、鐵電材料、電解質材料、奈米材料或其它具介電性之材料。
- 依申請專利範圍第3項所述之自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器,其中,該絕緣材料係為二氧化矽。
- 依申請專利範圍第1項所述之自體雙載子有機互補式反相器型溫 度感測器,其中,該修飾層材料係選用絕緣材料、鐵電材料、電解質材料、或奈米材料。
- 依申請專利範圍第1或5項所述之自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器,其中,該修飾層係為高分子絕緣材料,並可為聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)、或聚苯乙烯(polystyrene)。
- 依申請專利範圍第1項所述之自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器,其中,該雙載子有機主動層係選用自體雙載子有機小分子或高分子半導體材料。
- 依申請專利範圍第1或7項所述之自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器,其中,該雙載子有機主動層係為五環素(pentacene)。
- 依申請專利範圍第1項所述之自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器,其中,該第一通道之寬長比範圍介於2~5,該第二通道之寬長比範圍介於30~60。
- 一種自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器之製造方法,其至少包含下列步驟:(A)元件製備步驟:選擇一軟性或硬性材質為基板,依序在該基板上形成一閘極層、一介電層、一修飾層、及一雙載子有機主動層,並在該雙載子有機主動層上形成三電極層,分別為第一電極、第二電極、及第三電極,其中以該雙載子有機主動層上之第一、二電極界定為第一顆雙載子電晶體,以及以該雙載子有機主動層上之第二、三電極界定為第二顆雙載子電晶體,在該第一、二電極之間形成有一第一通道,而在該第二、三電極之間形 成有一第二通道;(B)感測溫度步驟:以上述元件進行溫度量測,該元件中雙載子有機主動層可同時做為正性半導體元件通道及負性半導體元件通道使用;以及(C)獲得溫度經驗公式步驟:利用順逆向切換電壓差與溫度變化之作圖,得到溫度經驗公式,做為溫度量測基準值。
- 依申請專利範圍第10項所述之自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器之製造方法,其中,該步驟(C)係包括下列步驟:(C1)給定任意輸入電壓值(VDD)及電壓參考基點(VGND),當兩數值同時為正,即定義此元件為第一象限操作;當兩數值同時為負,則定義此元件為第三象限操作;(C2)將此元件遭遇不同環境溫度下所獲得輸出電壓(Vout)與任意輸入閘極電壓(Vin)作圖;以及(C3)記錄順逆向切換電壓差與溫度變化關係。
- 依申請專利範圍第10項所述之自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器之製造方法,其中,該閘極層材料係選用金屬、高分子電極、或重摻雜之n型或p型無機半導體。
- 依申請專利範圍第10項所述之自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器之製造方法,其中,該介電層材料係選用絕緣材料、鐵電材料、電解質材料、奈米材料或其它具介電性之材料。
- 依申請專利範圍第13項所述之自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器之製造方法,其中,該絕緣材料係為二氧化矽。
- 依申請專利範圍第10項所述之自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器之製造方法,其中,該修飾層材料係選用絕緣材料、 鐵電材料、電解質材料、或奈米材料。
- 依申請專利範圍第10項所述之自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器之製造方法,其中,該修飾層係為高分子絕緣材料,並可為聚甲基丙烯酸甲酯、或聚苯乙烯。
- 依申請專利範圍第10項所述之自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器之製造方法,其中,該雙載子有機主動層係選用自體雙載子有機小分子或高分子半導體材料。
- 依申請專利範圍第10項所述之自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器之製造方法,其中,該雙載子有機主動層係為五環素。
- 依申請專利範圍第10項所述之自體雙載子有機互補式反相器型溫度感測器之製造方法,其中,該第一通道之寬長比範圍介於2~5,該第二通道之寬長比範圍介於30~60。
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2018
- 2018-09-26 TW TW107133911A patent/TWI689116B/zh active
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