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整合噴墨技術與 CMOS 系統晶片

為了解決Sigma Fujifilm X mou的問題，作者李長鴻 這樣論述：

有機電子材料的發展，將賦予有機電子元件更多樣化的功能，例如具有生物相容性或氣體/化學感測特性的材料，能使有機元件應用在更多領域。然而有機電子電路受限於材料與製程的瓶頸，其運算效能仍難與矽晶片匹敵。若將有機電子與矽半導體元件，在晶片層面整合製作，即能兼取兩者之優點製作更多功能、高度整合且具有良好速度的新型晶片。本論文主要發展非接觸式噴墨印刷製程，噴印多種有機電子元件，並進一步將有機電子元件噴印於矽晶片表面，製作垂直堆疊結構，有效節省晶片面積的同時，亦提供整合度更高、更低功率的電子元件應用。以下為所研發之噴墨電子元件摘要介紹：1. 雙絕緣層可調變臨界電壓電晶體由可整合CMOS製程的電子電路著眼

，利用噴墨製程製作全噴墨全有機的電晶體元件，展現可在任意表面製作簡易電子電路的製程能力。並以局部噴印high-k / low-k雙絕緣層製程，利用氟系聚合物的壓電特性，使絕緣層中產生內建電場，調變電晶體的臨界電壓，實驗結果可由-13 V平移至10 V。以此特性在同一基板上製作空乏型與增強型電晶體，實現更有彈性的電路架構。2. 噴墨式濕度感測器為了展現以噴墨製程實現感測器整合晶片的潛力。以有機導電聚合物材料PEDOT:PSS與噴墨製程，製作低成本低功耗的濕度感測器元件，並驗證感測材料偵測其他氣體的可能性。感測材料添加二氧化矽以及鋁氧化鋅奈米顆粒，使其對水汽的感測靈敏度提昇一倍以上，且元件的穩定

性亦有顯著提昇。最後進一步以材料分析光譜探討感測機制成因。發現奈米顆粒對於水汽的物理吸附特性，使得混合感測材料的靈敏度有進一步提昇。3. 金屬、有機導電材料傳導介面於研究過程中亦發現，因材料的功函數差異，導電高分子材料與鋁金屬接面，會產生接觸電阻的問題。造成有機電子元件與矽晶片無法形成良好的歐姆接觸。初步研究使用奈米金溶液在鋁電極表面噴印一層奈米金薄膜，可以有效改善接觸問題。實驗將鋁金屬電極上噴印奈米金粒子薄膜作為中介層，再噴印一層PEDOT:PSS薄膜於兩電極中央通道，測量其導電性有明顯改善。4. 實做噴墨印刷濕度感測器整合電路晶片使用台積電0.35 μm製程技術以及BioMEMS後製程

，將濕度感測材料噴印於CMOS晶片上層金屬電極表面，製作整合感測晶片。由於有機導電材料可在室溫下感測的特性，使感測元件不需額外加溫器，因此可與CMOS晶片做垂直堆疊整合，相較於現有3D IC製程技術，噴墨印刷更適合於晶片表面直接製作氣體感測器陣列。感測器晶片操作在3V，平均功耗僅154 μW，為適於應用在室內空氣品質監測、物聯網、醫療照護的低功率感測晶片。