[논문]게이트 절연막에 사용된 점착층에 대한 영향

이동현; 형건우; 표상우; 김영관

doi:10.4313/jkem.2006.19.4.357

게이트 절연막에 사용된 점착층에 대한 영향
Effect of Adhesion Layer on Gate Insulator 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.19 no.4, 2006년, pp.357 - 361

이동현 (홍익대학교 정보디스플레이공학과, 홍익대학교 유기정보소재 및 소자연구센터) , 형건우 (홍익대학교 정보디스플레이공학과, 홍익대학교 유기정보소재 및 소자연구센터) , 표상우 (홍익대학교 전기정보제어공학과, 홍익대학교 유기정보소재 및 소자연구센터) , 김영관 (홍익대학교 정보디스플레이공학과, 홍익대학교 유기정보소재 및 소자연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

The electrical performances of organic thin-film transistors (OTFTs) have been improved for the last decade. In this paper, it was demonstrated that the electrical characteristics of the organic thin film transistors (OTFTs) were improved by using polymeric material as adhesion layer on gate insulator. We have investigated OTFTs with polyimide adhesion layer which was fabricated by vapor deposition polymerization (VDP) processing and formed by co-deposition of 2,2-bis (3,4-dicarboxyphenyl) hexafluoropropane dianhydride and 4,4'-oxydianiline. It was found that the OTFTs with adhesion layer showed better electrical characteristics than with bare layer because of good matching between semiconductor and gate insulator. Our devices of performance are field effect mobility of $0.4cm^2/Vs$, threshold voltage of -0.8 V and on-off current ratio of $10^6$. In addition, to improve the electrical characteristics of OTFT, we have reduced the thickness of adhesion layer up to a few nanometrs.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

' 이 연구의 궁극적 목표는 폴리이미드를 점착층으로한 OTFT 전기적 특성에 관한 것이다. 따라서 폴리이미드의 두께를 0-15 nm로 변화시키며 그에 따른 전기적 특성을 알아보았고 그것을 그림 3과 4에 나타내었다.
본 논문에서는 건식 공정인 VDP 방법을 사용해서 폴리이미드를 점착층으로 이용한 OTFT의 전기적 특성 향상에 관해 연구하였다. 폴리이미드를점착층으로 사용함으로써 반도체 층과 절연체 층사이의 계면 특성을 향상시키는 연구를 진행하였고 SiO₂와 SiNx 계면 특성의 향상이 OTFT의 전기적 특성에 미치는 영향을 규명하였다.
게이트 절연막으로 SiO₂를, 반도체층으로 pentacene 을 사용한 OTFT 의 경우 hexamethyldisilazane(HMDS) 와 octadecyltrichloro- silane(OTS) 처리 등을 행함으로써 그러한 문제들을 극복하는 연구가 진행되어져왔다[4L 그러나 이 같은 방법들은 spin-coating, dipping, self-assembly 등의 습식 공정으로 대부분 이루어지기 때문에 오염에 노출되기 쉽다. 본 논문에서는 건식 공정인 vapor deposition polymerization(VDP) 방법을 이용해서 폴리 이미 드(polyimide)를 점 착층으로 사용함으로써 반도체 층과 절연체 층 사이의 계면 특성을 향상시키는 연구를 진행하였다, 그리고 계면 특성의 향상이 OTFT의 전기적 특성에 미치는 영향을 연구하였다. 점착층으로 사용된 폴리이미드 막은 단분자인 2, 2-bis (3, 4-dicarboxyphenyl) hexafluoropropane dianhydride와 4, 4'-oxydianiline 를 동시에 열 증착 시킨 후 열처리(curing) 과정을 거침으로써 막을 형성한다.
폴리이미드를점착층으로 사용함으로써 반도체 층과 절연체 층사이의 계면 특성을 향상시키는 연구를 진행하였고 SiO₂와 SiNx 계면 특성의 향상이 OTFT의 전기적 특성에 미치는 영향을 규명하였다. 또한 폴리이드의 두께에 따른 소자의 전기적 특성을 분석해봄으로써 점착층으로의 역할에 필요한 필름의 두께와 그에 따른 누설전류의 원인을 밝혀냈다.

제안 방법

표 1. SiNx 와 SiG 의 폴리이미드 점착층 두께에 따른 유기TFT 성능비교.
구조로 제작하였다. 게이트 전극은 스퍼터링 (sputtering)으로 100 nm 두께의 ITO를 성막 하였고, 게이트 절연체는 plasma enhanced chemical vapor deposition(PECVD) 방법으로 SiC》 와 SiNx를 0.2 Um 성막하였다. 이 같이 제작된 기판은 LGphilipsLCD로부터 공급받았다.
이 같은 결과는 점착층으로 사용된 폴리이미드로 인해서 게이트 절연층과 반도체층 사이의 계면 특성이 향상 되어 졌음을 의미한다. 그 세부적인 관찰을 위해서 점착층으로 사용된 폴리이미드 위에 증착된 pentacenemorphology와 Si02와 SiNx 위에 증착된 pentacene morphology 를 atomic force microscopy (AFM) 이미지를 통해 비교해보았고 이것을 그림 5에 나타내었다.
폴리이미드를점착층으로 사용함으로써 반도체 층과 절연체 층사이의 계면 특성을 향상시키는 연구를 진행하였고 SiO₂와 SiNx 계면 특성의 향상이 OTFT의 전기적 특성에 미치는 영향을 규명하였다. 또한 폴리이드의 두께에 따른 소자의 전기적 특성을 분석해봄으로써 점착층으로의 역할에 필요한 필름의 두께와 그에 따른 누설전류의 원인을 밝혀냈다. 마지막으로 점착층의 형성에 있어서 패턴이 가능하고, 고분자화 시킬 때 촉매가 필요 없는 VDP 법을 응용함으로써 이를 통한 다양한 영역에 적용 가능성을 본 연구결과를 통하여 제시하고 있다.
이 같이 제작된 기판은 LGphilipsLCD로부터 공급받았다. 유기 반도체와 무기 게이트 절연층의 계면 특성을 향상 시키기 위해서 점착층으로 폴리이미드를 VDP 방법으로 증착하였다 [5, 6]. 폴리이미드 막은 2, 2-bis (3, 4~dicarboxyphenyl) hexafluoropropane dianhydride 와 44-oxydianiline를 5 A/s의 증착률로 동시에 1:1로 열 증착 시킨 후 150 ℃에서 1시간 열처리한 후 다시 200 ℃에서 1시간 열처리 하여 고분자막을 형성시켰다.
폴리이미드 막은 2, 2-bis (3, 4~dicarboxyphenyl) hexafluoropropane dianhydride 와 44-oxydianiline를 5 A/s의 증착률로 동시에 1:1로 열 증착 시킨 후 150 ℃에서 1시간 열처리한 후 다시 200 ℃에서 1시간 열처리 하여 고분자막을 형성시켰다. 이때 진공도는 5灯(湼 torr로 유지하였고 2, 2-bis (3, 4-dicarboxyphenyl) hexafluoropropane dianhydride 와 4, 4'-oxydianiline 두 물질의 증착 속도 균형을 맞추기 위해서 2시간 동얀예열 과정을 거쳤다.
점착층을 이용한 유기 TFT는 유리 기판위에 inverted-staggered 구조로 제작하였다. 게이트 전극은 스퍼터링 (sputtering)으로 100 nm 두께의 ITO를 성막 하였고, 게이트 절연체는 plasma enhanced chemical vapor deposition(PECVD) 방법으로 SiC》 와 SiNx를 0.
폴리이미드화 된 것을 확인을 위해서 2, 2-bis (3, 4~dicarboxyphenyl) hexafluoropropane dianhydride 와 4, 4「-oxydianiline를 실리콘 웨이퍼에 증착시켜 Fourier Transform-Infrared(FT-IR) spectroscopy 로 분석하였고 그림 2에 나타내었다. 열처리 이전에는 polyamic acid가 형성되지만 150 ℃에서 1시간 이후에 다시 200 ℃에서 1시간의 열처리 과정을 거치며 폴리이미드화 되었다[7].

대상 데이터

되는 과정을 보여준다. 가장 널리 쓰이고있는 유기반도체인 Pentacene을 활성층으로 사용하였고 그 증착 속도는 0.3 A/s로 하였다. 소스 (source)와 드레인(drain) 전극은 쉐도우 마스크를통하여 금 (Au)을 열 증착하였고 이때의 채널 길이와 너비는 각각 50 lim와 L25 mm로 하였다.
3 A/s로 하였다. 소스 (source)와 드레인(drain) 전극은 쉐도우 마스크를통하여 금 (Au)을 열 증착하였고 이때의 채널 길이와 너비는 각각 50 lim와 L25 mm로 하였다.
2 Um 성막하였다. 이 같이 제작된 기판은 LGphilipsLCD로부터 공급받았다. 유기 반도체와 무기 게이트 절연층의 계면 특성을 향상 시키기 위해서 점착층으로 폴리이미드를 VDP 방법으로 증착하였다 [5, 6].

성능/효과

또한 낮은표면 평균 거칠기를 가짐으로써 트랩의 영향을 덜받게 된다. 결과적으로 게이트 절연막과 반도체층사이의 계면 특성이 개선됨으로써 OTFT의 전기적 특성이 향상되는 것이다. 그러나 폴리이미드막이 충분히 두껍지 않아 초기에 막을 이루지 못한경우는 누설전류가 발생하였고 이것은 폴리이미드가 섬(island)을 이루어 그것을 통해서 누설전류가유도되는 것이다.
따라서 폴리이미드의 두께를 0-15 nm로 변화시키며 그에 따른 전기적 특성을 알아보았고 그것을 그림 3과 4에 나타내었다. 그림 3과 4에서 알 수 있듯이 폴리이미드가 점착층으로 사용된 소자의 경우 그 전기적인 특성이 향상됨을 확인하였다. 폴리이미드 두께가 15 nm인 경우 폴리이미 드를 사용하지 않은 경우와 비교해서 드레인 전류가 -1.
그림 4를 통해서 점착층이 없는 소자의 경우가 가장 낮은 전기적 특성을 보이고 그 두께가 두꺼워 질수록 특성이 향상 되어 지는 것을 확인하였다. 이 같은 결과는 점착층으로 사용된 폴리이미드로 인해서 게이트 절연층과 반도체층 사이의 계면 특성이 향상 되어 졌음을 의미한다.
폴리이미드 위에 증착된 pentacene의 그레인 (grain) 크기는 SiC)2나 SiNx 위에 증착된 pentacene 과 비교해서 상당히 크게 형성 되어 있음을 확인하였다. 이것은 소수성을 가진 폴리이미드를 점착층으로 사용함으로써 pentacene의 증착 시, pentacene 결정 분자 배열이 향상됨으로서 나타나는 결과이다[3, 8-1이.

후속연구

또한 폴리이드의 두께에 따른 소자의 전기적 특성을 분석해봄으로써 점착층으로의 역할에 필요한 필름의 두께와 그에 따른 누설전류의 원인을 밝혀냈다. 마지막으로 점착층의 형성에 있어서 패턴이 가능하고, 고분자화 시킬 때 촉매가 필요 없는 VDP 법을 응용함으로써 이를 통한 다양한 영역에 적용 가능성을 본 연구결과를 통하여 제시하고 있다.

참고문헌 (10)

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상세보기
M. Halik, H. Klauk, M. Brunnbauer, and F. Stellacci, 'Low-voltage organic transistors with an amorphous molecular gate dielectric', Nature, Vol. 431, p. 963, 2004

상세보기
S. W. Pyo, D. H. Lee, J. R. Kaa, J. H. Kim, J. H. Shim, and Y. K. Kim, 'Organic thin-film transistors based on vapordeposition polymerized gate insulators', J. J. A .P., Vol. 44, p. 652, 2005

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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