[논문]유기반도체 소자 및 회로개발 동향

전진

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전진 (삼성디스플레이)

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문제 정의

또한 유기반도체 트랜지스터는 재료특성뿐만 아니라 소자구조 및 공정개선을 통해서 특성개선이 가능하다. 본문에서는 이에 관해 상세히 기술하도록 하겠다.
앞에서 언급한 바와 같이 top-contact구조는 bottom-contact구조에 비해 공정이 간단하고 유기반도체 결정구조가 우수하여 높은 전자이동도를 구현할 수 있으나 형성 가능한 최소 채널길이에 제한이 있고 소스 드레인 영역과 게이트 영역의 정렬도에 따라 기생 커패스턴스가 크고 변동되는 단점이 있다. 이의 개선을 위해 본 저자는 프리즘형태의 입체구조 기판위에 소자를 형성하는 방식을 제안하였다.^[3]
지금까지 유기반도체 트랜지스터 소자 및 회로 개발 동향에 대해 살펴보았다. 이미 대표적인 응용소자로 저분자 유기EL은 소형 표시소자로 각광받고 있으며 유기 TFT의 전자이동도는 비정질 실리콘 트랜지스터를 능가하였다.

제안 방법

이후 순차적으로 게이트 전극, 절연막, 유기반도체, 소스 드레인 전극층을 적층하였다. 게이트 전극 및 소스 드레인 전극은 증착 시 기울기를 가지게 하여 한쪽면에만 형성되도록 하였다. 이 경우 프리즘 구조 자체의 마스킹 효과로 채널영역이 형성되며 게이트 전극과 소스 드레인 전극간 자기정렬도 가능하다.
프리즘형태의 기판은 미리 형성된 마스터 몰드를 PMMA를 재료로 임프린팅 기법을 통해 제작하였다. 이후 순차적으로 게이트 전극, 절연막, 유기반도체, 소스 드레인 전극층을 적층하였다. 게이트 전극 및 소스 드레인 전극은 증착 시 기울기를 가지게 하여 한쪽면에만 형성되도록 하였다.

이론/모형

프리즘형태의 기판은 미리 형성된 마스터 몰드를 PMMA를 재료로 임프린팅 기법을 통해 제작하였다.

성능/효과

[3] 그림 3(a)와 같이 채널길이 8μm, 채널 폭 100μm로 제작된 트랜지스터 소자를 측정한 결과 자기정렬구조로 인해 기생 커패스턴스는 80% 감소하였으며 주파수특성은 약2배 향상되었다.
그림 8는 부트스트랩 NAND 회로와 그에 따른 입출력 곡선을 나타내고 있다.^[4] NAND 회로도 인버터와 마찬가지로 확장된 출력과 안정된 동작을 보였다. 위와 같은 회로를 확장할 경우 PMOS회로로도 CMOS회로 수준의 특성과 대기 안정적인 특성을 동시에 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
디지털 회로 분야에서는 표시소자의 픽셀회로 및 스캔라인 구동회로를 비롯하여 RFID를 위한 코드 생성 로직회로,^[2]그리고 최초의 8비트 마이크로프로세서도 개발되었다.^[7] 유기 반도체 기반 마이크로프로세서는 플라스틱 필름위에 제작되었으며 약 4000개의 유기트랜지스터가 집적되었다.^[7]이는 1970년대 초 개발된 인텔사의 실리콘 마이크로프로세서와 동등한 수준으로 최근까지의 마이크로프로세서의 발전 속도로 미루어 볼 때 향후 유기 마이크로프로세서도 충분한 가능성이 있으리라고 생각된다.
30여 년 전 처음으로 전도성 고분자가 개발된 이후 많은 연구를 통해 유기반도체 물질 자체의 특성이 개선되고 있다. 셋째, 무기반도체에 비해 녹는점이 현저히 낮으므로 저온에서 플라스틱 필름, 종이 등 다양한 기판위에 박막형성이 가능하다. 이로 인해 플라스틱 필름과 같은 유연한 기판 위에 가볍고 유연한 형태의 소자개발이 가능하여 유기발광소자와 유기트랜지스터, 유기태양전지 등 다양한 분야에 유연성을 가지는 응용처가 기대되고 있다.
^[1] 유기반도체 물질은 무기반도체 물질에 비해 몇 가지 다른 특징을 지닌다. 첫째, 유기분자에는 dangling bond가 존재하지 않는다. 따라서 박막소자의 접합부에 interface state의 영향이 크지 않다.

후속연구

^[3]그림 3(a)와 같이 채널길이 8μm, 채널 폭 100μm로 제작된 트랜지스터 소자를 측정한 결과 자기정렬구조로 인해 기생 커패스턴스는 80% 감소하였으며 주파수특성은 약2배 향상되었다.^[3] 상기 소자구조는 프리즘 기판을 형성하는 임프린팅 공정에 의해 트랜지스터 채널길이등 주요 치수가 결정되므로 향후 임프린팅 공정 개선에 따라 추가적인 트랜지스터 공정 미세화가 가능하리라고 판단된다.
^[4] NAND 회로도 인버터와 마찬가지로 확장된 출력과 안정된 동작을 보였다. 위와 같은 회로를 확장할 경우 PMOS회로로도 CMOS회로 수준의 특성과 대기 안정적인 특성을 동시에 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
향후 유기 반도체가 보다 다양한 응용분야에 적용되기 위해서는 동작속도, 소비전력 등 우수한 회로 동작특성이 필요하고 이를 위해서는 최적화된 회로개발과 함께 우수한 트랜지스터 소자개발이 필요하다. 유기반도체 물질은 아직도 화학적 디자인, 재료 합성 등을 통해 물질특성의 개선 가능성이 있으며, 이에 더해 최적화된 공정, 소자구조, 회로구조 개발을 통해 더 다양한 응용분야에 적용되기를 기대해 본다.
이러한 분야는 고속, 저전력으로 동작하는 트랜지스터 성능이 필요하지만 현재의 유기반도체 트랜지스터의 특성은 아직은 불충분하다. 하지만 최근 유기반도체 및 절연물질의 특성개선에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있으므로 이의 개선이 기대된다. 또한 유기반도체 트랜지스터는 재료특성뿐만 아니라 소자구조 및 공정개선을 통해서 특성개선이 가능하다.
이미 대표적인 응용소자로 저분자 유기EL은 소형 표시소자로 각광받고 있으며 유기 TFT의 전자이동도는 비정질 실리콘 트랜지스터를 능가하였다. 향후 유기 반도체가 보다 다양한 응용분야에 적용되기 위해서는 동작속도, 소비전력 등 우수한 회로 동작특성이 필요하고 이를 위해서는 최적화된 회로개발과 함께 우수한 트랜지스터 소자개발이 필요하다. 유기반도체 물질은 아직도 화학적 디자인, 재료 합성 등을 통해 물질특성의 개선 가능성이 있으며, 이에 더해 최적화된 공정, 소자구조, 회로구조 개발을 통해 더 다양한 응용분야에 적용되기를 기대해 본다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

π-conjugation 구조를 기반으로 한 일부 유기화합물들은 어떤 성질을 갖는가?

탄소를 기반으로 하는 유기물은 일반적으로 절연체로 알려져 있으나 π-conjugation 구조를 기반으로 한 일부 유기화합물들은 반도체 또는 도체의 성질을 나타낸다.[1] 이러한 유기반도체 물질들은 공유결합으로 형성된 무기 반도체와는 달리 van der Waals 분자결합으로 형성되어 상대적으로 약한 결합력을 가진다.

고분자 유기반도체의 특징은 무엇인가?

Pentacene, tetracene, C60 등이 저분자 유기반도체에 속하며 열 증착 방식 등으로 박막을 형성한다.[1] 반면에 polythiophenes, poly(3-hexylthiophene)(P3HT), poly (pphenylenevinylene)(PPV)등과 같은 고분자 유기반도체는 프린팅, 코팅 등의 증착방식이 가능하지만 저분자 물질에 비해 이동도등 소자특성이 낮다.[1] 유기반도체 물질은 무기반도체 물질에 비해 몇 가지 다른 특징을 지닌다.

유기반도체 물질은 무기반도체 물질과 다른 성질로 인해 어떤 응용이 가능한가?

셋째, 무기반도체에 비해 녹는점이 현저히 낮으므로 저온에서 플라스틱 필름, 종이 등 다양한 기판위에 박막형성이 가능하다. 이로 인해 플라스틱 필름과 같은 유연한 기판 위에 가볍고 유연한 형태의 소자개발이 가능하여 유기발광소자와 유기트랜지스터, 유기태양전지 등 다양한 분야에 유연성을 가지는 응용처가 기대되고 있다.

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