[국내논문]강유전체 박막 형성방법에 따른 용액 공정 기반 강유전체 전계효과 트랜지스터의 전기적 특성 의존성 Dependence of Ferroelectric Film Formation Method on Electrical Characteristics in Solution-processed Ferroelectric Field Effect Transistor원문보기
용액 공정 기반으로 유기 전자소자를 제작할 시, 회전 도포 방법을 이용하는데 이 방법의 단점 중의 하나는 후속 회전 도포할 때 용액 속의 용매에 의해 이미 제작된 유기 박막을 물리적 또는 화학적인 손상을 입힐 수 있다는 것이다. 이러한 문제들로 인해 후속적인 박막 제조에 사용될 수 있는 용매의 종류는 매우 제한적일 수 밖에 없다. 본 논문에서는 기존에 알려진 용매들의 적절한 조합으로 인해 다층 박막 제작이 가능함을 보이고, 이를 이용하여 용액 공정 기반 유기 트랜지스터를 제작하여 성능의 향상을 보일 것이다. 트랜지스터의 구조는 하부 게이트 하부 접촉 (bottom gate, bottom contact) 구조로 제작되었고 게이트 절연체는 강유전체고분자로 제작되었는데 한 번의 회전 도포 방법과 두 번의 회전 도포 방법으로 동일 두께를 형성하여 두 트랜지스터를 제작, 드레인 전압에 따른 소스-드레인 전류를 비교하였다. 그 결과 소스-게이트 누설 전류 감소 효과가 있었고, ON 상태에서의 소스-드레인 전류의 상승효과도 관찰되었다. 전류-전압 그래프로부터 계산된 이동도는 약 2.7배 증가되었다. 그러므로 용액 공정 기반 전계효과 트랜지스터를 제작할 시, 게이트 절연체를 다층 구조로 제작하면 성능 향상에 이점이 많다는 것을 알 수 있었다.
용액 공정 기반으로 유기 전자소자를 제작할 시, 회전 도포 방법을 이용하는데 이 방법의 단점 중의 하나는 후속 회전 도포할 때 용액 속의 용매에 의해 이미 제작된 유기 박막을 물리적 또는 화학적인 손상을 입힐 수 있다는 것이다. 이러한 문제들로 인해 후속적인 박막 제조에 사용될 수 있는 용매의 종류는 매우 제한적일 수 밖에 없다. 본 논문에서는 기존에 알려진 용매들의 적절한 조합으로 인해 다층 박막 제작이 가능함을 보이고, 이를 이용하여 용액 공정 기반 유기 트랜지스터를 제작하여 성능의 향상을 보일 것이다. 트랜지스터의 구조는 하부 게이트 하부 접촉 (bottom gate, bottom contact) 구조로 제작되었고 게이트 절연체는 강유전체 고분자로 제작되었는데 한 번의 회전 도포 방법과 두 번의 회전 도포 방법으로 동일 두께를 형성하여 두 트랜지스터를 제작, 드레인 전압에 따른 소스-드레인 전류를 비교하였다. 그 결과 소스-게이트 누설 전류 감소 효과가 있었고, ON 상태에서의 소스-드레인 전류의 상승효과도 관찰되었다. 전류-전압 그래프로부터 계산된 이동도는 약 2.7배 증가되었다. 그러므로 용액 공정 기반 전계효과 트랜지스터를 제작할 시, 게이트 절연체를 다층 구조로 제작하면 성능 향상에 이점이 많다는 것을 알 수 있었다.
In manufacturing of solution-processed organic electronic devices, a spin coating method is frequently used, but which has a big problem. Solvent in a solution has a decisive effect such as physical and chemical damage for successive solution-based film deposition. Such a severe damage by solvent re...
In manufacturing of solution-processed organic electronic devices, a spin coating method is frequently used, but which has a big problem. Solvent in a solution has a decisive effect such as physical and chemical damage for successive solution-based film deposition. Such a severe damage by solvent restricts for fabricating building blocks of multi-layered films from solutions. In this work, it will be shown that a proper combination of well-known solvents gives a chance to fabricate multi-layered film, also this new method was applied to make organic field effect transistor. Two types of bottom gate, bottom contact transistors were fabricated, one of which is fabricated by conventional single spin coating method, the other fabricated by double spin coating method. Compared with the electrical characteristics in a single spin coated transistor, the leakage current between source and gate electrode was decreased, ON state current was increased, and the extracted saturation mobility was multiplied more than 2.7 time for double spin coated transistors. It is suggested that the multiple coated gate dielectric structure is more desirable for high performance organic ferroelectric field effect transistors.
In manufacturing of solution-processed organic electronic devices, a spin coating method is frequently used, but which has a big problem. Solvent in a solution has a decisive effect such as physical and chemical damage for successive solution-based film deposition. Such a severe damage by solvent restricts for fabricating building blocks of multi-layered films from solutions. In this work, it will be shown that a proper combination of well-known solvents gives a chance to fabricate multi-layered film, also this new method was applied to make organic field effect transistor. Two types of bottom gate, bottom contact transistors were fabricated, one of which is fabricated by conventional single spin coating method, the other fabricated by double spin coating method. Compared with the electrical characteristics in a single spin coated transistor, the leakage current between source and gate electrode was decreased, ON state current was increased, and the extracted saturation mobility was multiplied more than 2.7 time for double spin coated transistors. It is suggested that the multiple coated gate dielectric structure is more desirable for high performance organic ferroelectric field effect transistors.
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가설 설정
[5] 기존의 연구에서 강유전체 박막을 이용하여 다층 구조를 제작할 수 있음을 보였는데, 공정에 사용될 용매들의 쌍극자 모멘트에 따라 녹일 수 있는 용매와 녹일 수 없는 용매로 분류하여 적절한 비율로 섞으면 특정 비율에서 용해도가 매우 낮아지는 것을 발견하였다. 본 논문에서는 이러한 결과를 이용하여 용액 공정 기반 강유전체 전계효과 트랜지스터를 제작하여 게이트 절연체가 다층 구조로 제작될 경우, 트랜지스터 성능이 더 뛰어나다는 것을 보일 것이다.
제안 방법
본 논문에서는 용액 공정을 기반으로 강유전체 전계 효과 트랜지스터 제작할 때, 강유전체를 제조하는 방법에 따라 트랜지스터의 성능에 상당한 영향을 끼친다는 것을 증명하였다. 강유전체 박막을 제조하는 방법으로 기존의 단일 회전 도포 방법 대신에, 용해도를 조절한 용액을 이용하여 이중 회전 도포 방법을 이용하였다. 강유전체로 P(VDF-TrFE), 주 용매로 MEK를 사용하였을 경우 에탄올을 P(VDF-TrFE) 용액의 부피 비율로 20% 섞어줌으로써 이미 증착된 P(VDF-TrFE) 박막은 녹이지 않고 회전 도포로 다층 구조를 제작할 수 있음을 이용하였다.
그러므로 DC 방법은 두께에 무관하게 거칠기가 매우 낮은 강유전체 박막을 제공할 수 있다. 단분자인 팬타센[7]과 고분자인 P3HT[8]에 대해, 트랜지스터의 계면 거칠기가 후속 공정에서 도포 또는 증착되는 유기 반도체의 결정 형성을 방해하여 결정의 크기가 작아지게 되고, 그 결과 많은 grain boundary를 생성시켜 캐리어의 이동도에 영향을 준다고 보고되었는데, 본 논문에서 발견한 박막 거칠기 조절 방법을 이용하여 박막 트랜지스터의 계면 특성 향상에 이용하였다.
대상 데이터
강유전체 특성을 관찰하기 위해 P(VDF-TrFE) 박막을 Au 증착된 기판위에 형성한 후, 쉐도우 마스크를 이용하여 Au 상부 전극을 증착하였다. 커페시터의 분극전계 관계는 강유전체 특성 측정 장비인 RT-66A(Radiant Technologies)로 측정하였다.
강유전체 박막을 제조하는 방법으로 기존의 단일 회전 도포 방법 대신에, 용해도를 조절한 용액을 이용하여 이중 회전 도포 방법을 이용하였다. 강유전체로 P(VDF-TrFE), 주 용매로 MEK를 사용하였을 경우 에탄올을 P(VDF-TrFE) 용액의 부피 비율로 20% 섞어줌으로써 이미 증착된 P(VDF-TrFE) 박막은 녹이지 않고 회전 도포로 다층 구조를 제작할 수 있음을 이용하였다. 특히, 다층 구조로 제작된 P(VDF-TrFE) 박막의 경우, 두께에 무관하게 표면 거칠기가 2.
본 실험에 사용된 물질은 최근 비휘발성 메모리 소자로 주목받고 있는 강유전성 고분자인 Poly(vinylidene fluoride- trifluoroethylene), P(VDF-TrFE)인데, MSI Sensors Inc에서 생산되었는데, VDF와 TrFE의 몰 비율은 75:25이고, 회전 도포를 하기 위해 용액을 만들 때, methyl-ethyl-ketone (MEK)을 용매로 사용하였다. 0.
성능/효과
5 nm 정도로 유지됨으로써 트랜지스터에 응용될 경우 계면 특성 향상을 기대하였다. 게이트 절연막으로써 다층 구조의 P(VDF-TrFE)를 제작할 경우, 단층 구조에 비해 게이트 누설 전류가 감소되고, ON 상태에서의 드레인 전류가 2.7배 증가하였는데, 포화 영역에서의 이동도가 2.7배 증가한 것이 원인인 것으로 보인다. P(VDF-TrFE)의 특성에 영향을 미치는 많은 공정 변수들이 있는데[10～12], 이들을 최적화시킨다면 더 나은 결과가 있을 것으로 기대된다.
본 논문에서는 용액 공정을 기반으로 강유전체 전계 효과 트랜지스터 제작할 때, 강유전체를 제조하는 방법에 따라 트랜지스터의 성능에 상당한 영향을 끼친다는 것을 증명하였다. 강유전체 박막을 제조하는 방법으로 기존의 단일 회전 도포 방법 대신에, 용해도를 조절한 용액을 이용하여 이중 회전 도포 방법을 이용하였다.
강유전체로 P(VDF-TrFE), 주 용매로 MEK를 사용하였을 경우 에탄올을 P(VDF-TrFE) 용액의 부피 비율로 20% 섞어줌으로써 이미 증착된 P(VDF-TrFE) 박막은 녹이지 않고 회전 도포로 다층 구조를 제작할 수 있음을 이용하였다. 특히, 다층 구조로 제작된 P(VDF-TrFE) 박막의 경우, 두께에 무관하게 표면 거칠기가 2.5 nm 정도로 유지됨으로써 트랜지스터에 응용될 경우 계면 특성 향상을 기대하였다. 게이트 절연막으로써 다층 구조의 P(VDF-TrFE)를 제작할 경우, 단층 구조에 비해 게이트 누설 전류가 감소되고, ON 상태에서의 드레인 전류가 2.
후속연구
P(VDF-TrFE)의 특성에 영향을 미치는 많은 공정 변수들이 있는데[10～12], 이들을 최적화시킨다면 더 나은 결과가 있을 것으로 기대된다. 결론적으로, 다층 구조로 제작된 트랜지스터는 단층 구조로 제작되는 트랜지스터에 비해 성능이 더 뛰어나므로 다층 구조 제작 방식이 유기 전자 소자의 절연막 형성에 중요한 역할을 할 것으로 기대한다.
7배 증가한 것이 원인인 것으로 보인다. P(VDF-TrFE)의 특성에 영향을 미치는 많은 공정 변수들이 있는데[10～12], 이들을 최적화시킨다면 더 나은 결과가 있을 것으로 기대된다. 결론적으로, 다층 구조로 제작된 트랜지스터는 단층 구조로 제작되는 트랜지스터에 비해 성능이 더 뛰어나므로 다층 구조 제작 방식이 유기 전자 소자의 절연막 형성에 중요한 역할을 할 것으로 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
용액 공정 기반으로 유기 전자소자를 제작하는 방법 중 회전 도포 방법의 단점은 무엇인가?
용액 공정 기반으로 유기 전자소자를 제작할 시, 회전 도포 방법을 이용하는데 이 방법의 단점 중의 하나는 후속 회전 도포할 때 용액 속의 용매에 의해 이미 제작된 유기 박막을 물리적 또는 화학적인 손상을 입힐 수 있다는 것이다. 이러한 문제들로 인해 후속적인 박막 제조에 사용될 수 있는 용매의 종류는 매우 제한적일 수 밖에 없다.
전자소자는 시스템의 기능이 집접화되고 복잡해질수록 무엇을 더 많이 필요로 하게 되는가?
용액 공정은 용액 상태로 유기물을 기판 또는 이미 형성되어 있는 다른 유기물 박막 위에 성막하는 과정을 반드시 거치게 되는데, 이때 용액의 용매가 이미 형성된 유기물 박막을 녹이거나 변형 시켜서 전자소자로서의 기능 상실, 두께 불균일화, 누설전류 증가 등의 문제를 야기할 수 있다는 것이다. 이러한 전자소자는 시스템의 기능이 집적화되고 복잡해질수록 더 많은 다층 구조를 필요로 하게 되는데 층수가 많아질수록 적절한 용매를 선택하는 것은 매우 제한적이 되고 공정을 어렵게 한다. 최근 본 연구그룹은 이러한 제한적인 용매 선택을 좀 더 완화하여 공정마진을 넓히는 방법을 제안하였다.
회전 도포 방법의 단점에서 나오는 문제들로 인해 어떤 것이 제한적일 수 밖에 없는가?
용액 공정 기반으로 유기 전자소자를 제작할 시, 회전 도포 방법을 이용하는데 이 방법의 단점 중의 하나는 후속 회전 도포할 때 용액 속의 용매에 의해 이미 제작된 유기 박막을 물리적 또는 화학적인 손상을 입힐 수 있다는 것이다. 이러한 문제들로 인해 후속적인 박막 제조에 사용될 수 있는 용매의 종류는 매우 제한적일 수 밖에 없다. 본 논문에서는 기존에 알려진 용매들의 적절한 조합으로 인해 다층 박막 제작이 가능함을 보이고, 이를 이용하여 용액 공정 기반 유기 트랜지스터를 제작하여 성능의 향상을 보일 것이다.
참고문헌 (12)
R.-H. Kim, S. Kim, Y. M. Song, H. Jeong, T.-I. Kim, J. Lee, X. Li, K. D. Choquette and J. A. Rogers, "Flexible Vertical Light Emitting Diodes," Small 8(20), 3123-3128 (2012)
F. N. Ishikawa , H.-k. Chang , K. Ryu , P.-c. Chen , A. Badmaev , L. G. De Arco , G. Shen and C. Zhou, "Transparent Electronics Based on Transfer Printed Aligned Carbon Nanotubes on Rigid and Flexible Substrates", ACS Nano, 3 (1), pp 73-79 (2009)
D.-H. Kim, J. Viventi, J. J. Amsden, J. Xiao, L. Vigeland, Y.-S. Kim, J A. Blanco, B. Panilaitis, E. S. Frechette, D. Contreras, D. L. Kaplan, F. G. Omenetto, Y. Huang, K.-C. Hwang, M. R. Zakin, B. Litt and J. A. Rogers, "Dissolvable Films of Silk Fibroin for Ultrathin Conformal Bio-Integrated Electronics," Nature Materials 9, 511-517 (2010).
D.-H. Kim, R. Ghaffari, N. Lu, S. Wang, S. P. Leeb, H. Keume, R. D'Angelo, L. Klinker, Y. Su, C. Lu, Y.-S. Kim, A. Ameen, Y. Li, Y. Zhang, B. de Graff, Y.-Y. Hsu, Z. Liu, J. Ruskin, L. Xu, C. Lu, F. G. Omenetto, Y. Huang, M. Mansour, M. J. Slepian and J. A. Rogers, "Electronic Sensor and Actuator Webs for Large-Area Complex Geometry Cardiac Mapping and Therapy," Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 109(49) 19910-19915 (2012)
W. Y. Kim, J.-H. Bae, and H. C. Lee, "Fabrication and Characterization of Ferroelectric Multilayered Films Fabricated by Solvent Blending", Journal of the Korean Physical Society, vol.61, no.9, p.1518 (2012)
S. E. Frittz, T. W. Kelley, and C. D. Frisbie, "Effect of Dielectric Roughness on Performance of Pentacene TFTs and Restoration of Performance with a Polymeric Smoothing Layer", The Journal of Physical Chemistry B, vol.109(21), pp.10574-10577 (2005)
D. Choi, S. Jin, Y. Lee, S. H. Kim, D. S. Chung, K. Hong, C. Yang, J. Jung, J. K. Kim, M. Ree, and C. E. Park, "Dielectric Observation of Interfacial Morphology in Poly(3-hexylthiophene) Transistor: Relationship between Grain Boundary and Field-Effect Mobiity", ACS Applied Materials and Interfaces, vol. 2(1), pp.48-53 (2010)
S. Fujisaki, H. Ishiwara, and Y. Fujisaki, "Low - voltage operation of ferroelectric poly (vinylidene fluoride- trifluoroethylene) copolymer capacitors and metal - ferroelectric - insulator - semiconductor diodes", Applied Physics Letters, vol.90, pp.162902 (2007)
Y. J. Park, H. J. Jeong, J. Chang, S. J. Kang, and C. Park, "Recent Development in Polymer Ferroelectric Field Effect Transistor Memory", Journal of Semiconductor Technology and Science, vol.8 (1), pp.51-65 (2008)
S. J. Kang, W. J. Lee, D. H. Chang, and Y. S. Yoon, "A Study on the Dielectric Properties and Electrical Conduction of PVDF Thin Films by Physical Vapor Deposition", 전자공학회논문지 SD편, vol. 37(5), pp.9-15 (2000)
D. H. Chang, S. J. Kang, and Y. S. Yoon"Pyroelectric Properties of the $\beta$ -PVDF (Poly(vilnylidene fluoride)) Thin Film Prepared by Vacuum Deposition with Applying Electric Field", 전자공학회논문지 SD편, vol.39(5), pp.23-30 (2002)
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