[논문]전극 구조에 따른 유기 트랜지스터 특성

이붕주

doi:10.13067/jkiecs.2013.8.1.093

전극 구조에 따른 유기 트랜지스터 특성
Organic Transistor Characteristics with Electrode Structures 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.8 no.1, 2013년, pp.93 - 98

초록
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본 논문에서는 유기박막트랜지스터용 절연막에 활용코자 플라즈마 중합방법을 이용하여 PMMA 절연막을 제작하였다. 유기트랜지스터 성능향상을 위해 전극구조에 따른 특성을 파악하고자 트랜지스터의 이동도 및 출력특성을 본결과, 상부전극구조의 경우 최대 이동도는 $8{\times}10^{-3}[cm^2V^{-1}s^{-1}]$을 보이고 하부전극구조의 경우 $2{\times}10^{-4}[cm^2V^{-1}s^{-1}]$의 낮은 이동도 값을 얻었으며, 하부전극구조의 경우 off current값이 증가되는 특성을 볼 수 있다. 그러므로 유기트랜지스터의 전극구조는 상부전극 방식이 좋은 것 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, We have fabricated PMMA thin films by plasma polymerization method for organic thin film transistor's insulator layer. For improving the characteristics of organic transistor, we tested transistor's mobility and output values with organic transistor's electrode structures. As a results, the mobility of top contact was $8{\times}10^{-3}[cm^2V^{-1}s^{-1}]$, that of bottom contact was $2{\times}10^{-4}[cm^2V^{-1}s^{-1}]$. Also, off current of bottom contact was increased. Therefore, we recommend the top contact electrode structure of organic transistor.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 유기트랜지스터 소오스와 드레인 전극형성후 펜타센 박막을 증착하는 하부전극 구조와 박막증착후 전극을 성형하는 상부전극 구조의 유기트랜지스터 소자를 제작하고 이에 대한 성능을 비교하여 각각의 전극구조에 대한 특성을 파악하고자 한다.
본 연구에서는 전극의 위치변화에 따른 특성을 보고자 한다. 일반적으로 유기전자 트랜지스터의 소스와 드레인의 전극은 Au를 사용하는데, 이것은 Au의 일함수(5.
2eV)가 유사하여 사용되고 있다. 하지만 상부전극 및 하부전극의 구조적인 차이에 대한 명확한 연구가 필요할 것으로 생각되어 그림 2와 같은 구조의 트랜지스터에 대해 연구하였다.

제안 방법

안정적인 모노머주입을 위하여 Bubbler를 활용하였다. Bubbler의 내부 또한 진공상태로 유지시킨 후 정량화된 모노머 주입을 위하여 20[sccm]의 아르곤가스를 bubbler 입구 쪽에 유량 조절기를 활용하여 주입시킨후 일정 모노머를 반응조에 주입시켰다. 여기서 좀 더 세밀한 모노머 조절을 위하여 bubber전체를 항온조에 담아서 온도에 대한 기화조건을 일정하게 하고자 항온조를 -10[℃]로 유지하였다.
건식공정중 플라즈마 중합법을 이용하여 제작된 절연막을 활용하여 유기트랜지스터를 제작하였다. 이때 사용되어진 모노머는 MMA이며 분자구조 분석을 통해 플라즈마 중합된 박막임을 확인하였다.
표 1은 유기전자 트랜지스터 제작에 있어 중요하게 판단되는 절연막의 공정조건을 정리한 것이다. 공정조건은 최적의 플라즈마 형성을 기준하여 최적의 공정 조건으로 설정하였다.
안정적 플라즈마 형성을 위해 플라즈마 인덕터 코일은 몇가지 형태로 제작하여 안정적 플라즈마 형성을 위한 코일의 구조를 개발하였다. 그 결과 본 장비의 최적 인덕터 코일의 전체길이는 1[m] 이내로 2회 형식을 선택하여 플라즈마 매칭을 하여 최적화 시켰다. 진공시스템은 로터리 및 터보 펌프를 활용하여 초기 base 압력을 10-7 [torr]유지시킨 후 유량조절기(MFC: Mass Flow Controller)을 이용하여 최적의 공정압력에서 박막을 제조하였다.
이처럼 모노머 조절을 매우 민감하며 중요한 실험조건이기에 정량화 조절을 위한 노력을 많이 하였다. 또한 기판에 인가되는 self-bias를 제거하여 박막증착 효율을 증가시키기 위해 기판에 RF 바이어스를 인가하였다. 박막의 특성향상을 위한 기판의 증착위치 및 기판온도조절이 가능하도록 시스템을 구성하였다.
또한 기판에 인가되는 self-bias를 제거하여 박막증착 효율을 증가시키기 위해 기판에 RF 바이어스를 인가하였다. 박막의 특성향상을 위한 기판의 증착위치 및 기판온도조절이 가능하도록 시스템을 구성하였다.
유기 트랜지스터의 전기적 특성을 알아보기 위하여 소자의 전달특성(transfer characteristic)과 출력특성(output characteristic)을 각각 측정하였다. 반도체 막으로는 Pentacene은 p형 반도체 특성을 가지고 다수 캐리어는 정공이 되고, 유기박막트랜지스터는 축정모드에서 동작하기 때문에 소스전극을 공통전극으로 하고 게이트 전극과 드레인 전극에 음의 전압을 인가하여 전기적 특성을 가하여 측정하였다. 출력특성곡선에서 각 게이트전압에 대해서 드레인 전압이 증가함에 따라 드레인 전류가 증가하고, 포화되는 특성을 얻을수 있었고, 전계효과 이동도는 다음과 같은 수식들을 이용하여 얻어질 수 있다.
플라즈마를 발생시키는 전원은 유도결합형 플라즈마(ICP: Induced Couple Plasma)를 활용하였다. 안정적 플라즈마 형성을 위해 플라즈마 인덕터 코일은 몇가지 형태로 제작하여 안정적 플라즈마 형성을 위한 코일의 구조를 개발하였다. 그 결과 본 장비의 최적 인덕터 코일의 전체길이는 1[m] 이내로 2회 형식을 선택하여 플라즈마 매칭을 하여 최적화 시켰다.
유기 트랜지스터의 전기적 특성을 알아보기 위하여 소자의 전달특성(transfer characteristic)과 출력특성(output characteristic)을 각각 측정하였다. 반도체 막으로는 Pentacene은 p형 반도체 특성을 가지고 다수 캐리어는 정공이 되고, 유기박막트랜지스터는 축정모드에서 동작하기 때문에 소스전극을 공통전극으로 하고 게이트 전극과 드레인 전극에 음의 전압을 인가하여 전기적 특성을 가하여 측정하였다.
사용되어진 절연막의 재료는 상온에서 증발특성을 볼 수 있는 모노머인 MMA(methyl methacrylate)을 사용하여 플라즈마 중 합법에 의하여 중합박막을 형성하였다. 이때의 증착된 플라즈마 중합박막의 분자구조를 분석하기 위해 FT-IR을 측정하였다. 측정한 장비는 FT-IR 분석기기(VERTEX 80V, Bruker Co.
그 결과 본 장비의 최적 인덕터 코일의 전체길이는 1[m] 이내로 2회 형식을 선택하여 플라즈마 매칭을 하여 최적화 시켰다. 진공시스템은 로터리 및 터보 펌프를 활용하여 초기 base 압력을 10-7 [torr]유지시킨 후 유량조절기(MFC: Mass Flow Controller)을 이용하여 최적의 공정압력에서 박막을 제조하였다.
플라즈마 생성을 위한 캐리어 가스는 방전관 위쪽에서 유입되며, 효과적인 모노머 주입을 위하여 방전관 아래쪽으로 유입하여 안정적 플라즈마 형성과 모노머특성을 플라즈마중합박막에 유지시키고자 하였다. 안정적인 모노머주입을 위하여 Bubbler를 활용하였다.

대상 데이터

안정적인 플라즈마 중합막 형성을 위해 일정두께조절은 중요한 조건이 될 수 있다. 사용되어진 절연막의 재료는 상온에서 증발특성을 볼 수 있는 모노머인 MMA(methyl methacrylate)을 사용하여 플라즈마 중 합법에 의하여 중합박막을 형성하였다. 이때의 증착된 플라즈마 중합박막의 분자구조를 분석하기 위해 FT-IR을 측정하였다.
플라즈마 생성을 위한 캐리어 가스는 방전관 위쪽에서 유입되며, 효과적인 모노머 주입을 위하여 방전관 아래쪽으로 유입하여 안정적 플라즈마 형성과 모노머특성을 플라즈마중합박막에 유지시키고자 하였다. 안정적인 모노머주입을 위하여 Bubbler를 활용하였다. Bubbler의 내부 또한 진공상태로 유지시킨 후 정량화된 모노머 주입을 위하여 20[sccm]의 아르곤가스를 bubbler 입구 쪽에 유량 조절기를 활용하여 주입시킨후 일정 모노머를 반응조에 주입시켰다.
유전율측정에 따른 유전상수는 일반적인 박막측정법과 동일하게 적용하였다[5]. 측정시스템 구성은 PC와 LabVIEW 프로그램을 이용하여 GPIB 인터페이스를 통해 측정장비의 제어로 성공적으로 데이터를 취득하였고, 그림 3은 측정 프로그램 화면이다.
플라즈마 중합막을 제작하기 위해 사용되어진 진공 장비는 그림 1에 나타내었다[6]. 플라즈마를 발생시키는 전원은 유도결합형 플라즈마(ICP: Induced Couple Plasma)를 활용하였다. 안정적 플라즈마 형성을 위해 플라즈마 인덕터 코일은 몇가지 형태로 제작하여 안정적 플라즈마 형성을 위한 코일의 구조를 개발하였다.

성능/효과

유기트랜지스터 성능향상을 위해 전극구조에 따른 특성을 파악하고자 트랜지스터의 이동도 및 출력특성을 본결과, 상부전극 구조의 경우 최대 이동도는 0.008 [cm² V^-1 s ^-1],을 보이고 하부전극 구조의 경우 0.0002 [cm² V^-1 s ^-1]의 낮은 이동도 값을 얻었으며, 하부전극 구조의 경우 off current값이 증가되는 특성을 볼 수 있다.
이처럼, 유기전자 트랜지스터의 전극구조는 상부전극 구조를 하는 것이 출력특성 및 이동도 측면에서 좋아짐을 알 수 있었다.
이처럼 상부전극대비 하부전극의 경우 트랜지스터의 off current 특성이 안좋아 지는 것을 알 수 있다. 즉, 유기전자 트랜지스터의 전극구조는 상부전극 구조를 하는 것이 출력특성 및 이동도 측면에서 좋아짐을 알 수 있었다.
즉, 전극의 구조변화를 그림 2와 같이 상부전극 및 하부전극 구조로 제작하여 트랜지스터 특성을 본 결과, 상부전극 구조의 경우 최대 이동도는 0.008[cm² V^-1 s ^-1],을 보이고 하부전극 구조의 경우 0.0002[cm² V^-1 s ^-1]의 낮은 값을 얻을 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초고집적화시대를 맞이해 재료적인 측면에서 유기물 재료에 대한 관심이 집중되는 이유는?	여러 전자소자의 중요성이 커지고 있고 이를 집적화 하기 위한 박막소자에 대한 연구가 진행되고 있다[1-3]. 특히 재료적인 측면을 고려할 때, 저비용 대량생산측면에서 유기물재료에 대한 관심이 집중되고 있는 시점이다[4,5].
	건식공정 중 플라즈마 중합기법의 특징은?	유기전자소자는 일반적으로 습식방식에 의해 연구되어지고 있으나, 향후 소자특성향상 및 제조공정개발을 고려할 때, 건식법의 중요성이 대두되고 있는 상황이다. 건식공정 중 플라즈마 중합기법(plasma polymerization deposition)은 통상적인 화학적 중합법에 의한 박막과 비교하여 내열성, 내마모성 및 내약품성등 우수한 특성을 가지고 있어, 층간 절연막, 반도체 보호막, 고분자 특수코팅 소재 등 기능성 박막 응용 개발에 관심이 집중되는 분야이다. 플라즈마 중합은 유기물 및 유기 금속의 가스 상태 모노머들이 플라즈마 방전 상태에서 반응하여 기판 표면에 가교밀도가 매우 높은 박막형태로 합성되는 공정을 이야기 한다.
	플라즈마 중합이란?	건식공정 중 플라즈마 중합기법(plasma polymerization deposition)은 통상적인 화학적 중합법에 의한 박막과 비교하여 내열성, 내마모성 및 내약품성등 우수한 특성을 가지고 있어, 층간 절연막, 반도체 보호막, 고분자 특수코팅 소재 등 기능성 박막 응용 개발에 관심이 집중되는 분야이다. 플라즈마 중합은 유기물 및 유기 금속의 가스 상태 모노머들이 플라즈마 방전 상태에서 반응하여 기판 표면에 가교밀도가 매우 높은 박막형태로 합성되는 공정을 이야기 한다. 플라즈마 상태에 주입되는 단량체 분자들은 플라즈마 에너지에 의해 활성화 입자 상태로 존재하며 주입 단량체의 부분적인 화학적 구조만 보존되고 강력한 가교결합특성과 불규칙적인 구조를 가지게 된다.

참고문헌 (12)

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이붕주, "공정압력 및 기판바이어스 인가유무에 따른 PMMA 플라즈마 중합박막의 전기적 특성", 한국전자통신학회논문지, 6권, 5호, pp. 697-702, 2011.

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I.Kymissis, C.D.Dimitrakopoulos, and S.Purushothaman, "High-performance bottom electrodeorganic thin-film transistors" IEEE Tran. Elect. Dev., Vol. 48, p. 1060, 2001.

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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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