본 논문에서는 SiNx와 SiO2를 절연막으로 하는 유리기판과 플라스틱 기판에 MIM 구조로 누설전류를 측정하였으며 이러한 결과를 바탕으로 유리기판과 플라스틱 기판에 펜타센(Pentacene)을 활성층으로 사용하는 Organic Thin Film Transistor (OTFT)를 제작하여 전기적 특성을 조사하였다. 우선, 현재 ...
본 논문에서는 SiNx와 SiO2를 절연막으로 하는 유리기판과 플라스틱 기판에 MIM 구조로 누설전류를 측정하였으며 이러한 결과를 바탕으로 유리기판과 플라스틱 기판에 펜타센(Pentacene)을 활성층으로 사용하는 Organic Thin Film Transistor (OTFT)를 제작하여 전기적 특성을 조사하였다. 우선, 현재 LCD 디스플레이 공정에서 사용하고 있는 SiNx 절연막이 형성된 유리기판을 사용하여 그 위에 리소그라피(lithography) 공정으로 게이트, 소스, 드레인 패턴을 형성하고 게이트 전극으로는 Al, 소스/드레인 전극으로 Au를 사용하였으며 lift-off 공정으로 채널을 형성하였다. 펜타센 박막은 Organic Molecular Beam Deposition (OMBD)으로 증착하였으며, 펜타센 박막의 표면상태는 Atomic Force Microscope(AFM)로 관찰하였다. 본 연구실의 실험 결과에 따르면 펜타센 박막의 결정성을 향상시켜 전도도를 증가시키기 위해서는 기판온도도 높아야 하지만, 증착율이 더 큰 영향을 준다는 것을 알 수 있으며, 최적의 증착 조건은 기판온도 80℃, 증착율 0.3 Å/sec임을 알 수 있다. 제작된 펜타센 OTFT는 P형 FET의 I_D-V_D 출력특성 및 I_D-V_G 전달특성곡선을 나타내었고, 특성곡선으로부터 TFT의 성능지수들을 추출하였으며, 채널길이 50㎛에서 전하이동도도가 0.0019㎠/V·s로 특성이 가장 좋게 나왔다. I_ON/I_OFF 전류비는 약 10³으로 나타났으며, 문턱전압은 -0.2V, Sub-threshold slope은, 2.3V/dec 차단상태 최소 누설전류는 약 10^-10A 정도로 나타났다. 채널길이의 증가에 따라 전계 효과 이동도가 높은 경향이 있으며 이는 소스, 드레인 전극 가까이의 펜타센 박막 그레인 크기가 채널중앙의 그레인 크기보다 작기 때문에 나타나는 edge effect 때문이다. 이러한 열악한 값은 절연층의 누설 전류가 크고 절연층 표면이 거칠기 때문에 펜타센의 결정성에 영향을 미치기 때문이다. 따라서 SiNx보다 절연특성이 좋은 SiO2를 절연층으로 사용하였다. 일반적으로 SiO2는 절연특성은 좋으나 고온에서 성막하여야 되는 단점이 있으므로 열의 영향을 많이 받는 플라스틱 기판에 이용하기 위하여 저온 성막 공정이 필요하다. 저온 성막의 방법으로 IBS(Ion Beam Sputtering)법을 이용하여 SiO2을 플라스틱 기판위에 성막하였고 MIM구조를 이용하여 측정한 누설전류는 나노 단위로 작은 편이었다. 이러한 IBS법을 이용하여 플라스틱 기판위에 절연막을 형성하고 그 위에 OTFT 소자를 제작하는 방법으로 전하이동도가 ~10^-1㎠ /V·s 정도의 좋은 특성을 보이고 있으나 I_ON/I_OFF 전류비는 약 10², Sub-threshold slope은 ~12V/dec, 차단 전류는 ~10-7A 정도인 열악한 특성을 나타내는 소자를 제작할 수 있었다. 이같이 전하이동도는 좋으나 차단전류 및 동작·차단 전류비가 낮은 특성은 현재 디스플레이 구동소자로 가장 많이 쓰이고 있는 a-Si TFT의 특성과 비교할 때, 즉 전하이동도 ~1㎠/V·s 에 비해 아직 큰 차이가 있다. 이러한 불량한 소자의 특성은 플라스틱 기판위에 성막한 절연층의 표면 거칠기가 크고 계면특성이 떨어지며 절연막이 균일하지 않은데 주요원인이 있다. 따라서 플라스틱 OTFT를 디스플레이 구동소자로 응용하려면 절연층의 성막 및 그 계면처리에 관한 연구가 더 이루어져야 하며 더 나아가서 유전율이 높고 절연특성이 좋은 플라스틱 기판에 알맞은 새로운 절연체에 대한 연구가 필요하다.
본 논문에서는 SiNx와 SiO2를 절연막으로 하는 유리기판과 플라스틱 기판에 MIM 구조로 누설전류를 측정하였으며 이러한 결과를 바탕으로 유리기판과 플라스틱 기판에 펜타센(Pentacene)을 활성층으로 사용하는 Organic Thin Film Transistor (OTFT)를 제작하여 전기적 특성을 조사하였다. 우선, 현재 LCD 디스플레이 공정에서 사용하고 있는 SiNx 절연막이 형성된 유리기판을 사용하여 그 위에 리소그라피(lithography) 공정으로 게이트, 소스, 드레인 패턴을 형성하고 게이트 전극으로는 Al, 소스/드레인 전극으로 Au를 사용하였으며 lift-off 공정으로 채널을 형성하였다. 펜타센 박막은 Organic Molecular Beam Deposition (OMBD)으로 증착하였으며, 펜타센 박막의 표면상태는 Atomic Force Microscope(AFM)로 관찰하였다. 본 연구실의 실험 결과에 따르면 펜타센 박막의 결정성을 향상시켜 전도도를 증가시키기 위해서는 기판온도도 높아야 하지만, 증착율이 더 큰 영향을 준다는 것을 알 수 있으며, 최적의 증착 조건은 기판온도 80℃, 증착율 0.3 Å/sec임을 알 수 있다. 제작된 펜타센 OTFT는 P형 FET의 I_D-V_D 출력특성 및 I_D-V_G 전달특성곡선을 나타내었고, 특성곡선으로부터 TFT의 성능지수들을 추출하였으며, 채널길이 50㎛에서 전하이동도도가 0.0019㎠/V·s로 특성이 가장 좋게 나왔다. I_ON/I_OFF 전류비는 약 10³으로 나타났으며, 문턱전압은 -0.2V, Sub-threshold slope은, 2.3V/dec 차단상태 최소 누설전류는 약 10^-10A 정도로 나타났다. 채널길이의 증가에 따라 전계 효과 이동도가 높은 경향이 있으며 이는 소스, 드레인 전극 가까이의 펜타센 박막 그레인 크기가 채널중앙의 그레인 크기보다 작기 때문에 나타나는 edge effect 때문이다. 이러한 열악한 값은 절연층의 누설 전류가 크고 절연층 표면이 거칠기 때문에 펜타센의 결정성에 영향을 미치기 때문이다. 따라서 SiNx보다 절연특성이 좋은 SiO2를 절연층으로 사용하였다. 일반적으로 SiO2는 절연특성은 좋으나 고온에서 성막하여야 되는 단점이 있으므로 열의 영향을 많이 받는 플라스틱 기판에 이용하기 위하여 저온 성막 공정이 필요하다. 저온 성막의 방법으로 IBS(Ion Beam Sputtering)법을 이용하여 SiO2을 플라스틱 기판위에 성막하였고 MIM구조를 이용하여 측정한 누설전류는 나노 단위로 작은 편이었다. 이러한 IBS법을 이용하여 플라스틱 기판위에 절연막을 형성하고 그 위에 OTFT 소자를 제작하는 방법으로 전하이동도가 ~10^-1㎠ /V·s 정도의 좋은 특성을 보이고 있으나 I_ON/I_OFF 전류비는 약 10², Sub-threshold slope은 ~12V/dec, 차단 전류는 ~10-7A 정도인 열악한 특성을 나타내는 소자를 제작할 수 있었다. 이같이 전하이동도는 좋으나 차단전류 및 동작·차단 전류비가 낮은 특성은 현재 디스플레이 구동소자로 가장 많이 쓰이고 있는 a-Si TFT의 특성과 비교할 때, 즉 전하이동도 ~1㎠/V·s 에 비해 아직 큰 차이가 있다. 이러한 불량한 소자의 특성은 플라스틱 기판위에 성막한 절연층의 표면 거칠기가 크고 계면특성이 떨어지며 절연막이 균일하지 않은데 주요원인이 있다. 따라서 플라스틱 OTFT를 디스플레이 구동소자로 응용하려면 절연층의 성막 및 그 계면처리에 관한 연구가 더 이루어져야 하며 더 나아가서 유전율이 높고 절연특성이 좋은 플라스틱 기판에 알맞은 새로운 절연체에 대한 연구가 필요하다.
In this thesis, we fabricated pentacene OTFTs(organic thin film transistor) on galss and plastic substrate with SiNx and SiO₂ as gate insulator. First, we have selected the SiNx coated glass substrate that just used for LCD display, and fabricated OTFT device through lithography and lift-off process...
In this thesis, we fabricated pentacene OTFTs(organic thin film transistor) on galss and plastic substrate with SiNx and SiO₂ as gate insulator. First, we have selected the SiNx coated glass substrate that just used for LCD display, and fabricated OTFT device through lithography and lift-off process. For the gate electrode we used Al, and Au as source drain electrode. The pentacene organic layer was deposited by OMBD(Organic Molecular Beam Deposition), and examined their surface state by AFM(Atomic Forced Microscope). The optimum deposition condition was found to be the substrate temperature of 80℃ and a deposition rate of . The pentacene OTFT presented I_D-V_D characteristics and I_D-V_G transfer characteristics of a p-type FET. We extracted the electrical parameters from the characteristics such as a field-effect mobility of 0.0019㎠/V·s, a threshold voltage of -0.2V, a sub-threshold slope of 2.3V/dec, and an I_ON/I_OFF ratio of 10³. The mobility slightly increases with the channel length. The increase is due to the interaction of pentacene molecules with Au source and drain contact. It is difficult for pentacene molecules to aggregate in order and produce large grains on the surface as well as the around edges of Au contacts because there is not repulsion force between pentacene molecule and Au atoms. The rough surface of gate insulate layer causes the small grain and also produces the large surface scattering, producing the small mobility. So, instead of SiNx we use SiO₂ as gate insulator. Usually, SiO₂ layer is formed at high temperature. To deposit SiO₂ on plastic substrate, we must develop low temperature process. So we use IBS(Ion Beam Sputter) to sputter SiO₂ layer on plastic substrate and measure the leakage current by MIM structure for insulation test. The leakage current was in nA level. On this substrate we fabricated pentacene OTFT, and extracted a field-effect mobility of ~10^-1㎠ /V·s and an I_ON/I_OFF current ratio about 10² , sub-threshold slope ~12V/dec, off state current ~10-7A . Such a poor characteristics OTFTs except the relatively high mobility produced great difference comparing with a-Si TFTs. Such poor performance are caused by rough surface of gate insulator. Although pentacene OTFTs fabricated in this paper do not satisfy the requirements, yet if the fabrication process such as gate surface treatment process is improved, or a high K and good performance dielectric for plastic substrate is developed, then OTFTs performance can be much improved and can be applied to the flexible LCD display.
In this thesis, we fabricated pentacene OTFTs(organic thin film transistor) on galss and plastic substrate with SiNx and SiO₂ as gate insulator. First, we have selected the SiNx coated glass substrate that just used for LCD display, and fabricated OTFT device through lithography and lift-off process. For the gate electrode we used Al, and Au as source drain electrode. The pentacene organic layer was deposited by OMBD(Organic Molecular Beam Deposition), and examined their surface state by AFM(Atomic Forced Microscope). The optimum deposition condition was found to be the substrate temperature of 80℃ and a deposition rate of . The pentacene OTFT presented I_D-V_D characteristics and I_D-V_G transfer characteristics of a p-type FET. We extracted the electrical parameters from the characteristics such as a field-effect mobility of 0.0019㎠/V·s, a threshold voltage of -0.2V, a sub-threshold slope of 2.3V/dec, and an I_ON/I_OFF ratio of 10³. The mobility slightly increases with the channel length. The increase is due to the interaction of pentacene molecules with Au source and drain contact. It is difficult for pentacene molecules to aggregate in order and produce large grains on the surface as well as the around edges of Au contacts because there is not repulsion force between pentacene molecule and Au atoms. The rough surface of gate insulate layer causes the small grain and also produces the large surface scattering, producing the small mobility. So, instead of SiNx we use SiO₂ as gate insulator. Usually, SiO₂ layer is formed at high temperature. To deposit SiO₂ on plastic substrate, we must develop low temperature process. So we use IBS(Ion Beam Sputter) to sputter SiO₂ layer on plastic substrate and measure the leakage current by MIM structure for insulation test. The leakage current was in nA level. On this substrate we fabricated pentacene OTFT, and extracted a field-effect mobility of ~10^-1㎠ /V·s and an I_ON/I_OFF current ratio about 10² , sub-threshold slope ~12V/dec, off state current ~10-7A . Such a poor characteristics OTFTs except the relatively high mobility produced great difference comparing with a-Si TFTs. Such poor performance are caused by rough surface of gate insulator. Although pentacene OTFTs fabricated in this paper do not satisfy the requirements, yet if the fabrication process such as gate surface treatment process is improved, or a high K and good performance dielectric for plastic substrate is developed, then OTFTs performance can be much improved and can be applied to the flexible LCD display.
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