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유기물 반도체는 가벼우면서도 유연한 새로운 개념의 다양한 전자소자의 제작을 가능하게 하기 때문에 이미 20여 년 전부터 주목을 받아왔다. 본 연구에서는 여러 유기물 반도체 중에서 정공이동도가 높고 다른 유기 반도체에 비해 화학적 안정성 역시 높아 현재 그 이용도에 있어서 가장 전망이 밝은 물질로 꼽히는 펜타센이라는 물질을 박막 형태로 제조하여 그 박막의 전기적 성질을 분석하고 더 나아가 이를 응용한 유기 반도체 ...

유기물 반도체는 가벼우면서도 유연한 새로운 개념의 다양한 전자소자의 제작을 가능하게 하기 때문에 이미 20여 년 전부터 주목을 받아왔다. 본 연구에서는 여러 유기물 반도체 중에서 정공이동도가 높고 다른 유기 반도체에 비해 화학적 안정성 역시 높아 현재 그 이용도에 있어서 가장 전망이 밝은 물질로 꼽히는 펜타센이라는 물질을 박막 형태로 제조하여 그 박막의 전기적 성질을 분석하고 더 나아가 이를 응용한 유기 반도체 박막 트랜지스터를 제작하여 그 성능의 최적화를 시도하였다.먼저 펜타센 분말을 p형 실리콘 위에 열 증착법과 Energetic cluster evaporation으로 증착하여 만들어진 박막을 XRD 분석으로 비교하여 박막내의 결정구조 변화를 열역학적 에너지 공급에 의해 일어난 분자 간 Strain relaxation 기구로 설명할 수 있음을 제안하였다. 또한, Ellipsometry를 이용하여 측정한 광학적 성질과 알루미늄 전극위에 펜타센 박막을 증착하여 제작한 펜타센 Schottky diode의 광 응답도를 동시에 분석하여 펜타센 박막의 정확한 밴드갭과 엑시톤의 분해 에너지를 측정하고, 이론치와 비교하였다.위와 같은 일련의 실험을 토대로 얻은 펜타센의 물성을 바탕으로 펜타센을 활성층으로 하는 트랜지스터를 ITO기판 위에 상온에서 Sputter로 증착한 비정질 Al2O3를 유전층으로 하여 여러 공정 조건에서 제작하였다. 제조된 유기 박막 트랜지스터의 결과를 통해, 펜타센을 이용한 유기 트랜지스터가 최상의 특성을 보이기 위해서는 첫째, 유전층이 전하 운반자의 산란을 일으키는 표면 거칠기를 최소화하며, 높은 유전 용량 값을 가져서 전하를 효과적으로 축적할 수 있도록 누설전류를 막을 수 있는 한도 내에서 가장 얇은 두께를 갖도록 유전층을 제작하여야 하며, 둘째 상부 전극형 트랜지스터의 최적 성능을 위해서는 활성층으로 사용되는 펜타센의 두께 역시 얇을수록 높은 전하 이동도를 보이지만, 점멸 전류비를 고려하여 일정 두께 (우리의 경우 30nm) 이상을 가져야 함을 알았다. 또한 유전층 위에 OTS(Octadecyltrichloro-silane)와 같은 자기 조립 단층 (Self assembled monolayer - SAM)을 이용한 표면처리를 행하여 높은 전계 효과 이동도와 점멸 전류비를 동시에 획득 할 수 있었으며, 이와 같은 표면처리 방법과 펜타센의 증착 방법을 달리하여 트랜지스터 내의 유전층과 활성층의 계면의 상태를 다르게 했을 때, 계면의 치밀함에 따라 문턱 전압이 이동현상을 관찰하였다. 마지막으로 펜타센 박막 증착시 기판 온도를 높이면 펜타센 박막 내의 상변화로 인해 점 결함과 같은 trap site가 생겨, 커다란 결정립의 다결정 구조를 가짐에도 불구하고 전계 효과 이동도 측면에서는 실질적인 이득을 얻을 수 없다는 것을 밝혔다.부가적으로, 전도성 고분자인 PEDOT (Polyethylenethioxythiophene)이 입혀진 PET(Polyester)plastic 기판위에 고분자 유전층인 PVP (Poly-4-vinylphenol)를 회전도포 방법으로 성막하여 제작한 유연한 펜타센 박막 트랜지스터의 경우, 금 전극 대신에 펜타센의 HOMO 준위와 비슷한 일함수를 갖는 비정질 산화니켈을 소스와 드레인 전극으로 사용하여 얻은 향상된 전하 주입을 통해 낮은 유전상수를 갖는 고분자 유전층의 사용으로 생기는 성능 저하를 보상할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

During the last two decades, organic semiconductors have attracted much attention due to their potential to make various electronic devices with a new light and flexible concept. In this dissertation, we studied polycyclic aromatic hydrocarbon pentacene (C22H14), a promising material which has been ...

During the last two decades, organic semiconductors have attracted much attention due to their potential to make various electronic devices with a new light and flexible concept. In this dissertation, we studied polycyclic aromatic hydrocarbon pentacene (C22H14), a promising material which has been found to have a relatively high chemical stability as well as higher mobility for hole transports (p-channel) compared to many other organic materials, and fabricated its thin-film to analyze its electrical characteristics and make optimized OTFTs which employed the thin-films as the active-layers.First, pentacene thin-films deposited on the p-Si substrate by two different evaporation methods - thermal evaporation and energetic cluster evaporation - were analyzed by the XRD technique, and we proposed a strain-relaxation theory to explain the phase transition caused by the supplement of the thermodynamic energy in between the pentacene molecules. We also measured the spectral photoresponse of Al/pentacene Schottky junction photodiodes and optical absorption spectra of pentacene films. By comparing these complementary measurements, we determined the HOMO- LUMO gap and the fundamental exciton binding energy.Based on knowledge of the properties of pentacene obtained from the above experiments, we have fabricated OTFTs under various conditions with pentacene as the active layers and Al2O3 sputtered on ITO glass substrates at room temperature. The results derived from our pentacene OTFT led us to several conclusions, as given below.Firstly, for best performance it is desirable to have a thinner insulator layer which shows a smoother surface so as to minimize charge carrier scattering as well as having a higher capacitance to accumulate charge. Second, in the case of top-contact OTFTs, the TFTs with increasingly thinner pentacene layers displayed correspondingly higher hole mobility, but the optimum thickness was determined to be about 30 nm (in our case) which moderately minimizes leakage currents. When self-assembled monolayers surface treatment such as OTS(Octadecyltrichlorosilane) treatment was carried out on the surface of insulating layers, we were able to obtain an improvement in terms of hole mobility and on-off currents ratios. We also observed a threshold voltage shift as the organic-inorganic interface states depend on the surface treatment or pentacene deposition technique. Finally, the grain size of the pentacene layer was found to increase with the substrate temperature, accompanied by a phase transition which is the origin of point defects acting as trap sites. Hence, it is concluded that there is no gain in terms of field-effect mobilities in spite of a large grain size.Additionally, in the case of flexible pentacene thin-film transistors with PVP (Poly-4-vinylphenol) polymer gate insulators and fabricated on PET (Polyester) plastic substrate coated with a conducting polymer - PEDOT (Polyethylenethioxy -thiophene), we have found solutions to compensate for the drawback of OTFTs with low-k dielectric polymer gates through enhanced charge injection originated from amorphous NiOx source/drain (S/D) electrodes whose work function is well-matched to the HOMO level of pentacene.

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