[논문]유기전계효과 트랜지스터의 반도체/고분자절연체 계면에 발생하는 비가역적 전하트래핑에 관한 연구

임재민; 최현호

doi:10.17702/jai.2020.21.4.129

유기전계효과 트랜지스터의 반도체/고분자절연체 계면에 발생하는 비가역적 전하트래핑에 관한 연구
Irreversible Charge Trapping at the Semiconductor/Polymer Interface of Organic Field-Effect Transistors 원문보기

접착 및 계면 = Journal of adhesion and interface, v.21 no.4, 2020년, pp.129 - 134

임재민 (경상대학교 나노신소재융합공학과) , 최현호 (경상대학교 나노신소재융합공학과)

초록
AI-Helper

공액분자반도체와 고분자절연체 계면에서 전하트래핑을 이해하는 것은 장시간 구동가능한 안정성 높은 유기전계효과 트랜지스터(이하 유기트랜지스터) 개발을 위해 중요하다. 본 연구에서는 다양한 분자량의 고분자절연체를 이용한 유기트랜지스터의 전하이동 특성을 평가하였다. Polymethyl methacrylate (PMMA) 표면 위에 적층된 펜타센 공액반도체의 모폴로지와 결정성은 PMMA 분자량에 무관함이 나타났다. 그 결과 트랜지스터 소자의 초기 트랜스퍼 곡선과 전하이동도는 분자량에 상관없었다. 하지만, 적정한 상대습도 환경에서 소자에 바이어스가 인가되었을 경우, 바이어스 스트레스 효과로 불리는 드레인전류 감소와 트랜스퍼 곡선 이동은 PMMA 분자량이 감소할수록 증대됨이 관찰되었다(분자량 효과). 분자량 효과에 의한 전하트래핑은 회복이 매우 어려운 비가역적인 과정임을 밝혀 내었다. 이러한 분자량 효과는 PMMA 존재하는 고분자사슬 말단의 밀도 변화에 의한 것으로 판단된다. 즉, PMMA 고분자사슬 말단이 가지는 자유부피가 전하트랩으로 작용하여 분자량에 민감한 바이어스 스트레스 효과를 일으킨 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Understanding charge trapping at the interface between conjugated semiconductor and polymer dielectric basically gives insight into the development of long-term stable organic field-effect transistors (OFET). Here, the charge transport properties of OFETs using polymer dielectric with various molecular weights (MWs) have been investigated. The conjugated semiconductor, pentacene exhibited morphology and crystallinity, insensitive to MWs of polymethyl methacrylate (PMMA) dielectric. Consequently, transfer curves and field-effect mobilities of as-prepared devices are independent of MWs. Under bias stress in humid environment, however, the drain current decay as well as transfer curve shift are found to increase as the MW of PMMA decreases (MW effect). The charge trapping induced by MW effect is irreversible, that is, the localized charges are difficult to be delocalized. The MW effect is caused by the variation in the density of polymer chain ends in the PMMA: the free volumes at the PMMA chain ends act as charge trap sites, corresponding to drain current decay depending on MWs of PMMA.

주제어

표/그림 (7)

그림 Figure 1. (a) Molecular structure of pentacene semiconductor and polymethylmethacrylate (PMMA) gate insulator. (b) Device structure of pentacene organic field-effect transistor (OFET).
그림 Figure 2. Atomic force microscope topographic images of pentacene thin film deposited onto PMMA layer with variable molecular weight (9~390 kDa). Thickness of pentacene layer: (a) 3 nm, (b) 10 nm. Scale bar: 1 μm.
$Figure 3. X-ray diffraction pattern of pentacene thin films (thickness: 50 nm) deposited onto PMMA layers with variable molecular weight (9~390 kDa) - theta-2theta mode, wavelength = 1.54 Å, 10C1-Pohang Acceleration Laboratory.$ 그림 Figure 3. X-ray diffraction pattern of pentacene thin films (thickness: 50 nm) deposited onto PMMA layers with variable molecular weight (9~390 kDa) - theta-2theta mode, wavelength = 1.54 Å, 10C1-Pohang Acceleration Laboratory.
그림 Figure 4. Electrical characteristics of pentacene OFETs based on PMMA with variable molecular weight (9~390 kDa): (a) Transfer curves (Gate voltage, V_G dual sweep from 60 V to -60 V; drain voltage, V_D = -5 V) (b) Dependence of field-effect mobility extracted by Eq. 2 on V_G.
그림 Figure 5. (a) Schematic of bias-stress-induced modulation of density-of-the-states (DOS) at the interface between organic semiconductor and gate dielectric. Band edge charge carriers are delocalized, contributing to the charge transport and drain current, but some of them are localized by bias stress, resulting in the decrease of density of mobile charge carriers and drain current. (b, c) Bias-stress experiment conducted under vacuum (10^-3 Torr): (b) 9 kDa PMMA, (c) 62 kDa PMMA (black square: before bias stress; red circle: after bias stress - V_G = -60 V and V_D = -5 V for 2 hours; blue triangle: after 2 hours of recovery). (d) Dependence of bias-stress effect of OFET using 62 kDa PMMA on relative humidity, RH. (e) Bias stress and recovery experiments of the OFET based on 62 kDa PMMA conducted under RH = 30%: black square: before bias stress, red circle (step I): after bias stress, blue triangle (step II): 10 hours of recovery of the bias-stressed device, and purple inverted triangle: 2 hours exposure of humid environment without bias stress.
그림 Figure 6. Bias-stress experiment under humid N₂ (RH = 30%): time-dependent I_D with fixed V_G = -60 V and V_D = -5 V.
그림 Figure 7. Water molecule-induced irreversible charge trapping as an origin of MW effect. (a) Water molecule trapping at the free volume of PMMA chain-end, resulting in charge trapping. (b) Proton (H⁺) generation at the conducting channel of OFET and proton migration into PMMA chain-end.

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 PMMA 고분자절연체 분자량이 펜타센/PMMA 계면에서 일어나는 전하이동 현상에 미치는 영향을 규명하였다. 증착된 펜타센의 모폴로지와 결정성은 분자량에 영향을 받지 않아, 이로 인해 트랜지스터 소자의 초기 전하이동특성은 분자량효과를 가지지 않았다.
본 연구에서는 고분자절연체 분자량이 유기반도체 성장과 소자 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 특히, 기존 연구와 다르게 트랜지스터 소자의 전하이동도 평가 외에도 장시간 구동 안정성을 확인할 수 있는 바이어스 스트레스 안정성도 함께 평가하였다.

제안 방법

PMMA 분자량이 펜타센 유기반도체 물성에 미치는 영향을 파악하기 위해 우선 원자현미경을 이용하여 펜타센 모폴로지를 분석하였다. 두 종류 두께(3, 10 nm)의 펜타센 박막을 분석하여 박막 성장 초기와 후기 모폴로지가 PMMA 분자량에 따라 어떻게 변화하는지 확인하였다(Fig.
본 연구에서는 고분자절연층 표면에 반도체층이 형성되는 top-contact bottom-gate 구조가 이용되었다. Polymethyl methacrylate(PMMA) 고분자절연층이 300 nm 두께를 가진 SiO₂ 위에 스핀코팅으로 도포되어, PMMA/SiO₂ 이중층으로 구성된 게이트절연층을 만들어 게이트 전극으로부터 전하유입과 누설전류를 최소화하였다. Reflectometer로 측정된 PMMA 두께는 ~200 nm로 이중층 게이트절연층의 전기용량(capacitance)은 4.
모폴로지를 분석하였다. 두 종류 두께(3, 10 nm)의 펜타센 박막을 분석하여 박막 성장 초기와 후기 모폴로지가 PMMA 분자량에 따라 어떻게 변화하는지 확인하였다(Fig. 2). 그림에서 나타나듯이 펜타센 아일랜드의 개수/크기는 3 nm 샘플보다 10 nm 샘플에서 적고/큰데, 이를 통해 10 nm 펜타센 아일랜드는 여러 개의 결정계가 모인 집합체인 것으로 판단된다.
스핀코팅으로 박막을 도포할 경우, 일반적으로 같은 농도에서 분자량이 높을수록 박막 두께가 증가한다. 따라서 PMMA 고분자절연층의 두께를 200 nm로 유지하기 위해 PMMA가 녹아있는 톨루엔 용액의 농도와 스핀코팅 속도(rpm)를 조절하였다. 스핀코팅된 PMMA층의 두께(t)와 분자량(MW), 농도(c, wt%), 스핀코팅속도(v, rpm)는 다음과 같은 상관관계를 가짐을 확인하였다[9].
1에 나타나 있다. 본 연구에서는 고분자절연층 표면에 반도체층이 형성되는 top-contact bottom-gate 구조가 이용되었다. Polymethyl methacrylate(PMMA) 고분자절연층이 300 nm 두께를 가진 SiO₂ 위에 스핀코팅으로 도포되어, PMMA/SiO₂ 이중층으로 구성된 게이트절연층을 만들어 게이트 전극으로부터 전하유입과 누설전류를 최소화하였다.
본 연구에서는 이러한 소자제작 과정에서 다양한 분자량의 PMMA (9, 62, 390 kDa, PDI < 1.2)를 도입하였다. 스핀코팅으로 박막을 도포할 경우, 일반적으로 같은 농도에서 분자량이 높을수록 박막 두께가 증가한다.
5(b), (c) 실험과 같이 진공환경에 노출된 경우, 소자 특성은 원상태로 복구하는 것을 확인할 수 있었다. 상대습도에 의한 바이어스 스트레스 효과 증대를 명확하게 규명하기 위해 소자에 바이어스 스트레스를 인가하지 않고 RH = 30%에만 노출하였다.
5(b), (c) 결과는 수분이 배제된 진공환경에서 수행된 결과이다. 소자가 습도에 노출되었을 경우 바이어스 스트레스 안정성 변화를 관찰하기 위해 소자가 노출되는 상대습도(relative humidity, RH)를 체계적으로 조절해가며 소자의 장시간 구동(VG = -60 V, VD = -5 V, 2시간 인가) 전후 트랜스퍼 곡선을 측정하였다. 62 kDa PMMA를 이용한 펜타센 트랜지스터를 측정에 사용하였다.
Polystyrene 고분자사슬 말단은 중간부에 비해 높은 자유부피(free volume)을 가지는데[14, 15], 해당 공간으로 물분자가 침투하고 이것이 펜타센에 존재하는 전하를 트래핑하는 위치가 됨을 규명하였다. 이와 같이 상대습도 노출하에서 소자의 PMMA 분자량에 따른 바이어스 스트레스 효과 변화를 비교하기 위해 장시간 구동을 유지한 채 드레인전류 ID(t) 변화를 관찰하였다. Fig.
수 있다. 이의 확인을 위해 우선 소자의 스위칭특성을 평가하였다. Fig.
7에 나타내었다. 첫번째로는 사슬말단의 높은 자유부피로 물분자가 침투하고 이것들이 전하를 트래핑시킨다. 두 번째로는 본 연구에 이용된 소자구조에서는 물분자 침투는 펜타센 전하이동층을 거쳐 들어간다.
특히, 기존 연구와 다르게 트랜지스터 소자의 전하이동도 평가 외에도 장시간 구동 안정성을 확인할 수 있는 바이어스 스트레스 안정성도 함께 평가하였다.
펜타센 박막의 결정성은 X-선 회절(theta-2theta mode, Pohang Acceleration Laboratory) 실험을 통해 분석하였다. Fig.
펜타센 유기트랜지스터의 PMMA 분자량에 따른 바이어스 스트레스 효과 변화를 관찰하기 위해 바이어스스트레스(VG = -60 V, VD = -5 V, 2시간 인가) 전후트랜스퍼 곡선을 측정하였다. Fig.

대상 데이터

소자가 습도에 노출되었을 경우 바이어스 스트레스 안정성 변화를 관찰하기 위해 소자가 노출되는 상대습도(relative humidity, RH)를 체계적으로 조절해가며 소자의 장시간 구동(VG = -60 V, VD = -5 V, 2시간 인가) 전후 트랜스퍼 곡선을 측정하였다. 62 kDa PMMA를 이용한 펜타센 트랜지스터를 측정에 사용하였다. Fig.
Polymethyl methacrylate(PMMA) 고분자절연층이 300 nm 두께를 가진 SiO₂ 위에 스핀코팅으로 도포되어, PMMA/SiO₂ 이중층으로 구성된 게이트절연층을 만들어 게이트 전극으로부터 전하유입과 누설전류를 최소화하였다. Reflectometer로 측정된 PMMA 두께는 ~200 nm로 이중층 게이트절연층의 전기용량(capacitance)은 4.92 nF⋅cm^-2 (at 10 kHz)로 측정되었다. 유기반도체는 증착용 반도체로 많이 사용되는 펜타센을 이용하였다.
첫번째로는 사슬말단의 높은 자유부피로 물분자가 침투하고 이것들이 전하를 트래핑시킨다. 두 번째로는 본 연구에 이용된 소자구조에서는 물분자 침투는 펜타센 전하이동층을 거쳐 들어간다. Sharma 연구팀 보고에 따르면 이 경우 물분자(H₂O)와 하전된 유기반도체(OS+) 간 전기화학 반응에 의해 프로톤(H+)이 생성될 수 있다: 2H₂O + 4OS+ → 4H+ + O₂(g) + 4OS.
92 nF⋅cm^-2 (at 10 kHz)로 측정되었다. 유기반도체는 증착용 반도체로 많이 사용되는 펜타센을 이용하였다. 펜타센 박막의 미세구조는 증착공정에서 기판 표면의 물리/화학 특성에 크게 민감하다고 보고되어 있다[7, 8].

이론/모형

펜타센 박막의 미세구조는 증착공정에서 기판 표면의 물리/화학 특성에 크게 민감하다고 보고되어 있다[7, 8]. 열증착법(thermal evaporation)으로 패터닝된 Au를 소스-드레인 전극으로 이용하여 트랜지스터소자를 완성하였다.

성능/효과

흥미롭게도 습도가 배제된 진공 환경에서 수행한 Fig. 5(b), ©와 달리 트랜스퍼 곡선 Ⅱ는 스트레스 전 상태로 완벽하게 돌아가지 못함이 확인되었다. 따라서, 수분이 기여하는 전하트랩이 비가역적 전하트래핑(irreversible charge trapping)을유도함을 확인할 수 있다.
해당 소자를 다시 Fig. 5(b), (c) 실험과 같이 진공환경에 노출된 경우, 소자 특성은 원상태로 복구하는 것을 확인할 수 있었다. 상대습도에 의한 바이어스 스트레스 효과 증대를 명확하게 규명하기 위해 소자에 바이어스 스트레스를 인가하지 않고 RH = 30%에만 노출하였다.
이는 고분자 사슬중간부(chain middle)와 말단(chain end)화학기가 가지는 표면에너지가 달라 고분자박막의 표면에너지 불균일도가 PS 분자량이 감소할수록 증가하기 때문이라고 설명하였다. 본 실험결과는 Liu 연구팀의 실험경향과 다른데, 1) PMMA 사슬 말단이 만들어내는 표면에너지불균일도 변화가 적거나 2) 9 kDa보다 더 낮은 분자량에서 Liu 연구팀의 결과와 유사한 결과가 나올 것으로 판단된다.
펜타센 모폴로지, 결정성이 PMMA 분자량에 무관함으로 분자량효과를 일으키는 비가역적 전하트래핑은 펜타센/PMMA 계면 전하이동층에 인접한 PMMA에서 일어나는 것으로 판단된다. 그리고 PMMA에 트랩된 전하밀도는 PMMA 분자량이 감소할수록 증가하는 것으로 판단된다.
5(b), ©와 달리 트랜스퍼 곡선 Ⅱ는 스트레스 전 상태로 완벽하게 돌아가지 못함이 확인되었다. 따라서, 수분이 기여하는 전하트랩이 비가역적 전하트래핑(irreversible charge trapping)을유도함을 확인할 수 있다. 해당 소자를 다시 Fig.
나타나는 회절피크는 모두 펜타센의 (00l) 피크로 판단된다[7, 8]. 앞선 원자현미경을 통한 모폴로지 분석결과와 유사하게 (00l) 피크의 세기와 full width of half maximum (FWHM) 모두 PMMA 분자량에 무관한 것으로 나타났다. 따라서 펜타센 박막 성장은 PMMA 분자량 9-390 kDa에서는 분자량에 무관한 것으로 판단된다.
4(a)는 펜타센 유기트랜지스터의 게이트전압(VG) 인가에 따른 소스-드레인 전류(ID)를 나타내는 트랜스퍼 곡선이다. 유기트랜지스터가 스위칭 소자로 작동하기 위해서는 VG에 따른 ID의 급격한 변화가 관찰되고 ID의 급격한 증가지점의 VG(Von이라 정의함)가 0 V 근처이어야 하는데, 모든 소자들이 분자량에 무관하게 105배 이상의 ID 변화를 나타내었고, Von~0 V임이 관찰되어 스위칭 소자로 정상적 작동함을 확인하였다. 중요한 점은 PMMA 분자량에 무관하게 동일한 트랜스퍼 곡선을 나타내었다는 점이다.

참고문헌 (16)

A. F. Paterson, S. Singh, K. J. Fallon, T. Hodsden, Y. Han, B. C. Schroeder, H. Bronstein, M. Heeney, I. McCulloch, T. D. Anthopoulos, Adv. Mater., 30, 1801079 (2018).

상세보기
S. Park, S. H. Kim, H. H. Choi, B. Kang, K. Cho, Adv. Funct. Mater., 30, 1904590 (2020).

상세보기
S. G. Lee, H. H. Choi, Journal of Adhesion and Interface, 20, 162 (2019).

원문보기 상세보기
W. H. Lee, H. H. Choi, D. H. Kim, K. Cho, Adv Mater., 26, 1660 (2014).

상세보기
C. Kim, A. Facchetti, T. J. Marks, Science, 318, 76 (2007).

상세보기
X. Sun, Y. Liu, C. Di, Y. Wen, Y. Guo, L. Zhang, Y. Zhao, G. Yu, Adv. Mater., 23, 1009 (2011).

상세보기
H. S. Lee, D. H. Kim, J. H. Cho, M. Hwang, Y. Jang, K. Cho, J. Am. Chem. Soc., 130, 10556 (2008).

상세보기
H. Yang, T. J. Shin, MM. Ling, J. Am. Chem. Soc., 127, 11542 (2005).

상세보기
D. W. Schubert, Polymer Bulletin, 38, 177 (1997).

상세보기
G. Horowitz, Adv. Mater., 10, 365 (1998).

상세보기
B. Lee, A. Wan, D. Mastrogiovanni, J. E. Anthony, E. Garfunkel, V. Podzorov, Phys. Rev. B., 82, 085302 (2010).

상세보기
V. Podzorov, E. Menard, A. Borissov, V. Kiryukhin, J. A. Rogers, M. E. Gershenson, Phys. Rev. Lett., 93, 086602 (2004).

상세보기
H. H. Choi, W. H. Lee, K. Cho, Adv. Funct. Mater., 22, 4833 (2012).

상세보기
W. C. Yu, C. S. P. Sung, R. E. Robertson, Macromolecules, 21, 355 (1988).

상세보기
J. Liu, Q. Deng, Y. C. Jean, Macromolecules, 26, 7149 (1993).

상세보기
A. Sharma, S. G. J. Mathijssen, E. C. P. Smits, M. Kemerink, D. M. de Leeuw, P. A. Bobbert, Phys. Rev. B., 82, 075322 (2010).

상세보기

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증