[논문]감광성 PVA 박막을 이용한 P3HT 유기박막트랜지스터의 패턴 형성과 패시베이션

남동현; 박경동; 박정환; 한교용

doi:10.4313/jkem.2008.21.5.426

[국내논문] 감광성 PVA 박막을 이용한 P3HT 유기박막트랜지스터의 패턴 형성과 패시베이션
Simultaneous Patterning and Passivation of P3HT-OTFTs with Photosensitive Poly Vinyl-alcohol(PVA) Layer 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.21 no.5, 2008년, pp.426 - 433

남동현 (미리넷솔라) , 박경동 (일본 동북대 공학연구과) , 박정환 (매그나칩 반도체) , 한교용 (영남대학교 전자정보공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

We first demonstrated simultaneous patterning and passivation of P3HT active layer with photosensitive PVA. The passivation layers were obtained by annealing the organic layers after developing PVA and subsequent over-etching the P3HT layer. The fabricated OTFTs were electrically characterized. The OTFTs exhibited the mobility of ${\sim}5.9{\times}10^{-4}\;cm^2/V{\cdot}s$ and on/off current ratio of ${\sim}10^4$. After passivation, the results showed the extended lifetime of ${\sim}250$ hours with photosensitive PVA layer.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 감광성 폴리비닐알코올을포토레지스트 대신에 포토리소그래피 공정에 사용하여 P3HT-OTFT의 성능 향상을 위한 반도체 활성층의 패터닝과 대기 중에서 디바이스의 수명을연장하기 위한 패시베이션을 동시에 수행하여 디바이스를 제작하였다. 제작 후 패터닝에 의한 전기적인 성능 변화를 측정하였으며, 대기중에 보관하여 시간에 따른 P3HT-OTFT의 전기적인 성능의변화를 측정하였다
이러한 문제를 해결하기 위해, P3HT 활성층의패터닝을 위한 포토리소그래피의 포토레지스트 대용 및 패시베이션 박막으로 폴리비닐알코올 (PVA) 사용을 본 논문에서 제안하였다. 폴리비닐알코올 (PVA) 은 대표적인 수용성 유기물이며 중크롬산암모늄(Ammonium dichromate) 을 혼합하게 되면 감광성을 가지게 된다.

제안 방법

패시 베이션 된 P3HT- OTFT를 대기중에서 보관하였을 때 디바이스의수명은 약 250시간 정도로 나타났으며, 이는 전류값이 패시베이션 했을 때의 초기값의 절반이 되었을 때 시간이다. 감광성 PVA를 이용한 패터닝을통해 P3HT-OTFT의 전기적인 성능 향상과 산소를 차단시키는 패시베이션을 통해 디바이스의 수명 연장을 증명하였다.
열처리 공정에서 PVA는 녹아흘러 채널영역의 P3HT 반도체 활성층의 옆 부분을 덮게 된다. 그 결과, 감광성 PVA를 이용하여 P3HT 활성층의 패터닝과 패시베이션 공정을 동시에 수행하여 디바이스를 제작하였다. 디바이스는대기중에 보관하였으며 전기적인 성능 역시 대기중에서 시간의 흐름에 따라 측정하였다.
위의 패터닝 방법은 용매를 이용한 등방성 습식식각(wet-etching)공정이므로 채널 영역의 P3HT가 오버에칭 되었다. 그 후 P3HT의 어넬링과 PVA의 경화작업을 위해 RTA를 이용 질소 분위기에서 120 °C, 1시간 동안열처리를 하였다. 열처리 공정에서 PVA는 녹아흘러 채널영역의 P3HT 반도체 활성층의 옆 부분을 덮게 된다.
100 nm의산화막 게이트 절연층은 건식산화 공정을 통해 형성하였으며, 그 후 게이트 전극으로 사용된 200 nm의 알루미늄(A1)을 실리콘 기판 아랫면에 진공증착 하였다. 그리고 70 nm의 소스와 드레인 전극은 고전적인 포토리소그래피 방법과 리프트-오프 (lift-off)방법을 사용하여 산화막 위에 금(Au)을진공증착 하여 형성하였다. 반도체 활성층은 용해공정 (solution process)을 통해 형성되었다.
본 논문에서는 감광성 PVA을 이용하여 P3HT- 0TFT의 반도체 활성층의 패터닝 그리고 패시베이션을 동시에 수행하였다. 감광성 PVA를 이용한 P3HT 유기 박막 활성층의 패터닝을 통해 패터닝되지 않은 P3HT-OTFT에서 나타난 오프셋 전류가 제거되어 전기적인 특성이 향상되었다.
동작한다. 이 소자의 전기적 특성을 확인하기 위해 전달 특성 (transfer characteristic)과 출력 특성 (output characteristic)을 측정하였고, 포화영역 (saturation regime)에서의 전계효과 이동도 (卩fet) 는 다음의 수식을 이용하여 얻었다[27]. 이 수식에서 临는 전계효과 이동도, C°x는 절연체의 단위면적당 커패시턴스, Vth는 문턱전압, W와 L은 각각 채널의 넓이와 길이, Ids와 Vgs는 드레인 전류와 게이트 전압을 나타낸다, 전류점멸비 (lon/off ratio)는 도통 상태 (on-state)에서의 최대 전류 값에 대한 차단 상태 (off-state)에서의 최소 전류 값에 대한 비율로 구하였다.
이 소자의 전기적 특성을 확인하기 위해 전달 특성 (transfer characteristic)과 출력 특성 (output characteristic)을 측정하였고, 포화영역 (saturation regime)에서의 전계효과 이동도 (卩fet) 는 다음의 수식을 이용하여 얻었다[27]. 이 수식에서 临는 전계효과 이동도, C°x는 절연체의 단위면적당 커패시턴스, Vth는 문턱전압, W와 L은 각각 채널의 넓이와 길이, Ids와 Vgs는 드레인 전류와 게이트 전압을 나타낸다, 전류점멸비 (lon/off ratio)는 도통 상태 (on-state)에서의 최대 전류 값에 대한 차단 상태 (off-state)에서의 최소 전류 값에 대한 비율로 구하였다.
그러나이렇게 제작 된 P3HT-OTFT는 시간의 지남에 따라 전류값이 감소하는 결과를 그림 3(a)와 그림 4(b)를 통하여 알 수 있다. 전류 값의 감소는 곧 P3HT-OTFT의 전기적인 성능의 저하를 의미하므로 시간에 지남에 따른 P3HT-OTFT의 성능을 측정하고 분석하였다.
제작하였다. 제작 후 패터닝에 의한 전기적인 성능 변화를 측정하였으며, 대기중에 보관하여 시간에 따른 P3HT-OTFT의 전기적인 성능의변화를 측정하였다

대상 데이터

디바이스는붕소(Boron)로 도핑 된 실리콘 기판에 공통 게이트 전극구조와 하부접촉구조를 가진다. 100 nm의산화막 게이트 절연층은 건식산화 공정을 통해 형성하였으며, 그 후 게이트 전극으로 사용된 200 nm의 알루미늄(A1)을 실리콘 기판 아랫면에 진공증착 하였다. 그리고 70 nm의 소스와 드레인 전극은 고전적인 포토리소그래피 방법과 리프트-오프 (lift-off)방법을 사용하여 산화막 위에 금(Au)을진공증착 하여 형성하였다.
반도체 활성층은 용해공정 (solution process)을 통해 형성되었다. P3HT 용매로서 무수의 클로로포름 (CHC0 Aldrich, anhydrous > 99 %)을 정제 없이 사용하여, 이에 P3HT를 0.134 wt%로 용해시키고, 유공도가 0.2 Lim인 PTFE 시린지 필터를 사용하여 잔존입자를제거하였다. 유기 반도체 활성층은 P3HT용액을 2000 rpm, 60초의 스핀 코팅 조건을 통하여 형성하였다.
본 연구에서 사용된 P3HT는 다수 캐리어 (major carrier)가 정공 (hole)인 p형 반도체이며, P3HT- OTFT 소자는 축적 영역 (accumulation region)에서 동작한다. 이 소자의 전기적 특성을 확인하기 위해 전달 특성 (transfer characteristic)과 출력 특성 (output characteristic)을 측정하였고, 포화영역 (saturation regime)에서의 전계효과 이동도 (卩fet) 는 다음의 수식을 이용하여 얻었다[27].
저분자인 pentacene 을 이용한 OTFT의 패시베이션은 여러 유기물과 무기물을 이용하여 시행되어져 왔다. 특히, pentacene-OTFT의 패시베이션 공정 전에 유기반도체 활성층의 피해를 최소화하기 위한 보호막을 만들기 위해 수용성 유기물인 폴리비닐알코올을 이용하였다. 그리고 고분자인 P3HT를 이용한 OTFT의 패시베이션은 유기물이 아닌 무기물인산화알루미늄 등을 단차 도포 방법 (ALD)으로 증착하여 이루어졌으나 공정이 복잡해지는 단점이 있다.

성능/효과

그림 4(a)에서 게이트 전압이 인가되지 않았을 때(Vg그 0V) 소스와 드레인에 전압이 인가되면 전류가 증가하는 것을 확인 할 수 있다. 이것은 대기 중의 산소가 유기물 반도체 활성층에 도핑되어 반도체 활성층의 전기전도도가 증가하기 때문에나타나는 현상이다.
동시에 수행하였다. 감광성 PVA를 이용한 P3HT 유기 박막 활성층의 패터닝을 통해 패터닝되지 않은 P3HT-OTFT에서 나타난 오프셋 전류가 제거되어 전기적인 특성이 향상되었다. 이동도는 2.
이 값은 게이트 전압이 커질수록 증가하는 현상을 보였다. 따라서 이 전류의 증가는 차단 상태 (off-state) 에서의 전류 값을 높여서, 결과적으로 낮은 전류 점멸비 (Wff ratio)를 나타내는 결과를 가져왔다. 이는 제작된 OTFT 소자가 반전 층 (inversion layer) 에서 전도채널이 형성되는 MOSFET과 달리 축적층 (accumulation layer)에서 그것이 형성되며, 공통 게이트 전극을 사용하기에 게이트 전압을 때인가하였을 때 활성층 (채널 영역) 뿐만 아니라 디바이스 전체에 흘이 축적되어 소스와 드레인의 확장효과를 가져와서 게이트 절연층을 통한 누설전류가증가되었다고 보고되어 진다[30].
감광성 폴리비닐알코올을 자외선(UV)에 노출시키게 되면 중합반응 (cross-link)을 하게 되며, 중합된 폴리비닐알코올은 물에 녹지 않는다. 특히 수용성이기에 포토리소그래피를 이용한 패터닝 공정에서 아세톤, 메탄올과 같은 유기용매나 포토레지스터 현상액을 사용하지 않으므로, 고전적인 포토리소그래피 방법을이용하여 유기 반도체 활성층을 패터닝 하는 것보다 반도체 활성층이 입는 피해를 줄일 수 있다. 그리고 강한 수소 결합을 하고 있기에 산소의 차단능력이 뛰어난 물질로 알려져 있다.

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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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